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Verfahren zur Herstellung von Polyethylenwachsen
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Polyethylenwachse können z. B. hergestellt werden durch eine modifizierte
Polyethylensynthese nach Ziegler (DE-PS 16 45 411) bei 130 bis 240 OC oder durch
thermischen Abbau von hochmolekularem Polyethylen bei 350 bis 500 OC (DE-AS 19 40
686). Nachteilig ist die hohe Temperatur, die Nebenreaktionen wie Wasserstoffabspaltung,
Isomerisierung und Kohlenstoffgerüst-Umlagerung begünstigt.
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Für Derivatisierungen wie z. B. die Oxidation erwünscht sind aber
Wachse von linearer α-Olefinstruktur, da sie rascher und eindeutiger als andere
Olefinarten reagieren £Erdöl u. Kohle-Erdgas-Petrochemie, Brennstoffchemie 27, 96
(1974)J.
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Es gibt auch Verfahren zur Herstellung von Polyethylen mittels Katalysatoren
aus Nickel(O)-verbindungen und Phosphinalkylen- bzw. -acylmethylen-Komplexen.
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Nach dem Verfahren der DE-OS 20 62 336 erhält man bei der Ethylenoligomerisierung
mit z. B. Bis-(cyclooctadien)-nickel(O)/Triphenylphosphinacetylmethylen bei 55°C
in Benzol Polyethylenwachs vom linearen α-Olefintyp im Gemisch mit 50 O flüssigen
linearen α-Olefinen.
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Gemäß dem Verfahren der US-PS 2 998'416 werden Phosphor-Ylene in Kombination
mit Übergangsmetallen zur Erzeugung
von hochmolekularen kristallinen
Polymeren, wie z. B.
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Polyethylen, eingesetzt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es nun, Polyethy--lenwachge,
vornehmlich Polyethylenhartwachse, vom linearen OC-Olefintyp bei relativ niedrigen
Temperaturen ohne wesentliche Anteile flüssiger niedermolekularer Olefine zu gewinnen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man Ethylen
in einem Lösemittelgemisch aus einem aromatischen Kohlenwasserstoff und einem hydroxylgruppenhaltigen
Solvens bei einer Temperatur von 50 bis 100°C und einem Druck von 0,7 bis 350 bar
Überdruck mit Hilfe eines Katalysators, bestehend aus a) einer nullwertigen Nickelverbindung
und b) einem Addukt und/oder Gemisch aus einer chinoiden Verbindung und einem tertiären
Phosphin polymerisiert.
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Die Addukte aus einem o- oder p-Chinon und einem tertiären Phosphin,
sog. "Schönberg-Addukte" haben die Struktur I bzw. II
und werden nach bekannten Verfahren in einfacher Weise durch Zusammengeben der Komponenten
in Lösemitteln wie Aceton, Methanol, Benzol oder Ether erzeugt Ez. B. Chem.
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Ber. 91, 58 (1958), DE-PS 25 27 117, DE-OS 25 59 611, Tetrahedron
22, 2203 (1966), J. Amer. Chem. Soc. 78, 5614 (1956), Liebigs Ann. Chem. 591, 69
(1955)off.
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Als Chinone können z.. B. eingesetzt werden 1.4- und 1.2-Benzochinon
und 1.4- und 1.2-Naphthochinon, ferner kohlenstoffanaloge Chinone wie z. B. Tetracyano-p-chinodimethan.
Als tertiäre Phosphine kommen substituierte und
unsubstituierte
Trialkyl- und Triarylphosphine infrage, wie z. B. Tributylphosphin, Triisopropylphösphin,
Tricyclohexylphosphin, Triphenylphosphin, Trishydroxymethylphosphin und Tris-2-cyanoethylphosphin.
Setzt man substituierte Chinone wie Choranil (Tetrachlor-1 . 4-benzochinon) und
Tetramethoxi-1.4-benzochinon ein, so erhält man Addukte der Struktur III mit R'
= Cl, 0CH E. Amer. Chem.
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Soc. 78,
5614 (1956), Tetrahedron 22, |
OPR3 |
OPR |
RR½3P?I |
(III) |
lol |
0- |
637 (1966)g: Es ist nicht erforderlich, die Addukte separat zu synthetisieren. Man
kann genausogut die Komponenten vor der Ethylenpolymerisation im molaren Verhältnis
1 : 5 bis 5 : 1, vorzugsweise 1 : 1, im Reaktionsmedium zusammengeben ("in sitd'-Arbeitsweise).
Obwohl aus 9.10-Anthrachinon und tertiären Phosphinen kein isolierbares Addukt zugänglich
ist rChem. Ber. 91, 58 (1958), kann es mit der "in situ1,-Technik erfolgreich für
die Wachs erzeugung eingesetzt werden.
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Als Übergangsmetallkomponente dienen nullweftige Nickelverbindungen,
wie z. B. Bis-(cyclooctadien)-nickel(0) = Ni(COD)2, Bis-(cyclooctatetraenrnickel(O),
Bis-(1.3.7-octatrien)-nickel(O), Bis-#-allylnickel, Bis-#-methallylnickel und Bis-#-crotylnickel.
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Die Olefin-Nickel-Katalysatorkomponente und die Phosphin/ Chinon-Komponenten
werden im allgemeinen in einem Molverhältnis von 0,5 : 1 bis 5 : 1, bezogen auf
das Phosphin, vorzugsweise 1 : 1, eingesetzt.
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Der Nickel-Phosphin/Chinon-Katalysator wird zweckmäßiger weise in
einem rerdünnungsmittel vorgeformt, z. B. in solchen Verdünnungsmitteln, welche
auch in der anschliebeenden Polymerisation eingesetzt werden können. Nach
einer
abgewandelten Methode werden die Katalysator-Vorproduktkomponenten zu Beginn des
Polymerisationsverfahrens in Gegenwart eines Verdünnungsmittels und des als Ausgangsmaterial
dienenden Ethylens miteinander in Berührung gebracht. Bei jeder der beiden Methoden
werden die Katalysator-Vorproduktkomponenten mit Vorteil bei Temperaturen von 25
bis 100 OC kontaktiert. Die Reihenfolge des Zusammengebens von Nickelverbindung,
Phosphin und Chinon kann beliebig sein.
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Die Phosphin/Chinon-Addukte können zusätzlich mit z. B.
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einem Äquivalent anorganischer oder organischer Säure bzw. Alkylhalogenid
- separat oder "in situ" - umgesetzt Xerden. Man erhält dann Phosphoniumsalze z.
B.
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der Struktur IV mit R' = Alkyl (C1 bis C10) und X 8 Säureanion
Diese Salze können ebenfalls als Katalysatorbestandteil gemeinsam mit nullwertigen
Nickelverbindungen eingesetzt werden.
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Das Lösemittel hat einen großen Einfluß auf das Reaktionsgeschehen.
Um die Phosphin/Chinon-Addukte - zumindest teilweise - in Lösung zu bekommen, ist
ein hydroxylgruppenhaltiges Solvens erforderlich, wie z. B. Wasser und ein- oder
mehrwertige Alkohole. Typische Alkohole sind Methanol, Ethanol, Propanol, Isopropanol,
Butanol, Ethylenglykol und Butandiol-(1.4).
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Für die eigentliche Ethylenpolymerisation wird ein Aromat benötigt,
wie z. B. Toluol, Benzol und Xylol. Zweckmäßigerweise wird von vornherein ein Gemisch
aus 40 bis 90 Vol-O/o Aromat und 10 bis 60 Vol-0/o eines hydroxylgruppenhaltigen
Solvens zur Katalysatorbereitung und anschließenden
Polymerisation
eingesetzt. Verwendet man nur eine der Lösemittelkomponenten allein, so ist die
Katalysatoraktivität nur sehr gering, oder der Kontakt ist inaktiv.
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Lösemittelmengen von bis zu etwa 30 1/Mol Ethylen führen zu befriedigenden
Ergebnissen.
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Im allgemeinen wird eine Katalysatorkonzentration, bezogen auf Nickel,
in dem Lösemittel von mindestens 0,001 Mol/l und vorzugsweise von 0,005 bis 0,05
Mol/l gewählt.
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Es ist unkritisch, nach welcher speziellen Methode die Kontaktierung
des Ethylens mit dem Katalysator im Verlauf der Polymerisation erfolgt. Gemäß einer
besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Katalysatorbestandteile
und das Lösemittel unter Ethylen oder einem Schutzgas, wie Stickstoff oder Argon,
in einen Autoklaven oder einen ähnlichen Druckreaktor eingespeist, bei Verwendung
eines Schutzgases wird dieses durch Ethylen verdrängt, und ein bestimmter Ethylendruck
wird eingestellt. Das Reaktionsgemisch wird unter Rühren während der gewünschten
Reaktionsdauer bei der Reaktionstemperatur und dem entsprechenden Druck gehalten.
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Die Polymerisation wird bei Temperaturen von 50 bis 100 OC, vorzugsweise
70 bis 90 OC, und bei Überdrücken von 0,7 bis 350 bar, vorzugsweise 7 bis 150 bar,
und besonders bevorzugt 40 bis 60 bar, durchgeführt.
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Der Abbruch der Reaktion erfolgt im allgemeinen durch Abkühlen auf
Raumtemperatur (25 OC) und Absenken des Ethylendrucks auf 1 bar (Normaldruck).
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Die Polyethylenwachse können z. B. durch Filtration vom Lösemittelgemisch
abgetrennt, mit z. B. Methanol gewaschen und an der Luft getrocknet werden.
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Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Polyethylenwachse
sind im allgemeinen solche mit hohem
Schmelzpunkt (ca. 100 bis 130
OC) und hoher Dichte (ca.
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0,94 bis 0,96 g/cm3).
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Ihre Molekulargewichtsverteilungen sind sehr eng. Sie zuliegen im
wesentlichen als lineare a=0lefine von, d. h.
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als Wachse hoher Kristallinität. Sie enthalten keine oder nur geringfüfige
Mengen (< 5 Gew.0/o) an niedermolekularen -flüssigen cr-0lefinen. Sie sind u.
a. in Bohnermassen, in Hochglanzwachsen (Autopflegemittel), in Druckfarben, als
Papierbeschichtungsmittel und in Schmelzklebern einsetzbar [Seifen-Öle-Fette-Wachse
101, 259 und 263 (1975)].
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Beispiele und Vergleichsbeispiele
erläutert.
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Die analytischen Kenndaten wurden nach bekannten Methoden (Infrarotspektroskopie,
Gelpermeationschromatografie, Viskositätszahl J nach DIN-Norm Nr. 53 728 vom März
1975) bestimmt.
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Beispiele 1 bis 12 und Vergleichsbeispiele A bis C 2,5 mMol des Adduktes
aus Triphenylphosphin und 1.4-Benzochinon werden in dem in Tabelle 1 angegebenen
Lösemittel (Vergleichsbeispiele A bis C) bzw. in einem Lösemittelgemisch aus einem
Aromaten und einem hydroxylgruppenhaltigen Solvens (Beispiele 1 bis 12) gelöst bzw.
suspendiert. Anschließend gibt man unter Argon 2,5 mMol (0,7 g) Ni(COD)2 hinzu.
Die so erhaltene Lösung bzw. Suspension wird unter Stickstoff in einen 5 l-Stahlautoklaven
eingefüllt. Man saugt mit einer Pumpe das Schutzgas ab, heizt während 5 Min. auf
70 bis 90 OC auf und drückt gleichzeitig langsam 10 bar Ethylen auf, wobei mit 1
000 U/Min. gerührt wird. Dann erhöht man den Druck auf 20 bis 50 bar und polymerisiert
2,75 Stunden lang. Man kühlt auf Raumtemperatur, entspannt auf Normaldruck und läßt
den Autoklaveninhalt ab. Das ausgefallene Wachs wird abfiltriert, mit 1 1 Methanol
gewaschen und an der Luft getrocknet.
Die Ergebnisse sind in Tabelle
1 a zu finden, Tabelle 1 b faßt die analytischen Daten der Wachse zus ammen. Das
Lösemittel enthält keine flüssigen α-Olefine (gaschromatografischer Befund).
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Tabelle 1 a
Beispiel Lösemittel [ml] Temp [°C] Druck [bar] Katalysatoraktivität+ |
bzw. Ver- (Suspensionsmittel) [g Wachs/g Ni.Stde] |
gl.Beisp. |
Nr. |
1 450 Toluol + 50 Glykol 70 50 446 |
2 900 Toluol + 100 Glykol 70 50 309 |
3 900 Toluol + 100 Glykol 80 50 457 |
4 900 Toluol + 100 Glykol 90 50 82 |
5 900 Toluol + 100 Glykol 80 20 299 |
6 450 Toluol + 50 Butandiol-(1,4) 70 50 500 |
7 250 Toluol + 250 Butandiol-(1.4) 70 50 309 |
8 450 Toluol + 50 Methanol 70 50 193 |
9 900 Toluol + 100 Wasser 80 50 386 |
10 900 MARLOTHERM S + 100 Glykol 70 50 104 |
11 900 Benzol + 100 Glykol 70 50 525 |
12 900 Chlorbenzol + 100 Glykol 70 50 394 |
A 500 Toluol 70 50 0 |
B 500 Glykol 70 50 0 |
C 500 Butandiol-(1.4) 70 50 42 |
+ Die Werte der Katalysatoraktivität beziehen sich auf die Versuchsdauer von 2,75
Stdn.
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Tabelle 1 b Analytische Daten der Wachse aus Tabelle 1 a
Beisp. Schmelz- Viskosi- IR-Analyse Gelpermeationschromato- |
bzw. punkt tätszahl [Anzahl/1000C] gramm |
MW |
Vergl.B. [°C] J [cm³/g] Vinyl Vinyliden tr.Vinylen CH3 MN MW
MV U < [%] <MW [%] |
5 |
Nr. |
1 113-114 11 3.9 0.09 0.24 7.7 1070 2050 1900 0.92 5.8 66.8 |
2 110-112 8 8.1 0.22 0.41 16.2 1130 2080 1940 0.84 4.7 66.4 |
3 109-110 29 4.7 0.16 0.30 11.4 1220 2230 2080 0.83 4.5 66.4 |
4 106-108 10 6.7 0.19 0.33 13.4 1170 2120 1970 0.81 4.1 66.8 |
5 107-109 10 7.7 0.21 0.22 13.5 1160 2160 1990 0.86 4.6 67.8 |
6+ 112 11 6.0 0.13 0.35 11.5 1160 2120 1980 0.83 4.9 66.1 |
7 118 11 6.6 0.15 0.36 13.2 1280 2250 2250 0.75 3.7 66.0 |
8 106 15 5.3 0.10 0.18 9.0 1340 2940 2710 1.20 9.2 64.6 |
9 110-111 12 5.9 0.11 0.28 14.5 1390 2650 2460 0.9 5.5 66.6 |
10 104-105 11 5.3 0.21 0.24 11.1 1020 2210 2040 1.2 8.9 66.7 |
11 112-113 10 5.8 0.14 0.36 11.0 1130 2180 2030 0.93 6.1 66.4 |
12 111-112 6 6.7 0.2 0.44 13.9 918 2120 1950 1.3 12.9 63.6 |
C 121 51 4.8 0.1 0.6 16.3 1180 22900 13000 18.4 77.0 89.1 |
+ Dichte: 0.96 g/cm³
Beispiele 13 bis 16 In der in den Beispielen
1 bis 12 beschriebenen Apparatur werden verschiedene, separat synthetisierte Addukte
aus tert. Phosphinen und Chinonen eingesetzt. Als Lösemittel dient ein Gemisch aus
450 ml Toluol und 50 ml 1.4-Butandiol. Reaktionsbedingungen: 70 OC, 50 bar Ethylendruck,
2,75 Stdn.
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Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 a und 2 b zusammengestellt. Flüssige
a-0lefine fallen nicht an.
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Tabelle 2 a
Beispiel Schönberg-Addukt aus Katalysatoraktivität |
Nr. Chinon und R P g Wachs/g Ni.Stde. |
3 |
0 |
13 )3P O (HOCH2)3P 39 |
0 |
0 |
¼ |
14 II 1 (C6H5)3P 345 |
¼ 1 |
I |
15 t | (CGH5)3P 10 |
O j |
16 t j (C H ) P 822 |
° I ss |
Tabelle 2 b analytische Daten der Wachse aus Tabelle 2 a
Beisp. Schmelz- Viskositäts- IR-Analyse Gelpermeationschromato- |
Nr. punkt zahl [Anzahl/1000C] gramm |
[°C] J [cm³/g] Vinyl Vinyliden tr.Vinylen CH3 MN MW MV U MW
[%] <MW [%] |
< |
5 |
13 116 40 3.5 0.09 <0.01 11.4 1330 4060 3380 2.1 15.7 80.0 |
14 115-116 15 6.3 0.2 <0.01 21.9 1020 2370 2180 1.3 11.7
63.7 |
15 108 6 8.0 0.15 <0.01 12.3 854 1530 1430 0.79 5.1 63.9 |
16 124125 53 2.4 0.04 0.14 4.6 2760 17700 13600 5.4 32.4 81.6 |
Beispiele 17 bis 21 Diese Beispiele behandeln die "in situ"-Arbeitsweise.
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Dabei löst man 2.5 mMol eines Chinons und 2.5 mMol Triphenylphosphin
in einem Gemisch aus 450 ml Toluol und 50 ml 1.4-Butandiol. Die Reaktionsbedingungen
sind wie in den Beispielen 13 bis 16 beschrieben. Flüssige olefine werden nicht
erhalten. Ergebnisse siehe Tabelle 3 a und 3 b.
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Tabelle 3 a
Beispiel Chinon Katalysatoraktivität |
Nr. [g Wachs/g Ni.Stde. |
17 Benzochinon-(1.4) | 546 |
18 Naphthochinon-(1.4) 50 |
19 Anthrachinon-(9.10) 169 |
20 Chloranil 686 |
21 Tetramethoxi-benzochi- 69 |
non-(1.4) |
Tabelle 3 b Analytische Daten der Wachse aus Tabelle 3 a
Beisp. Schmelz- Viskositäts- IR-Analyse Gelpermeationschromato- |
Nr. punkt zahl [Anzahl/1000C] gramm |
[°C] J [cm³/g] Vinyl Vinyliden tr.Vinylen CH3 MN MW MV U MW
[%] <MW [%] |
< |
5 |
17 108 17 8.7 0.28 0.37 17.4 734 1590 1460 1.2 10.6 64.8 |
18 118 11 3.2 <0.01 <0.01 17.7 1680 4280 3880 1.6 11.8
67.3 |
19 119 27 4.2 0.08 0.88 10.0 1080 2730 2420 1.5 12.1 72.0 |
20 117 23 5.0 0.21 <0.01 10.9 1460 3370 3110 1.3 10.0 64.4 |
21 118 17 5.4 0.12 0.17 10.5 1920 4100 3780 1.1 8.4 65.5 |
Beispiele 22 und 23 Chloranil und Triphenylphosphin werden im
Gemisch aus 450 ml Toluol und 50 ml 1.4-Butandiol vereinigt. Danach fügt man 2.5
mMol Ni(COD)2 hinzu. Polymerisiert wird unter den in den Beispielen 13 bis 16 angegebenen
Reaktionsbedingungen.
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Die Ergebnisse sind in den Tabelle 4 a und 4 b zusammengestellt. Zu
Vergleichszwecken wurde das Beispiel 20 mit in die Tabelle aufgenommen. Flüssige
-Olefine werden nicht erhalten.
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Tabelle 4 a
spiel mMol (C6H5)3P mMol Katalysatoraktivität |
Nr. | | Chloranil | [g Wachs/g Ni.Stde.] |
20 2.5 2.5 686 |
22 1.25 2.5 37 |
23 2.5 1.25 108 |
Tabelle 4 b Analytische Daten der Wachse aus Tabelle 4 a
Beisp. Schmelz- Viskositäts- IR-Analyse Gelpermeationschromato- |
Nr. punkt zahl [Anzahl/1000C] gramm |
[°C] J [cm³/g] Vinyl Vinyliden tr.Vinylen CH3 MN MW MV U MW
[%] <MW [%] |
< |
5 |
20 117 23 5.0 0.21 <0.01 10.9 1460 3370 3110 1.3 10.0 64.4 |
22 118 15 4.3 0.09 0.16 8.3 1619 4360 3950 1.7 13.0 66.9 |
23 68 nicht meßbar 12.9 0.34 0.36 29.1 415 680 640 0.6 0.8
63.3 |
Beispiele 24 und 25 2,5 mMol des separat synthetisierten Komplexes
aus 1.4-Benzochinon und Triphenylphosphin werden in 450 ml Toluol/ 50 ml 1.4-Butandiol
gelöst und'eine äquimolare Menge Essigsäure bzw. Methyljodid hinzugefügt. Nach Zugabe
von 2.5 mMol Ni(COD)2 wird wie bei den Beispielen 13 bis 16 polymerisiert Ergebnisse
siehe Tabellen 5 a und 5 b.
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Tabelle 5 a
Beispiel Säure bzw. Katalysatoraktivität |
Nr. Alkylhalogenid [g Wachs/g Ni.Stde.] |
24 CH3COOH 255 |
25 CH3J 250 |
Tabelle 5 b analytische Daten der Wachse aus Tabelle 5 a
Beisp. Schmelz- Viskositäts- IR-Analyse Gelpermeationschromato- |
Nr. punkt zahl [Anzahl/1000C] gramm |
[°C] J [cm³/g] Vinyl Vinyliden tr.Vinylen CH3 MN MW MV U MW
[%] <MW [%] |
< |
5 |
24 114 4 8.3 0.21 0.42 17.5 1260 2220 2100 0.76 5.3 62.1 |
25 112 4 9.7 0.25 0.34 19.2 1030 2040 1910 0.97 8,2 60.9 |
Vergleichsbeispiele D bis F Je 2,5 mMol Triphenylphosphin-alkylen
bzw. -acylmethylen und Ni(COD)2 werden in 900 ml Toluol/100 ml Ethylenglykol gelöst.
Man polymerisiert dann-unter den bei den Beispielen 13 bis 16 angegebenen Reaktionsbedingungen.
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Die Temperaturbedingungen und Versuchsergebnisse sind in den Tabellen
6 a und 6 b zusammengestellt.
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Tabelle 6 a
f |
0 0 0 |
<7 |
U U U |
a) m |
rl rt |
o, P P P |
0 a 2 |
rl = |
k a>4: cu a># |
cu d=I d=r |
ri l-ia a -ria |
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S S mn |
zC S o |
N J O = V ~ |
n £ y O |
7s ll |
m |
bDt n X X |
Tabelle 6 b Analytische Daten der Wachse aus Tabelle 6 a
Beisp. Schmelz- Viskositäts- IR-Analyse Gelpermeationschromato- |
Beisp. punkt zahl [Anzahl/1000C] gramm |
Nr. [°C] J [cm³/g] Vinyl Vinyliden tr.Vinylen CH3 MN MW MV
U MW [%] <MW [%] |
< |
5 |
D 108-109 10 7.2 0.24 1.3 86.1 985 2010 1830 1.0 6.6 69.8 |
E 78-80 6 9.7 0.26 0.21 15.1 551 993 925 0.8 2.9 64.9 |
F 78-80 2 9.0 0.33 0.14 80.6 691 1180 1090 0.7 1.8 67.9 |