Способ аддитивной полимеризации норборнена
Владельцы патента RU 2570703:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Иркутский государственный университет" (RU)
Изобретение относится к области получения аддитивных полинорборненов, которые используются для производства покрытий в электронике, телекоммуникационных материалов, оптических линз, субстратов для пластических дисплеев, фоторезисторов для производства чипов и дисплеев, диэлектриков для полупроводников. Способ заключается в проведении полимеризации норборнена путем использования катализатора, получаемого взаимодействием катионного комплекса палладия и эфирата трифторида бора в среде органического растворителя в присутствии норборнена. Компоненты смешиваются в следующем порядке: в раствор норборнена в органическом растворителе, например хлористом метилене, добавляют раствор катионного комплекса палладия в органическом растворителе, например хлористом метилене, затем вводят эфират трифторида бора в чистом виде или в виде раствора в органическом растворителе, например хлористом метилене. В качестве компонентов катализатора используют тетрафторборат (ацетилацетонато)(α-диимин) палладия общей формулы [(acac)Pd(N∧N)]BF4, где асас - ацетилацетонат, N∧N - α-дииминовые лиганды, такие как бис[N-(фенил)имино]аценафтен, бис[N-(2,6-диметилфенил)имино]аценафтен, N,N-(1,2-дифениэтан-1,2-диилиден)бис(2,6-диметиланилин), бис[N-(2,6-диизопропилфенил)имино]аценафтен, N,N-(2,3-бутандиилиден)бис(2,6-диметиланилин), N,N-(2,3-бутандиилиден)бис(2,6-диизопропиланилин). Оптимальные условия процесса: молярное отношение бора к палладию, B:Pd=15:1-50:1, предпочтительно B:Pd=25:1, при молярном отношении норборнена к палладию, НБ/Pd=10000:1-50000:1, предпочтительно НБ/Pd=20000, при температуре 20-45°C. Технический результат - упрощение способа аддитивной полимеризации норборнена в присутствии комплексов переходных металлов с α-дииминовыми лигандами. 1 табл., 23 пр.
Настоящее изобретение относится к области получения аддитивных полимеров норборнена (бицикло[2.2.1]гептен-2) под действием каталитических систем на основе катионных комплексов палладия и эфирата трифторида бора. Аддитивная полимеризация протекает с раскрытием двойной связи и приводит к полимерам, содержащим неизмененные циклические структуры в основной цепи. Такие полимеры характеризуются хорошей термической и химической стабильностью, аморфностью, высокой прозрачностью в ИК, видимой и УФ областях, низким показателем преломления, узкой температурой разложения, низким диэлектрическим коэффициентом. Это делает их перспективными для производства покрытий в электронике, телекоммуникационных материалов, оптических линз, субстратов для пластических дисплеев, фоторезисторов, диэлектриков для полупроводников.
В литературе известны способы получения аддитивных полимеров норборнена (НБ) под действием палладиевых катализаторов: (1) однокомпонентные палладиевые катализаторы, состоящие исключительно из палладийорганических катионных комплексов с объемными противоионами (US 5468819, В.L. Goodall, G.M. Benedikt, L.H. Mcintosh III, D.A. Barnes, November 21, 1995; J.P. Mathew, A. Reinmuth, J. Melia, N. Swords, W. Risse // Macromolecules 29, 1996, 2755-2763); (2) нейтральные комплексы палладия в сочетании с метилалюмоксаном (МАО), триэтилалюминием (AlEt3) или с триизобутилалюминием (Al(i-Bu)3) (ЕР 0445755, Н. Maezawa, J. Matsumoto, H. Aiura, S, Asahi, June 17, 1998); (3) нейтральные комплексы палладия в сочетании с трис(пентафторфенил)боратом (B(C6F5)3) и триэтилалюминием (US 6031058, L.H. Mcintosh III, L. Goodall, R.A. Shick, S. Jayaraman, February 29, 2000; P.G. Lassahn, C. Janiak, Jae-Seung Oh, Macromol. Rapid. Commun., 23, 2002, 16-20); (4) катализаторы на основе (1,5-циклооктадиен)Pd(СН3)Cl в сочетании с PR3 и Na+[(3,5-(CF3)2C6H3)4B]- (А.D. Hennis, J.D. Polley, G.S. Long, A. Sen, D. Yandulov, J. Lipian, G.M. Benedikt, L.F. Rhodes, J. Huffman, Organometallics, 20, 2001, 2802-2812). К недостаткам подобных каталитических систем можно отнести использование дорогостоящих, нестабильных металлорганических комплексов палладия, бор- и алюминийорганических соединений.
Также известны способы аддитивной полимеризации норборнена под действием каталитических систем на основе катионных комплексов палладия, никеля и эфирататрифторида бора: (1) Пат. 2383556 РФ, МПК C08F 32/08, C08F 4/06, B01J 23/44. Способ получения аддитивных полимеров норборнена / B.C. Ткач, Д.С. Суслов, Г. Мягмарсурэн, Ф.К. Шмидт; заявитель и патентообладатель Иркут. гос. ун-т. - №2007127169; заявл. 16.07.2007; опубл. 10.03.2010. (2) Пат. 2315064 Российская Федерация, МПК C08F 32/08, B01J 23/44, C08F 4/26. Способ получения катализатора для полимеризации норборнена / B.C. Ткач, Г. Мягмарсурэн, Д.С. Суслов, Ф.К. Шмидт; заявитель и патентообладатель Иркут. гос. ун-т. - №2006128296; заявл. 03.08.2006; опубл. 20.01.2008. (3) Пат. 2414965 РФ, МПК B01J 37/00, C07F 15/04, C07F 5/04, C08F 4/06, C08F 32/08. Способ получения катализатора для полимеризации норборнена / B.C. Ткач, Д.С. Суслов, О.В. Губайдулина, М.В. Быков, О.И. Мисько; заявитель и патентообладатель Иркут. гос. ун-т. - №2009149724/04; заявл. 30.12.2009; опубл. 27.03.2011.
Ближайшим аналогом предлагаемого способа является способ аддитивной полимеризации норборнена (Appukuttan V. Influence of type and positioning of N-aryl substituents on vinyl polimerisation of norbornene by Ni(II) α-diimine complexes / Appukuttan Vinukrishnan, Jin Hyuk Kim, Chang Sik Ha, Il Kim // Korean J. Chem. Eng. - V. 25(3). - PP. 423-425. - 2008). B данном примере реакцию полимеризации проводят в присутствии никелевого комплекса с α-дииминовымилигандами, Br2Ni(R2BIAN), в качестве катализатора (где R=Н, 2,6-Ме2, 2,6-Et2, 2,6-iPr2, 2,3-Ме2, 2,4-Ме2, 2,5-Ме2, 3,5-Ме2, 2,4,6-Ме3), метилалюмоксана (МАО) в качестве сокатализатора и толуола в качестве растворителя при следующих условиях: Т=30°C, Al/Ni=2000, t=30 мин, [Cat]=2.0-10-4 М, [NB]=1.59 М. Выходы составляют от 14 до 71%. Недостатком данного способа является использование самовоспламеняющегося на воздухе алюминийорганического соединения (МАО) в качестве сокатализатора, что значительно повышает опасность и, следовательно, усложняет проведение процесса, а также требует использования приборов и оборудования для реализации процесса в условиях инертной атмосферы для реализации процесса.
Задачей настоящего изобретения является упрощение способа аддитивной полимеризации норборнена в присутствии комплексов переходных металлов с α-дииминовыми лигандами.
Поставленная задача достигается тем, что в качестве компонентов катализатора используют катионные ацетилацетонатные комплексы палладия с α-дииминовыми лигандами, в качестве сокатализатора - несамовоспламеняющуюся на воздухе устойчивую кислоту Льюиса: эфираттрифторида бора, BF3·OEt2, в качестве растворителя - хлористый метилен. Реакцию проводят при комнатной температуре. Такая реализация процесса значительно упрощает достижение технического результата в связи с тем, что отсутствует необходимость использования приборов и оборудования для реализации процесса в условиях инертной атмосферы, кроме того, повышается безопасность проведения процесса. При этом в качестве компонентов катализатора используют тетрафторборат (ацетилацетонато)(α-диимин) палладия общей формулы [(acac)Pd(N∧N)]BF4, где асас-ацетилацетонат, N∧N - α-дииминовые лиганды, такие как бис[N-(фенил)имино]аценафтен (Ph2BIAN), бис[N-(2,6-диметилфенил)имино]аценафтен((2,6-MePh)2-BIAN), бис[N-(2,6-диизопропилфенил)имино]аценафтен((2,6-iPrPh)2-BIAN), N,N-(2,3-бутандиилиден)бис(2,6-диметиланилин) ((2,6-MePh)2DABMe2), N,N-(2,3-бутандиилиден)бис(2,6-диизопропиланилин) ((2,6-iPrPh)2DABMe2), N,N-(1,2-дифенилэтан-1,2-диилиден)бис(2,6-диметиланилин) ((2,6-MePh)2DABPh2), N,N-(1,2-дифенилэтан-1,2-диилиден)бис(2,6-диизопропиланилин) ((2,6-iPrPh)2DABPh2).
Способ осуществляется следующим образом.
В колбу заливают раствор норборнена в хлористом метилене, приливают раствор комплекса палладия в аналогичном растворителе. Перемешивают, приливают раствор сокатализатора, реакцию ведут в течение 30 мин. Полинорборнен высаживают этиловым спиртом.
Структура получаемого полинорборнена подтверждена методом ИК спектроскопии. В ИК спектре не наблюдаются полосы в области 1620-1680 см-1 от двойных связей, но имеются сильные полосы поглощения в области 1452-1474 см-1 от деформационных колебаний мостиковой -СН2- группы норборненового кольца.
Следующие примеры иллюстрируют настоящее изобретение.
ПРИМЕР 1.
В 10 мл колбу загрузили 5 мл раствора норборнена в хлористом метилене, содержащего 3.77 г (40 ммоль) норборнена, затем добавили раствор комплекса (ацетилацетонато-κ2O,O′) (бис[N-(фенил)имино]аценафтен) палладия тетрафторбората в хлористом метилене (0,1 мл, содержащий 0.002 ммоль Pd). Полимеризацию инициировали введением раствора эфирата трифторида бора в хлористом метилене (0.1 мл раствора с концентрацией С=0.3 моль/л). Молярное отношение НБ:B:Pd=20000:25:1, время реакции 30 мин. Реакцию прерывали добавлением этанола, высаженный полимер три раза промывали этанолом и сушили в вакууме (1 мм рт.ст.) при 60°C в течение 6 ч. Выход полимера составил 3.755 г (99.6%).
ПРИМЕРЫ 2-6.
Данные примеры иллюстрируют влияние молярного отношения B:Pd на выход полинорборнена. Реакции проводили аналогично примеру 1. Результаты опытов объединены в Таблице 1.
| Таблица 1 | |||||
| Влияние молярного отношения B:Pd на выход полинорборнена в присутствии системы: [(acac)Pd((2,6-iPrPh)2DABPh2)]BF4+nBF3OEt2 (температура 25°C, время реакции 30 мин, 3.77 г НБ, общий объем 5.2 мл) | |||||
| № | B:Pd отнош. |
HB:Pd отнош. |
Количество катализатора, 106 моль |
Выход, % |
TOF ч-1 |
| 2 | 5 | 20 000 | 2.11 | следы | следы |
| 3 | 15 | 20 000 | 2.11 | 63.2 | 25200 |
| 4 | 25 | 20 000 | 2.11 | 72.3 | 28900 |
| 5 | 50 | 20 000 | 2.11 | 80.2 | 32000 |
| 6 | 100 | 20 000 | 2.11 | 90.0 | 36000 |
ПРИМЕРЫ 7-9.
Данные примеры иллюстрируют влияние отношения НБ/Pd на выход полинорборнена. Полимеризацию проводили аналогично примеру 1, результаты опытов представлены в Таблице 2.
| Таблица 2 | ||||||
| Влияние отношения НБ/Pd на выход полинорборнена в присутствии системы: [(acac)Pd((2,6-iPrPh)2DABPh2)]BF4+25BF3OEt2 (температура 25°C, 3.77 г НБ, общий объем 5.2 мл) | ||||||
| время реакции, мин |
B:Pd отнош. |
HB:Pd отнош. |
Количество катализатора, 106 моль |
Выход, % |
TOF ч-1 |
|
| 7 | 60 | 25 | 50 000 | 0.844 | 62.1 | 31000 |
| 8 | 30 | 25 | 20 000 | 2.11 | 73.2 | 29300 |
| 9 | 2 | 25 | 10 000 | 4.33 | 82.2 | 246700 |
ПРИМЕРЫ 10-19.
Данные примеры иллюстрируют влияние природы α-дииминового лиганда на выход полинорборнена. Полимеризацию проводили аналогично примеру 1, результаты опытов представлены в Таблице 3.
| Таблица 3 | ||||||
| Влияние природы α-дииминового лиганда на выход полинорборнена (температура 25°C, время реакции 30 мин, 3.77 г НБ, общий объем 5.2 мл) | ||||||
| № | Диимин | B:Pd отнош. |
НБ:Pd отнош. |
Количество катализатора, 106 моль |
Выход % |
TOF ч-1 |
| 10 | (2,6-MePh)2DABPh2 | 25 | 20000 | 2.11 | 37.6 | 15000 |
| 11 | (2,6-iPrPh)2DABMe2 | 25 | 20000 | 2.11 | 9.1 | 3600 |
| 12 | (2,6-MePh)2DABMe2 | 25 | 20000 | 2.11 | Следы | - |
| 13 | Ph2DABMe2 | 25 | 20000 | 2.11 | 6.6 | 2600 |
| 14 | (2,6-MePh)2DABH2 | 25 | 20000 | 2.11 | Следы | - |
| 15 | (2,6-iPrPh)2DABH2 | 25 | 20000 | 2.11 | Следы | - |
| 16 | (2,6-MePh)2BIAN | 25 | 20000 | 2.11 | 71.0 | 28400 |
| 17 | (2,6-iPrPh)2BIAN | 25 | 20000 | 2.11 | Следы | - |
| 18 | (2,6-MePh)2DABMe2* | 25 | 10000 | 4.33 | 53.3 | 2600 |
| 19 | (2,6-iPrPh)2DABMe2* | 25 | 10000 | 4.33 | 58.0 | 2900 |
| 20 | (2,6-iPrPh)2BIAN* | 25 | 10000 | 4.33 | 13.5 | 700 |
| * время реакции - 120 мин |
ПРИМЕРЫ 21-23.
Данные примеры иллюстрируют влияние температуры реакции на выход полинорборнена. Полимеризацию проводили аналогично примеру 1, результаты опытов представлены в Таблице 4.
| Таблица 4 | ||||||
| Влияние температуры реакции на выход полинорборнена (время реакции 30 мин, 3.77 г НБ, B/Pd =15) | ||||||
| № | Диимин | Τ °C |
HB:Pd отнош. |
Количество катализатора, 106 моль |
Выход, % |
TOF ч-1 |
| 21 | Ph2BIAN | 7 | 20 000 | 1.95 | 7.5 | 3000 |
| 22 | Ph2BIAN | 20 | 20 000 | 1.95 | 25.2 | 10080 |
| 23 | Ph2BIAN | 45 | 20 000 | 1.95 | 60.7 | 24280 |
Способ аддитивной полимеризации норборнена путем проведения реакции в среде органического растворителя в присутствии компонентов катализатора - комплекса переходного металла с дииминовыми лигандами и сокатализатора - кислоты Льюиса, отличающийся тем, что в качестве компонентов катализатора используют тетрафторборат (ацетилацетонато)(α-диимин) палладия общей формулы [(acac)Pd(N∧N)]BF4, где асас - ацетилацетонат, N∧N - α-дииминовые лиганды, такие как бис[N-(фенил)имино]аценафтен, бис[N-(2,6-диметилфенил)имино]аценафтен, N,N-(1,2-дифенилэтан-1,2-диилиден)бис(2,6-диметиланилин), в качестве сокатализатора - эфират трифторида бора, формулы BF3OEt2, процесс проводят в среде хлористого метилена при молярном отношении бора к палладию, B:Pd=15:1-50:1, при молярном отношении норборнена к палладию, НБ/Pd=10000:1-50000:1 и при температуре 20-45°C,
или в качестве катализатора используют тетрафторборат (ацетилацетонато)(α-диимин) палладия общей формулы [(acac)Pd(N∧N)]BF4, где асас - ацетилацетонат, N∧N - α-дииминовые лиганды, такие как бис[N-(2,6-диизопропилфенил)имино]аценафтен, N,N-(2,3-бутандиилиден)бис(2,6-диметиланилин), N,N-(2,3-бутандиилиден)бис(2,6-диизопропиланилин), в качестве сокатализатора - эфират трифторида бора, формулы BF3OEt2, процесс проводят в среде хлористого метилена при молярном отношении бора к палладию, B:Pd=25:1, при молярном отношении норборнена к палладию, НБ/Pd=10000:1 и при температуре 20-45°C.
