مرور و بررسی پلیمریزاسیون کئوردیناسیونی زنده مونومر بوتادین با سیستم‌های کاتالیستی سه‌جزئی زیگلر- ناتا بر پایه فلز نئودیمیوم

نوع مقاله : مقاله مروری

نویسندگان

چکیده

پلیمریزاسیون مونومر 1،3-بوتادین، با استفاده از کاتالیست‌های مختلف زیگلر - ناتا بر پایه فلزهای تیتانیوم (Ti)، کبالت (Co)، نیکل (Ni) و نئودیمیوم (Nd) با ساز و کار کئوردیناسیونی1 انجام می‌شود. در این میان به کاتالیست‌های بر پایه نئودیمیوم، به دلیل تولید پلی‌بوتادین رابر2 با میزان سیس بالا و خطیت زیاد، توجه زیادی شده است. این مقاله، سینتیک پلیمریزاسیون مونومر بوتادین با کاتالیست‌های سه‌جزئی زیگلر – ناتا، شامل نمک‌های نئودیمیوم به عنوان کاتالیست، انواع آلکیل آلومینیوم‌های مختلف به عنوان کمک‌کاتالیست و هالیدهای آلکیل آلومینیوم به عنوان دانر3 را بررسی می‌کند. همچنین تأثیر اجزای کاتالیست روی سرعت واکنش پلیمریزاسیون، جرم مولی و توزیع جرم مولی پلیمر نهایی بررسی خواهد شد. به طور خلاصه، دانر هالیدی روی سرعت واکنش پلیمریزاسیون اثر می‌گذارد. با وجود اینکه تأثیر اصلی آلکیل آلومینیوم (نوع و مقدار آن) روی جرم مولی پلیمر است ولی روی سرعت پلیمریزاسیون هم بی‌تأثیر نیست. رفتار خطی مشاهده‌شده در نمودارهای جرم مولی بر حسب درصد تبدیل مونومر، گویای ماهیت زنده4 پلیمریزاسیون است. پلیمریزاسیون مونومر بوتادین در حضور انواع سامانه‌های کاتالیستی بر پایه Nd، می‌تواند از نوع انتقال زنجیر کئوردیناسیونی5 باشد. پلیمرهای سه‌بخشی6 سنتز‌شده از مونومر بوتادین با سایر مونومرها، تاییدی بر زنده ‌بودن این سامانه کاتالیستی است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Review and Investigation of Living Coordination Polymerization of Butadiene Monomer Using Neodymium-based Ziegler-Natta Catalysts

نویسندگان [English]

  • A. A. Shokri
  • S. Talebi
  • M. Salami-Kalajah
چکیده [English]

Polymerization of 1,3-butadiene monomer is performed using Ziegler-Natta catalysts based on different metal atoms such as Titanium (Ti), Cobalt (Co), Nickel (Ni) and Neodymium (Nd) by coordination mechanism. Neodymium-based catalysts have received much attention due to the high cis-polybutadiene rubber production. This paper studies the kinetics of butadiene monomer polymerization with ternary Ziegler-Natta catalysts consist of Neodymium salts as a catalyst, various alkylaluminums as a cocatalyst and alkylaluminum halides as a donor. Besides, the effect of the catalyst components on the polymerization reaction rate, molar mass and molar mass distribution of produced polymer will be investigated. It was found that halide donors affect the rate of polymerization reaction.  Although the main effect of alkylaluminum (its types and amount) is on the molar mass, but the polymerization rate is also influenced by this compound. The linear behavior observed in the diagrams of molar mass versus monomer conversion indicates the living nature of polymerization. Polymerization of butadiene monomer in the presence of a variety of Nd-based catalytic systems can be a coordinative chain transfer polymerization (CCTP). The triblock polymers synthesized from butadiene with other monomers confirm the living nature of this catalytic system.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Living Polymerization
  • Ziegler-Natta
  • Butadiene
  • neodymium
  • Alkylaluminum

 

[1]        David, J. W., "A Nd-carboxylate catalyst for the polymerization of 1,3-butadiene: The effect of alkylaluminums and alkylaluminum chlorides", Journal of Polymer Science: Part A: Polymer Chemistry, 33, p: 2505-2513, (1995).
[2]        Chansuree, Ch., Pattarapan, P., Garry, L. R., Napida H., "1,3-butadiene polymerization using Co/Nd-based Ziegler-Natta catalyst: microstructures and properties of butadiene rubber", Polymer Engineering and Science, 1, p: 14-21, (2015).  
[3]        Chansuree, Ch., Pattarapan, P., Garry, L. R., Napida, H., "The influence of Ni/Nd-based Ziegler-Natta catalysts on microstructure configurations and properties of butadiene rubber", Journal of Applied Polymer Science, 1, p: 1-9, (2015).
[4]        Friebe, L., Nuyken, O., Obrecht, W., "Neodymium-based Ziegler/Natta catalysts and their application in diene polymerization", Advances in Polymer Science, 204, p: 1-154, (2006).
[5]        Fischbach, A., Anwander, R., "Rare-earth metals and aluminum getting close in Ziegler-type organometallics", Advances in Polymer Science, 204, p: 155-281, (2006).
[6]        Dirong, G., Baolin, W., Chenxi, B., Jifu, B., Feng, W., Weimin, D., Xuequan, Zh., Liansheng, J., "Metal dependent control of cis/trans-1,4 regioselectivity in 1,3-butadiene polymerization catalyzed by transition metal complexes", Polymer, 50, p: 6259-6264, (2009).
[7]        Porri, L., Ricci, G., Shubin, N., "Polymerization of 1,3-dienes with neodymium catalysts", Macromolecular Symposia, 128, p: 53-61, (1998).
[8]        Kwag, G. H., Kim, P., Han, S., Choi, H. K., "Ultra high cis polybutadiene by monomeric neodymium catalyst and its tensile and dynamic properties", Polymer, 46, p: 3782-3788, (2005).
 
[9]        Hu, Y., Dong, W., Masuda, T., "Novel methylaluminoxane-activated neodymium isopro-poxide catalyst for 1,3-butadiene polymerization and 1,3-butadiene/isoprene copolymerization", Macro-molecular Chemistry and Physics, 42, p: 383-391, (2013).
[10]      Webster, O. W., "Living polymerization methods", Science, 251, p: 887-893, (1991).
[11]      Benvenuta-Tapia, J. J., Tenorio-Lopez, J. A., Herrera-Najera, R., Rios-Guerrero, L., "Synthesis and distribution of structural units-thermal properties relationship of random and block butadiene-styrene copolymers with high trans-1,4 units contents", Journal of Applied Polymer Science,116, p: 3103-3110, (2010).
[12]      Wang, B., Cui, D., Lv, K., "Highly 3,4-selective living polymerization of isoprene with rare-earth metal fluorenyl N-hetero cyclic carbene precursors", Macromolecules, 41, p: 1983-1988, (2008).
[13]      Coates, G. W., Hustad, P. D., Reinartz, S., "Catalysts for the living insertion polymerization of alkenes: access to new polyolefin architectures using Ziegler-Natta chemistry", Angew. Chem. Int. Ed., 41, p: 2236-2257, (2002).
[14]      Hustad, P. D., Kuhlman, R. L., Arriola, D. J., Carnahan, E. M., Wenzel, T. T., "Continuous production of ethylene based diblock copolymers using coordinative chain transfer polymerization", Macromolecules, 40, p: 7061-7064, (2007). 
[15]      Friebe, L., Windisch, H., Nuyken, O., Obrecht, W., "Polymerization of 1,3-butadiene initiated by neodymium versatate / triisobutylaluminum / ethylaluminum sesquichloride: impact of the alkylaluminum cocatalyst component", Journal of Macromolecular Science: Part A: Pure and Applied Chemistry, A41, p: 245-256, (2004).
[16]      Taube, R., Sylvester, G., "Stereospecific polymerization of butadiene or isoprene; In applied homogeneous catalysis with organometallic compounds", Wiley-VCH: Weinheim, New York, (1996).
[17]      Tereza, C. J., Fernanda, M. B., Soares, B. G., "Effect of alkylaluminum structure on Ziegler-Natta catalyst systems based on neodymium for producing high-cis polybutadiene", Polymer Bulletin, 62, p: 1-10, (2009).
[18]      Islem, B., Benoit, M., Marie-Noëlle, P., Samira, B., Julien, T., Fernande Da, C. B., Vincent, M., Franck, D., Lionel, P., Christophe, B., "Identification of a transient but key motif in the living coordinative chain transfer cyclo copolymerization of ethylene with butadiene", ACS Catalysis, 9 (10), p: 9298-9309, (2019).
 
 
 
[19]      Mikhail, E. M., Pavel, D. K., Dmitrii, M. R., Konstantin, A. L., Ilya, E. N., Lada, N. P., Evgenia, A.V., Roman, S.B., Viktor, P.D., Pavel, V.I., "Aryloxy alkyl magnesium versus dialkyl magnesium in the lanthanidocene-catalyzed coordinative chain transfer polymerization of ethylene", Organometallics, 38 (15), p: 2892-2901, (2019).
[20]      Michael, G. H., Damien, G., "Introduction of highly tunable end-groups in polyethylene via chain-transfer polymerization using a cobalt (III) catalyst", Organometallics, 38 (4), p: 788-796, (2019).
[21]      Nickaf, J. B., Burford, R. P., Chaplin, R. P., "Kinetics and molecular weights distribution study of neodymium-catalyzed polymerization of 1,3-butadiene", Journal of Polymer Science: Part A: Polymer Chemistry, 33, p: 1125-1132, (1995).
[22]      Horne, S. E., "Transition metal catalyzed polymerizations", Harwood Academic, New York, (1983).
[23]      Hsieh, H. L., Yeh, H. C., "Polymerization of butadiene and isoprene with lanthanide catalysts: characterization and properties of homopolymers and copolymers", Rubber Chemistry and Technology, 58, p: 117-125, (1985).
 
[24]      Friebe, L., Nuyken, O., Windisch, H., Obrecht, W., "Polymerization of 1,3-butadiene initiated by neodymium versatate / diisobutylaluminum hydride / ethylaluminum sesquichloride: kinetics and conclusions about the reaction mechanism", Macromolecular Chemistry and Physics, 203, p: 1055-1064, (2002).
[25]      Wang, F., Liu, H., Zheng, W., Guo, J., Zhang, Ch., Zhao, L., Zhang, H., Hu, Y., Bai, Ch., Zhang, X. Q., "Fully-reversible and semi-reversible coordinative chain transfer polymerization of 1,3-butadiene with neodymium-based catalytic systems", Polymer, 54, p: 6716-6724, (2013).
[26]      Bonnet, F., Barbier-Baudry, D., Dormond, A., Visseaux, M., "Diene/ olefin/ polar monomer copolymerization: unprecedent functional polymers from a rare-earth catalyst", Polymer International, 51, p: 986-993, (2002).