Brevet FR2862237A1 — publié le 20050520

X L CH2 in CH3 Liquides ioniques comme solvants. La présente invention se rapporte à l'utilisation des liquides ioniques pour la solubilisation de catalyseurs et leurs utilisations pour la polymérisation d'oléfines. Les liquides ioniques ont été décrits dans la littérature comme par exemple dans US-A- 5,994,602, ou dans WO96/18459, ou dans WO01/81353. Ces documents montrent diverses méthodes de préparation des liquides ioniques et diverses applications. Ces applications comprennent l'oligomérisation de l'éthylène, propène, butène avec différents précurseurs à base de nickel dissous dans des liquides ioniques comme décrit par exemple dans Dupont et col (Dupont, J., de Souza R.F., Suarez P.A.Z., dans Chem. Rev., 102, 3667, 2002.). Le même document montre aussi que des polymérisations de type Ziegler-Natta sont effectuées dans des liquides ioniques de type halogénure de dialkylimidazolium/ halogénure d'ammonium avec AICl3_XRX comme cocatalyseur. D'autres applications incluent l'utilisation des liquides ioniques liquides, à ou en dessous de la température ambiante, comme solvant pour la catalyse par des métaux de transition tel que le décrit par exemple Welton (Welton T., dans Chem. Rev., 99, 2071, 1999.). De nombreux essais prouvent la réussite de la dimérisation ou de l'oligomérisation, mais la polymérisation reste problématique spécialement avec des catalyseurs à site unique . Il y a donc un besoin pour développer de nouveaux systèmes catalytiques à site 30 unique basés sur les liquides ioniques lesquels catalyseurs sont actifs pour la polymérisation d'alpha-oléfines. Il y a aussi un besoin pour développer des méthodes de préparation pour ces nouveaux systèmes catalytiques. La présente invention décrit une méthode de préparation de catalyseurs à site unique dissous dans des liquides ioniques. Cette invention vise encore à décrire des catalyseurs à site unique dissous dans liquides ioniques. Cette invention vise de plus à décrire un procédé pour la polymérisation d'alpha-oléfines utilisant les catalyseurs à site unique dissous. Cette présente invention vise aussi à décrire la préparation de nouveaux polymères avec ces nouveaux catalyseurs. En conséquence, la présente invention reporte une méthode de préparation de composés catalytiques à site unique dissous, pour la polymérisation d'alpha- oléfines, qui comprend les étapes suivantes: a) Préparation d'un précurseur halogéné de formule (I) X [ Cl-l2 CH (1) b) Réaction du précurseur halogéné (I) avec un précurseur de liquide ionique dans un solvant ou non pour préparer un liquide ionique; c) utilisation du liquide ionique préparé dans l'étape b) comme solvant pour un complexe métallique de formule (II) L2MY2 (II) où L est un ligand coordinant le site métallique par des atomes de phosphore, d'azote ou d'oxygène. L est préférentiellement une phosphine, une imine, un aryloxy ou alkyloxy et toutes combinaisons de ces dernières fonctions entre elles. M est un métal tel que le Ni, Pd ou Fe et Y est un halogène ou un alkyl ayant de 1 à 12 atomes de carbone; d) Obtention d'un composé catalytique à site unique dissous dans le liquide ionique. Toutes les réactions ont été réalisées sous atmosphère d'argon, en employant les techniques standards de Schlenk et de boîte à gants. Le précurseur halogéné de formule (I) réagit avec un précurseur de liquide ionique 10 de préférence le N-alkylimidazole ou la pyridine, dans un solvant ou non comme le tétrahydrofurane (THF), CH2Cl2 ou CH3CN. Dans le liquide ionique, l'anion X- peut être choisi parmi Cl-, Br, 1-, BF4, PF6, AsF6 SbF6 NO2-, NO3-. L'anion X- peut également être choisi parmi ceux qui répondent à la formule AIR4_ZX"Z dans laquelle R est choisi parmi H, un alkyle substitué ou non ayant de 1 à 12 atomes de carbone, un cycloalkyle substitué ou non ayant 5 ou 6 atomes de carbones, un hétéroalkyle substitué ou non, un hétérocycloalkyle substitué ou non, un aryle substitué ou non ayant 5 ou 6 atomes de carbone, un hétéroaryle substitué ou non, un alkyloxy, un aryloxy, un acyle, un silyle, un boryle, un phosphino, un amino, un thio, un séléno, où X" représente un halogène, et où z est un nombre entier compris entre 0 et 4. La partie cationique du liquide ionique peut être obtenue par protonation ou par acylation d'un composé choisi parmi les imidazoles, les pyrazoles, les thiazoles, les triazoles, les pyrroles, les indoles, les tétrazoles, les pyridines, les pyrimidines, les pyrazines, les pyridazines, les pipérazines, les pipéridines. De préférence, l'anion X- est Br ou BF4 et la partie cationique est dérivée de l'imidazole ou de la pyridine et donc le précurseur de liquide ionique est de préférence soit le N-alkyl imidazole ou la pyridine. Si le précurseur liquide ionique est le N-alkyl imidazole, la réaction est effectuée à une température de 50 C à 150 C et de préférence de 80 à 120 C et pour une période de temps de 1 à 24 heures, de préférence de 2 à 6 heures. Le produit intermédiaire résultant est la paire d'ion de formule (III) X CH3 1 / (III) Si le précurseur liquide ionique est la pyridine, la réaction est effectuée à une température de 50 C à 120 C, de préférence de 90 C à 110 C et pour une période de temps de 1 à 24 heures, de préférence 2 heures. Le produit résultant est la paire d'ion de formule suivante (IV) x' N+LnCH3 C-/ Les produits intermédiaires III ou IV solubilisent ensuite le complexe métallique de formule L2MY2 dans un solvant choisi typiquement parmi CH2Cl2, THF ou CH3CN, à température ambiante (environ 25 C) pour une période de temps de 1 à 24 heures, de préférence de 1 à 2 heures. Le produit de la réaction correspond au catalyseur solubilisé de formule V, si le liquide ionique est un N-alkyl imidazolium x- n CH3 RNN+ \ / L2MY2 (V) Ou de formule VI si le liquide ionique est un pyridinium x' \N+ n CH3, L2MY2 (VI) / dans lequel M, X, Y et R ont été définis précédemment. Optionnellement, avant la dissolution du complexe métallique, les produits intermédiaires III ou IV peuvent réagir avec un sel de formule générale C+A- où C+ est un cation qui peut être sélectionné parmi K+, Na', NH4, et A" est un anion qui peut être choisit dans PF6 SF6, BF4, (CF3 SO2)N", C1O4", CF3SO3, NO3" ou CF3002". La réaction est effectuée dans un solvant tel que le CH2Cl2, THF ou CH3CN à une température entre 50 et 80 C, de préférence 60 C et pour une durée de 6 à 48 heures, de préférence de 16 à 24 heures. La dissolution du complexe métallique est réalisée comme précédemment pour obtenir un catalyseur dissous de formule VII si le liquide ionique est le N-alkylimidazolium. n CH3 A- RN^N \ /L2MY2 (VII) 20 Ou de formule VIII si le liquide ionique est un pyridinium A N+LCH / n 3 L'invention présente révèle aussi un composé catalytique dissous dans un liquide ionique que l'on peut obtenir par la méthode décrite ci-dessus. Un système catalytique dissous actif est ensuite préparé en activant le catalyseur avec l'agent d'activation approprié. L'agent d'activation peut être choisi parmi les aluminoxanes ou alkyls aluminium ou les agents d'activation boré, suivant la nature de Y. Les alkyls aluminium pouvant être utilisés ont une formule AIRx, où chaque R est identique ou différent et peut être choisi parmi les halogénures ou parmi les alkoxy ou alkyl ayant de 1 à 12 atomes de carbone et x étant compris entre 1 et 3. Les alkyls aluminium particulièrement préférés sont les chlorures de dialkylaluminium, le meilleur étant le chlorure de diéthylaluminium (Et2AICl). L2MY2 (VIII) Les aluminoxanes préférentiels comprennent les alkyl aluminoxanes oligomères linéaires etlou cycliques représentés par les formules: R-(AI-O)n-AIR2 pour les aluminoxanes oligomères et linéaires R et (-AI-O-)m pour les aluminoxanes oligomères et cycliques, 1 R Où n est égal à 1-40, de préférence compris entre 10 et 20, m est égal à 3-40, de préférence 3-20 et R est un groupe alkyl C1-C8, méthyl étant le préféré. Le méthylaluminoxane (MAO) est plus préférentiellement employé. Les agents d'activation borés convenables comprennent les boronates de triphenylcarbénium tel que le trétrakis-pentafluorophenyl-boratotriphenylcarbénium [C(Ph)3+B(C6F5)4] qui est décrit dans EP-A-0,427,696. D'autre agents d'activations contenant des boronates sont décrit dans EPA-20 0,277,004. La proportion d'agent d'activation est telle que le rapport AI/M est compris entre 100 et 1000. La présence invention fournit en supplément la méthode pour l'homopolymérisation et pour la copolymérisation d'alpha-oléfines comprenant les étapes suivantes: a) injection dans le réacteur d'un solvant apolaire puis de l'espèce catalytique dissoute dans un liquide ionique et activée par un agent d'activation; b) injection du monomère et optionnellement d'un comonomère dans le 30 réacteur; c) maintien sous conditions de polymérisation; d) récupération du polymère sous forme de particules. Les conditions de température et de pression de la polymérisation ne sont pas particulièrement limitées. La pression dans le réacteur varie de 0,5 à 50 bar, de préférence de 1 à 20 bar et plus précisément de 4 à 10 bar. La température de polymérisation peut aller de 10 à 100 C, de préférence de 20 à 50 C et plus préférentiellement à température ambiante (environ 25 C). Le solvant est apolaire et typiquement choisi dans les alcanes, de préférence le n-heptane. La réaction est réalisée pour une période de temps de 30 minutes à 24 heures. Les monomères pouvant être utilisés dans la présente invention sont des alpha-oléfines ayant de 2 à 8 atomes de carbones, de préférence l'éthylène et le propylène. 30 Exemples Toutes les réactions ont été réalisées sur une rampe à vide sous atmosphère d'argon, en employant les techniques standards de Schlenk et de boîte à gants. L'utilisation des liquides ioniques permet lors de l'activation d'obtenir un précipité facilement injectable dans le réacteur. La polymérisation en présence de liquide ionique montre que la structure du polyéthylène n'est pas modifiée (température de fusion similaire, il en est de même pour la masse moléculaire et de la polydiversité) mais que l'aspect macroscopique du polyéthylène est modifiée. Les particules obtenus sont de tailles plus importante que lors de l'utilisation du catalyseur à base de nickel sans liquide ionique (tableau 1). Le polymère est obtenu exclusivement sous forme de particules qui sont moins dangereuses et plus facile à manipuler que la poudre fine comme il est possible de le voir dans le tableau 2. La taille des particules est d'un diamètre supérieur à 0,5 mn. Il est aussi observé que la température de fusion du polyéthylène est comparable à celle obtenue pour d'autre système catalytique. La nature du liquide ionique joue un rôle important dans la morphologie du polymère comme le montre le tableau 2 qui représente les différentes tailles de particules obtenus respectivement pour le liquide ionique de type imidazolium et pyridinium. Le système catalytique basé sur le liquide ionique de type pyrimidium montre des particules de plus grosses tailles, supérieure à 2 mm alors que le système basé sur le liquide ionique de type imidazolium montre des particules d'une taille de 0.5 mm. Synthèse des différentes espèces catalytiques dissoutes dans des liquides ioniques. Synthèse du bromure de 1-methyl-3-pentylimidazolium (III) : Br N' N+W 1 I Introduction de 9,96 mL de N-methylimidazole ( 125 mmoles) dans un schlenk puis de 22,16 mL de bromopentane ( 187,5 mmoles). Le milieu réactionnel fut agité 2h à 90 C. Après refroidissement à température ambiante, 40 mL d'éther diéthylique furent additionné, formation d'un précipité blanc. Après filtration, ce précipité fut lavé 4 fois avec 40 mL d'éther diethylique. Après filtration, 24,7 g d'un solide blanc fut obtenu (rendement=85%). 1H NMR (300 MHz, CDCI3) b: 10.23 (s, 1), 7.63 (tr, 1), 7.47 (tr, 1), 4.27 (tr, 2), 1.86 (q, 2), 1.29 (m, 4), 0.82 (tr, 3). 13C NMR (75 MHz, CDCI3) 6: 137.17, 123.77, 122.09, 50.01, 36.67, 29.92, 28.17, 15 21.98, 13.76. Synthèse du bromure de N-pentylpyridinium (IV) : Br C Introduction de 0,4 mL de pyridine (5 mmoles) puis de 0,8 mL de bromopentane (7,5 mmoles) dans un schlenk. Le milieu réactionnel fut agité 2 heures à 100 C, formation d'un précipité. Après retour à température ambiante, le précipité fut lavé trois fois avec 5 mL d'éther diéthylique. Après filtration et séchage sous pression réduite, 1,09 g d'un solide crème fut obtenu (rendement=95%). 1H NMR (300 MHz, CDCI3) b: 9.58 ( d, 2), 8.52 (tr, 1), 8.11 (tr, 2), 4.93 (tr, 2), 1.98 (q, 2), 1.28 (m, 4), 0.77 (tr, 3). 13C NMR (75 MHz, CDCI3) 6: 145.18, 128.47, 61.80, 31.66, 27.92, 22.02, 13. 75. 35 Synthèse du catalyseur à base de nickel: Introduction dans un schlenk sous atmosphère inerte de 9.96 mg ( 0.028 mmoles) de bis-imine puis 5 mL de dichlorométhane. Addition de 6.78 mg ( 0.02 mmoles) de (DME) NiBr2, agitation 16h à température ambiante. Evaporation du solvant puis le résidu fut lavé deux fois par 3 mL d'éther diéthylique. Filtration puis séchage pour obtenir 7mg d'une poudre brune (rendement=63%). Synthèse du catalyseur à base de fer: N Ar Fe/ Ar Cl Cl 45,77 mg (0,23 mmol) de chlorure de fer(ll) tétrahydraté fut séché sous pression réduite à 120 C pendant 5 heures. Le chlorure de fer(ll) fut ajouté à la bisimine dans le THF. La réaction fut laissée sous agitation à reflux pendant 30 minutes. Le mélange réactionnel fut refroidi à température ambiante. Le complexe de fer apparût sous forme d'un précipité, le mélange fut filtré et séché sous pression réduite pour donner 0,104 g (87%) de complexe bleu. Synthèse des composés V et VI: Solubilisation du catalyseur dans du CH2Cl2 puis addition du liquide ionique 30 solubilisé dans le même solvant. Le milieu réactionnel fut agité pendant 1 heure à température ambiante. Puis évaporation du solvant sous pression réduite. É Composé VN; : 5 pmoles (2,7 mg) de catalyseur à base de Ni, 5 pmoles ( 1,17 mg) de 1-methyl-3-pentylimidazolium dans 4 mL de CH2Cl2. É Composé VFe: 1,2 pmoles ( 0,73 mg) de catalyseur à base de Fe, 1,2 pmoles ( 0,28 mg) de 1-methyl-3-pentylimidazolium dans 1 mL de CH2Cl2. É Composé VIFe: 1,2 pmoles ( 0,73 mg) de catalyseur à base de Fe, 1,2 pmoles ( 0,276 mg) de N-pentylpyridinium dans 1 mL de CH2Cl2. Polymérisation de l'éthylène. Polymérisation de l'éthylène avec le catalyseur à base de Nickel: Les conditions de polymérisation avec le catalyseur à base de Nickel furnt les suivantes: 5 pmol de catalyseur, 5 pmol de liquide ionique et 60m1 de n-heptane; addition de 300 équivalent-molaire de MAO par rapport au catalyseur; - T= 25 C; P= 4 bar; T= 2 heures; Le polymère fut traité par du méthanol acide (10% en volume d'HCI). Entrée Catalyseur solvant Masse T C consommation Structure utilisé de PE de (kg PElmol de du PE (mg) fusio catalh) n 1 Catalyseur n- 2338 130.5 371 particules solubiliséb heptane a Mesuré au bout d'une heure b le liquide ionique est le bromure de 1-methyl-3- pentylimidazolium. Tableau 1 Polymérisation de l'éthylène avec le catalyseur à base de fer: Les conditions de polymérisation avec le catalyseur à base de Fer furnt les suivantes: - 1,2 pmol de catalyseur, 1,2 pmol de liquide ionique et 60m1 de n- heptane; addition de 1000 équivalent-molaire de MAO par rapport au catalyseur; T=25 C; P= 4 bar; T= 1 heure; Le polymère fut traité par du méthanol acide (10% en volume d'HCI). Entrée Catalyseur solvant Masse T C de consommation Structure utilisé de PE fusion (kg PE/mol de du PE (g) catalh) 1 Catalyseur heptane 9.4 134.7 8103 Pfinere 2 Catalyseur n- 7.9 132.5 7150 Micro- et leq de heptane particules liquide ioniqueb 3 Catalyseur heptane 7.0 136.3 5579 particules et dee ionique a Mesuré au bout d'une heure b le liquide ionique est le bromure de 1-methyl-3- pentylimidazolium. 15 le liquide ionique est le bromure de N- pentylpyridinium. Tableau 2 Revendications 1. Une méthode de préparation de composés catalytiques dissous comprenant les étapes suivantes: a) Synthèse d'un précurseur halogéné de formule (I) X CH2 n CH3 (I) b) Réaction du précurseur halogéné (I) avec un précurseur de liquide ionique dans un solvant ou non pour préparer un liquide ionique; c) Utilisation du liquide ionique préparé dans l'étape b) comme solvant pour un complexe métallique de formule (II) dans un solvant L2MY2 (II) où L est un ligand coordinant le site métallique par des atomes de phosphore, d'azote ou d'oxygène. L est préférentiellement une phosphine, une imine, un aryloxy ou alkyloxy et toutes combinaisons de ces dernières fonctions entre elles. M est un métal tel que le Ni, Pd ou Fe et Y est un halogène ou un alkyl ayant de 1 à 12 atomes de carbone; d) Obtention d'un composé catalytique à site unique dissous dans le 25 liquide ionique. 2. La méthode de la revendication 1 où le liquide ionique est basé sur l'alkyl imidazolium ou le pyridinium. 3. La méthode de la revendication 1 ou de la revendication 2 où entre l'étape b) et l'étape c), le produit de l'étape b) réagit avec un sel de formule générale C+A" où C+ est un cation qui peut être sélectionné parmi K+, Na', NH4', et A- est un anion qui peut être choisit dans PF6, SbF6, BF4, (CF3-SO2)N-, CIO4, CF3SO3-, NO3- ou CF3CO2. 4. La méthode selon l'une des revendications précédentes où le solvant utilisé pour l'étape b) et/ou pour l'étape c) est choisi parmi THF, CH2Cl2 ou CH3CN. 5. Une composante catalytique dissoute dans liquide ionique obtenue par la méthode selon l'une des revendications 1 à 4. 6. Un système catalytique dissous dans un liquide ionique comprenant la composante catalytique de la revendication 5 et un agent d'activation. 7. Le système catalytique dissous dans le liquide ionique de la revendication 6 où 15 l'agent d'activation est le méthylaluminoxane et où Y est un halogène. 8. Le système catalytique dissous dans le liquide ionique de la revendication 7 où la quantité de méthylaluminoxane est telle que le rapport AI/M est compris entre 100 et 1000. 9. Une méthode pour l'homopolymérisation et pour la copolymérisation d'alpha-oléfines qui comprend les étapes suivantes: a) injection dans le réacteur d'un solvant apolaire puis d'un système catalytique dissous dans un liquide ionique selon l'une des revendication 6 à 8; b) injection du monomère et optionnellement d'un comonomère dans le réacteur; c) maintien sous conditions de polymérisation; d) récupération d'un polymère sous forme de particules. 10. La méthode de la revendication 9 où le solvant apolaire est le nheptane. 11. la méthode de la revendication 9 ou de la revendication 10 où le monomère est l'éthylène ou le propylène. 12. Un polymère sous une forme de particules de tailles supérieures à 0.5 mm de diamètre obtenu par la méthode de l'une des revendications 9 à 11.