桥联多酚稀土配合物的合成、表征与催化聚合性能研究

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本文选用氮杂环桥联双酚配体和碳桥联三酚配体,合成了18个结构新颖的酚类稀土配合物,用X-射线单晶衍射、核磁共振谱以及元素分析等表征了配合物的结构。这些配合物可用于催化L-丙交酯、正己基异氰酸酯以及异戊二烯等单体聚合,研究了氮杂环卡宾双酚稀土配合物单组份引发L-丙交酯和正己基异氰酸酯聚合的机理。  通过胺基稀土Ln[N(SiMe3)2]3(THF)2或含有锂离子的胺基稀土Ln[N(SiMe3)2]3(μ-Cl)Li(THF)3与咪唑啉桥联双酚配体1,3-bis(methylene-4,6-di-tert-butyl-2-hydroxyphenyl) imidazolinium chloride(H2L1)反应,合成了咪唑啉桥联的双酚稀土配合物L13Ln2Cl3[Ln=Sm(1),Dy(2),Er(3),Y(4)]。胺基稀土与四氢嘧啶桥联双酚配体1,3-bis(methylene-4,6-di-tert-butyl-2-hydroxyphenyl)tetrahydropyrimidinium chloride(H2L2)反应,合成了四氢嘧啶桥联的双酚稀土配合物L23Ln2Cl3[Ln=Sm(5),Y(6)]。对所有配合物进行了元素分析表征,测定了配合物1-3和5的单晶结构,并对配合物4、5进行了核磁共振氢谱、碳谱分析,发现这些配合物在固体和溶液状态下均具有双核结构。配合物1在烷基铝和硼盐共同作用下对异戊二烯的均聚合具有较低的催化活性。  配体H2L1与胺基钾KN(SiMe3)2及胺基稀土按照2∶6∶1的摩尔比反应,得到含有碱金属离子的氮杂环卡宾(NHC)双酚稀土配合物L12LnM(THF)[M=Li,Ln=Nd(7); M=K,Ln=Nd(8),Sm(9),La(10),Y(11)]。参与反应的胺基稀土为Nd[N(SiMe3)2]3(μ-Cl)Li(THF)3或Ln[N(SiMe3)2]3(THF)2时分别得到含有锂离子的配合物7,或含有钾离子的配合物8-11。不含双酚的咪唑啉氮杂环卡宾前体1,3-bis(2,4,6-trimethyl phenyl)imidazolinium bromide(L3)与胺基钾KN(SiMe3)2及胺基稀土Ln[N(SiMe3)2]3(THF)2反应得到NHC配体解离的胺基稀土配合物L3(nBuO)Ln[N(SiMe3)2]2[Ln=Nd(12),Y(13)]。所有配合物都经元素分析表征,配合物7、8、10、12结构经X-射线单晶衍射表征,配合物10、11、13经核磁共振氢谱、碳谱表征。咪唑啉NHC稀土配合物可单组份高效率地引发L-丙交酯开环聚合,其中配合物8的催化活性最高,稀土离子半径、溶剂种类、碱金属对聚合反应有较大影响。通过聚合反应动力学、Maldi-ToF以及原位核磁的方法进一步研究了L-丙交酯开环聚合的机理,探讨了稀土配合物在L-丙交酯开环聚合引发过程的中作用。  配体H2L2与胺基钾KN(SiMe3)2及胺基稀土Ln[N(SiMe3)2]3(THF)2按照2∶6∶1的摩尔比反应,得到含有钾离子的四氢嘧啶氮杂环卡宾双酚稀土配合物L2,2LnK(THF)[Ln=Nd(14),Y(15)],配合物都经元素分析表征,测定了配合物14的单晶结构,并对配合物15进行核磁共振氢谱、碳谱表征。四氢嘧啶氮杂环卡宾双酚稀土配合物14、15和咪唑啉氮杂环卡宾双酚稀土配合物8、9、11都可以单组份催化正己基异氰酸酯聚合,其中配合物14的催化活性最高,聚合产率可达到64%。聚合存在上线温度,但在0℃下仍可快速引发聚合。用原位核磁的方法研究了配合物15在催化己基异氰酸酯聚合反应中的引发过程。  碳桥联三酚稀土配体tris(3,5-di-tert-butyl-2-hydroxyphenyl)methane(H3L4)与过量金属钠反应后,再与氯化稀土LnCl3按1∶1的摩尔比进行盐交换反应,得到碳桥联三酚稀土配合物L42Ln2(THF)n[Ln=Nd(16) n=4,Gd(17) n=3,Lu(18)n=2]。配合物16-18结构经X-射线单晶衍射、元素分析表征,并对配合物18进行核磁共振氢谱、碳谱表征。晶体结构和核磁数据中发现,配合物结构中可能存在M…H-C元结作用(agostic interaction),通过对配合物18的晶体结构进行DFT理论计算,证实结构中存在非常微弱的元结作用。配合物16-18在助催化剂[Ph3C]+[B(C6F5)4]-和烷基铝的共同作用下可以引发异戊二烯聚合,研究了硼盐的加入量、烷基铝种类、聚合温度以及配合物对聚合反应的影响,结果表明配合物16的催化活性最高,得到的聚合物具有较高分子量和窄分子量分布,聚合物微观结构以顺式-1,4结构为主,最高可达到92.6%。
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