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本文通过原位方法合成了一系列新型的CCC-三齿钳型双卡宾稀土双溴化物。该类配合物结构新颖,合成方法简单独特,为新型金属卡宾配合物的合成开避了新的路径。该类配合物在烷基铝(AlR3,R=Me,Et,iBu)及有机硼盐([Ph3C]+[B(C6F5)4]-)的作用下,对异戊二烯及丁二烯聚合表现出高催化活性和高顺式-1,4选择性,室温下最高可达99.6%,是迄今文献报道的最高值。我们考查了金属原子半径的大小、配体空间位阻、聚合反应温度以及烷基铝种类等因素对催化剂的催化活性和选择性的影响,并对催化体系的活性种及催化机理进行了研究。
(1)双咪唑盐配体2,6-(2,4,6-Me3C6H2-NCHCCHN-CH2)2C6H3-Br·2HBr(L1-Br·2HBr)与等摩尔的三氯化稀土(LnCl3)及三倍摩尔量的丁基锂(nBuLi)在四氢呋喃溶济中原位反应,首次得到了一系列新型CCC-三齿钳型双卡宾稀土双溴化物(L1LnBr2(THF),Ln=Sc(1),Y(2),La(3),Nd(4), Sm(5),Gd(6),Dy(7),Ho(8),Tm(9),Lu(10)。配体以螯合的钳型结构配位于金属的赤道配位点,在保证了配合物具有较高稳定性的同时也使剩余的金属轨道具有催化效果;同时卡宾碳原子的强给电子能力保证了配合物具有一定的催化活性。
(2)上述配合物在烷基铝及有机硼盐的作用下对异戊二烯和丁二烯聚合表现出高的催化活性,如CCC-三齿钳型双卡宾钕双溴化物(4)在三乙基铝(AlEt3)及有机硼盐([Ph3C]+[B(C6F5)4]-)的作用下,在5分钟内可使1000倍的异戊二烯单体完全转化。同时,催化剂对双烯烃聚合具有极高的顺-1,4选择性,如对异戊二烯聚合,以上述CCC-三齿双卡宾钕双溴化物(4)为基础的催化体系在室温下可得到顺-1,4含量为97.3%的聚异戊二烯,而CCC-三齿双卡宾镝双溴化物(7)在三异丁基铝及有机硼盐的作用下,室温下对异戊二烯的顺-1,4选择性高达99.6%。
(3)中心金属种类对催化剂的活性影响较大,如配合物1、3、5、9和10是没有活性的,而配合物2、4、6、7和8则表现出不同程度的催化活性(4>6>7>2≈8)。中心金属种类对聚合选择性没有影响。聚合物分子量分布较窄1.7-3.0。分子量随单体与催化剂比例的增加而成比例增长。催化剂在20-80℃条件下稳定,且催化活性随温度升高而升高,分子量分布变窄,而选择性基本不变(97.4%,80℃)。烷基铝的种类对催化活性略有影响,以三乙基铝(AlEt3)为助催化剂的催化体系活性最高,三甲基铝(AlMe3)次之,三异丁基铝(AliBu3)最低。
(4)通过在桥连于苯环与咪唑环之间的碳上引入甲基取代基,合成了具有更大空间位阻的双咪唑盐配体2,6-(2,4,6-Me3C6H2-NCHCCHN-CHMe)2C6H3-Br·2HBr(L2-Br.2HBr),并且成功地合成了一系列相应的CCC-三齿钳型双卡宾稀土双溴化物(L2LnBr2(THF), Ln=Nd(11), Gd(12), Dy(13))。通过晶体结构分析发现,取代基的引入没有对配体的配位方式造成影响。在有机硼盐和三烷基铝的作用下,该类配合物对异戊二烯及丁二烯聚合没有表现了催化活性。
(5)CCC-三齿钳型双卡宾镝双溴化物(7)与三甲基铝反应得到配体转移产物L1Al2(CH3)5(14)和双溴稀土单甲基化合物[(Br2DyCH3)n]。后者单组分对异戊二烯及丁二烯聚合没有催化活性,在有机硼盐的作用下仍然没有催化活性。以上结果证明在以三甲基铝及有机硼盐为助催化剂的三组体系中至少两种反应:a)配体转移重排反应,得到没有催化活性的产物[(Br2DyCH3)n]及副产物14; b)配体保留的阳离子化及烷基化过程,得到具有催化活性的产物,经分析是甲基桥连的稀土-铝双金属化合物[L1Ln(μ-Me)2AlMe2]+[B(C6F5)4]-。
(6)CCC-三齿钳型双卡宾钇双溴化物(2)与10倍量的三异丁基铝反应时,没有发生配体转移重排反应,只有微量的烷基化反应发生。通过对所分离出的活性种进行详细的核磁表征,表明该体系中真正的活性种是氢桥连的钇-铝双金属离子对[L1Y(μ-H)2A1iBu2]+[B(C6F5)4]-。