胺基桥联双芳氧基稀土金属配合物的合成、表征及其催化性能的研究

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本论文以胺基桥联双芳氧基为辅助配体,合成了31个稀土金属配合物,并对所有配合物进行了元素分析、红外光谱和晶体结构表征,对抗磁性的配合物进行了1H和13C NMR表征。研究了配体结构和中心金属对胺基桥联双芳氧基稀土金属芳氧基、烷氧基、硅胺基配合物的合成以及反应性质的影响。在此基础上,进一步研究了这些稀土金属配合物对外消旋丙交酯(rac-LA)、β-丁内酯(rac-BBL)开环聚合的催化行为。文中所用胺基桥联双酚配体分别为:Me2NCH2CH2N[CH2-(2-OH-C6H2-But2-3,5)]2,简写成L1H2;Me2NCH2CH2N[CH2-(2-OH-C6H2-Me2-3,5)]2,简写成L2H2;Me2NCH2CH2N(2-OH-C6H2-Me2-3,5)(2-OH-C6H2-But2-3,5),简写成L3H2;Me2NCH2CH2N(2-OH-C6H2-Cl2-3,5)(2-OH-C6H2-But2-3,5),简写成L4H2;MeOCH2CH2N[CH2-(2-OH-C6H2-But2-3,5)]2,简写成L5H2;(CH23OCHCH2N[CH2-(2-OH-C6H2-But2-3,5)]2,简写成L6H2;BunN[CH2-(2-OH-C6H2-But2-3,5)]2,简写成L7H2;[CH2N(Me)CH2-(2-OH-C6H2-But2-3,5)]2,简写成L8H2;(2-OH-C6H2-But2-3,5)CH=NCH2CH2N(Me)CH2(2-OH-C6H2-But2-3,5),简写成L9H2;(2-OH-C6H2-But2-3,5)CH=NCH2CH2N(Me)CH2[2-OH-C6H2-(CPhMe22-3,5],简写成L10H2;(2-OH-C-6H4)CH=NCH2CH2N(Ph)CH2(2-OH-C6H2-But2-3,5),简写成L11H2;(2-OH-C6H2-But2-3,5)CH=NCH2CH2N(Ph)CH2(2-OH-C6H2-But2-3,5),简写成L12H2。主要结果如下:1.以三茂基稀土金属化合物(C5H53Ln(THF)(Ln=Y, Yb)为反应前体,与不同位阻的胺基桥联双酚L2H2-L4H2反应,再原位加入对甲苯酚进行连续的交换反应,合成了4个稀土金属芳氧基配合物[L2Y(OC6H4-4-CH3)]2(1),[L2Yb(OC6H4-4-CH3)]2(2),[L3Y(OC6H4-4-CH3)]2(3),[L4Y(OC6H4-4-CH3)]2(4)。单晶结构解析表明配合物1-4在固态时均为双分子结构,两个中心金属离子通过胺基桥联双芳氧基骨架中的一个氧原子桥连。研究了配合物1-4催化rac-LA聚合的行为,发现得到的是偏杂同聚丙交酯,但是催化活性低于单分子稀土金属配合物的;当配体的位阻增大时,聚合活性有所提高,立体选择性变好;对于同一配体,离子半径稍小的镱配合物2(Pr=0.91)作为催化剂,得到的聚丙交酯的杂规度明显高于钇配合物1(Pr=0.73)。2.通过三茂基稀土金属化合物(C5H53Y(THF)与不同胺基桥的胺基桥联双酚L5H2-L8H2反应,再原位与对甲苯酚反应,合成了4个含不同胺基桥的桥联双芳氧基稀土金属芳氧基配合物[L5Y(OC6H4-4-CH3)]2(5),[L6Y(OC6H4-4-CH3)]2(6),[HL7Y(OC6H4-4-CH32(THF)2](7),[L8Y(OC6H4-4-CH3)]2(8)。其中配合物5、6、8为目标产物,单晶结构测定表明其在固态时均具有二聚体结构,两个稀土金属离子通过对甲基芳氧基桥连。当胺基的侧臂为烷基时,配合物7是意外的两性离子配合物,且桥上的氮原子未与中心金属配位。通过三茂基稀土金属化合物(C5H53Ln(THF)(Ln=Y, Yb)与L5H2、L8H2反应,再原位与2,6-二异丙基苯酚进行连续的交换反应,合成了稀土金属芳氧基配合物[L5Y(OC6H3-2,6-Pri2)(THF)](9),[L5Yb(OC6H3-2,6-Pri2)(THF)](10),[L8Y(OC6H3-2,6-Pri2)(THF)](11)。单晶结构解析表明配合物9-11在固态时均为单核结构。研究了这些配合物催化rac-LA聚合的行为,发现阴阳离子型配合物7的催化活性最低,其它配合物的活性相近。在立体选择性方面,侧臂为N,N-二甲基的钇配合物L1Y(OC6H4-4-C3)(THF)的最优。3.为了改善聚合体系的可控性,通过三茂基稀土金属化合物(C5H53Ln(THF)(Ln=Y,Yb, Er, Sm)与L1H2反应,再原位与不同的醇进行连续的交换反应,合成了6个胺基桥联双芳氧基稀土金属烷氧基配合物L1Ln(OCH2CF3)(THF)[Ln=Y(12), Yb (13),Er (14), Sm (15)],L1Y(OCH2Ph)(THF)(16),L1Y(OPri)(THF)(17)。这是一类非常少见的通过结构鉴定的稀土金属烷氧基配合物。原位核磁管反应研究显示中心金属离子半径与醇的酸性对此类质子交换反应有重要的影响。此类配合物对水汽非常敏感,在分离得到配合物17的同时,也分离得到了其部分水解的产物18[(L1Y)2(μ-OPri)(μ-OH)]。配合物12-17可以高效地催化rac-LA和rac-BBL的可控开环聚合,得到的聚丙交酯分子量分布非常窄(PDI≤1.12),为高杂同结构,杂同比例最高可达99%。随着稀土金属离子半径增大,催化剂活性提高,但是立体选择性下降;所得聚丁内酯为间规聚合物,间规度最高达83%。催化剂的活性顺序为Yb> Er> Y>> Sm,这与稀土金属离子半径的大小顺序恰恰相反,也与催化rac-LA聚合的活性顺序相反。4.通过三茂基稀土金属化合物(C5H53Ln(THF)(Ln=Y, Yb, Sm)与L1H2反应,再与苯甲酸反应,合成了3个胺基桥联双芳氧基稀土金属羧基配合物L1Ln(OCOPh)(THF)[Ln=Y (19),Yb (20),Sm (21)],发现在此类配合物制备过程中并没有因羧酸酸性较强而发生配体重分配。但这样一类稀土金属羧基配合物对rac-LA和rac-BBL开环聚合呈惰性。5.首次将Salalen型配体引入稀土金属有机化学。通过Salalen型配体L9H2与Ln[N(SiMe-3)2]3(μ-Cl)Li(THF)3的交换反应,合成了3个Salalen型稀土金属单胺化物L9LnN(SiMe3)-2(THF)(Ln=Y (22), Sm (23), Nd (24))。配合物22和23可以继续与苄醇反应,生成稀土金属苄氧基配合物[L<sup>9Ln(OCH2Ph)]2(Ln=Y (25), Sm (26))。配合物25和26也可以三茂基稀土金属化合物(C5H5)3Ln(THF)(Ln=Y, Sm)作为反应前体制备。通过(C5H5)3Ln(THF)(Ln=Y, Sm, Yb)与L9H2-L12H2反应,再原位与不同的醇、酚连续的交换反应,合成了Salalen型稀土金属烷氧基、芳氧基配合物[L9Sm(OCH2CF3)]2(27),[L9Yb(OCH2Ph)]2(28),[L10Y(OCH2Ph)]2(29),[L10Sm(OC6H4-4-C3)]2(30),[L11Y(OCH2Ph)]2(31)。研究了这些配合物对rac-LA和rac-BBL开环聚合的催化行为。初步研究表明Salalen型稀土金属配合物催化rac-BBL开环聚合的活性很低,但可以高活性地催化rac-LA聚合,得到的聚丙交酯具有中等偏上的杂规度,杂同比例最高可达85%。离子半径大的钕配合物24催化活性最高,而离子半径最小的钇配合物22的立体选择性方面好。Salalen型稀土金属烷氧基配合物催化rac-LA聚合的活性明显比相应的硅胺基配合物低,但可控性更好。改变Salalen配体的位阻对所得聚丙交酯的立体选择性没有明显的影响。
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