KR102049809B1 - 폴리디엔을 생산하기 위한 벌크 중합 방법 - Google Patents

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Abstract

폴리디엔을 제조하는 방법으로서, 콘주게이트화된 디엔 단량체를 메탈로센 착물 촉매 시스템을 이용하여 중합 혼합물의 총 중량을 기준으로 20 중량% 미만의 용매를 포함하는 중합 혼합물 내에서 중합시키는 단계를 포함하며, 여기서 상기 메탈로센 착물 촉매 시스템은 (a) 메탈로센 착물, (b) 알킬화제, 및 선택적으로 (c) 비-배위 음이온의 결합 또는 반응 생성물을 포함하는, 방법이 제공된다.

Description

폴리디엔을 생산하기 위한 벌크 중합 방법{Bulk Polymerization Process for Producing Polydienes}
본원은 2012년 12월 27일에 출원된 미국 가출원 제61/580,492호의 우선권을 주장하며, 이는 본원에 참고로 포함되어 있다.
본 발명의 하나 이상의 구현예는 높은 시스-1,4-결합 함량 및 좁은 분자량 분포의 결합을 갖는 폴리디엔을 생산하기 위한 벌크 중합 방법(polymerization process)에 관한 것이다. 다른 구현예는 이들 방법에 이용되는 촉매 조성물에 관한 것이다.
란타나이드 화합물, 알킬화제, 및 할로겐 공급원을 포함하는 란타나이드계 촉매 시스템은 높은 시스-1,4-결합 함량을 갖는 콘주게이트화된 디엔 중합체를 생산하는데 유용한 것으로 알려져 있다. 그럼에도 불구하고, 콘주게이트화된 디엔의 벌크 중합에 적용될 때, 란타나이드계 촉매 시스템은 일반적으로 시스-1,4-폴리디엔을 제공한다.
폴리디엔은 용액 중합에 의해 생산될 수 있으며, 여기서 콘주게이트화된 디엔 단량체는 불활성 용매 또는 희석제 중에서 중합된다. 상기 용매는 반응물 및 생성물을 가용화시키고, 반응물 및 생성물에 대해 캐리어로서 작용하고, 중합 열의 전달을 돕고, 중합 속도를 조절하는데 도움을 주는 역할을 한다. 용매는 또한 중합 혼합물(시멘트로도 불림)의 교반 및 이송을 더 쉽게 하며, 이는 시멘트의 점도가 용매의 존재에 의해 감소되기 때문이다.
예를 들면, 콘주게이트화된 디엔 단량체는 란탄족 원소들, 스칸듐 및 이트륨 기반의 메탈로센 착물 및/또는 반쪽-메탈로센 착물을 이용하여 용액에서 중합되어왔다. 이들 촉매 착물들은 높은 시스-1,4-함량을 갖는 폴리디엔을 생산하기 위해 알루미녹산, 유기 알루미늄 화합물 및 이온성 화합물과 함께 사용되어 왔다.
그럼에도 불구하고, 용매의 존재는 수많은 어려움을 야기한다. 용매는 중합체로부터 분리된 다음 재사용을 위해 재활용되거나 그렇지 않은 경우 폐기물로 처리되어야 한다. 용매를 회수하고 재활용하는 비용은 생산될 중합체의 비용을 크게 증가시키고, 정제 후 재활용된 용매가 중합 촉매를 오염시킬 일부 불순물을 여전히 함유하고 있을 위험성이 항상 존재한다. 또한, 방향족 탄화수소와 같은 일부 용매들은 환경 문제를 일으킬 수 있다. 게다가, 용매를 제거하는데 어려움이 있는 경우, 중합체 생성물의 순도가 영향을 받을 수 있다.
폴리디엔은 또한 벌크 중합(괴상 중합으로도 불림)에 의해 생산될 수 있으며, 여기서 콘주게이트화된 디엔 단량체는 임의의 용매의 부재 또는 실질적인 부재하에 중합되며, 사실상, 단량체 자체는 희석제로서 작용한다. 벌크 중합은 본질적으로 무용매이므로, 오염 위험성이 적고, 생성물 분리가 간단하다. 벌크 중합은 새로운 공장 생산력에 대해 더 낮은 자본비, 작업하는데 더 낮은 에너지 비용, 및 작업하는데 더 적은 인력을 포함하는 많은 경제적 이점을 제공한다. 무용매 특징은 또한 환경적인 이점을 제공하고, 방출 및 폐수 오염이 감소된다.
촉매 기술은, 특히 중합체 합성과 관련하여, 종종 예측될 수 없고, 하나의 시스템으로부터 또 하나의 시스템으로 기술을 이전하는 것, 또는 소정의 변수들을 변경하는 것은 기술적 어려움을 제공할 수 있다. 따라서, 벌크 중합 시스템이 수많은 이점을 제공하기는 하지만, 공지된 용액 기술을 벌크 시스템에 이전하는 것은 예측될 수 없고 기술적인 도전이 될 수 있다.
본 발명의 구현예는 폴리디엔을 제조하는 방법을 제공하며, 이러한 방법은 콘주게이트화된 디엔 단량체를 메탈로센 착물 촉매 시스템을 이용하여 중합 혼합물의 총 중량을 기준으로 20 중량% 미만의 용매를 포함하는 중합 혼합물 내에서 중합시키는 단계를 포함하고, 여기서 상기 메탈로센 착물 촉매 시스템은 (a) 메탈로센 착물, (b) 알킬화제, 및 선택적으로 (c) 비-배위 음이온의 결합 또는 반응 생성물을 포함한다.
본 발명의 구현예는 메탈로센 착물-기반 촉매 시스템을 이용하여 콘주게이트화된 디엔 단량체를 중합함으로써 폴리디엔을 생산하는 벌크 중합 방법의 발견에 기초한다. 메탈로센 착물은 란타나이드-계열 금속, 스칸듐, 또는 이트륨을 포함할 수 있다. 벌크 시스템으로 사용될 때, 특정 구현예의 촉매 시스템은 높은 시스 함량, 낮은 비닐 함량, 좁은 분자량 분포, 및 유용한 관능성을 갖는 중합체를 생산하면서, 중합 발열을 제어하는 것을 가능하게 한다.
하나 이상의 구현예에서, 상기 촉매 시스템은 메탈로센 착물, 알킬화제, 및 선택적인 비-배위 음이온의 결합 또는 반응 생성물을 포함한다. 하나 이상의 구현예에서, 알루미녹산이 알킬화제로서 이용되는 경우, 상기 촉매 시스템은 메탈로센 착물 및 알루미녹산 화합물의 결합 또는 반응 생성물을 포함한다. 다른 구현예에서, 유기알루미늄 화합물이 알킬화제로서 사용되는 경우, 촉매 시스템은 메탈로센 착물, 유기알루미늄 화합물, 및 비-배위 음이온의 결합 또는 반응 생성물을 포함한다.
단량체
하나 이상의 구현예에서, 본 발명에 따라 중합될 수 있는 콘주게이트화된 디엔 단량체의 예는 1,3-부타디엔, 이소프렌, 1,3-펜타디엔, 1,3-헥사디엔, 2,3-디메틸-1,3-부타디엔, 2-에틸-1,3-부타디엔, 2-메틸-1,3-펜타디엔, 3-메틸-1,3-펜타디엔, 4-메틸-1,3-펜타디엔, 및 2,4-헥사디엔을 포함한다. 둘 이상의 콘주게이트화된 디엔의 혼합물이 또한 공중합에 이용될 수 있다.
메탈로센 착물
전술한 바와 같이, 본 발명의 실행시 이용되는 촉매 시스템은 란타나이드-계열 금속, 스칸듐, 또는 이트륨을 포함하는 메탈로센 착물을 포함한다. 당해기술에 공지된 바와 같이, 메탈로센 착물은 금속이 하나 또는 둘의 사이클로펜타디에닐 또는 사이클로펜타디에닐 유도체와 배위된 착물을 포함한다. 금속의 원자가에 따라, 하나 이상의 추가 화합물들이 란타나이드 메탈로센에 결합되거나 배위될 수 있다. 하나 이상의 구현예에서, 두 개의 사이클로펜타디에닐 또는 사이클로펜타디에닐 유도체가 금속원자에 배위되는 경우, 메탈로센 착물은 보통의 메탈로센 착물로서 지칭될 수 있다. 하나 이상의 구현예에서, 단지 하나의 사이클로펜타디에닐 또는 사이클로펜타디에닐 유도체가 금속 원자에 배위되는 경우, 메탈로센 착물은 반쪽 메탈로센 착물로서 지칭될 수 있다. 다른 구현예에서, 사이클로펜타디에닐 또는 사이클로펜타디에닐 유도체가 사이클로펜타디에닐, 사이클로펜타디에닐 유도체, 또는 금속에 배위된 또 하나의 그룹에 연결되는 경우, 메탈로센 착물은 다리걸친(bridged) 메탈로센 착물로서 지칭될 수 있다.
하나 이상의 구현예에서, 상기 메탈로센 착물은 식 I에 의해 정의될 수 있다:
Figure 112014060576890-pct00001
상기 식에서, M은 란타나이드-계열 원소, 스칸듐, 또는 이트륨이고, Cp는 사이클로펜타디에닐 그룹 또는 사이클로펜타디에닐 유도체 그룹이며, Y는 하이드로카르빌옥시 그룹, 티오하이드로카르빌옥시 그룹, 아민 그룹, 실릴 그룹, 사이클로펜타디에닐 그룹, 또는 사이클로펜타디에닐 유도체 그룹이고, X는 수소 원자, 할로겐 원자, 하이드로카르빌옥시 그룹, 티오하이드로카르빌옥시 그룹, 아민 그룹, 실릴 그룹, 또는 1가 유기 그룹이며, 각각의 L은 개별적으로 중성 루이스 염기이고, n은 0 내지 3의 숫자이고, Cp 및 Y는 2가 그룹에 의해 연결될 수 있다.
하나 이상의 구현예에서, 사이클로펜타디에닐 유도체는 적어도 하나의 방향족 5원 고리 구조를 갖는 화합물을 포함한다. 상기 사이클로펜타디엔 유도체의 5원 고리 구조는 상기 5원 고리 구조에 결합된 하나 이상의 그룹 또는 고리 구조를 포함할 수 있다. 하나 이상의 구현예에서, 사이클로펜타디에닐 유도체는 1,2,3,4,5-펜타메틸사이클로펜타디엔, 인데닐 그룹, 또는 플루오레닐 그룹을 포함할 수 있다.
하나 이상의 구현예에서, 치환된 실릴 그룹을 포함하는, 실릴 그룹의 유형은, 비제한적으로, 트리하이드로카르빌실릴, 트리실릴옥시실릴, 트리하이드로카르빌옥시실릴, 트리실릴실릴, 디하이드로카르빌하이드로실릴, 디하이드로카르빌(실릴옥시)실릴, 디하이드로카르빌(실릴)실릴, 디하이드로카르빌(하이드로카르빌옥시)실릴, 하이드로카르빌디하이드로실릴, 하이드로카르빌(디실릴옥시)실릴, 하이드로카르빌(디실릴)실릴, 및 하이드로카르빌(디하이드로카르빌옥시)실릴 그룹을 포함한다. 실릴 그룹의 특정 유형은, 예를 들면, 트리알킬실릴, 디알킬하이드로실릴, 디알킬(실릴옥시)실릴, 디알킬(실릴)실릴, 트리사이클로알킬실릴, 디사이클로알킬하이드로실릴, 디사이클로알킬(실릴옥시)실릴, 디사이클로알킬(실릴)실릴, 트리알케닐실릴, 디알케닐하이드로실릴, 디알케닐(실릴옥시)실릴, 디알케닐(실릴)실릴, 트리사이클로알케닐실릴, 디사이클로알케닐하이드로실릴, 디사이클로알케닐(실릴옥시)실릴, 디사이클로알케닐(실릴)실릴, 트리아릴실릴, 디아릴하이드로실릴, 디아릴(실릴옥시)실릴, 디아릴(실릴)실릴, 트리알릴실릴, 디알릴하이드로실릴, 디알릴(실릴옥시)실릴, 디알릴(실릴)실릴, 트리아랄킬실릴, 디아랄킬하이드로실릴, 디아랄킬(실릴옥시)실릴, 디아랄킬(실릴)실릴, 트리알카릴실릴, 디알카릴하이드로실릴, 디알카릴(실릴옥시)실릴, 디알카릴(실릴)실릴, 트리알키닐실릴, 디알키닐하이드로실릴, 디알키닐(실릴옥시)실릴, 디알키닐(실릴)실릴, 트리스(트리알킬실릴옥시)실릴, 트리스(트리아릴실릴옥시)실릴, 트리스(트리사이클로알킬실릴옥시)실릴, 트리스(트리알콕시실릴옥시)실릴, 트리스(트리아릴옥시실릴옥시)실릴, 또는 트리스(트리사이클로알킬옥시실릴옥시)실릴 그룹을 포함할 수 있다. 치환된 실릴 그룹은 하나 이상의 수소 원자가 하이드로카르빌, 하이드로카르빌옥시, 실릴, 또는 실록시 그룹과 같은 치환기에 의해 대체된 실릴 그룹을 포함한다. 하나 이상의 구현예에서, 이들 그룹은 하나, 또는 상기 그룹을 형성하는 적당한 최소 개수의 탄소 원자로부터 약 20개의 탄소 원자까지 포함할 수 있다. 이들 그룹은 또한 비제한적으로, 질소, 붕소, 산소, 규소(silicon), 황, 주석, 및 인 원자와 같은 헤테로원자를 함유할 수 있다.
하나 이상의 구현예에서, 아미노 그룹은 식 -NR2에 의해 정의된 그룹을 포함하고, 여기서 각각의 R은 독립적으로 1가 유기 그룹이거나 여기서 각각의 R은 연결되어 2가 유기 그룹을 형성한다. 아미노 그룹의 유형은, 비제한적으로, 디하이드로카르빌아미노, 비스(트리하이드로카르빌실릴)아미노, 비스(디하이드로카르빌하이드로실릴)아미노, 1-아자-디실라-1-사이클로하이드로카르빌, (트리하이드로카르빌실릴)(하이드로카르빌)아미노, (디하이드로카르빌하이드로실릴)(하이드로카르빌)아미노, 1-아자-2-실라-1-사이클로하이드로카르빌, 디하이드로카르빌아미노, 및 1-아자-1-사이클로하이드로카르빌 그룹을 포함한다.
하나 이상의 구현예에서, 하이드로카르빌옥시 그룹 또는 치환된 하이드로카르빌옥시 그룹, 예컨대, 비제한적으로, 알킬옥시, 사이클로알킬옥시, 알케닐옥시, 사이클로알케닐옥시, 아릴옥시, 알릴옥시, 아랄킬옥시, 알카릴옥시, 또는 알키닐옥시 그룹을 포함한다. 치환된 하이드로카르빌옥시 그룹은 하나 이상의 수소 원자가 알킬 그룹과 같은 치환기에 의해 대체된 하이드로카르빌옥시 그룹을 포함한다. 하나 이상의 구현예에서, 이들 그룹은 하나, 또는 상기 그룹을 형성하는 적당한 최소 개수의 탄소 원자로부터 약 20개의 탄소 원자까지 포함할 수 있다. 이들 그룹은 또한 비제한적으로, 질소, 붕소, 산소, 규소, 황, 주석, 및 인 원자와 같은 헤테로원자를 함유할 수 있다.
하나 이상의 구현예에서, 치환된 티오하이드로카르빌옥시 그룹을 포함하는 티오하이드로카르빌옥시 그룹은, 비제한적으로, 티오알킬옥시, 티오사이클로알킬옥시, 티오알케닐옥시, 티오사이클로알케닐옥시, 티오아릴옥시, 티오알릴옥시, 티오아랄킬옥시, 티오알카릴옥시, 또는 티오알키닐옥시 그룹을 포함한다. 치환된 티오하이드로카르빌옥시 그룹은 하나 이상 수소 원자가 알킬 그룹과 같은 치환기에 의해 대체된 티오하이드로카르빌옥시 그룹을 포함한다. 하나 이상의 구현예에서, 이들 그룹은 하나, 또는 상기 그룹을 형성하는 적당한 최소 개수의 탄소 원자로부터 약 20개의 탄소 원자까지 포함할 수 있다. 이들 그룹은 또한 비제한적으로, 질소, 붕소, 산소, 규소, 황, 주석, 및 인 원자와 같은 헤테로원자를 함유할 수 있다.
하나 이상의 구현예에서, 할로겐 원자는, 비제한적으로, 불소, 염소, 브롬, 및 요오드를 포함한다.
하나 이상의 구현예에서, 중성 루이스 염기의 예는, 비제한적으로, 테트라하이드로푸란, 디에틸 에테르, 디메틸 아닐린, 트리메틸 포스핀, 리튬 클로라이드, 중성 올레핀류, 및 중성 디올레핀류를 포함한다.
하나 이상의 구현예에서, 1가 유기 그룹은 비제한적으로, 알킬, 사이클로알킬, 알케닐, 사이클로알케닐, 아릴, 알릴, 아랄킬, 알카릴, 또는 알키닐 그룹과 같이, 치환된 하이드로카르빌 그룹을 포함하는, 하이드로카르빌 그룹을 포함할 수 있다. 치환된 하이드로카르빌 그룹은 하나 이상 수소 원자가 치환기, 예컨대 알킬 그룹에 의해 대체된 하이드로카르빌 그룹을 포함한다. 하나 이상의 구현예에서, 이들 그룹은 하나, 또는 상기 그룹을 형성하는 적당한 최소 개수의 탄소 원자로부터 약 20개의 탄소 원자까지 포함할 수 있다. 이들 그룹은 또한 비제한적으로, 질소, 붕소, 산소, 규소, 황, 주석, 및 인 원자와 같은 헤테로원자를 함유할 수 있다.
하나 이상의 구현예에서, 2가 그룹은, 비제한적으로, 2가 유기 그룹 및 2가 실릴 그룹을 포함한다. 하나 이상의 구현예에서, 2가 유기 그룹은 치환된 하이드로카르빌렌 그룹을 포함하는 하이드로카르빌렌 그룹을 포함할 수 있다. 예를 들면, 하이드로카르빌렌 그룹은 알킬렌, 사이클로알킬렌, 알케닐렌, 사이클로알케닐렌, 알키닐렌, 사이클로알키닐렌, 또는 아릴렌 그룹을 포함한다. 치환된 하이드로카르빌렌 그룹은 하나 이상 수소 원자가 알킬 그룹과 같은 치환기에 의해 대체된 하이드로카르빌렌 그룹을 포함한다. 하나 이상의 구현예에서, 이들 그룹은 둘, 또는 상기 그룹을 형성하는 적당한 최소 개수의 탄소 원자로부터 약 20개의 탄소 원자까지 포함할 수 있다. 이들 그룹은 또한 비제한적으로, 질소, 산소, 붕소, 규소, 황, 주석, 및 인 원자와 같은 하나 이상의 헤테로원자를 함유할 수 있다. 다른 구현예에서, 2가 실릴 그룹은 치환된 실릴렌 그룹을 포함하는 실릴렌 그룹을 포함한다. 치환된 실릴렌 그룹은 하나 이상의 수소 원자가 알킬 그룹과 같은 치환기에 의해 대체된 실릴렌 그룹을 포함한다. 하나 이상의 구현예에서, 이들 그룹은 둘, 또는 상기 그룹을 형성하는 적당한 최소 개수의 실리콘 원자로부터 약 20개의 탄소 원자까지 포함할 수 있다. 이들 그룹은 또한 비제한적으로, 질소, 산소, 붕소, 탄소, 황, 주석, 및 인 원자와 같은 하나 이상의 헤테로원자를 함유할 수 있다.
하나 이상의 구현예에서, 식 I의 Y 그룹이 사이클로펜타디에닐 그룹 또는 사이클로펜타디에닐 유도체 그룹(즉 Cp 그룹)인 경우, 상기 메탈로센 착물은 식 II에 의해 정의될 수 있다:
Figure 112014060576890-pct00002
상기 식에서, M은 란타나이드-계열 원소, 스칸듐, 또는 이트륨이고, 각각의 Cp는 개별적으로 사이클로펜타디에닐 그룹 또는 사이클로펜타디에닐 유도체 그룹이며, X는 수소 원자, 할로겐 원자, 하이드로카르빌옥시 그룹, 티오하이드로카르빌옥시 그룹, 아민 그룹, 실릴 그룹, 또는 1가 유기 그룹이고, 각각의 L은 개별적으로 중성 루이스 염기이며, n은 0 내지 3의 숫자이고, Cp 및 Y는 2가 그룹에 의해 연결될 수 있다.
하나 이상의 구현예에서, 식 II의 2개의 Cp 그룹이 2가 그룹에 의해 연결되는 경우, 다리걸친 메탈로센 착물로서 지칭될 수 있는, 메탈로센 착물은 식 III에 의해 정의될 수 있다:
Figure 112014060576890-pct00003
상기 식에서, M은 란타나이드-계열 원소, 스칸듐, 또는 이트륨이고, 각각의 Cp는 사이클로펜타디에닐 그룹 또는 사이클로펜타디에닐 유도체 그룹으로부터 개별적으로 선택되며, X는 수소 원자, 할로겐 원자, 하이드로카르빌옥시 그룹, 티오하이드로카르빌옥시 그룹, 아민 그룹, 실릴 그룹, 또는 1가 유기 그룹이고, 각각의 L은 개별적으로 중성 루이스 염기이며, n은 0 내지 3의 숫자이고, Z는 2가 그룹이다.
하나 이상의 구현예에서, 본 발명의 실시에 유용한 메탈로센 착물의 구체적인 예는, 비제한적으로, 비스(인데닐)가돌리늄 [N,N-비스(트리메틸실릴)아마이드], 비스(2-메틸 인데닐)가돌리늄 [N,N-비스(트리메틸실릴)아마이드], 비스(2-페닐 인데닐) 가돌리늄 [N,N-비스(트리메틸실릴)아마이드], 비스(2-페닐 인데닐)가돌리늄 [N,N-비스(디메틸실릴)아마이드], 비스(1-메틸-2-페닐 인데닐)가돌리늄 [N,N-비스(디메틸실릴)아마이드], 비스(2-메틸 인데닐)스칸듐 [N,N-비스(트리메틸실릴)아마이드], 및 비스(인데닐)스칸듐 [N,N-비스(트리메틸실릴)아마이드]를 포함한다.
알킬화제
전술한 바와 같이, 본 발명에서 이용되는 촉매 시스템은 알킬화제를 포함한다. 하나 이상의 구현예에서, 하이드로카르빌화제로도 지칭될 수 있는 알킬화제는 하이드로카르빌 그룹을 또 하나의 금속으로 전이시킬 수 있는 유기금속 화합물을 포함한다. 전형적으로, 이들 제제들은 1, 2, 및 3족 금속(IA, IIA, 및 IIIA족 금속)과 같은 양전기 금속의 유기금속 화합물을 포함한다. 본 발명에서 유용한 알킬화제는, 비제한적으로, 유기알루미늄 및 유기마그네슘 화합물을 포함한다. 본원에서 사용된 바와 같이, 용어 유기알루미늄 화합물은 적어도 하나의 알루미늄-탄소 결합을 함유하는 임의의 알루미늄 화합물을 지칭한다. 하나 이상의 구현예에서, 탄화수소 용매에서 가용성인 유기알루미늄 화합물이 이용될 수 있다. 본원에서 사용된 바와 같이, 용어 유기마그네슘 화합물은 적어도 하나의 마그네슘-탄소 결합을 함유하는 임의의 마그네슘 화합물을 지칭한다. 하나 이상의 구현예에서, 탄화수소에서 가용성인 유기마그네슘 화합물이 이용될 수 있다. 하기에서 더 상세히 기재될 바와 같이, 적합한 알킬화제 중 몇 가지 종류들은 할로겐화물의 형태일 수 있다. 알킬화제가 할로겐 원자를 포함하는 경우, 알킬화제는 또한 전술한 촉매 시스템에서 할로겐 공급원의 전부 또는 일부로서 역할을 할 수 있다.
하나 이상의 구현예에서, 이용될 수 있는 유기알루미늄 화합물은 일반식 AlRnX3-n에 의해 표시되는 것을 포함하고, 여기서 각각의 R은 독립적으로 탄소 원자를 통해 알루미늄 원자에 부착된 1가 유기 그룹일 수 있고, 여기서 각각의 X는 독립적으로 수소 원자, 할로겐 원자, 카복실레이트 그룹, 알콕사이드 그룹, 또는 아릴옥사이드 그룹일 수 있고, 여기서 n은 1 내지 3의 범위의 정수일 수 있다. 하나 이상의 구현예에서, 각각의 R은 독립적으로, 예를 들면, 알킬, 사이클로알킬, 치환된 사이클로알킬, 알케닐, 사이클로알케닐, 치환된 사이클로알케닐, 아릴, 치환된 아릴, 아랄킬, 알카릴, 알릴, 및 알키닐 그룹과 같은 하이드로카르빌 그룹일 수 있고, 각 그룹은 1개의 탄소 원자, 또는 상기 그룹을 형성하는 적당한 최소 개수의 탄소 원자로부터 최대 20개의 범위의 탄소 원자를 함유한다. 이들 하이드로카르빌 그룹은, 비제한적으로, 질소, 산소, 붕소, 규소, 황, 및 인 원자를 포함하는 헤테로원자를 함유할 수 있다.
일반식 AlRnX3 -n에 의해 표시되는 유기알루미늄 화합물의 유형은, 비제한적으로, 트리하이드로카르빌알루미늄, 디하이드로카르빌알루미늄 하이드라이드, 하이드로카르빌알루미늄 디하이드라이드, 디하이드로카르빌알루미늄 카복실레이트, 하이드로카르빌알루미늄 비스(카복실레이트), 디하이드로카르빌알루미늄 알콕사이드, 하이드로카르빌알루미늄 디알콕사이드, 디하이드로카르빌알루미늄 할라이드, 하이드로카르빌알루미늄 디할라이드, 디하이드로카르빌알루미늄 아릴옥사이드, 및 하이드로카르빌알루미늄 디아릴옥사이드 화합물을 포함한다. 일 구현예에서, 알킬화제는 트리하이드로카르빌알루미늄, 디하이드로카르빌알루미늄 하이드라이드, 및/또는 하이드로카르빌알루미늄 디하이드라이드 화합물을 포함할 수 있다. 일 구현예에서, 상기 알킬화제가 유기알루미늄 하이드라이드 화합물을 포함할 때, 전술한 할로겐 공급원은 본원에 그 전체가 참고로 통합되어 있는 미국 특허 제7,008,899호에 개시된 바와 같이, 주석 할라이드에 의해 제공될 수 있다.
적합한 트리하이드로카르빌알루미늄 화합물은, 비제한적으로, 트리메틸알루미늄, 트리에틸알루미늄, 트리이소부틸알루미늄, 트리-n-프로필알루미늄, 트리이소프로필알루미늄, 트리-n-부틸알루미늄, 트리-t-부틸알루미늄, 트리-n-펜틸알루미늄, 트리네오펜틸알루미늄, 트리-n-헥실알루미늄, 트리-n-옥틸알루미늄, 트리스(2-에틸헥실)알루미늄, 트리사이클로헥실알루미늄, 트리스(1-메틸사이클로펜틸)알루미늄, 트리페닐알루미늄, 트리-p-톨릴알루미늄, 트리스(2,6-디메틸페닐)알루미늄, 트리벤질알루미늄, 디에틸페닐알루미늄, 디에틸-p-톨릴알루미늄, 디에틸벤질알루미늄, 에틸디페닐알루미늄, 에틸디-p-톨릴알루미늄, 및 에틸디벤질알루미늄을 포함한다.
적합한 디하이드로카르빌알루미늄 하이드라이드 화합물은, 비제한적으로, 디에틸알루미늄 하이드라이드, 디-n-프로필알루미늄 하이드라이드, 디이소프로필알루미늄 하이드라이드, 디-n-부틸알루미늄 하이드라이드, 디이소부틸알루미늄 하이드라이드, 디-n-옥틸알루미늄 하이드라이드, 디페닐알루미늄 하이드라이드, 디-p-톨릴알루미늄 하이드라이드, 디벤질알루미늄 하이드라이드, 페닐에틸알루미늄 하이드라이드, 페닐-n-프로필알루미늄 하이드라이드, 페닐이소프로필알루미늄 하이드라이드, 페닐-n-부틸알루미늄 하이드라이드, 페닐이소부틸알루미늄 하이드라이드, 페닐-n-옥틸알루미늄 하이드라이드, p-톨릴에틸알루미늄 하이드라이드, p-톨릴-n-프로필알루미늄 하이드라이드, p-톨릴이소프로필알루미늄 하이드라이드, p-톨릴-n-부틸알루미늄 하이드라이드, p-톨릴이소부틸알루미늄 하이드라이드, p-톨릴-n-옥틸알루미늄 하이드라이드, 벤질에틸알루미늄 하이드라이드, 벤질-n-프로필알루미늄 하이드라이드, 벤질이소프로필알루미늄 하이드라이드, 벤질-n-부틸알루미늄 하이드라이드, 벤질이소부틸알루미늄 하이드라이드, 및 벤질-n-옥틸알루미늄 하이드라이드를 포함한다.
적합한 하이드로카르빌알루미늄 디하이드라이드는, 비제한적으로, 에틸알루미늄 디하이드라이드, n-프로필알루미늄 디하이드라이드, 이소프로필알루미늄 디하이드라이드, n-부틸알루미늄 디하이드라이드, 이소부틸알루미늄 디하이드라이드, 및 n-옥틸알루미늄 디하이드라이드를 포함한다.
적합한 디하이드로카르빌알루미늄 할라이드 화합물은, 비제한적으로, 디에틸알루미늄 클로라이드, 디-n-프로필알루미늄 클로라이드, 디이소프로필알루미늄 클로라이드, 디-n-부틸알루미늄 클로라이드, 디이소부틸알루미늄 클로라이드, 디-n-옥틸알루미늄 클로라이드, 디페닐알루미늄 클로라이드, 디-p-톨릴알루미늄 클로라이드, 디벤질알루미늄 클로라이드, 페닐에틸알루미늄 클로라이드, 페닐-n-프로필알루미늄 클로라이드, 페닐이소프로필알루미늄 클로라이드, 페닐-n-부틸알루미늄 클로라이드, 페닐이소부틸알루미늄 클로라이드, 페닐-n-옥틸알루미늄 클로라이드, p-톨릴에틸알루미늄 클로라이드, p-톨릴-n-프로필알루미늄 클로라이드, p-톨릴이소프로필알루미늄 클로라이드, p-톨릴-n-부틸알루미늄 클로라이드, p-톨릴이소부틸알루미늄 클로라이드, p-톨릴-n-옥틸알루미늄 클로라이드, 벤질에틸알루미늄 클로라이드, 벤질-n-프로필알루미늄 클로라이드, 벤질이소프로필알루미늄 클로라이드, 벤질-n-부틸알루미늄 클로라이드, 벤질이소부틸알루미늄 클로라이드, 및 벤질-n-옥틸알루미늄 클로라이드를 포함한다.
적합한 하이드로카르빌알루미늄 디할라이드 화합물은, 비제한적으로, 에틸알루미늄 디클로라이드, n-프로필알루미늄 디클로라이드, 이소프로필알루미늄 디클로라이드, n-부틸알루미늄 디클로라이드, 이소부틸알루미늄 디클로라이드, 및 n-옥틸알루미늄 디클로라이드를 포함한다.
일반식 AlRnX3 -n에 의해 표시될 수 있는 알킬화제로서 유용한 다른 유기알루미늄 화합물은, 비제한적으로, 디메틸알루미늄 헥사노에이트, 디에틸알루미늄 옥토에이트, 디이소부틸알루미늄 2-에틸헥사노에이트, 디메틸알루미늄 네오데카노에이트, 디에틸알루미늄 스테아레이트, 디이소부틸알루미늄 올레이트, 메틸알루미늄 비스(헥사노에이트), 에틸알루미늄 비스(옥토에이트), 이소부틸알루미늄 비스(2-에틸헥사노에이트), 메틸알루미늄 비스(네오데카노에이트), 에틸알루미늄 비스(스테아레이트), 이소부틸알루미늄 비스(올레이트), 디메틸알루미늄 메톡사이드, 디에틸알루미늄 메톡사이드, 디이소부틸알루미늄 메톡사이드, 디메틸알루미늄 에톡사이드, 디에틸알루미늄 에톡사이드, 디이소부틸알루미늄 에톡사이드, 디메틸알루미늄 펜옥사이드, 디에틸알루미늄 펜옥사이드, 디이소부틸알루미늄 펜옥사이드, 메틸알루미늄 디메톡사이드, 에틸알루미늄 디메톡사이드, 이소부틸알루미늄 디메톡사이드, 메틸알루미늄 디에톡사이드, 에틸알루미늄 디에톡사이드, 이소부틸알루미늄 디에톡사이드, 메틸알루미늄 디펜옥사이드, 에틸알루미늄 디펜옥사이드, 및 이소부틸알루미늄 디펜옥사이드를 포함한다.
본 발명에서 알킬화제로서 사용하기에 적합한 유기알루미늄 화합물의 또 다른 계열은 알루미녹산이다. 알루미녹산은 하기 일반식에 의해 표시될 수 있는 올리고머성 선형 알루미녹산:
Figure 112014060576890-pct00004
및 하기 일반식에 의해 표시될 수 있는 올리고머 환형 알루미녹산을 포함할 수 있다:
Figure 112014060576890-pct00005
상기 식에서, x는 1 내지 약 100, 또는 약 10 내지 약 50의 범위의 정수일 수 있고; y는 2 내지 약 100, 또는 약 3 내지 약 20의 범위의 정수일 수 있으며; 여기서 각각의 R은 독립적으로 탄소 원자를 통해 알루미늄 원자에 부착된 1가 유기 그룹일 수 있다. 일 구현예에서, 각각의 R은 독립적으로, 비제한적으로, 알킬, 사이클로알킬, 치환된 사이클로알킬, 알케닐, 사이클로알케닐, 치환된 사이클로알케닐, 아릴, 치환된 아릴, 아랄킬, 알카릴, 알릴, 및 알키닐 그룹을 포함하는, 하이드로카르빌 그룹일 수 있으며, 각 그룹은 1개의 탄소 원자 또는 상기 그룹을 형성하는 적당한 최소 개수의 탄소 원자로부터 최대 약 20개의 탄소 원자 범위를 함유한다. 이들 하이드로카르빌 그룹은 또한, 비제한적으로, 질소, 산소, 붕소, 규소, 황, 및 인 원자를 포함하는 헤테로원자를 함유할 수 있다. 본원에 사용된 바와 같은 알루미녹산의 몰수는 올리고머성 알루미녹산 분자의 몰수라기보다는 알루미늄 원자의 몰수를 지칭한다는 것에 유념해야한다. 이 관례는 알루미녹산을 이용하는 촉매 시스템의 분야에서 통상적으로 이용된다.
알루미녹산은 트리하이드로카르빌알루미늄 화합물을 물과 반응시킴으로써 제조될 수 있다. 이 반응은, 예를 들면, (1) 트리하이드로카르빌알루미늄 화합물을 유기 용매에 용해시킨 다음 물과 접촉시키는 방법, (2) 트리하이드로카르빌알루미늄 화합물을, 예를 들어 금속염에 함유된 결정수 또는 무기 또는 유기 화합물에 흡수된 물과 반응시키는 방법, 또는 (3) 트리하이드로카르빌알루미늄 화합물을 중합될 단량체 또는 단량체 용액의 존재하에 물과 반응시키는 방법과 같이, 공지된 방법에 따라 수행될 수 있다,
적합한 알루미녹산 화합물은, 비제한적으로, 메틸알루미녹산("MAO"), 변형된 메틸알루미녹산("MMAO"), 에틸알루미녹산, n-프로필알루미녹산, 이소프로필알루미녹산, 부틸알루미녹산, 이소부틸알루미녹산, n-펜틸알루미녹산, 네오펜틸알루미녹산, n-헥실알루미녹산, n-옥틸알루미녹산, 2-에틸헥실알루미녹산, 사이클로헥실알루미녹산, 1-메틸사이클로펜틸알루미녹산, 페닐알루미녹산, 및 2,6-디메틸페닐알루미녹산을 포함한다. 변형된 메틸알루미녹산은 메틸알루미녹산의 메틸 그룹의 약 20 내지 80 퍼센트를 당해분야의 숙련가에 알려진 기술을 이용하여, C2 내지 C12 하이드로카르빌 그룹, 바람직하게는 이소부틸 그룹으로 치환함으로써 형성될 수 있다.
알루미녹산은 단독으로 또는 다른 유기알루미늄 화합물과 결합으로 사용될 수 있다. 일 구현예에서, 메틸알루미녹산 및 적어도 하나의 다른 유기알루미늄 화합물(예를 들면, AlRnX3 -n), 예컨대 디이소부틸 알루미늄 하이드라이드가 결합으로 이용될 수 있다. 본원에 그 전체가 참고로 통합되어 있는 미국 공보 제2008/0182954호는, 알루미녹산 및 유기알루미늄 화합물이 결합으로 이용될 수 있는 다른 예를 제공한다.
전술한 바와 같이, 본 발명에서 유용한 알킬화제는 유기마그네슘 화합물을 포함할 수 있다. 하나 이상의 구현예에서, 이용될 수 있는 유기마그네슘 화합물은 일반식 MgR2에 의해 표시되는 것을 포함하며, 여기서 각각의 R은 독립적으로 탄소 원자를 통해 마그네슘 원자에 부착된 1가 유기 그룹일 수 있다. 하나 이상의 구현예에서, 각각의 R은 독립적으로, 비제한적으로, 알킬, 사이클로알킬, 치환된 사이클로알킬, 알케닐, 사이클로알케닐, 치환된 사이클로알케닐, 아릴, 알릴, 치환된 아릴, 아랄킬, 알카릴, 및 알키닐 그룹을 포함하는 하이드로카르빌 그룹일 수 있으며, 각 그룹은 1개의 탄소 원자, 또는 상기 그룹을 형성하는 적당한 최소 개수의 탄소 원자로부터 최대 20개의 탄소 원자까지의 범위를 함유한다. 이들 하이드로카르빌 그룹은 또한, 비제한적으로, 질소, 산소, 규소, 황, 및 인 원자를 포함하는 헤테로원자를 함유할 수 있다.
일반식 MgR2에 의해 표시될 수 있는 적합한 유기마그네슘 화합물은, 비제한적으로, 디에틸마그네슘, 디-n-프로필마그네슘, 디이소프로필마그네슘, 디부틸마그네슘, 디헥실마그네슘, 디페닐마그네슘, 및 디벤질마그네슘을 포함한다.
알킬화제로서 이용될 수 있는 또 다른 계열의 유기마그네슘 화합물은 일반식 RMgX에 의해 표시될 수 있으며, 상기 식에서 R은 탄소 원자를 통해 마그네슘 원자에 부착된 1가 유기 그룹일 수 있고, X는 수소 원자, 할로겐 원자, 카복실레이트 그룹, 알콕사이드 그룹, 또는 아릴옥사이드 그룹일 수 있다. 알킬화제가 할로겐 원자를 포함하는 유기마그네슘 화합물인 경우, 상기 유기마그네슘 화합물은 촉매 시스템에서 알킬화제 및 할로겐 공급원의 적어도 일부로서 역할을 할 수 있다. 하나 이상의 구현예에서, R은, 비제한적으로, 알킬, 사이클로알킬, 치환된 사이클로알킬, 알케닐, 사이클로알케닐, 치환된 사이클로알케닐, 아릴, 알릴, 치환된 아릴, 아랄킬, 알카릴, 및 알키닐 그룹을 포함하는, 하이드로카르빌 그룹일 수 있고, 각 그룹은 1개의 탄소 원자, 또는 상기 그룹을 형성하는 적당한 최소 개수의 탄소 원자로부터 최대 약 20개의 탄소 원자까지의 범위를 함유한다. 이들 하이드로카르빌 그룹은 또한, 비제한적으로, 질소, 산소, 붕소, 규소, 황, 및 인 원자를 포함하는 헤테로원자를 함유할 수 있다. 일 구현예에서, X는 카복실레이트 그룹, 알콕사이드 그룹, 또는 아릴옥사이드 그룹일 수 있고, 각 그룹은 1 내지 약 20개 탄소 원자의 범위를 함유한다.
일반식 RMgX에 의해 표시될 수 있는 유기마그네슘 화합물의 유형은, 비제한적으로, 하이드로카르빌마그네슘 하이드라이드, 하이드로카르빌마그네슘 할라이드, 하이드로카르빌마그네슘 카복실레이트, 하이드로카르빌마그네슘 알콕사이드, 및 하이드로카르빌마그네슘 아릴옥사이드를 포함한다.
일반식 RMgX에 의해 표시될 수 있는 적합한 유기마그네슘 화합물은, 비제한적으로, 메틸마그네슘 하이드라이드, 에틸마그네슘 하이드라이드, 부틸마그네슘 하이드라이드, 헥실마그네슘 하이드라이드, 페닐마그네슘 하이드라이드, 벤질마그네슘 하이드라이드, 메틸마그네슘 클로라이드, 에틸마그네슘 클로라이드, 부틸마그네슘 클로라이드, 헥실마그네슘 클로라이드, 페닐마그네슘 클로라이드, 벤질마그네슘 클로라이드, 메틸마그네슘 브로마이드, 에틸마그네슘 브로마이드, 부틸마그네슘 브로마이드, 헥실마그네슘 브로마이드, 페닐마그네슘 브로마이드, 벤질마그네슘 브로마이드, 메틸마그네슘 헥사노에이트, 에틸마그네슘 헥사노에이트, 부틸마그네슘 헥사노에이트, 헥실마그네슘 헥사노에이트, 페닐마그네슘 헥사노에이트, 벤질마그네슘 헥사노에이트, 메틸마그네슘 에톡사이드, 에틸마그네슘 에톡사이드, 부틸마그네슘 에톡사이드, 헥실마그네슘 에톡사이드, 페닐마그네슘 에톡사이드, 벤질마그네슘 에톡사이드, 메틸마그네슘 펜옥사이드, 에틸마그네슘 펜옥사이드, 부틸마그네슘 펜옥사이드, 헥실마그네슘 펜옥사이드, 페닐마그네슘 펜옥사이드, 및 벤질마그네슘 펜옥사이드를 포함한다.
비- 배위 음이온
전술한 바와 같이, 본 발명의 실행에 이용되는 촉매 시스템은 비-배위 음이온을 포함할 수 있다. 하나 이상의 구현예에서, 비-배위 음이온은 입체 장애로 인해, 예를 들면, 촉매 시스템의 활성 중심과 배위 결합을 형성하지 않는 입체적으로 부피가 큰(bulky) 음이온이다. 특별한 구현예에서, 비-배위 음이온은 테트라아릴보레이트 음이온, 예컨대 플루오르화된 테트라아릴보레이트 음이온을 포함한다. 하나 이상의 구현예에서, 비-배위 음이온은 반대 양이온, 예컨대 카보늄, 암모늄, 또는 포스포늄 양이온을 포함한다. 예를 들면, 상기 반대 양이온은 트리아릴카보늄 양이온을 포함할 수 있다.
하나 이상의 구현예에서, 비-배위 음이온의 염은 하기 식에 의해 표시될 수 있다:
[A]+[B]-
상기 식에서, [A]+는 양이온이고, [B]-는 비-배위 음이온이다.
비-배위 음이온의 구체적인 예는, 비제한적으로, 테트라페닐 보레이트, 테트라키스(모노플루오로페닐)보레이트, 테트라키스(디플루오로페닐)보레이트, 테트라키스(트리플루오로페닐)보레이트, 테트라키스(테트라플루오로페닐)보레이트, 테트라키스(펜타플루오로페닐)보레이트, 테트라키스(테트라플루오로메틸페닐)보레이트, 테트라(톨릴)보레이트, 테트라(크실릴)보레이트, (트리페닐, 펜타플루오로페닐)보레이트, [트리스(펜타플루오로페닐), 페닐]보레이트, 및 트리데카하이드라이드-7,8-디카바운데카보레이트를 포함한다.
비-배위 음이온의 염의 구체적인 예는, 비제한적으로, N,N-디메틸아닐리늄 테트라키스(펜타플루오로페닐)보레이트 및 트리페닐카보늄 테트라키스(펜타플루오로페닐)보레이트를 포함한다.
촉매 시스템 형성
본 발명의 촉매 조성물은 전술한 촉매 성분들을 결합하거나 혼합함으로써 형성될 수 있다. 하나 이상의 활성 촉매 종들이 촉매 성분의 결합으로부터 야기되는 것으로 여겨지긴 하지만, 다양한 촉매 성분 또는 구성요소 간의 상호작용 또는 반응의 정도는 어떤 높은 정도의 확실성을 가질 정도로 알려져 있지 않다. 메탈로센 착물, 알킬화제, 및 선택적인 비-배위 음이온의 결합 또는 반응 생성물은 촉매 시스템 또는 촉매 조성물로서 통상적으로 지칭된다. 용어 촉매 조성물 또는 촉매 시스템은 성분들의 단순한 혼합물, 물리적 또는 화학적 인력에 의해 야기되는 다양한 성분들의 복합체, 성분들의 화학적 반응 생성물, 또는 이의 결합을 포함하고자 이용될 수 있다.
본 발명의 촉매 조성물은 유익하게는 광범위한 촉매 농도 및 촉매 성분 비에 걸쳐 콘주게이트화된 디엔을 폴리디엔으로 중합시키는 기술적으로 유용한 촉매 활성을 갖는다. 몇 가지 인자들이 촉매 성분 중 어느 하나의 최적 농도에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들면, 촉매 성분들은 상호작용하여 활성종을 형성할 수 있기 때문에, 어느 하나의 촉매 성분에 대한 최적의 농도는 다른 촉매 성분의 농도에 좌우될 수 있다.
하나 이상의 구현예에서, 알킬화제 대 메탈로센 착물의 금속의 몰비(알킬화제/M)는 약 1:1 내지 약 100:1, 다른 구현예에서 약 10:1 내지 약 60:1, 및 다른 구현예에서 약 20:1 내지 약 40:1로 달라질 수 있다.
알루미녹산이 알킬화제로서 이용되는 구현예에서, 알루미녹산 대 메탈로센 착물의 금속의 몰비(알루미녹산/M)는 1:1 내지 약 100:1, 다른 구현예에서 약 10:1 내지 약 60:1, 및 다른 구현예에서 약 20:1 내지 약 40:1로 달라질 수 있다.
촉매 시스템이 비-배위를 이용하는 구현예에서, 비-배위 음이온 대 메탈로센 착물의 금속의 몰비(음이온/M)는 0.5:1 내지 약 3:1, 다른 구현예에서 약 0.7:1 내지 약 1.5:1, 및 다른 구현예에서 약 0.8:1 내지 약 1.2:1로 달라질 수 있다.
하나 이상의 구현예에서, 촉매 시스템은 몇 가지 기술을 이용하여 형성될 수 있다. 하나 이상의 구현예에서, 촉매는 촉매 구성요소를 직접 중합될 단량체에 첨가함으로써 형성될 수 있다. 이 점에 있어서, 촉매 구성요소는 단계적으로 또는 동시 방식으로 첨가될 수 있다. 일 구현예에서, 촉매 성분이 단계적인 방식으로 첨가되는 경우, 메탈로센 착물이 먼저 첨가된 다음, 알킬화제가 첨가되고, 선택적으로 비-배위 음이온이 첨가될 수 있다. 촉매 구성요소를 직접 중합될 단량체에 첨가하는 것은 촉매 시스템의 원위치(in situ) 형성으로서 지칭될 수 있다.
다른 구현예에서, 촉매 또는 이의 일부가 미리 형성될 수 있다. 즉, 둘 이상의 촉매 성분들이 도입되고 중합될 단량체의 외부에서 미리-혼합될 수 있다. 예를 들면, 메탈로센 착물 및 알킬화제는 적절한 용매 내에서, 적절한 온도에서 선택적으로 소량의 적어도 하나의 콘주게이트화된 디엔 단량체의 존재하에 결합되어 블렌드를 형성할 수 있다. 그리고 나서, 비-배위 음이온이 메탈로센 착물 및 알킬화제의 블렌드에 도입되어 미리 형성된 촉매(즉, 활성 촉매)를 형성할 수 있다. 다른 구현예에서, 상기 블렌드 및 비-배위 음이온은 별도로 그리고 개별적으로 중합될 단량체에 첨가될 수 있다.
또 다른 구현예에서, 촉매는 메탈로센 착물을 반대 음이온과 결합하여 전구체 착물을 형성함으로써 미리 형성된다. 이 전구체는 선택적으로 소량의 단량체의 존재하에 적절한 용매 내에서 형성될 수 있다. 이후, 상기 알킬화제는 상기 전구체와 결합되어 미리 형성된 촉매를 형성할 수 있다. 다른 구현예에서, 전구체 착물 및 알킬화제는 별도로 그리고 개별적으로 중합될 단량체에 첨가될 수 있다.
특별한 구현예에서, 촉매의 미리형성은 일반적으로 약 -20℃ 내지 약 80℃인 적절한 온도에서 임의의 단량체의 부재하에 또는 소량의 적어도 하나의 콘주게이트화된 디엔 단량체의 존재하에 발생할 수 있다. 콘주게이트화된 디엔 단량체의 혼합물이 또한 사용될 수 있다. 촉매를 미리 형성하는데 사용될 수 있는 콘주게이트화된 디엔 단량체의 양은 메탈로센 착물 몰당 약 1 내지 약 500 몰, 다른 구현예에서 약 5 내지 약 250 몰, 및 다른 구현예에서 약 10 내지 약 100 몰의 범위일 수 있다. 얻어진 미리 형성된 촉매 조성물은 중합될 단량체에 첨가되기에 앞서, 원하는 경우 숙성될 수 있다.
하나 이상의 구현예에서, 용매는 촉매 또는 촉매 성분의 중합 시스템으로의 전달을 촉진하기 위해 촉매 또는 촉매 성분을 용해시키거나 현탁시키는 캐리어로서 이용될 수 있다. 다른 구현예에서, 콘주게이트화된 디엔 단량체는 촉매 캐리어로서 사용될 수 있다. 또 다른 구현예에서, 촉매 성분은 임의의 용매 없이 그 순수한 상태로 사용될 수 있다.
하나 이상의 구현예에서, 적합한 용매는 촉매의 존재 하에 단량체의 중합 동안 연장하는 중합체 사슬 내로 중합 또는 혼입을 겪지 않을 유기 화합물을 포함한다. 하나 이상의 구현예에서, 이들 유기 용매는 촉매에 불활성이다. 하나 이상의 구현예에서, 이들 유기 용매는 주위 온도 및 압력에서 액체이다. 예시적인 유기 용매는 낮은 또는 비교적 낮은 비점을 갖는 탄화수소, 예컨대 방향족 탄화수소, 지방족 탄화수소, 및 지환족 탄화수소를 포함한다. 방향족 탄화수소의 비제한적인 예는 벤젠, 톨루엔, 자일렌, 에틸벤젠, 디에틸벤젠, 및 메시틸렌을 포함한다. 지방족 탄화수소의 비제한적인 예는 n-펜탄, n-헥산, n-헵탄, n-옥탄, n-노난, n-데칸, 이소펜탄, 이소헥산, 이소펜탄, 이소옥탄, 2,2-디메틸부탄, 석유 에테르, 등유, 및 경유를 포함한다. 그리고, 지환족 탄화수소의 비제한적인 예는 사이클로펜탄, 사이클로헥산, 메틸사이클로펜탄, 및 메틸사이클로헥산을 포함한다. 상기 탄화수소의 혼합물이 또한 사용될 수 있다. 저-비점 탄화수소 용매는 중합 완료시 중합체로부터 전형적으로 분리된다.
유기 용매의 다른 예는 파라핀성 오일, 방향족 오일, 또는 오일-연장 중합체에 통상적으로 사용되는 다른 탄화수소 오일과 같은, 고분자량의 고-비점 탄화수소를 포함한다. 이들 탄화수소는 비-휘발성이므로, 이들은 전형적으로 분리를 요하지 않고 중합체 내에 혼입된 상태를 유지한다.
중합 시스템
본 발명에 따른 폴리디엔의 생산은 전술한 촉매 조성물의 촉매적 유효량의 존재 하에 콘주게이트화된 디엔 단량체를 중합함으로써 달성될 수 있다. 촉매 조성물, 콘주게이트화된 디엔 단량체, 및 만약 이용되는 경우 임의의 용매는, 중합 혼합물을 형성하며, 여기에서 중합체 생성물이 형성된다. 중합 혼합물에서 이용될 총 촉매 농도는 다양한 인자의 상호작용, 예컨대 성분의 순도, 중합 온도, 원하는 중합 속도 및 전환, 원하는 분자량, 및 많은 다른 인자에 좌우될 수 있다. 따라서, 특정한 총 촉매 농도는 촉매적 유효량의 각 촉매 성분들이 사용될 수 있다고 말하는 것을 제외하면 한정적으로 설정될 수 없다. 하나 이상의 구현예에서, 사용된 메탈로센 착물의 양은 콘주게이트화된 디엔 단량체 100 g 당 약 0.0005 내지 약 0.01 mmol, 다른 구현예에서 약 0.001 내지 약 0.009 mmol, 및 다른 구현예에서 약 0.003 내지 약 0.007 mmol로 달라질 수 있다.
하나 이상의 구현예에서, 본 발명에서 이용되는 중합 시스템은 실질적으로 용매를 포함하지 않거나 최소량의 용매를 포함하는 벌크 중합 시스템인 것으로 일반적으로 간주될 수 있다. 당해분야의 숙련가는 벌크 중합 방법의 이점(즉, 단량체가 용매로서 작용하는 방법)을 인식할 것이고, 따라서 상기 중합 시스템은 벌크 중합을 수행함으로써 추구되는 이점에 해로운 영향을 미칠 용매를 덜 포함한다. 하나 이상의 구현예에서, 중합 혼합물의 용매 함량은 중합 혼합물의 총 중량을 기준으로 약 20중량 % 미만, 다른 구현예에서 약 10중량 % 미만, 및 또 다른 구현예에서 약 5중량 % 미만일 수 있다. 또 하나의 구현예에서, 중합 혼합물은 이용된 원료에 고유한 것 이외의 용매를 함유하지 않는다. 또 하나의 구현예에서, 중합 혼합물은 실질적으로 용매가 없으며, 이는 중합 방법에 주목할만한 영향을 미칠 용매의 양의 부재를 지칭한다. 실질적으로 용매가 없는 중합 시스템은 실질적으로 용매를 포함하지 않는 것으로서 지칭될 수 있다. 특별한 구현예에서, 중합 혼합물은 용매가 없다.
벌크 중합은 본 기술분야에 공지된 종래의 중합 용기에서 수행될 수 있다. 하나 이상의 구현예에서, 벌크 중합은, 특히 만약 단량체 전환이 약 60% 미만인 경우, 종래의 교반된-탱크 반응기에서 수행될 수 있다. 특정 구현예에서, 벌크 중합은 20% 미만, 다른 구현예에서 15% 미만, 및 다른 구현예에서 12% 미만의 단량체 전환까지 제1 용기 내에서 수행되며, 중합체 및 미반응된 단량체는 제1 반응기로부터 제거되고 중합은 종료된다. 낮은 단량체 전환을 이용하는 유용한 벌크 중합 방법의 예가 본원에 참고로 통합되어 있는 미국 특허 제7,351,776호에 개시되어 있다.
다른 구현예에서, 특히 단량체 전환이 약 60%보다 커서 전형적으로 고점성 시멘트를 야기하는 경우, 벌크 중합은 중합 중인 점성 시멘트가 피스톤에 의해, 또는 실질적으로 피스톤에 의해 움직이도록 유도되는 신장된 반응기에서 수행될 수 있다. 예를 들면, 시멘트가 자가-세정 단일 스크류 또는 이중 스크류 교반기에 의해 밀려나가는 압출기가 이러한 목적을 위해 적합하다.
하나 이상의 구현예에서, 중합에 사용된 모든 성분들은 단일 용기(예를 들면, 종래의 교반된-탱크 반응기) 내에서 결합될 수 있고, 중합 방법의 모든 단계가 이 용기 내에서 수행될 수 있다. 다른 구현예에서, 둘 이상의 성분들이 하나의 용기에서 미리-결합된 다음 또 다른 용기로 옮겨지고 여기서 단량체(또는 이의 적어도 주요 부분)의 중합이 수행될 수 있다.
상기 벌크 중합은 회분식 방법, 연속식 방법, 또는 반-연속식 방법으로서 수행될 수 있다. 반-연속식 방법에서, 단량체는 이미 중합된 단량체를 대체하기 위해 필요에 따라 간헐적으로 충전된다. 상기 중합 온도는 달라질 수 있다. 그러나, 고온에서 1,3-부타디엔 단량체에서의 시스-1,4-폴리부타디엔의 제한된 용해도로 인해, 단일-상 균질 시스템에서 중합량을 유지하기 위해 비교적 낮은 중합 온도를 이용하는 것이 바람직하며, 이는 중합체 분자량을 엄격하게 조절하여 균일한 중합체 생성물을 생성하게 한다. 하나 이상의 구현예에서, 중합이 진행되는 조건은 약 0℃ 내지 약 50℃, 다른 구현예에서 약 5℃ 내지 약 45℃, 및 다른 구현예에서 약 10℃ 내지 약 40℃의 범위 내로 중합 혼합물의 온도를 유지하도록 조절될 수 있다. 하나 이상의 구현예에서, 중합 열은 열 제어 반응기 재킷에 의한 외부 냉각, 반응기에 연결된 환류 응축기의 사용을 통한 단량체의 증발 및 응축에 의한 내부 냉각, 또는 상기 두 가지 방법의 결합에 의해 제거될 수 있다. 또한, 조건들은 약 0.1 대기압 내지 약 50 대기압, 다른 구현예에서 약 0.5 대기압 내지 약 20 대기압, 및 다른 구현예에서 약 1 대기압 내지 약 10 대기압 하에 중합을 수행하도록 조절될 수 있다. 하나 이상의 구현예에서, 중합이 수행될 수 있는 압력은 대다수의 단량체가 액체상으로 되는 것을 보증하는 것을 포함한다. 이들 또는 다른 구현예에서, 상기 중합 혼합물은 혐기성 조건 하에 유지될 수 있다.
중합은 중합이 종료되기 전 어떤 원하는 전환율까지 수행될 수 있다. 하지만, 하나 이상의 구현예에서, 예를 들면, 단량체에서의 시스-1,4-폴리부타디엔의 제한된 용해로 인해, 높은 전환율에서 단량체로부터 고체상으로서 중합체의 가능한 분리 뿐만 아니라 높은 전환율로부터 비롯되는 높은 시멘트 점도를 피하는 것이 바람직할 수 있다. 따라서, 일 구현예에서, 상기 전환율은 약 5% 내지 약 60%의 범위이다. 또 하나의 구현예에서, 상기 전환율은 약 10% 내지 약 40%이다. 또 하나의 구현예에서, 상기 전환율은 약 15% 내지 약 30%이다. 미반응된 단량체는 이후에 다시 그 공정으로 되돌려서 재활용될 수 있다.
중합체 변형
본 발명의 중합 방법에 의해 생산된 폴리디엔은, 이들 중합체 내의 중합체 사슬 일부가 반응성 사슬 말단을 갖도록, 유사-생존(pseudo-living) 특성을 가질 수 있다. 원하는 단량체 전환이 달성되면, 관능화제가 중합 혼합물 내로 선택적으로 도입되어 임의의 반응성 중합체 사슬과 반응하여 관능화된 중합체를 생성한다. 하나 이상의 구현예에서, 상기 관능화제는 중합 혼합물을 ?칭제(quenching agent)와 접촉시키기 전에 도입된다. 다른 구현예에서, 관능화제는 중합 혼합물이 ?칭제로 일부 ?칭된 후에 도입될 수 있다.
하나 이상의 구현예에서, 관능화제는 본 발명에 의해 생산된 반응성 중합체와 반응하고, 이로써 관능화제와 반응하지 않은 연장 사슬과 뚜렷이 다른 관능 그룹을 갖는 중합체를 제공할 수 있는 화합물 또는 시약을 포함한다. 상기 관능 그룹은 다른 중합체 사슬(연장 및/또는 비-연장)과 반응하거나 상호작용할 수 있거나 또는 중합체와 결합될 수 있는 보강 충전제(예를 들면 카본블랙)와 같은 다른 구성 요소와 반응하거나 상호작용할 수 있다. 하나 이상의 구현예에서, 관능화제 및 반응성 중합체 간의 반응은 첨가 또는 치환 반응을 통해 진행된다.
유용한 관능화제는 둘 이상의 중합체 사슬을 연결시키지 않고 중합체 사슬의 말단에 관능 그룹을 제공하는 화합물, 뿐만 아니라 기능적 연결을 통해 둘 이상의 중합체 사슬을 함께 결합하거나 연결하여 단일 거대분자를 형성하는 화합물을 포함할 수 있다. 후자 유형의 관능화제는 커플링제로서 지칭될 수 있다.
하나 이상의 구현예에서, 관능화제는 중합체 사슬에 헤테로원자를 첨가하거나 부여할 화합물을 포함한다. 특정 구현예에서, 관능화제는 중합체 사슬에 관능 그룹을 부여하여 관능화된 중합체를 형성하는 화합물을 포함하며, 상기 중합체는 상기 관능화된 중합체로부터 제조된 카본-블랙이 채워진 가황물의 50℃ 이력 손실(hysteresis loss)을, 비-관능화된 중합체로부터 제조된 유사한 카본-블랙이 채워진 가황물과 비교하여 감소시킨다. 하나 이상의 구현예에서, 이러한 이력 손실의 감소는 적어도 5%, 다른 구현예에서 적어도 10%, 및 다른 구현예에서 적어도 15%이다.
하나 이상의 구현예에서, 적합한 관능화제는 유사-생존 중합체(예를 들면, 본 발명에 따라 생산된 것)와 반응할 수 있는 그룹을 함유하는 화합물을 포함한다. 예시적인 관능화제는 케톤, 퀴논, 알데하이드, 아마이드, 에스테르, 이소시아네이트, 이소티오시아네이트, 에폭사이드, 이민, 아미노케톤, 아미노티오케톤, 및 산 무수물을 포함한다. 이들 화합물의 예가 하기에 개시되어 있다: 미국 특허 제4,906,706호, 제4,990,573호, 제5,064,910호, 제5,567,784호, 제5,844,050호, 제6,838,526호, 제6977,281호, 및 제6,992,147호; 미국 특허 공보 제2006/0004131 A1호, 제2006/0025539 A1호, 제2006/0030677 A1호, 및 제2004/0147694 A1호; 일본 특허 출원 제05-051406A호, 제05-059103A호, 제10-306113A호, 및 제11-035633A호; 이들은 본원에 참고로 포함되어 있음. 관능화제의 다른 예는 미국 출원 제11/640,711호에 기재된 아진 화합물, 미국 출원 제11/710,713호에 개시된 하이드로벤즈아미드 화합물, 미국 출원 제11/710,845호에 개시된 니트로 화합물, 및 미국 출원 제60/875,484호에 개시된 보호된 옥심 화합물을 포함하며, 이들 모두는 본원에 참고로 포함되어 있다.
특정 구현예에서, 이용한 관능화제는, 비제한적으로, 금속 할라이드, 예컨대 주석 테트라클로라이드, 준금속 할라이드, 예컨대 사염화규소, 금속 에스테르-카복실레이트 착물, 예컨대 디옥틸주석 비스(옥틸말레에이트), 알콕시실란 예컨대 테트라에틸 오르토실리케이트, 및 알콕시스탄난 예컨대 테트라에톡시주석을 포함하는 커플링제일 수 있다. 커플링제는 단독으로 또는 다른 관능화제와 조합되어 이용될 수 있다. 관능화제의 조합은 임의의 몰비로 사용될 수 있다.
중합 혼합물에 도입되는 관능화제의 양은 중합을 개시하기 위해 사용된 촉매의 유형 및 양, 관능화제의 유형, 원하는 관능성 수준 및 많은 다른 인자를 포함하는 다양한 인자에 좌우될 수 있다. 하나 이상의 구현예에서, 이용한 관능화제의 양은 관능화제의 관능성 대 메탈로센 착물의 금속의 몰비(funct/M)로서 표시될 수 있다. 하나 이상의 구현예에서, 상기 몰비(funct/M)는 약 0.5:1 내지 약 300:1, 다른 구현예에서 약 1:1 내지 약 200:1, 다른 구현예에서 약 10:1 내지 약 100:1, 및 다른 구현예에서 약 20:1 내지 약 50:1일 수 있다.
반응성 중합체 사슬은 고온에서 서서히 자가-종결되기 때문에, 일 구현예에서 피크 중합 온도가 관찰되면 중합 혼합물에 관능화제가 첨가될 수 있다. 다른 구현예에서, 상기 관능화제는 피크 중합 온도에 도달한 후 약 25 내지 35분 내에 첨가될 수 있다.
하나 이상의 구현예에서, 양성자성 수소 원자를 함유하는 ?칭제가 첨가되기 전에 원하는 단량체 전환이 달성된 후, 관능화제가 중합 혼합물에 도입될 수 있다. 하나 이상의 구현예에서, 상기 관능화제는 적어도 5%, 다른 구현예에서 적어도 10%, 다른 구현예에서 적어도 20%, 다른 구현예에서 적어도 50%, 및 다른 구현예에서 적어도 80%의 단량체 전환 후 중합 혼합물에 첨가된다. 이들 또는 다른 구현예에서, 상기 관능화제는 90%의 단량체 전환 전, 다른 구현예에서 70% 단량체 전환 전, 다른 구현예에서 50% 단량체 전환 전, 다른 구현예에서 20% 단량체 전환 전, 및 다른 구현예에서 15% 전에 중합 혼합물에 첨가된다. 하나 이상의 구현예에서, 관능화제는 완전한, 또는 실질적으로 완전한 단량체 전환 이후에 첨가된다. 특정 구현예에서, 관능화제는 본원에 참고로 포함되어 있는 2007년 8월 7일에 출원된 공동계류중인 미국 출원 제11/890,590호에 개시된 바와 같은 루이스 염기의 도입 바로 전, 도입과 함께 또는 도입 후에 중합 혼합물에 도입될 수 있다.
하나 이상의 구현예에서, 관능화제는 중합(또는 이의 적어도 일부)이 수행된 위치(예를 들면, 용기 내)에서 중합 혼합물에 도입될 수 있다. 다른 구현예에서, 관능화제는 중합(또는 이의 적어도 일부)이 발생한 곳과는 뚜렷이 다른 위치에서 중합 혼합물에 도입될 수 있다. 예를 들면, 관능화제는 하류 반응기 또는 탱크, 인-라인(in-line) 반응기 또는 혼합기, 압출기, 또는 탈휘발기를 포함하는 하류 용기에서 중합 혼합물에 도입될 수 있다.
?칭 및 첨가물
관능화제가 중합 혼합물에 도입되고 원하는 반응 시간이 제공되면, 임의의 잔류 반응성 중합체, 촉매, 및/또는 촉매 구성요소를 불활성화시키기 위해 ?칭제가 중합 혼합물에 선택적으로 첨가될 수 있다. 하나 이상의 구현예에서, ?칭제는 비제한적으로, 알코올, 카복실산, 무기산, 또는 그의 혼합물과 같은 양성자성 화합물을 포함한다. 특정 구현예에서, ?칭제는 본원에 참고로 통합되어 있는 2007년 8월 7일에 출원된 공동계류중인 미국출원 제11/890,591호에 개시된 바와 같은 폴리하이드록시 화합물을 포함한다.
2,6-디-t-부틸-4-메틸페놀과 같은 항산화제가 ?칭제의 첨가와 함께, 첨가 전에, 또는 첨가 후에 첨가될 수 있다. 이용된 항산화제의 양은 중합체 생성물의 약 0.2% 내지 약 1중량 %의 범위일 수 있다. ?칭제 및 항산화제는 순수한 물질로서 첨가되거나, 만약 필요한 경우, 중합 혼합물에 첨가되기 전에 탄화수소 용매 또는 콘주게이트화된 디엔 단량체에 용해될 수 있다.
단리
중합 혼합물이 ?칭되면, 중합 혼합물의 다양한 구성요소가 회수될 수 있다. 하나 이상의 구현예에서, 미반응된 단량체가 중합 혼합물로부터 회수될 수 있다. 예를 들면, 단량체는 본 기술분야에 공지된 기술을 이용하여 중합 혼합물로부터 증류될 수 있다. 하나 이상의 구현예에서, 중합 혼합물로부터 단량체를 제거하기 위해 탈휘발기가 이용될 수 있다. 단량체가 중합 혼합물로부터 제거되면, 단량체는 정제되고, 저장되고/거나 중합 공정으로 되돌려서 재활용될 수 있다.
상기 중합체 생성물은 본 기술분야에 공지된 기술을 이용하여 중합 혼합물로부터 회수될 수 있다. 하나 이상의 구현예에서, 탈용매화 및 건조 기술이 사용될 수 있다. 예를 들면, 중합체는 중합 혼합물을 탈용매 압출기와 같은 가열된 스크류 장치를 통과시킴으로써 회수될 수 있고, 상기 탈용매 압출기에서 휘발성 물질들이 적절한 온도(예를 들면, 약 100℃ 내지 약 170℃) 및 대기압 또는 감압(sub-atmospheric pressure) 하에서 증발로 제거된다. 이 처리는 미반응된 단량체 뿐만 아니라 임의의 저-비점 용매를 제거하는 역할을 한다. 대안적으로, 중합체는 또한 중합 혼합물을 증기 탈용매화시킨 다음, 얻어진 중합체 약간을 열풍 터널에서 건조함으로써 회수될 수 있다. 상기 중합체는 또한 드럼 건조기 상에서 중합 혼합물을 직접 건조함으로써 회수될 수 있다.
중합체 특성
본 발명의 방법 중 하나 이상의 구현예에 의해 시스-1,4-폴리디엔(예를 들면, 시스-1,4-폴리부타디엔)이 생산되는 경우, 시스-1,4-폴리디엔은 유익하게는 96%를 초과하여, 다른 구현예에서 97%를 초과하여, 다른 구현예에서 98%를 초과하여, 다른 구현예에서 98.5%를 초과하여, 및 다른 구현예에서 99%를 초과하여 시스-1,4 결합 함량을 가질 수 있다.
하나 이상의 구현예에서, 본 발명의 방법에 의해 생산된 폴리디엔은 약 2.7 미만, 다른 구현예에서 약 2.5 미만, 또 다른 구현예에서 약 2.2 미만, 및 또 다른 구현예에서 약 2.0 미만의 분자량 분포(Mw/Mn)를 나타낸다.
특정 구현예에서, 본 발명의 방법에 의해 생산된 시스-1,4-폴리디엔은 98.4%보다 큰 시스-1,4-결합 함량 및 2.0 미만의 분자량 분포를 갖는다. 더 좁은 분자량 분포를 갖는 시스-1,4-폴리디엔이 더 낮은 이력현상을 야기하는 반면, 더 높은 시스-1,4-결합 함량을 갖는 시스-1,4-폴리디엔은 변형에 의한 결정화(strain-induced crystallization)를 겪는 능력 증가를 나타내며 따라서 더 높은 인장 강도 및 더 높은 내마모성과 같은 우수한 물리적 특성을 나타내기 때문에, 이것은 유리하다.
하나 이상의 구현예에서, 본 발명의 방법에 의해 생산된 폴리디엔은 ?칭 전에, 적어도 35%, 다른 구현예에서 적어도 40%, 및 다른 구현예에서 적어도 43%의 관능율(percent functionality)을 나타낸다.
산업상 응용
본 발명의 방법에 의해 생산된 시스-1,4-폴리디엔은 탁월한 점탄성 특성을 나타내며, 비제한적으로, 타이어 트레드, 측벽, 서브트레드, 및 비드 충전제를 포함하는 다양한 타이어 구성요소를 제조하는데 특히 유용하다. 시스-1,4-폴리디엔은 타이어 스톡(tire stock)의 탄성중합체 구성요소의 전부 또는 일부로서 사용될 수 있다. 시스-1,4-폴리디엔이 타이어 스톡의 탄성중합체 구성요소를 형성하기 위해 다른 고무와 함께 사용될 때, 이들 다른 고무는 천연 고무, 합성 고무, 및 그의 혼합물일 수 있다. 합성 고무의 예는 폴리이소프렌, 폴리(스티렌-코-부타디엔), 낮은 시스-1,4-결합 함량을 갖는 폴리부타디엔, 폴리(스티렌-코-부타디엔-코-이소프렌), 및 그의 혼합물을 포함한다. 시스-1,4-폴리디엔은 또한 호스, 벨트, 신발 밑창, 윈도우 밀봉재(seals), 다른 밀봉재, 진동 댐핑 고무, 및 다른 공산품의 제조에 사용될 수 있다.
본 발명의 실현을 입증하기 위해, 하기 실시예들이 준비되고 시험되었다. 그러나, 이들 실시예는 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 비춰져서는 안된다. 청구항들이 본 발명을 한정하는 역할을 할 것이다.
실시예
비스(2-페닐인데닐)가돌리늄 [N,N-비스( 디메틸실릴 ) 아마이드 ] 착물의 합성
아르곤 분위기 하에서 슐렝크 플라스크에 6.90 g(26.18 mmol)의 가돌리늄(III) 클로라이드(GdCl3) 및 15.46 g(77.48 mmol)의 칼륨 비스(트리메틸실릴)아마이드(KN(SiMe3)2)를 첨가하였다. 상기 고형물을 200 mL의 THF에 용해시키고 아르곤 하에서 실온에서 밤새 교반하였다. 밤새 교반한 후, 모든 휘발성 물질을 진공에서 제거하여 백색 고형물을 수득하였다. 얻어진 고형물 200 mL의 헥산에 재용해시키고 아르곤 하에서 실온에서 1시간 동안 교반하였다. 상기 용액을 캐뉼라를 통해 이동시키고 셀라이트를 통해 건조한 슐렝크 플라스크 내로 여과시키고, 진공 농축하여 엷은 노랑색 고체로서 11.68 g(69.9% 수율)의 트리스(비스(트리메틸실릴)아미도)가돌리늄을 수득하였다.
11.68 g(18.30 mmol)의 트리스(비스(트리메틸실릴)아미도)가돌리늄을 함유하고 있는 슐렝크 플라스크에 6.72 g(34.96 mmol)의 2-페닐인덴을 첨가하였다. 상기 고형물을 150 mL의 헥산에 용해시키고 이 용액에 12.98 mL(73.21 mmol)의 1,1,3,3-테트라메틸디실라잔(HN(SiHMe2)2)을 첨가하였다. 상기 혼합물을 아르곤 하에서 밤새 70℃까지 가열하였다. 실온으로 냉각한 후, 여과를 통해 헥산을 제거하였다. 얻어진 고형물을 100 mL의 톨루엔에 재용해시키고 실온에서 30분간 아르곤 하에서 교반하였다. 그리고 나서, 상기 용액을 여과 및 농축하여 노란색 고체로서 6.73 g(55% 수율)의 비스(2-페닐인데닐)가돌리늄 [N,N-비스(디메틸실릴)아마이드] [(2-PhC9H6)2GdN(SiHMe2)2]를 수득하였다.
가돌리늄- 메탈로센 촉매를 이용한 부타디엔의 벌크 중합
중합 반응기는 고 점도 중합체 시멘트를 혼합할 수 있는 기계적 교반기(축 및 날개)가 구비된 1-갤런 스테인레스 실린더로 구성되었다. 반응기의 꼭대기는 중합 진행 동안 반응기 내부에서 발생한 1,3-부타디엔 증기를 이송하고, 응축하고, 재활용하기 위한 환류 응축 시스템에 연결하였다. 상기 반응기는 또한 냉각수에 의해 냉각되는 냉각 재킷이 구비되었다. 중합 열은 환류 응축 시스템의 사용을 통한 내부 냉각에 의해 일부, 그리고 상기 냉각 재킷으로의 열 전달을 통한 외부 냉각에 의해 일부 소멸되었다.
상기 반응기를 건조 질소 흐름으로 철저하게 퍼지한 다음, 100 g의 건조 1,3-부타디엔 단량체를 반응기에 충전하고, 상기 반응기를 65℃까지 가열한 다음, 액체 1,3-부타디엔이 반응기에 남아있지 않을 때까지 환류 응축 시스템의 꼭대기로부터 1,3-부타디엔 증기를 환기시키는 것에 의해 1,3-부타디엔 증기로 대체되었다. 냉각수를 환류 콘덴서 및 반응기 재킷에 적용하고 1302 g의 1,3-부타디엔 단량체를 반응기 내로 충전하였다. 단량체를 32℃로 온도조절한 후, 25 mL의 톨루엔, 2.34 mL의 톨루엔 중의 1.0 M 디이소부틸알루미늄 하이드라이드(DIBAH), 52.2 mg(0.078 mmol)의 비스(인데닐)가돌리늄 [N,N-비스(디메틸실릴)아마이드] 착물, 및 68.9 mg(0.086 mmol)의 N,N-디메틸아닐리늄 테트라(펜타플루오로페닐)보레이트의 순서로 혼합하고 상기 혼합물을 10분간 숙성시켜 제조된 미리형성된 촉매를 반응기 내로 충전함으로써 중합을 개시하였다. 중합 개시 17.0분 후, 10.0 mL의 톨루엔 중의 1.0 M 4,4'-비스(디에틸아미노)벤조페논(DEAB) 용액을 충전하고 상기 중합 용액을 5분간 교반시킴으로써 중합을 관능화하였다. 상기 중합 혼합물을 1360 g의 헥산에 용해된 6.0 mL 이소프로판올로 희석하고, 한 회분(batch)을 5 g의 2,6-디-tert-부틸-4-메틸페놀을 함유하는 3 갤런의 이소프로판올 내로 낙하시키는 것에 의해 중합이 종결되었다. 반응기의 벽 및 교반기 축은 보통의 중합 속도 (분당 0.8 % 전환율)에 의해 야기된 최소 중합 발열에 기인한 벌크 중합 후 어떠한 젤을 함유하지 않은 것으로 관찰되었다.
응고된 중합체를 드럼-건조하였다. 중합체의 수율은 172.2 g(13.2 % 전환율)이었다. 중합체의 무니 점도(ML1 +4)는 커다란 로터, 1분 워밍업 시간, 및 4분 실행 시간을 갖는 몬산토 무니 점도계를 이용하여 100℃에서 25.9인 것으로 결정되었다. 겔 투과 크로마토그래피(GPC)에 의해 결정된 바와 같이, 중합체는 124,000 g/mol의 수 평균 분자량(Mn), 211,000 g/mol의 중량 평균 분자량(Mw), 및 1.7의 분자량 분포(Mw/Mn)를 가지고 있었다. 미세구조를 측정하였고, 이는 98.5의 시스-1,2 함량, 0.9%의 트랜스-1,4 함량, 및 0.6의 비닐 함량을 나타내었다. 관능율을 결정하기 위해, GPC 기기에 시차 굴절률(RI) 검출기 및 자외선(UV) 흡수 검출기를 장착하였다. UV 검출기 신호 대 RI 검출기 신호의 비율인 GPC UV/RI 비를 사용하여, 관능화된 시스-1,4-폴리부타디엔의 GPC UV/RI 비를, 음이온성 중합에 의해 생산되고 동일한 Mn을 갖는 관능화된 폴리부타디엔 샘플의 UV/RI 비와 참조함으로써 중합체 샘플의 관능율을 계산하였다. 상기 방법을 사용하여, 관능율이 44%인 것으로 결정되었다.

Claims (19)

  1. 폴리디엔을 제조하는 방법으로서, 콘주게이트화된 디엔 단량체를 메탈로센 착물 촉매 시스템을 이용하여 중합 혼합물의 총 중량을 기준으로 20 중량% 미만의 용매를 포함하는 중합 혼합물 내에서 중합시켜 반응성 사슬 말단을 갖는 중합체 사슬을 생성하는 단계, 및 관능화제를 상기 중합 혼합물 내로 도입하여 반응성 중합체 사슬 말단과 반응시켜서 관능화된 중합체를 생성하는 단계를 포함하며, 여기서 상기 메탈로센 착물 촉매 시스템은 (a) 메탈로센 착물, (b) 알킬화제, 및 (c) 비-배위 음이온의 결합 또는 반응 생성물을 포함하고, 상기 메탈로센 착물은 하기 식 I에 의해 정의되는, 방법:
    Figure 112019060885944-pct00008

    상기 식에서, M은 란타나이드-계열 원소, 스칸듐, 또는 이트륨이고, Cp는 사이클로펜타디에닐 그룹 또는 사이클로펜타디에닐 유도체 그룹이며, Y는 하이드로카르빌옥시 그룹, 티오하이드로카르빌옥시 그룹, 아민 그룹, 실릴 그룹, 사이클로펜타디에닐 그룹, 또는 사이클로펜타디에닐 유도체 그룹이고, X는 수소 원자, 할로겐 원자, 하이드로카르빌옥시 그룹, 티오하이드로카르빌옥시 그룹, 아민 그룹, 실릴 그룹, 또는 1가 유기 그룹이며, 각각의 L은 개별적으로 중성 루이스 염기이고, n은 0 내지 3의 숫자이고, Cp 및 Y는 2가 그룹에 의해 연결될 수 있다.
  2. 제1항에 있어서, 상기 중합 혼합물이 상기 중합 혼합물의 총 중량을 기준으로 5 중량% 미만의 용매를 포함하는, 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 중합 단계가 용매가 없는 중합 혼합물 내에서 일어나는, 방법.
  4. 제1항에 있어서, Y가 사이클로펜타디에닐 그룹 또는 사이클로펜타디에닐 유도체 그룹인 방법.
  5. 제1항에 있어서, Y가 하이드로카르빌옥시 그룹, 티오하이드로카르빌옥시 그룹, 아민 그룹, 또는 실릴 그룹인 방법.
  6. 제1항에 있어서, Cp 및 Y가 2가 그룹에 의해 연결된 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 콘주게이트화된 디엔 단량체가 1,3-부타디엔, 이소프렌, 1,3-펜타디엔, 1,3-헥사디엔, 2,3-디메틸-1,3-부타디엔, 2-에틸-1,3-부타디엔, 2-메틸-1,3-펜타디엔, 3-메틸-1,3-펜타디엔, 4-메틸-1,3-펜타디엔, 및 2,4-헥사디엔으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 알킬화제가 유기알루미늄 화합물인 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 알킬화제가 유기마그네슘 화합물인 방법.
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  11. 제1항에 있어서, 상기 알킬화제 대 상기 메탈로센 착물의 금속의 몰비가 1:1 내지 100:1인 방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 알킬화제가 알루미녹산이고, 상기 알루미녹산 대 상기 메탈로센 착물의 금속의 몰비가 1:1 내지 100:1인 방법.
  13. 제1항에 있어서, 상기 메탈로센 착물이 콘주게이트화된 디엔 단량체 100 g 당 0.0005 내지 0.01 mmol로 사용되는 방법.
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