Кіріспе
1-алкендердің полимерлерін синтездейтін катализатор Карл Зиглер және Джулио Наттаның есімдерімен аталатын Зиглер-Натта катализаторы – 1-алкендердің (альфа-олефиндердің) полимерлерін синтездейтін катализатор. Зиглер-Натта катализаторларының екі негізгі класы ерігіштігімен ажыратылады: титан қосылыстарына негіделген гетерогендік қолдаушы катализаторлар кокатализаторлармен, мысалы, триэтилалюминий Al(C2H5)3 сияқты органоалюминий қосылыстарымен бірге полимерлендіру реакцияларында қолданылады. Осы катализаторлар класы өнеркәсіпте басым. Гомогендік катализаторлар әдетте 4-топ металдары – титан, цирконий немесе гафний кешендеріне негізделген. Олар көбінесе басқа органоалюминий кокатализаторы – метиллюмоксанмен (немесе метил алюмоксан, MAO) бірге қолданылады. Бұл катализаторлар дәстүрлі түрде металлоцендерді қамтиды, сондай-ақ көп тісті оттегі және азот негізіндегі лигандтар да бар. Зиглер-Натта катализаторлары терминалдық алкендерді (этилен және винилдік екі байланысы бар алкендерді) полимерлеу үшін қолданылады: n CH2=CHR → −[CH2−CHR]n−;
A Ziegler–Natta catalyst, named after Karl Ziegler and Giulio Natta, is a catalyst used in the synthesis of polymers of 1 alkenes (alpha olefins). Two broad classes of Ziegler–Natta catalysts are employed, distinguished by their solubility:
Heterogeneous supported catalysts based on titanium compounds are used in polymerization reactions in combination with cocatalysts, organoaluminum compounds such as triethylaluminium, Al(C2H5)3. This class of catalyst dominates the industry. Homogeneous catalysts usually based on complexes of the group 4 metals titanium, zirconium or hafnium. They are usually used in combination with a different organoaluminum cocatalyst, methylaluminoxane (or methylalumoxane, MAO). These catalysts traditionally contain metallocenes but also feature multidentate oxygen and nitrogen based ligands. Ziegler–Natta catalysts are used to polymerize terminal alkenes (ethylene and alkenes with the vinyl double bond):
n CH2=CHR → −[CH2−CHR]n−;
Тарих
1963 жылы химия саласындағы Нобель сыйлығы неміс ғалымы Карл Зиглерге титан негізіндегі алғашқы катализаторларды ашқаны үшін, ал итальян ғалымы Джулио Наттаға оларды қолданып пропиленнен стереорегулярлы полимерлер жасағаны үшін берілді. Зиглер-Натта катализаторлары 1956 жылдан бері әртүрлі полиолефиндерді коммерциялық өндірісте пайдаланылып келеді. 2010 жылғы мәліметтер бойынша, осы және ұқсас (әсіресе Филлипс) катализаторлармен алькендерден жасалған пластиктердің, эластомерлердің және резеңкелердің жалпы көлемі дүниежүзінде 100 миллион тоннадан асты. Бұл полимерлер әлемдегі ең көп таралған тауарлық пластиктер мен химиялық заттардың ішіндегі ең ірілері болып табылады. 1950 жылдардың басында Phillips Petroleum компаниясының қызметкерлері хром катализаторларының этиленді төмен температурада полимерлеуге өте тиімді екенін анықтады, бұл Филипс катализаторына негізделген маңызды өнеркәсіптік технологияларды дамытуға әкелді. Бірнеше жыл өткен соң Зиглер титан тетрахлориді (TiCl4) және диэтилалюминий хлориді (Al(C2H5)2Cl) қоспасының полиэтилен өндірісінде салыстырмалы белсенділік беретінін тапты. Натта алғашқы изотактикалық полипропиленді жасау үшін кристаллды α TiCl3 және Al(C2H5)3 қосылысын қолданды. Әдетте, Зиглер катализаторлары этиленді өңдеуге арналған титан негізіндегі жүйелерді, ал Зиглер-Натта катализаторлары пропиленді өңдеуге арналған жүйелерді білдіреді. Сондай-ақ, 1960 жылдары BASF полипропилен өндіру үшін газ фазасында механикалық араластырылатын полимерлеу процесін әзірледі. Бұл процесте реактордағы бөлшектер қабаты сұйықтандырылмаған немесе толық сұйықтандырылмаған күйде болды. 1968 жылы Union Carbide компаниясы алғашқы газ фазалық сұйық қабатты полимерлеу процесін, Unipol процесін полиэтилен өндіру үшін коммерциялық түрде енгізді. 1980 жылдардың ортасында Unipol процесі полипропилен өндіруге де қолданыла бастады. 1970 жылдары магний хлоридінің (MgCl2) титан негізіндегі катализаторлардың белсенділігін едәуір арттыратыны анықталды. Бұл катализаторлар соншалықты белсенді болғандықтан, өнімнен қажетсіз аморфты полимерді және қалдық титанды (deashing деп аталатын) алып тастау қажеттігі туындамады, бұл сызықтық төмен тығыздықты полиэтилен (LLDPE) түрлерін коммерцияландыруға және толық аморфты сополимерлерді жасауға мүмкіндік берді. Сұйық қабатты процесс полипропилен өндіру үшін қолданылатын ең көп таралған екі процестің бірі болып табылады.
Поли-1-алкендердің стереохимиясы
Натта алғаш рет пропиленді және басқа да 1-алкендерді полимерлеу үшін титан хлоридтеріне негіделген полимерлеу катализаторларын қолданды. Ол бұл полимерлердің кристалдануға қабілетті материалдар екенін анықтады және олардың кристалдануын полимер құрылымының стереорегулярлылық деп аталатын ерекшелігімен байланыстырды. Полимер тізбектеріндегі стереорегулярлық тұжырымы сол жақтағы суретте полипропилен мысалында көрсетілген. Стереорегулярлы поли(1-алкен) суреттегі CH3 топтары сияқты -[CH2−CHR]− бірліктерінен тұратын полимер тізбектеріндегі алкил топтарының өзара орналасуына байланысты изотактикалық немесе синдиотактикалық болуы мүмкін. Изотактикалық полимерлерде барлық стереогенді CHR орталықтары бірдей конфигурацияға ие. Синдиотактикалық полимерлерде стереогенді орталықтардың конфигурациясы кезектесіп ауысады. Алкил тобының (R) орнындағы орналасуында ешқандай ретсіздік болған полимер атактикалық деп аталады. Изотактикалық және синдиотактикалық полипропилендер кристалданады, ал атактикалық полипропилен, оны арнайы Циглер-Натта катализаторларымен де дайындауға болады, аморфты болады. Полимердің стереорегулярлылығы оны дайындау үшін қолданылған катализатормен анықталады.
Металлоценді катализаторлар
Бұл катализаторлар металлоцендер және әдетте MAO, −[O−Al(CH3)]n− болатын кокатализатордан тұрады. Идеалды металлоцен катализаторларының құрамы Cp2MCl2 (M = Ti, Zr, Hf), мысалы, титаноцен дихлориді. Әдетте, органикалық лигандтар циклопентадиенил туындылары болып табылады. Кейбір кешендерде екі циклопентадиен (Cp) сақинасы −CH2−CH2− немесе >SiPh2 сияқты көпірлермен байланысқан. Циклопентадиенил лигандтарының түріне қарай, мысалы, анса көпірін қолдану арқылы, металлоцен катализаторлары пропилен мен басқа 1-алкендердің изотактикалық немесе синдиотактикалық полимерлерін жасауға мүмкіндік береді.
Металлоцен емес катализаторлар
Зейглер-Натта үшінші кластағы катализаторлары, металлоцен емес катализаторлары, скандийден бастап лантаноид және актиноид металдарына дейінгі әртүрлі металдардың кешендерін, сондай-ақ оттегі (O2), азот (N2), фосфор (P) және күкірт (S) қамтитын кең ауқымды лигандтарды пайдаланады. Бұл кешендер MAO арқылы белсендіріледі, металлоцен катализаторларындағыдай. Зейглер-Натта катализаторларының көпшілігі және барлық алкилалюминий кокатализаторлары ауада тұрақсыз, ал алкилалюминий қосылыстары өздігінен тұтанатын. Сондықтан катализаторлар әрқашан инерт атмосферада дайындалады және қолданылады.
Зиглер-Натта полимерлендіру механизмі
Зиглер-Натта катализаторларындағы белсенді орталықтардың құрылымы жақсы орнатылған тек металлоцен катализаторлары үшін ғана. Идеалданған және қарапайым металлоцен кешені Cp2ZrCl2 – типтік прекатализатор болып табылады. Ол алкендермен реакцияға түспейді. Дигалоид МАО-мен әрекеттеседі және Cp2CH3 металлоцений ионына айналады, ол МАО-ның кейбір туындыларымен иондық жұп түзеді. Полимер молекуласы иондағы Zr–C байланысына 1 алкен молекуласының C=C байланыстарының көптеген қосылу реакциялары арқылы өседі: әрбір белсенді орталықта мыңдаған алкен қосылу реакциялары жүзеге асады, нәтижесінде орталыққа бекітілген ұзын полимер тізбектері пайда болады. Косси-Арлман механизмі стереоспецификалық полимерлердің өсуін сипаттайды. Бұл механизмде полимер титан атомындағы бос орынға алкеннің координациялануы арқылы өседі, одан кейін C=C байланысы белсенді орталықтағы Ti–C байланысына қосылады.
Many thousands of alkene insertion reactions occur at each active center resulting in the formation of long polymer chains attached to the center. The Cossee–Arlman mechanism describes the growth of stereospecific polymers. This mechanism states that the polymer grows through alkene coordination at a vacant site at the titanium atom, which is followed by insertion of the C=C bond into the Ti−C bond at the active center.