Brevet FR3123918A1 — publié le 20221216

L’invention concerne un système catalytique stéréospécifique comprenant - un sel d’un acide phosphorique organique de néodyme, - un composé organique de magnésium de formule R 1 R 2 Mg , dans laquelle R 1 et R 2 représentent, indépendamment l'un de l'autre, un radical aliphatique en C 1 -C 10 , substitué ou non, ou un radical aromatique en C 6 -C 20 , substitué ou non, - un dérivé allylique d'un métal alcalin de formule RM, dans laquelle M désigne un métal alcalin et R représente un groupe allylique. L’utilisation de ce système catalytique pour la polymérisation de 1,3-diènes favorisant l'insertion 1,4-trans des monomères 1,3-diènes, permet l’obtention de polymères diéniques à taux d’enchainement 1,4- trans élevé. Système catalytique pour la polymérisation stéréospécifique de diènes et leur utilisation en procédé de synthèse de polymères diéniques La présente invention concerne un système catalytique pour la polymérisation stéréospécifique de diènes conjugués favorisant l’insertion 1,4-trans des monomères. L’invention concerne plus particulièrement un système catalytique polymétallique pour la polymérisation stéréospécifique de diènes conjugués favorisant l’insertion 1,4-trans des monomères. L’invention concerne également un procédé de synthèse de polymères diéniques à fort taux de d’enchainement 1,4-trans utilisant un système catalytique polymétallique pour la polymérisation des monomères. L’utilisation de systèmes catalytiques polymétalliques pour la synthèse de polymères diéniques par polymérisation de coordination a été décrite par le passé. La littérature rapporte notamment la combinaison de composés organiques de terres rares et de composés organiques de magnésium pour la polymérisation de monomères 1,3-diènes susceptible de générer une stéréospécificité des configurations 1,4-cis ou 1,4-trans, et en particulier de configuration 1,4-trans. Ainsi, par exemple, l’article Macromolecules 2017, 50, 7887-7894, "Regulation of the cis-1,4- and trans-1,4-Polybutadiene Multiblock Copolymers via Chain Shuttling Polymerization Using a Ternary Neodymium Organic Sulfonate Catalyst" , Quanquan Dai et al., décrit la synthèse de polybutadiènes permettant de réguler le rapport des taux de 1,4-cis et 1,4-trans pour atteindre un équilibre entre la tolérance à la déformation (attribuée à la partie cis-1,4 du polybutadiène) et la rigidité (attribuée à la cristallinité de la partie trans-1,4-du polybutadiène). Cet article explique qu'un système catalytique binaire à base de trifluorométhane sulfonate de néodyme et de dibutylmagnésium permet de synthétiser par catalyse de coordination un polybutadiène en favorisant l'insertion 1,4-trans du butadiène. Plusieurs publications rapportent, quant à elles, la polymérisation contrôlée d'isoprène à l'aide de système catalytique comprenant un borohydrure de néodyme et un dialkylmagnésium, en présence ou non de tétrahydrofurane. Ces systèmes catalytiques permettent de fournir du polyisoprène stéréorégulier avec de forts taux de 1,4-trans. On peut par exemple citer Macromolecules 2005, 38, 3162-3169 " Highly trans-Stereospecific Isoprene Polymerization by Neodymium Borohydrido Catalysts ", Fanny Bonnet et al. Un autre document EP0091287, décrit un système catalytique pour la polymérisation du butadiène comprenant notamment du versatate de didyme et un dibutylmagnésium permettant d'atteindre du polybutadiène stéréospécifique à fort taux de 1,4-trans. Si des systèmes catalytiques employés dans les polymérisations stéréospécifiques des diènes conjugués ont déjà été décrits par le passé, un besoin demeure de disposer d’autres procédés de synthèse de polymères diéniques présentant notamment des taux d’enchainement 1,4-trans élevé, c’est-à-dire supérieur à 65% en poids par rapport à la partie diénique du polymère. Par ailleurs, dans certaines utilisations d'un polymère diénique, il peut être avantageux que celui-ci ait non seulement un taux d’enchainement 1,4-trans élevé, mais encore un taux d'enchaînement 1,2 limité. Un procédé de synthèse de polymères diéniques permettant de donner satisfaction à ces deux objectifs à la fois serait particulièrement intéressant. Le problème technique qui se pose dans le cadre de la présente invention est de disposer d’un procédé de synthèse de polymères diéniques, particulièrement de polymères du butadiène, favorisant la formation des enchainements 1,4-trans, et permettant également de limiter la formation des enchaînements 1,2. L'invention permet de résoudre ce problème en proposant un système catalytique associant un organophosphate de néodyme, un composé organique de magnésium et un dérivé allylique d'un métal alcalin, qui, utilisé pour la polymérisation de 1,3-diènes présente une stéréospécificité vis-à-vis de l’insertion 1,4-trans en maintenant une conversion de la réaction de polymérisation satisfaisante. L’utilisation du système catalytique selon l’invention dans un procédé de synthèse d’un polymère diénique permet d’obtenir des polymères diéniques, notamment des polybutadiènes, présentant des taux d’enchainement 1,4-trans élevés, avec des valeurs d'au moins 65% en poids par rapport à la partie diénique du polymère, et un taux d'enchaînement 1,2- faible, notamment avec des valeurs inférieures ou égales à 10% en poids par rapport à la partie diénique du polymère Plus particulièrement, l'utilisation du système catalytique selon l’invention permet dans un procédé de polymérisation du butadiène, la synthèse d'un polybutadiène présentant les caractéristiques suivantes : - un taux d'enchaînement 1,4-trans d'au moins 65% en poids par rapport à la partie diénique du polybutadiène; - un taux d'enchaînement vinyle 1,2- inférieur ou égal à 10% en poids par rapport à la partie diénique du polybutadiène. Dans un premier aspect, l’invention porte sur un tel système catalytique. Dans un autre aspect, l’invention porte sur un procédé de synthèse d’un polymère diénique utilisant un tel système catalytique. L’invention, décrite plus en détails ci-après, a pour objet au moins l’une des réalisations énumérées aux points suivants : 1- Système catalytique à base d'au moins - un sel d’un acide phosphorique organique de néodyme, - un composé organique de magnésium de formule R 1 R 2 Mg , dans laquelle R 1 et R 2 représentent, indépendamment l'un de l'autre, un radical aliphatique en C 1 -C 10 , substitué ou non, un radical aromatique en C 6 -C 20 , substitué ou non, - un dérivé allylique d'un métal alcalin de formule RM, dans laquelle M désigne un métal alcalin et R représente un groupe allylique. 2- Système catalytique selon la réalisation précédente dans lequel le radical aliphatique, dans la définition de R 1 et R 2 est un radical alkyle en C 1 -C 10 , substitué ou non. 3- Système catalytique selon la réalisation précédente dans lequel le radical aliphatique, dans la définition de R 1 et R 2 est un radical alkyle en C 1 -C 10 choisi parmi un radical méthyle, éthyle, les radicaux propyles, butyles, pentyles, hexyles, heptyles, octyles, nonyles et décyles. 4- Système catalytique selon l’une quelconque des réalisations précédentes dans lequel le composé organique de magnésium de formule R 1 R 2 Mg est le n-butyléthylmagnésium ou le n-butyloctylmagnésium. 5- Système catalytique selon la réalisation 1 dans lequel le radical aromatique, dans la définition de R 1 et R 2 est un radical aryle en C 6 -C 20 , substitué ou non. 6- Système catalytique selon l’une quelconque des réalisations précédentes dans lequel le groupe allylique définissant R est un dérivé d'un mono-alcène ou d'un diène allylique ayant perdu un atome d'hydrogène et ayant au moins 4 atomes de carbone, de préférence un butadiényle. 7- Système catalytique selon l’une quelconque des réalisations 1 à 5 dans lequel le groupe allylique définissant R est radical oligodiényle. 8- Système catalytique selon la réalisation précédente dans lequel le radical oligodiényle comprend au moins deux unités issues d'un monomère diène. 9 - Système catalytique selon la réalisation précédente dans lequel, le radical oligodiényle comprend un nombre moyen d’unités issues d'un monomère diène variant de 2 à 100. 10 - Système catalytique selon l’une quelconque des réalisations 7 à 9 dans lequel, dans le radical oligodiényle, le monomère diène est choisi parmi les monomères diènes conjugués, de préférence le butadiène et l'isoprène et leurs mélanges. 11 - Système catalytique selon l’une quelconque des réalisations précédentes dans lequel le groupe allylique R est choisi dans le groupe constitué par les dérivés oligobutadiényles ayant un nombre moyen d’unités issues de butadiène de 2 à 100 et oligoisoprényles ayant un nombre moyen d’unités issues d'isoprène de 2 à 100, de préférence R est un dérivé oligobutadiényle ayant un nombre moyen d’unités issues de butadiène de 2 à 100. 12 - Système catalytique selon l’une quelconque des réalisations précédentes dans lequel le métal alcalin M définissant le dérivé allylique de formule RM est le lithium. 13 - Système catalytique selon l’une quelconque des réalisations précédentes dans lequel le dérivé allylique de formule RM est un oligodiényllithium, de préférence un oligobutadiényllithium 14- Système catalytique selon l’une quelconque des réalisations précédentes dans lequel le sel de néodyme d’un acide phosphorique organique est un tris(organophosphate) de néodyme. 15- Système catalytique selon l’une quelconque des réalisations précédentes dans lequel le sel d’un acide phosphorique organique est choisi parmi les diesters d'acide phosphorique. 16- Système catalytique selon l’une quelconque des réalisations précédentes dans lequel le sel de néodyme d’un acide phosphorique organique est le tris[bis (2-éthylhexyl) phosphate] de néodyme. 17- Système catalytique selon l’une quelconque des réalisations précédentes dans lequel le rapport molaire (R 1 R 2 Mg / néodyme) a une valeur d'au plus 15/1 et de préférence d'au plus 12/1. 18- Système catalytique selon l’une quelconque des réalisations précédentes dans lequel le rapport molaire (R 1 R 2 Mg / néodyme) a une valeur d'au moins 1/2, de préférence 1/1. 19- Système catalytique selon l’une quelconque des réalisations précédentes dans lequel le rapport molaire (dérivé allylique d'un métal alcalin / néodyme) présente une valeur comprise entre 1/2 et 20/1, avantageusement allant de 1/1 à 10/1. 20- Système catalytique selon l’une quelconque des réalisations précédentes dans lequel au moins une des caractéristiques suivantes est respectée, au moins deux, au moins trois, au moins quatre, au moins cinq et de préférence toutes : - le dérivé allylique d'un métal alcalin est un dérivé allylique de lithium, - le radical allylique est un radical oligodiényle, de préférence un oligobutadiényle, - le sel de néodyme est un diester d'acide phosphorique de néodyme, de préférence le tris [bis (2-éthylhexyl) phosphate] de néodyme, - le composé organique de magnésium est un dialkylmagnésium, chacun des radicaux alkyles étant en C 1 -C 10 , substitué ou non, de préférence le n-butyléthylmagnésium ou le n-butyloctylmagnésium, - le rapport molaire (R 1 R 2 Mg / néodyme) présente une valeur d'au plus 15/1, de préférence d'au plus 12/1, - le rapport molaire (dérivé allylique d'un métal alcalin / néodyme) présente une valeur comprise entre 1/2 et 20/1, avantageusement allant de 1/1 à 10/1. 21- Système catalytique selon l’une quelconque des réalisations précédentes dans lequel au moins une des caractéristiques suivantes est respectée, au moins deux, au moins trois, au moins quatre et de préférence toutes : - le dérivé allylique d'un métal alcalin est un oligobutadiényllithium ayant un nombre moyen d’unités issues de diène de 2 à 100, - le sel de néodyme est le tris [bis (2-éthylhexyl) phosphate] de néodyme, - le composé organique de magnésium est le n-butyléthylmagnésium ou le n-butyloctylmagnésium - le rapport molaire (R 1 R 2 Mg / néodyme) présente une valeur d'au plus 15/1, de préférence d'au plus 12/1, - le rapport molaire (dérivé allylique d'un métal alcalin / néodyme) présente une valeur comprise entre 1/2 et 20/1, avantageusement allant de 1/1 à 10/1. 22- Procédé de préparation d’un polymère diénique comprenant la réaction de polymérisation d'au moins un monomère diène conjugué dans un réacteur en présence d’un système catalytique tel que défini dans l'une des réalisations précédentes. 23- Procédé selon la réalisations 22 comprenant, de manière décalée à l'introduction du système catalytique de polymérisation dans le réacteur, l'ajout dans le réacteur d’au moins un composé organique de magnésium de formule R 3 R 4 Mg, dans laquelle chacun de R 3 et R 4 représente, indépendamment l'un de l'autre, un radical aliphatique en C 1 -C 10 , substitué ou non, un radical aromatique en C 6 -C 20 , substitué ou non. 24- Procédé selon la réalisation précédente dans lequel le rapport molaire (composés organiques de magnésium / néodyme) est d'au plus 15/1, de préférence d'au plus 12/1, la quantité molaire de composés organiques de magnésium étant la somme des quantités molaires des composés de magnésium R 1 R 2 Mg et R 3 R 4 Mg. 25- Procédé selon l'une quelconques des réalisations 22 à 24 dans lequel le monomère diène conjugué à polymériser est un monomère 1,3-diène. 26- Procédé selon la réalisation précédente dans lequel le monomère diène conjugué à polymériser est un monomère 1,3-diène ayant 4 à 15 atomes de carbone, de préférence le 1,3-butadiène ou l’isoprène, plus particulièrement le 1,3-butadiène. 27- Procédé selon l’une quelconque des réalisations précédentes 22 à 26 dans lequel le monomère diène conjugué à polymériser est copolymérisé avec au moins un autre monomère. 28- Procédé selon la réalisation précédente dans lequel le monomère diène conjugué à polymériser est copolymérisé avec au moins un autre monomère choisi parmi les monomères diènes conjugués ayant 4 à 15 atomes de carbone. 29- Procédé selon la réalisation 27 ou 28 dans lequel le monomère diène conjugué à polymériser est copolymérisé avec au moins un autre monomère choisi parmi les composés vinylaromatiques, de préférence le styrène. 30 - Procédé selon l’une quelconque des réalisations précédentes 22 à 29 dans lequel au moins une des caractéristiques suivantes est respectées, au moins deux, au moins trois, au moins quatre, au moins cinq, au moins six et de préférence toutes : - le monomère diène conjugué à polymériser est un 1,3-diène ayant 4 à 15 atomes de carbone, de préférence le 1,3-butadiène, - un composé organique de magnésium de formule R 3 R 4 Mg, de préférence le n-butyléthylmagnésium ou le n-butyloctylmagnésium, est ajouté dans le réacteur indépendamment du système catalytique selon un rapport molaire (composés organiques de magnésium / néodyme) est d'au plus 15/1, de préférence d'au plus 12/1, la quantité molaire de composés organiques de magnésium étant la somme des quantités molaires des composés de magnésium R 1 R 2 Mg et R 3 R 4 Mg, - le sel d’acide phosphorique organique de néodyme du système catalytique est un diester d'acide phosphorique de néodyme, de préférence le tris [bis (2-éthylhexyl) phosphate] de néodyme, - le dérivé allylique d'un métal alcalin est un oligodiényllithium, de préférence un oligobutadiényllithium, ayant un nombre moyen d’unités issues de diène de 2 à 100, - le composé organique de magnésium R 1 R 2 Mg du système catalytique est un dialkylmagnésium, chacun des radicaux alkyles étant en C 1 -C 10 , substitué ou non, de préférence le n-butyléthylmagnésium ou le n-butyloctylmagnésium, - dans le système catalytique le rapport molaire (R 1 R 2 Mg / néodyme) présente une valeur d'au plus 15/1, de préférence d'au plus 12/1, - dans le système catalytique le rapport molaire (dérivé allylique d'un métal alcalin / néodyme) présente une valeur allant de 1/1 à 10/1. Définition Les termes "radical", "groupe" et "groupement", au singulier ou au pluriel, sont équivalents et interchangeables. L’expression "en C x -C y " pour un radical hydrocarboné signifie que ledit radical comprend x à y atomes de carbone. Dans la présente description, sauf indication expresse différente, tous les pourcentages (%) indiqués sont des pourcentages (%) en poids (aussi nommé pourcentage (%) massique). Les pourcentages (%) exprimant la microstructure du polymère diénique (par exemple la répartition relative des unités butadiène 1,2-, 1,4-trans et 1,4-cis) sont des pourcentages en poids par rapport à la partie diénique du polymère. Ainsi un taux d’enchaînement 1,4-trans de plus de 70% dans un polymère diénique correspond à un taux d’unité diènes 1,4-trans de plus de 70% en poids par rapport au poids de la partie diénique du polymère. D'autre part, tout intervalle de valeurs désigné par l'expression "entre a et b" représente le domaine de valeurs allant de plus de a à moins de b (c’est-à-dire bornes a et b exclues) tandis que tout intervalle de valeurs désigné par l'expression "de a à b" signifie le domaine de valeurs allant de a jusqu'à b (c’est-à-dire incluant les bornes strictes a et b). Par l'expression "à base de" utilisée pour définir les constituants du système catalytique, on entend le mélange de ces constituants et/ou le produit de la réaction entre ces constituants. Les composés mentionnés dans la description comprenant du carbone peuvent être d'origine fossile ou biosourcés. Dans ce dernier cas, ils peuvent être, partiellement ou totalement, issus de la biomasse ou obtenus à partir de matières premières renouvelables issues de la biomasse. De la même manière, les composés mentionnés peuvent également provenir du recyclage de matériaux déjà utilisés, c’est-à-dire qu’ils peuvent être, partiellement ou totalement, issus d’un procédé de recyclage, ou encore obtenus à partir de matières premières elles-mêmes issues d’un procédé de recyclage. Sont concernés plus particulièrement dans la présente demande notamment les monomères. Ainsi, par exemple le butadiène peut être avantageusement issu de manière connue directement de la biomasse ou être obtenu à partir d’un précurseur biosourcé, par exemple l’éthanol biosourcé. L’isoprène peut être avantageusement issu de manière connue directement de la biomasse ou être obtenu à partir d’un précurseur biosourcé, par exemple à partir d’isobutène biosourcé. Le styrène peut par exemple avantageusement être issu de manière connue directement de la biomasse ou encore du recyclage de polystyrène. Système catalytique à base d'au moins - un sel d’un acide phosphorique organique de néodyme, - un composé organique de magnésium de formule R 1 R 2 Mg , dans laquelle chacun de R 1 et R 2 représente, indépendamment l'un de l'autre, un radical aliphatique en C 1 -C 10 , substitué ou non, ou un radical aromatique en C 6 -C 20 , substitué ou non, et - un dérivé allylique d'un métal alcalin de formule RM, dans laquelle M désigne un métal alcalin et R représente un groupe allylique. Système catalytique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le radical aliphatique, dans la définition de R 1 et R 2 est un radical alkyle en C 1 -C 10 , substitué ou non. Système catalytique selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le composé organique de magnésium de formule R 1 R 2 Mg est le n-butyléthylmagnésium ou n-butyloctylmagnésium. Système catalytique selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que dans le dérivé allylique de formule RM, le groupe allylique définissant R est un radical oligodiényle, de préférence un radical oligobutadiényle. Système catalytique selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que dans le dérivé allylique de formule RM, M désigne le lithium. Système catalytique selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le sel d’un acide phosphorique organique de néodyme est un tris(organophosphate) de néodyme. Système catalytique selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le sel d’un acide phosphorique organique de néodyme est le tris [bis (2-éthylhexyl) phosphate] de néodyme. Système catalytique selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le rapport molaire (composé organique de magnésium / néodyme) a une valeur d'au plus 15/1, de préférence d'au plus 12/1. Système catalytique selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le rapport molaire (dérivé allylique d'un métal alcalin / néodyme) présente une valeur comprise entre 1/2 et 20/1, avantageusement allant de 1/1 à 10/1. Système catalytique selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu' au moins une des caractéristiques suivantes est respectées, au moins deux, au moins trois, au moins quatre, au moins cinq et de préférence toutes : - le dérivé allylique d'un métal alcalin est un dérivé allylique de lithium, - le radical allylique est un radical oligodiényle, de préférence un oligobutadiényle, ayant de 2 à 100 unités issues de diène, - le sel de néodyme est un diester d'acide phosphorique de néodyme, de préférence le tris [bis (2-éthylhexyl) phosphate] de néodyme, - le composé organique de magnésium est un dialkylmagnésium, chacun des radicaux alkyles étant en C 1 -C 10 , substitué ou non, de préférence le n-butyléthylmagnésium ou le n-butyloctylmagnésium, - le rapport molaire (composé organique de magnésium / néodyme) présente une valeur d'au plus 15/1, de préférence d'au plus 12/1, - le rapport molaire (dérivé allylique d'un métal alcalin / néodyme) présente une valeur allant de 1/2 à 20/1, avantageusement de 1/1 à 10/1. Procédé de préparation d’un polymère diénique comprenant la réaction de polymérisation d'au moins un monomère diène conjugué dans un réacteur en présence d’un système catalytique tel que défini dans l'une quelconque des revendications précédentes. Procédé selon la revendication 11 comprenant, de manière décalée à l'introduction du système catalytique de polymérisation dans le réacteur, l'ajout dans le réacteur d’au moins un composé organique de magnésium de formule R 3 R 4 Mg, dans laquelle chacun de R 3 et R 4 représente, indépendamment l'un de l'autre, un radical aliphatique en C 1 -C 10 , substitué ou non, ou un radical aromatique en C 6 -C 20 , substitué ou non. Procédé selon la revendication 12 caractérisé en ce que le rapport molaire (composés organiques de magnésium / néodyme) est d'au plus 15/1, de préférence d'au plus 12/1, la quantité molaire de composé organique de magnésium étant la somme des quantités molaires des composés de magnésium R 1 R 2 Mg et R 3 R 4 Mg. Procédé selon l'une quelconques des revendications 11 à 13 caractérisé en ce que le monomère diène conjugué à polymériser est un monomère 1,3-diène ayant 4 à 15 atomes de carbone, de préférence le 1,3-butadiène. Procédé selon l’une quelconque des revendication 11 à 14 dans lequel au moins une des caractéristiques suivantes est respectées, au moins deux, au moins trois, au moins quatre, au moins cinq, au moins six et de préférence toutes : - le monomère diène conjugué est un monomère 1,3-diène ayant 4 à 15 atomes de carbone, de préférence le 1,3-butadiène, - le sel d’acide phosphorique organique de néodyme du système catalytique est un diester d'acide phosphorique de néodyme, de préférence le tris [bis (2-éthylhexyl) phosphate] de néodyme, - le dérivé allylique d'un métal alcalin du système catalytique est un oligodiényllithium, de préférence un oligobutadiényllithium, ayant de préférence 2 à 100 unités issues de butadiène, - le composé organique de magnésium de formule R 1 R 2 Mg du système catalytique est un dialkylmagnésium, chacun des radicaux alkyles étant en C 1 -C 10 , substitué ou non, de préférence le n-butyléthylmagnésium ou le n-butyloctylmagnésium, - dans le système catalytique le rapport molaire (R 1 R 2 Mg / néodyme) présente une valeur d'au plus 15/1, de préférence d'au plus 12/1, - dans le système catalytique le rapport molaire (dérivé allylique d'un métal alcalin / néodyme) présente une valeur allant de 1/1 à 10/1, - un composé organique de magnésium R 3 R 4 Mg, dans laquelle chacun de R 3 et R 4 représente, indépendamment l'un de l'autre, un radical aliphatique en C 1 -C 10 , substitué ou non, un radical aromatique en C 6 -C 20 , substitué ou non, de préférence le n-butyléthylmagnésium ou le n-butyloctylmagnésium, est ajouté dans le réacteur indépendamment du système catalytique, sous réserve que le rapport molaire (composés organiques de magnésium /néodyme) est d'au plus 15/1, de préférence d'au plus 12/1, la quantité molaire de composés organiques de magnésium étant la somme des quantités molaires des composés de magnésium R 1 R 2 Mg et R 3 R 4 Mg.