DE1948988A1 - Phosphorhaltige Polymere und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents
Phosphorhaltige Polymere und Verfahren zu ihrer HerstellungInfo
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Description
Köln, den 24.9.1969 Fu/Ax
Britannic House, Moor Lane, London, E.C.2 (England).
Die Erfindung "betrifft neue metallhaltige Polymere.
Die Verwendung von Phosphinkomplexen von Übergangsmetallen
als homogene Katalysatoren für die verschiedensten Reaktionen wie Carboxylierung, Hydrierung und Oligomerisierung
von Olefinen ist bekannt. Diese Katalysatoren enthalten häufig wertvolle Metalle, z.B. Palladium und Iridium, so
daß die Rückgewinnung und Rückführung des Katalysators sehr wichtig sind. Es ist jedoch häufig ein Problem, eine
möglichst vollständige Rückgewinnung des Katalysators zu erreichen.
Es wurde nun gefunden, daß es möglich ist, phosphinhaltige
Polymere herzustellen, die an die Phosphoratome gebundene
Übergangsmetalle enthalten, und die zum größten Teil ähnliche kataly tische Eigenschaften haben wie die vorstehend
genannten Katalysatoren, jedoch im allgemeinen leichter zurückzugewinnen sind. Diese Polymeren eignen auoh als
hitze- und flammwidrige Materialien und pigmentierte Materialien. .
009815/1775
Gegenstand der Erfindung ist demgemäß ein Polymermaterial,
das Phosphoratome und Übergangsmetallatome enthält und
dadurch gekennzeichnet ist, daß es Gruppen der Formel
X4 X1 0
—~ C—P oder -^J-C-P oder -SlC-P
S* I / j / \
X0 C C
worin X- und X2 gleich oder verschieden sind und für Wasserstoffatome
oder Halogenatome stehen, und eine Übergangsmetallverbindung
enthält, deren Metallatome an die Phosphoratome gebunden sind.
Bevorzugt als Übergangsmetalle werden Metalle der Gruppe
VIII, jedoch können auch Or, Mo, Mn, W, Re, Ti, Y, Cu und
Au verwendet werden. Geeignet sind Metallverbindungen der Gruppe VIII, die mit Phosphinen oder substituierten Phosphinen
zu reagieren vermögen, z.B. Halogenide, beispiels-'
weise die Chloride der Formel RhCl^, MCl2 (worin M zweiwertiges
Ni, Pd, Pt oder Co ist), Na2PdCl,, IrCl,, TiCl49
CrCT-z, Äthylenkomplexe von Iridium-, Palladium- oder PIatinhalogeniden
oder -carboxylaten, IT-Allylverbindungen,
z.B. ir-Allylniokelchloriä oder seine Komplexe mit Aluminiumalkylen,
Olefin-, Cyclopentadienyl- oder IT'-aroinatl-
sche Komplexe,
Geeignet sind ferner Metallcarbonyle und carbonylhaltige
. Metallkomplexe, z.B. Fi(CO)^, Co2(CO)2acac, Fe(OO)^,
20 Mn2(C0)|Q, M(CO)g, wobei M für Cr, Mo oder W steht,
• V(SFO)6, Rh2(CO)4Gl2 und RCO Co(CO)4, worin R ein Alkylrest
oder Arylrest ist.
Bas- phosphorhaltige Polymere kann die Phosphoratome in der
Hauptkette enthalten, z.B. .
009815/17 75
RPH2 + CH2 = CH(0H2)2GH=CH2
—Ρ
und RPCl2 + ClMg (CH2)2MgCl
— ρ
(OH9)
■2'2
"J.
oder die Phosphoratome können in der.Seitenkette enthalten sein,
z.B.
Polystyrol + PCI,
AlCl,
- CH - CH2-
PCIr
Hierin ist R ein Alkylrest oder Arylrest und η eine ganze
Zahlo^aa Molekulargewicht des Polystyrols kann im Bereich
von 10 liegen. Phosphoratome sind nicht an alle aromatischen Ringe gebunden.
Das phosphorhaltige Polymere ist vorzugsweise ein. phosphorhaltiges
Polyvinylchlorid, Polybutadien, Polystyrol oder Poly-p-(bromstyr.ol) oder ein Polymerisationsprodukt eines
phosphorhaltigen äthylenisch ungesättigten Monomeren, z.B. eine Verbindung der Formel Ph2PCH2CH = CH2 oder
Ph2P
-C6H4CH =
Das phosphorhaltige Polymere kann hergestellt werden durch Umsetzung eines halogenhaltigen Polymeren mit einem Metallphosphid,
z.B. durch Umsetzung von chlormethyliertem Polystyrol
mit Kaliumdiphenylphosphid. Die Herstellung dieser phosplaorhaltigen Polymeren ist in der deutschen Patent-
s^ftrift. (Patentanmeldung P
•entsprechend der britischen Patentanmeldung 46 215/68) der
00981 5/1775
19489S8
10
15 20
25
Anmelderin beschrieben. Alle dort genannten Polymeren
können verwendet werden. Eine andere Möglichkeit der. Herstellung· ist. die Polymerisation· eines phosphorhaltigen
äthylenisch rungesättigten Monomeren nach dem Verfahren,
das in der deutschen Patentschrift .......... (Patentanmeldung P: ; ... . entsprechend der britischen Patentnameldung
46214/68 ) beschrieben ist.; . - .
Der Metallgehalt der. metallhaltigen Polymeren liegt gewöhnlich
im Bereich von 0,01 bis 20 Gew.— °/ot vorzugsweise
im Bereich von 0,01 bis 15 Gew.-^. In. gewissen Fällen kann
jedoch der -Metallgehalt mehr als 20$ bis 50 Gew.-/» betragen.
. -. ■■ ;.■.-.-
Eine weitere Herstellungsmethode ist die Phosphochlorierung
in inerter Atmosphäre wie Stickstoff, z.B.
AlCl,
Polystyrol
GH - CH.
PCI,
wie in J.Applied Chem.1958, 8, 459 beschrieben, mit anschließender
Umsetzung mit einem Alkylierungsmittel wie LiBu oder RMgBr, worin R ein Alkylrest oder Arylrest ist
und Bu für η-Butyl steht.
Die Herstellung anderer geeigneter phosphorhaltiger Polymerer wird in den folgenden Veröffentlichungen beschrieben:
J. Macromolecular Sei. (Revs) Gl(I) Kapitel 1-5,
Angewandte Chemie 2, 46 (1936); J*Polymer Sei.1963 II 863;
Isvestia Akad. Weuk SSSR 1958 (5) 618; in Vysokomolek Seerin 1959 1 357 und 1963 5 969 und 1309; U.S.A.-Patentschriften
3 010 946 und 3 044 984, kanadische Patentschrift
763 440 und deutsche Patentschriften 1 086 896 und 1086 897.
009815/1775
Die Molekulargewichte der Polymeren gemäß der Erfindung können in weiten Grenzen liegen, z.B. "bei etwa 1000 000
im Falle eines metallhaltigen Polystyrols Ms hinab zu etwa 500 im Falle eines "Polybutadiene. Die UV-Spektren
der Produkte haben gezeigt, daß die Übergangsmetallatome mit den Phosphoratomen ein Chelat bilden oder mit ihnen
koordiniert sind.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung die
Herstellung von Polymermaterialien, die dreiwertige Phosphoratome und an die Phosphoratome gebundene Übergangsmetallatome
enthalten, nach einem Verfahren, das dadurch
gekennzeichnet ist, daß man ein phosphorhaltiges Polymeres,
das Gruppen der Formel
- P oder >C -P oder
enthält, worin X^ und X2 gleich oder verschieden sind und
für Wasserstoff- oder Halogenatome stehen, mit. einer ÜbergangsmetaHverbindung
unter Bedingungen umsetzt, unter denen die Übergangsmetallatome an den Phosphor gebunden
werden·
Die Produkte gemäß der Erfindung können bei Temperaturen
im Bereich von -20° bis 25O0O'-hergestellt werden. Die
Reaktion wird häufig durchgeführt, indem die Metallverbindung der Gruppe VIII und der phosphorhaltige Träger in
einem geeigneten inerten Lösungsmittel für einen oder beide
Reaktionsteilnehmer erwärmt werden· In gewissen Fällen ist es zweckmäßig, die Reaktion bei Raumtemperatur oder
darunter durchzuführen· Gesättigte oder aromatische Kohlen-
009815/1775
-6 ■-■ - . ■■■,
" Wasserstoffe, halogenierte Kohlenwasserstoffe, Alkohole,
Äther oder Gemische dieser Lösungsmittel können verwendet werden. Die Erhitzüngsdauer beträgt gewöhnlich 0,5 bis
^■ ■ 6 Stunden, jedoch kann die Reaktionszeit in gewissen
Fällen länger oder kürzer sein. ■
Bei der Bildung der metallhaltigen Polymeren findet häufig eine der folgenden Reaktionen statt:
a) Die Übergangsmetallverbindung enthält einen verdrängbaren
Liganden, z.B. Carbonyl, Olefin, Diolefin, Phosphin 10 oder ein Lösungsmittelmolekül, z.B. Tetrahydrofuran, und
der Ligand wird unter den Reaktionsbedingungen verdrängt, während das Übergangsmetallatom ein Chelat mit dem Phosphor
bildet, z.B.
R3P + Ni(CO)4 — * (R3P)nNi(CO)4_n worin n=1 oder 2
15 R5P + Fe(CO)5- —-^R
R3P + Rh2(CO)4Cl2--* (R3P)2RhCl(CO)
R3P + M(CO)6
(R3P)nU(CIO)^n
worin M= Cr, Mo oder W; η = 1 oder 2, und
R3P + Rh(CO)2aoao ——>
R3PRh (CO) ac ac, worin acac für iioetylaoetonat steht. *
b) Das Übergangametall vermag unter den Reaktionsbedingungen
seine Koordinationszahl zu erhöhen und ermöglicht hierdurch die Chelatbildung, z.B.
-■-.· Hi(ODOr) +R3P —^ R3PMi(CDT)
25 worin CDT «1,5*9-GyoloäpdecatrieB R3P
+ MCi2- » (R3P)2 + MOl2
worin M eweiwertigea Nickt1, Pftlladium, Platin, oder
i ist.
00&815/17 75
; R3P;+RhC13·
c) Die Reaktion findet in Gegenwart eines Lösungsmittels'
statt, das an der'Reaktion teilnimmt, z.B. CpH5OH in'
Mischung mit KOH, wodurch eine CO-Gruppe eingeführt wird,
z.B.. in .
C9Hp-OH R,P + RhCl, -und >
(R,P)oRh(C0)Cl
C H OH
oder R3P + RhCl3 —■ ->
(R3P)3Rh(H)CO
durchgeführt entweder in HCHO in Äthanol oder NaBH4^ in
Äthanol.
In der vorstehenden Formel ist wenigstens einer der Reste
R eine Polymerkette, während die übrigen Reste Alkyl- oder
Arylreste sein können.
Zahlreiche Verbindungen gemäß der Erfindung sind aktiv als
Katalysatoren und ähneln homogenen phosphinhaltigen Komplexen wie IrH3(Ph3P)3 oder IrH2(OOCCH3)(Ph3P)3 für die
Hydrierung von Aldehyden oder PdCl2(Bu3P)2 für die Carboxylierung
von Olefinen.
Ein Cokatalysator wie Aluminiumalkyl, Aluminiumalkylhalogenid
oder Aluminiumtrihalogenid oder Natriumborhydrid kann
notwendig sein, um den phosphinhaltigen Komplex aktiv zu machen.
Eine Anzahl von Katalysatorsystemen "besteht aus einem Gemisch
einer Übergangsmetallverbindung, eines Phosphine und
eines Reduktionsmittels wie Aluminiumalkyl. Beispiele sind M(aoao)n +. Ph3P + Et2Al(OEt) für die Cyclodimerisierung von
Butadien, wobei M für Pe(III), Co(IIl) oder Ni(II) steht,
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- β - ,■■■;'.■■ ■■'. , ' -
η die Zahl 2 oder 3 ist und acac für Acetylacetonat steht;
Ni(acac)2 + R-P,+ Et,Al2Cl, für die Oligomerisierung von
Propylen und (RCOO)2Ni + Ph5P +R2AlCl für die Dimerisierung
von Propylen. Der aktive Bestandteil wird in diesen Fällen in situ gebildet.
Die Phosphinverbindungen können in diesem Fall durch phosphinhaltige
Polymere ersetzt werden. Sie "bilden die aktiven Stellen auf der Polymeroberfläche und ergeben einen Katalysator,
in dem eine Verbindung gemäß der Erfindung ausgenutzt wird.
Die Polymeren gemäß der Erfindung können in gewissen Fällenals
heterogene Katalysatoren verwendet werden, die entweder von den Reaktionsprodukten im Falle eines Suspensionsverfahrens abgetrennt oder in einem Festbettverfahren verwendet
werden können.
In gewissen Fällen können die Katalysatoren gemäß der Erfindung
flüssig sein oder sich im Reaktionsmedium lösen.
Im letzteren Fall können sie homogen verwendet werden. Da sie jedoch makromolekular sind, können sie beispielsweise
durch Zusatz eines anderen Lösungsmittels ausgefällt oder in anderer Weise sehr einfach aus den Reaktionsprodukten'
zurückgewonnen werden«
In den Tabellen 1 und 2 sind die Ausgangsmaterialien,
Bedingungen und Produkte für die Herstellung einer Anzahl von metall- und phosphinhaltigen Polymeren genannt.
Polymeres M: hergestellt durch Behandlung eines relativ
unvernetzten chlormethylierten Polystyrols mit Kaliumdiphenylphosphid
nach dem Verfahren, das in der deutschen Patentschrift ...(Patentanmeldung P '-'-"- :
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entsprechend der "britischen Patentanmeldung 46 215/68) der
Anmelderin beschrieben ist« "
Polymeres Ns hergestellt durch Behandlung eines großoberflächigen
chlormethylierten, vernetzten Polystyrols (aus vernetztem Polystyrol "Amberlite XAD-^2") mit Kaliumdiphenylphosphid,
wie in der deutschen Patentschrift.......
(Patentanmeldung P entsprechend der 'bri
tischen Patentanmeldung 46 215/68) beschrieben·
Polymeres P: hergestellt durch Behandlung von Polyvinyl-•)0
chlorid mit Kaliumdiphenylphosphid, wie in der deutschen Patentschrift ..........(Patentanmeldung P .
entsprechend der "britischen Patentanmeldung 46 215/68.beschriebene
Polymeres Qt hergestellt durch Behandlung eines mit Lithium umgesetzten Polystyrols mit Chlordiphenylphosphin, wie in
Polymeres Qt hergestellt durch Behandlung eines mit Lithium umgesetzten Polystyrols mit Chlordiphenylphosphin, wie in
der deutschen Patentschrift (Patentanmeldung
P entsprechend der britischen Patentan
meldung 46 215/67) beschrieben.
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Beispiel Reakt ionsteilnehmer
Bedingungen
σ
ο
to
oo
ο
to
oo
2
3
3
5
6
6
9
10
10
11
12
13
12
13
Metallgehalt des Produkts, Gew.-^
Polystyrol mit 5»3 Gew.-# Phosphor
+ wasserfreies NiCl
Polystyrol mit f,3 Gew.-i» Phosphor
+ RhCl,
Polystyrol mit 5,3 Gew.-# Phosphor +RhCl3
Polystyrol mit 5,3 Gew.-# Phosphor
+ RhCl3
Polystyrol mit 5,3 Gew.-?» Phosphor
Polystyrol mit
■+' RuCl-
■+' RuCl-
Polystyrol mit
+ wasaerfreies
+ wasaerfreies
5,3 Gew·-^ Phosphor 96 Phosphor
96 Phosphor Phosphor
Polystyrol mit 4,4 Gew.-$>
Phosphor ()()
Polystyrol mit
+ wasserfreies
+ wasserfreies
Polystyrol mit
+ wasserfreies
+ wasserfreies
5,3 Gew· PtCl2
5,3 Gew, PdCl2
5,3 Gew. CoCl
Polystyrol mit 3,7 Gew.-i» Phosphor
+ wasserfreies NiCl2
Polyvinylchlorid mit 4,3 Gew.-$>
Phosphor + wasserfreies CoCl2
Polyvinylchlorid mit 4,3 Gew, Phosphor + RhCl3
4-stündiges Erhitzen am Rückfluß
in 1:1-0Me/CHCl, 3,5
5O0C in Batanpl, 4 Stunden 2,5
20QC in Butanol, 4 Stunden 1,1
50 C in Äthanol für 2 Stunden 2,7
50 C in Butanol für 4 Stunden 15,1
5O0C in Butanol für 4 Stunden ■ 3,2
1-stündiges Erhitzen am Rückfluß
in Butanol - 20,3
1-stündiges Erhitzen am Rückfluß
in Butanol 15*5
4-stündiges Erhitzen am Rückfluß
in 1:1-0Me/n-BuOH 2,8
4-stündiges Erhitzen auf 500G in
1:1-0Me/nBuOH 1,6
1:1-0Me/nBuOH 1,6
1-stündiges Erhitzen am Rückfluß in Butanol ; 4,9 1-stündiges Erhitzen am Rückfluß
in !Tetrahydrofuran ' 5*6 1-stündiges Erhitzen am Rückfluß
in Tetrahydrofuran 12,3
CD 4>OO
CD OO OO
Die phosphorhaltigen Aasgangsmaterialien wurden hergestellt, wie. in der deutschen Patentschrift
L (Patentanmeldung P entsprechend der bri-
tischen Patentanmeldung 46 215/68) beschrieben. Bei jeder
Reaktion, die in den Tabellen 1 und 2 beschrieben ist, wurde die Metallverbindung im Überschuss verwendet (berechnet
für vollständige Umsetzung sämtlicher Phosphingruppen). Fach Vollendung der Reaktion wurde das Polymere
isoliert und mit einem Lösungsmittel gewaschen, bis die Waschflüssigkeit farblos war« Abschließend wurde das
Polymere unter vermindertem Druck getrocknet.
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aoac - Acetylacetonanion Bei- Ausgangspolymeres
spiel Typ
Phosphorgehalt, Gew. -?£
Metallsalz Bedingungen
Metallgehalt ,
14
O | 15 | N |
O | 16 | N |
f-O | ί7 | |
OO | ||
8,5
0,5 2,0 2,3
wasserfreies CoCl0
Rh(COp(acac) Auflösung des Polymeren in Tetrahydrofuran,
Zusatz von CoCl2 in Tetrahydrofuran,Filtration
und Waschen des Produkts ("blau) und Trocknen
Man rührt eine Lösung von Rh(CO)PaCaC in
Tetrahydrofuran mit dem festen Polymeren 2 Stunden bei Raumtemperatur. CO-Entwicklung.
Man filtriert das Polymere (gelb) ab, wäscht mit Tetrahydrofuran und trocknet.
18
19
20
20
P
P
P
10,5
4,8 4,8
wasserfreies ■2 Polymeres in Tetrahydrofuran. Man gibt CoCIp
in Butanol zu, erhitzt 4 Stunden am Rückfluß, wäscht und trocknet das Produkt.
Rh(C0)2(acac) Rh(CO)p(acac) in letrahydrofuran. Man gibt
das Polymere in Tetrahydrofuran bei Raumtemperatur
zu (Cö-Entwicklung), rührt. 2 Standen, gibt Pentan zur Ausfällung zu,
filtriert und wäscht das Polymere (gelb) und trocknet.
CD -P-v OO CO
OO CO
Bei- Aftsgangspolymeres Metallsalz
spiel Typ Phosphorgehalt , G-ew. -#
Bedingungen
Metallgehalt , G-ew. -ja
21
22
10,8
4,8 Polymeres in Tetrahydrofuran. Man gi"bt eine
heiße Lösung yon NiOl9OH9O in Äthanol "bei
70^0 zu, hält 30 Minirteirbei 7O0C, fällt'
das Produkt mit Pentan aus, filtriert, wäscht mit Äthanol und trocknet.
Polymeres in Tetrahydrofuran. Man gibt FeCl9^-H9O in Tetrahydrofuran zu, rührt
2 Stunden, filtriert das Polymere (weiß) ah, wäscht und trocknet.
23
5,9
wasserfreies CoGl2
Man löst CoCl9 und das Polymere in siedendem Butanol, miscnt, erhitzt 2 Stunden am Rückfluß,
gießt in Pentan, wäscht mit Butanol und trocknet.
OO CO OO OO
Claims (9)
1. Polymeres Material mit einem Gehalt an Phosphoratomen
und Übergangsmetallatomen, dadurch gekennzeichnet, - dajl es Gruppen der allgemeinen Formeln
X1 X1
-^c - ρ -^c - ρ
'■ ι I
worin X1 und Xg gleich oder verschieden sind und Wasserstoff
oder Halogen bedeuten, sowie übergangsmetallverbindungen enthält, deren Metallatome an die Phosphoratome
gebunden sind»
2» Polymermaterial nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet,
daß es ein phosphorhaltiges Polystyrol, ein phosphoric haltiges Polyvinylchlorid, ein phosphorhaltiges Polybutadien oder ein phosphorhaltiges Poly(p-Bromstyrol)
3· Polymermaterial nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet,
daß es das Polymerisationsprodukt eines phosphorhaltigen
äthylenisch ungesättigten Monomeren ist und zwar vorzugsweise eines üonomeren der Formel Ph2PCI^GH=CH2oder
• Ph2 P-CgH2J1 CH = CH2, worin Ph einen Phenylrest bedeutet.
4. Polymermaterial naoh Ansprüchen 1 bis % dadurch gekennzeichnet, daß die Übergangsmetallverbindung eine Metall-So
verbindung aus der Gruppe VIII des periodischen Systems,
und zwar vorzugsweise eine Rhodiumverbindung oder eine Verbindung des Wickels, Kobalts, Rutheniums Eisen*
Iridiums, PalIndiums oder Platine ist.
009815/1775
19A8988
5. Verfahren zur Herstellung von Polymermaterialien, die dreiwertige Phosphoratome und an die Phosphoratome gebundene
Übergangsmetallatome enthalten, dadurch gekennzeichnet, daß man ein phosphorhaltiges Polymeres, das
Gruppen der Formel
X-, X, C
ti ι
->C -p ^p -ρ. ρ -^ — p
-ι i
X5, C C
enthält, worin X1 und X2 gleich oder verschieden sind
und für Wasserstoff- oder Halogenatome stehen, mit Übergangsmetallverbindungen unter Bedingungen umsetzt,
unter denen die Übergangsmetallatome an den Phosphor
gebunden werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
die Umsetzung bei Temperaturen von -20 bis 2500C' in
Gegenwart eines Lösungsmittels durchgesetzt wird·
7. Verfahren nach Ansprüchen 5 und 6, daduroh gekennzeichnet,
daß man die Chelatbindung dadurch ausbildet, daß man das phosphorhaltige Polymere mit einer Übergangsmetaliverbindung
umsetzt, die einen unter den Reaktionsbedingungen verdrängbaren Liganden besitzt,
8. Verfahren nach Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet,
daß mit Übergangsmetallverbindungen gearbeitet wird, bei denen das Übergangsmetall unter den Reaktionsbedingungen
in der Lage ist, seine Koordinationszahl zu vergrößern.
09815/17 75
1348988
9. Verfahren nach Ansprüchen 5 bis 8, dadurch gekennzejbhneti
daß rait phosphorhaltigen Polymeren gearbeitet wird, die nach einem der folgenden Wege hergestellt worden silo ; '
Umsetzung eines halogenhaltigen Polymeren mit einem Metallphosphid, Umsetzung eines metallhaltigen Polymeren
mit einer Phosphor und Halogen enthaltenden Verbindung oder Polymerisation einer äthylenisch ungesättigten
phosphorhaltigen Verbindung.
lOoVerfahren nach Ansprüchen 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
daß mit Übergangsmetallverbindungen aus der Gruppe VIII des periodischen Systems gearbeitet wird, wobei insbesondere
Rhodiumverbindungen oder Verbindungen des Nickel
Kobalts, Rutheniums, Eisens, Iridiums, Palladiums oder Platins eingesetzt werden.
11 «Verfahren nach Anspruch lo, dadurch gekennzeichnet, daß
die Verbindung des Metalles der Gruppe VIII Carbonyl-^
Halogenid-, Carboxylate- oder Äthylen-Koaiplex-irerfoihdu*?,·»-
gen sind.
009815/1775
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