CN111774097A - 一种乙烯齐聚催化剂体系及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种乙烯齐聚的催化剂体系及其应用,所述催化剂体系包括如式Ⅰ结构所示的膦‑氮‑硅配体、过渡金属的化合物和烷基铝助催化剂;所述过渡金属化合物/膦‑氮‑硅配体的摩尔比为1:0.8‑5,所述烷基铝助催化剂/过渡金属化合物的摩尔比50‑2000:1。本发明的乙烯齐聚催化剂体系活性可达600kg/gNi.h,目标产物选择性高,1‑己烯和1‑辛烯选择性之和可达83%之上。
Description
技术领域
本发明属于乙烯齐聚反应的技术领域,具体涉及一种乙烯齐聚催化剂体系及其应用。
背景技术
线性α-烯烃是指C=C双键在分子链端位(即α位)的直链烯烃,可用作乙烯共聚单体、增塑剂、脂肪酸、润滑油添加剂等众多领域。随着下游应用的发展,线性α-烯烃的需求越来越大。其中,增长趋势最为突出的领域是共聚单体,聚α-烯烃和其他特殊化学品市场也将有较大发展。聚乙烯共聚单体(主要是1-丁烯、1-己烯和1-辛烯)是线性α-烯烃的最大消费市场,主要用于生产高密度聚乙烯(HDPE)和线性低密度聚乙烯(LLDPE)。相比于1-丁烯,以1-己烯和1-辛烯为共聚单体的聚乙烯具有更高的撕裂强度以及抗应力开裂性等优异性能,越来越获得市场的青睐。
目前工业上生产线性α-烯烃仍以乙烯齐聚为主,产品成全馏分分布,产品的下游应用范围较广。乙烯选择性四聚催化剂可以高选择性的生产高附加值的1-己烯和1-辛烯,越来越受到广大研究人员的关注。Sasol公司的Bollmann等人(J.AM.CHEM.SOC.2004,126,14712-14713)采用Cr/PNP/MAO催化体系,第一次实现了乙烯三聚向四聚的转变,其中1-己烯和1-辛烯的选择性达到了80%。PNP配体氮上的取代基团对产物选择性影响显著,相关研究在文献N-substituted diphosphinoamines:Toward rational ligand design for theefficient tetramerization of ethylene.Journal of Catalysis.2007,245(2):279-284有报道。专利CN105562102A、CN105562090A、CN105562100A、CN107282124A、CN107282130A、CN102451758B等专利公开了一系列不同PNP配体的乙烯四聚催化剂。
其它不同种类的乙烯四聚催化剂也有相关研究。韩国SK化学的专利US8609924B2公开了一种PCCP骨架结构配体的铬系催化剂,该催化剂齐聚活性可达168kg/gCr,同等条件下齐聚活性高于PNP配体。专利CN101605605A同样公开了利用含P-C-C-P骨架结构配体的铬系催化剂用于乙烯四聚制备1-辛烯的方法。
从公开的文献和专利来看,现有的乙烯四聚催化剂产物中1-己烯和1-辛烯的整体选择性均不是很高,基本都在85%以下。本发明针对现有的问题,公开了一种包含膦-氮-硅配体和Ni/Cr基的金属化合物前驱体的催化剂体系,可以将1-己烯和1-辛烯的选择性提高到85%以上。
发明内容
本发明的目的在于提供一种乙烯齐聚催化剂体系,以及其在乙烯齐聚反应中的应用。本发明催化剂提高了乙烯齐聚反应过程中1-己烯和1-辛烯的选择性,具有优异的工业化前景。
本发明提供的一种乙烯齐聚的催化剂体系,其包括膦-氮-硅配体、过渡金属化合物、烷基铝助催化剂,其中,所述膦-氮-硅配体结构如式Ⅰ所示:
其中,R1、R2各自独立地选自烷基、环烷基,优选自甲基、乙基、异丙基、正丙基、异丁基、叔丁基、异戊基、环丁基、环戊基、环己基。
本发明所述的催化剂体系,其中,过渡金属化合物/膦-氮-硅配体的摩尔比为1:0.8-5,优选为1:1-2;烷基铝助催化剂/过渡金属化合物的摩尔比50-2000:1,优选100-1000:1。
本发明所述的过渡金属化合物选自铬、钼、钴、钛、钒、锆、镍和钯的化合物中的一种或两种以上,优选铬、锆、镍的化合物中的至少一种;所述过渡金属化合物可以是过渡金属的有机盐、无机盐、配位络合物或者有机金属络合物,优选为乙酰丙酮铬、氯化铬、三(四氢呋喃)三氯化铬、2-乙基己酸铬(III)、辛酸铬(III)、六羰基铬、(苯)三羰基铬、乙酰丙酮镍、氯化镍、2-乙基己酸镍(II)、辛酸镍、四羰基镍、硫氰酸镍、乙酰丙酮锆、四氯化锆中的一种或两种以上。
本发明所述的烷基铝助催化剂选自三甲基铝、三乙基铝、三异丁基铝、三辛基铝、一氯二乙基铝、二氯乙基铝、倍半乙基氯化铝、甲基铝氧烷(MAO)、改性甲基铝氧烷(MMAO)、乙基铝氧烷中的至少一种,优选为甲基铝氧烷和/或改性甲基铝氧烷。
本发明还提供式Ⅰ结构所示的膦-氮-硅配体的制备方法,包括:
1)首先在无水无氧条件下,将咪唑溶解在溶剂A中得到反应液一;
2)在-10~0℃下,搅拌条件下向反应液一中加入三乙胺和/或叔丁胺,然后缓慢加入过量二苯基氯化膦,滴加完毕后,缓慢升至室温,搅拌反应6-24h,提纯处理得到如式Ⅱ结构所示的产物一。式Ⅱ所示的化合物结构如下所示:
3)无水无氧条件下,将产物一溶解在溶剂A中得到反应液二;
4)在-90~-60℃下,搅拌下向所述反应液二中滴加正丁基锂,继续向其中加入如结构Ⅲ所示的化合物,搅拌反应3-6h后,室温下继续搅拌反应6-24h,提纯处理反应液得到产物二,即为膦-氮-硅配体。式Ⅲ所示的化合物结构如下所示:
其中,R1、R2各自独立地选自烷基、环烷基,优选自甲基、乙基、异丙基、正丙基、异丁基、叔丁基、异戊基、环丁基、环戊基、环己基。
进一步的,所述溶剂A选自二氯甲烷、乙腈、正己烷、正庚烷中的一种或多种。
步骤2)中,咪唑与三乙胺和/或叔丁胺的摩尔比为1:0.5-3,咪唑与二苯基氯化膦的摩尔比为1:0.5-3.5。
步骤4)中,式Ⅱ结构化合物与所述正丁基锂的摩尔比为1:1.5-2,式Ⅱ结构化合物与所述式Ⅲ结构化合物的摩尔比为1:0.2-1.2。
所述的提纯处理包括将反应液进行柱层析提纯得到目标产物以及将目标产物进行重结晶,所述柱层析提纯使用的层析柱高径比为2-5,停留时间1-3min,重结晶所用溶剂为乙醇和乙酸乙酯的混合溶剂。
本发明还提供了上述催化剂的应用,其用于乙烯齐聚反应。
在本发明的一些优选实施方式中,所述乙烯齐聚反应的方法为:反应前需将反应釜加热至110-160℃,抽真空1-5h,采用氮气置换,待温度冷却至室温,乙烯置换,先加入烷基铝助催化剂,然后加入过渡金属化合物、膦-氮-硅配体,待温度达到反应温度后,依次通入0.2-0.7Mpa氢气、2MPa-7MPa乙烯开始反应,反应温度30-90℃,优选40-65℃,反应时间10min-240min,优选20min-100min。优选地,反应釜中过渡金属化合物的浓度是:0.1-100umol/(100ml溶剂)。
在一个更具体的实施方案中,本发明所述的催化剂组合物的聚合方法如下所示:在300mL高压反应釜中进行聚合,使用精制(脱水脱氧)后的烷烃作为溶剂B。反应前将反应釜加热至130℃,抽真空1-3h,氮气置换三次。待温度冷却至室温,乙烯置换两次,先加入定量的烷基铝助催化剂,然后加入过渡金属化合物、膦-氮-硅配体,待温度恒定在反应温度附近,依次通入0.2-0.7Mpa氢气、2MPa-7MPa乙烯开始反应。反应温度30-90℃,优选40-65℃,反应时间10min-240min,优选20min-100min。反应结束后,关闭乙烯进气阀门,用冰水浴或液氮迅速降温,缓慢泄压,卸釜得到乙烯齐聚产物。
所述的乙烯齐聚反应,烷基铝助催化剂溶于溶剂B中使用;过渡金属化合物、膦-氮-硅配体溶于溶剂B中使用。溶剂B选自正丁烷、异丁烷、正戊烷、环戊烷、甲基环戊烷、亚甲基环戊烷、正己烷、环己烷、甲基环己烷、正庚烷、正辛烷、正壬烷、苯、甲苯、二甲苯中的一种或两种以上。
与现有技术相比,本发明的乙烯齐聚催化剂体系具有用于乙烯齐聚的活性可达600000g/(gM·h)以上,其中M表示所使用的过渡金属,1-己烯和1-辛烯的总选择性大于83%,可以降低生产成本,经济附加值高。
具体实施方式
以下具体实施例只对本发明进行说明,但这些实例仅是本发明的部分内容,并不限制本发明在其他领域中的应用。
实施例中所用原料均为本领域常规原料,所用的纯度规格为分析纯或化学纯。
原料来源信息:
咪唑:99%,天津希恩思生化科技有限公司
三乙胺:≥99.5%(GC),上海阿拉丁生化科技有限公司
二苯基氯化膦:97%,阿法埃莎(中国)化学品有限公司
二氯二甲基硅烷:≥99.5%,西格玛奥德里奇(上海)贸易有限公司
异丙基甲基二氯硅烷:99%,上海昕凯医药科技有限公司
叔丁基甲基二氯硅烷:>95%,百灵威科技有限公司
环己基甲基二氯硅烷:99%,上海昕凯医药科技有限公司
环戊基甲基二氯硅烷:99%,上海昕凯医药科技有限公司
正丙基甲基二氯硅烷:99%,上海昕凯医药科技有限公司
乙酰丙酮锆:98%。上海泰坦科技股份有限公司
乙酸乙酯:99.9%%,百灵威科技有限公司
乙醇:分析纯,国药集团化学试剂有限公司
齐聚反应的催化剂活性通过对反应液中的各组分进行定性定量分析,所用的GC分析仪器的条件如下:
仪器型号:岛津GC2010
色谱柱:DB-5(30m 0.25mm 0.25μm)
柱温:40℃保持3min,以10℃/min升温至160℃,保持5min,然后以30℃/min升温至300℃,保持15min。
进样口温度:280℃。
FID温度:300℃。
N2流量:40mL/min。
H2流量:400mL/min。
隔垫吹扫(N2)流速:3.0mL/min。
载气(N2)流速:1.0mL/min。
分流进样,分流比50:1。
进样量:1.0μL。
实施例1
膦-氮-硅配体的制备:相关溶剂使用前分子筛浸泡除水。
无水无氧条件下,将3mol咪唑溶解在200ml二氯甲烷中得到反应液一;在-5℃下,搅拌条件下向反应液一中加入3.3mol三乙胺,然后缓慢加入3.3mol二苯基氯化膦,滴加完毕后,缓慢升至室温,搅拌反应12h,将反应液使用柱层析提纯(四氢呋喃淋洗,高径比为3,停留时间2min),然后在78℃下进行重结晶(溶剂为摩尔比乙醇:乙酸乙酯=6:1),处理得到2.6mol如式Ⅱ结构所示的产物一(1-(二苯基膦)基-1H-咪唑)。
无水无氧条件下,将2mol产物一溶解在180ml二氯甲烷中得到反应液二;在-78℃下,搅拌下向所述反应液二中滴加3mol正丁基锂,然后向其中缓慢加入0.9mol如结构Ⅲ所示的化合物(二氯二甲基硅烷),搅拌反应5h后,室温下继续搅拌反应12h,将反应液使用柱层析提纯(四氢呋喃淋洗,高径比为3,停留时间1.5min),然后在78℃下进行重结晶(溶剂为乙醇:乙酸乙酯=5:1),处理反应液得到产物二,即为膦-氮-硅配体L1,L1结构如下式所示:
上述配体(L1)的核磁数据如下:1H NMR(400MHz,CDCl3):7.38~7.45(m,20H),7.02~7.26(m,4H),0.14(s,6H)
乙烯齐聚:
氮气氛围下,取4.2μmol膦-氮-硅配体L1和3.5μmol乙酰丙酮锆于脱水脱氧精制后的7ml甲基环己烷中,搅拌1h后备用。
反应前将300ml反应釜加热至130℃,抽真空3h,氮气置换三次。待温度冷却至室温,乙烯置换两次,先加入100ml脱水脱氧的溶剂甲基环己烷和定量的(Al/Zr=300,摩尔比,下同)MMAO-3a(7wt%Al,正庚烷),然后加入前述的7ml溶有乙酰丙酮锆、膦-氮-硅配体L1的混合甲基环己烷,待温度恒定在45℃,依次通入0.5MPa氢气、5MPa乙烯开始反应。反应温度45℃,反应时间40min。反应结束后,关闭乙烯进气阀门,用冰水浴迅速降温至5℃以下,缓慢泄压,卸釜得到乙烯齐聚产物。
采用GC分析产物,活性750kg/gZr.h,(1-己烯+1-辛烯)选择性85.2%。
实施例2
膦-氮-硅配体的制备:膦-氮-硅配体L2的制备方法如实施例1,区别在于加入的结构Ⅲ所示的化合物为异丙基甲基二氯硅烷,膦-氮-硅配体L2的结构如下所示:
上述配体(L2)的核磁数据如下:1H NMR(400MHz,CDCl3):7.38~7.45(m,20H),7.02~7.26(m,4H),1.78(s,1H),0.92(s,6H),0.14(s,3H)
乙烯齐聚:
氮气氛围下,取6μmol膦-氮-硅配体L2和5μmol乙酰丙酮镍于脱水脱氧精制后的10ml甲基环己烷中,搅拌1h后备用。
反应前将500ml反应釜加热至150℃,抽真空2h,氮气置换三次。待温度冷却至室温,乙烯置换两次,先加入200ml脱水脱氧的溶剂甲基环己烷和定量的(Al/Ni=500)MMAO-3a(7wt%Al,正庚烷),然后加入前述的10ml溶有乙酰丙酮镍、膦-氮-硅配体L2的混合甲基环己烷,待温度恒定在50℃,依次通入0.4MPa氢气、4.5MPa乙烯开始反应。反应温度50℃,反应时间60min。反应结束后,关闭乙烯进气阀门,用冰水浴迅速降温至5℃以下,缓慢泄压,卸釜得到乙烯齐聚产物。
采用GC分析产物,活性835kg/gNi.h,(1-己烯+1-辛烯)选择性85.7%。
实施例3
膦-氮-硅配体的制备:膦-氮-硅配体L3的制备方法如实施例1,区别在于加入的结构Ⅲ所示的化合物为叔丁基甲基二氯硅烷,膦-氮-硅配体L3的结构如下所示:
上述配体(L3)的核磁数据如下:1H NMR(400MHz,CDCl3):7.38~7.45(m,20H),7.02~7.26(m,4H),0.98(s,9H),0.14(s,3H)
乙烯齐聚:
氮气氛围下,取4.2μmol膦-氮-硅配体L3和3.5μmol氯化镍于脱水脱氧精制后的7ml甲苯中,搅拌0.5h后备用。
反应前将500ml反应釜加热至120℃,抽真空2h,氮气置换三次。待温度冷却至室温,乙烯置换两次,先加入200ml脱水脱氧的溶剂甲苯和定量的(Al/Ni=400)MAO(10wt%,甲苯),然后加入前述的7ml溶有氯化镍、膦-氮-硅配体L3的混合甲苯,待温度恒定在50℃,依次通入0.3MPa氢气、4.5MPa乙烯开始反应。反应温度50℃,反应时间60min。反应结束后,关闭乙烯进气阀门,用冰水浴迅速降温至5℃以下,缓慢泄压,卸釜得到乙烯齐聚产物。
采用GC分析产物,活性789kg/gNi.h,(1-己烯+1-辛烯)选择性87.3%。
实施例4
膦-氮-硅配体的制备:膦-氮-硅配体L4的制备方法如实施例1,区别在于加入的结构Ⅲ所示的化合物为环己基甲基二氯硅烷,膦-氮-硅配体L4的结构如下所示:
上述配体(L4)的核磁数据如下:1H NMR(400MHz,CDCl3):7.38~7.45(m,20H),7.02~7.26(m,4H),1.3~1.6(s,11H),0.14(s,3H)
乙烯齐聚:
氮气氛围下,取4.2μmol膦-氮-硅配体L4和3.5μmol乙酰丙酮镍溶解于脱水脱氧精制后的7ml甲基环己烷中,搅拌0.5h后备用。
反应前将500ml反应釜加热至140℃,抽真空2.5h,氮气置换三次。待温度冷却至室温,乙烯置换两次,先加入200ml脱水脱氧的溶剂甲苯和定量的(Al/Ni=600)MMAO(7wt%Al,正庚烷),然后加入前述的7ml溶有乙酰丙酮镍、膦-氮-硅配体L4的混合甲基环己烷,待温度恒定在50℃,依次通入0.5MPa氢气、4.5MPa乙烯开始反应。反应温度50℃,反应时间80min。反应结束后,关闭乙烯进气阀门,用冰水浴迅速降温至5℃以下,缓慢泄压,卸釜得到乙烯齐聚产物。
采用GC分析产物,活性723kg/gNi.h,(1-己烯+1-辛烯)选择性86.8%。
实施例5
膦-氮-硅配体的制备:膦-氮-硅配体L5的制备方法如实施例1,区别在于加入的结构Ⅲ所示的化合物为环戊基甲基二氯硅烷,膦-氮-硅配体L5的结构如下所示:
上述配体(L5)的核磁数据如下:1H NMR(400MHz,CDCl3):7.38~7.45(m,20H),7.02~7.26(m,4H),1.4~1.6(s,9H),0.14(s,3H)
乙烯齐聚:
氮气氛围下,取4.2μmol膦-氮-硅配体L5和3.5μmol乙酰丙酮镍溶解于脱水脱氧精制后的7ml环己烷中,搅拌1h后备用。
反应前将500ml反应釜加热至160℃,抽真空1.5h,氮气置换三次。待温度冷却至室温,乙烯置换两次,先加入200ml脱水脱氧的溶剂环己烷和定量的(Al/Ni=200)MMAO(7wt%Al,正庚烷),然后加入前述的7ml溶有乙酰丙酮镍、膦-氮-硅配体L5的混合环己烷,待温度恒定在50℃,依次通入0.5MPa氢气、4.5MPa乙烯开始反应。反应温度50℃,反应时间50min。反应结束后,关闭乙烯进气阀门,用冰水浴迅速降温至5℃以下,缓慢泄压,卸釜得到乙烯齐聚产物。
采用GC分析产物,活性619kg/gNi.h,(1-己烯+1-辛烯)选择性85.1%。
实施例6
膦-氮-硅配体的制备:膦-氮-硅配体L6的制备方法如实施例1,区别在于加入的结构Ⅲ所示的化合物为正丙基甲基二氯硅烷,膦-氮-硅配体L6的结构如下所示:
上述配体(L6)的核磁数据如下:1H NMR(400MHz,CDCl3):7.38~7.45(m,20H),7.02~7.26(m,4H),0.9~1.4(s,7H),0.14(s,3H)
乙烯齐聚:
氮气氛围下,取4.2μmol膦-氮-硅配体L6和3.5μmol乙酰丙酮镍溶解于脱水脱氧精制后的7ml甲基环己烷中,搅拌1h后备用。
反应前将500ml反应釜加热至130℃,抽真空3h,氮气置换三次。待温度冷却至室温,乙烯置换两次,先加入200ml脱水脱氧的溶剂甲基环己烷和定量的(Al/Ni=800)MMAO(7wt%Al,正庚烷),然后加入前述的7ml溶有乙酰丙酮镍、膦-氮-硅配体L6的混合甲基环己烷,待温度恒定在60℃,依次通入0.5MPa氢气、4.5MPa乙烯开始反应。反应温度60℃,反应时间60min。反应结束后,关闭乙烯进气阀门,用冰水浴迅速降温至5℃以下,缓慢泄压,卸釜得到乙烯齐聚产物。
采用GC分析产物,活性605kg/gNi.h,(1-己烯+1-辛烯)选择性85.8%。
Claims (10)
2.根据权利要求1所述的催化剂体系,其特征在于,过渡金属化合物/膦-氮-硅配体的摩尔比为1:0.8-5,优选为1:1-2;烷基铝助催化剂/过渡金属化合物的摩尔比50-2000:1,优选100-1000:1。
3.根据权利要求1或2所述的催化剂体系,其特征在于,过渡金属化合物选自铬、钼、钴、钛、钒、锆、镍和钯的化合物中的一种或两种以上,优选铬、锆、镍的化合物中的至少一种;
优选地,所述过渡金属化合物选自过渡金属的有机盐、无机盐、配位络合物或者有机金属络合物,更优选为乙酰丙酮铬、氯化铬、三(四氢呋喃)三氯化铬、2-乙基己酸铬(III)、辛酸铬(III)、六羰基铬、(苯)三羰基铬、乙酰丙酮镍、氯化镍、2-乙基己酸镍(II)、辛酸镍、四羰基镍、硫氰酸镍、乙酰丙酮锆、四氯化锆中的一种或两种以上。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的催化剂体系,其特征在于,烷基铝助催化剂选自三甲基铝、三乙基铝、三异丁基铝、三辛基铝、一氯二乙基铝、二氯乙基铝、倍半乙基氯化铝、甲基铝氧烷、改性甲基铝氧烷、乙基铝氧烷中的至少一种,优选为甲基铝氧烷和/或改性甲基铝氧烷。
6.根据权利要求5所述的催化剂体系,其特征在于,所述溶剂选自二氯甲烷、乙腈、正己烷、正庚烷中的一种或多种。
7.根据权利要求5或6所述的催化剂体系,其特征在于,步骤2)中,咪唑与三乙胺和/或叔丁胺的摩尔比为1:0.5-3,咪唑与二苯基氯化膦的摩尔比为1:0.5-3.5;
步骤4)中,式Ⅱ结构化合物与正丁基锂的摩尔比为1:1.5-2,式Ⅱ结构化合物与式Ⅲ结构化合物的摩尔比为1:0.2-1.2。
8.权利要求1-7中任一项所述的催化剂体系用于乙烯齐聚的用途。
9.根据权利要求8所述的用途,其特征在于,反应前需将反应釜加热,抽真空,采用氮气置换,待温度冷却至室温,乙烯置换,先加入烷基铝助催化剂,然后加入过渡金属化合物、膦-氮-硅配体,待温度达到反应温度后,依次通入氢气、乙烯开始反应。
10.根据权利要求9所述的用途,其特征在于,反应前将反应釜加热至110-160℃,抽真空1-5h;
通入0.2-0.7Mpa氢气、2MPa-7MPa乙烯,反应温度30-90℃,优选40-65℃,反应时间10min-240min,优选20min-100min。
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