孟雪姣, 張 樂, 陳延輝, 姜 濤
(天津科技大學 化工與材料學院, 天津 300457)
雙膦鎳絡合物/EADC催化乙烯齊聚與Friedel-Crafts烷基化的串聯反應
孟雪姣, 張 樂, 陳延輝, 姜 濤
(天津科技大學 化工與材料學院, 天津 300457)
合成并表征了二苯基膦甲基-二苯基膦基-二甲基硅烷絡合物(C1);考察了反應溫度、nAl/nNi及溶劑的種類等對C1/EtAlCl2催化乙烯齊聚行為的影響。結果表明,以二氯乙基鋁(EADC)為助催化劑、甲基環己烷為溶劑時,C1/EADC催化乙烯齊聚的活性可達4.32×106g/(molNi·h),產物為C4和C6餾分,其中C4餾分中1-丁烯的選擇性大于94%;以甲苯為溶劑時,C1/EADC催化乙烯齊聚得到的短鏈烯烴與甲苯發生原位Friedel-Crafts烷基化反應,產物為多取代烷基甲苯;EADC在該催化體系中起到了雙功能的作用,一是齊聚反應的助催化劑,二是烷基化反應的催化劑。
鎳絡合物; EADC; 乙烯齊聚; Friedel-Crafts烷基化; 烷基苯
烷基苯是生產洗滌劑和驅油劑的重要原料,可通過苯類化合物與線性α-烯烴(LAO)在酸性催化劑作用下發生Friedel-Craft烷基化反應制得。乙烯齊聚是制備LAO的重要反應,所用的催化劑包括金屬鋁系、鈦系、鎳系、鋯系、鐵系、鉻系等,其中鎳系催化劑在Shell公司的SHOP工藝中首次得到應用。1995年Brookhart小組發現2-亞胺鎳配合物的催化活性,這一開創性的研究使鎳基烯烴聚合催化劑的開發受到重新關注[1-3]。同時鎳系催化劑因具備價廉易得、催化活性高、低碳α-烯烴線性選擇性高和反應條件溫和等優點,成為學術界的研究熱點。近年來對乙烯齊聚鎳配合物催化劑的研究工作集中在催化劑的結構調控上,主要圍繞改變配體的種類和配體取代基展開。根據配位體的不同,鎳系催化劑可分為 P∧O 配位型、N∧N 配位型、N∧O 配位型、N∧P 配位型和 P∧P 配位型等[4-13]。Song等[14]研究報道了PNP型的鎳(II)配合物在助催化劑EtAlCl2(EADC)或MAO的作用下可以催化乙烯齊聚反應的發生,生成物主要為丁烯(96%)和少量的己烯低聚物。文獻[14-16]采用鎳系催化劑和EtAlCl2可以實現乙烯齊聚與烷基化的串聯反應,一步合成烷基苯化合物,為齊聚催化方面的研究提供了新思路。但該方向的研究鮮有報道。
在本研究中,通過改變中心原子的種類以及配體骨架的長度對PNP型配體進行改造,合成并表征了新型的雙膦鎳絡合物C1,研究了配體結構對乙烯齊聚行為的影響,考察了助催化劑種類、nAl/nNi、溶劑種類以及溫度等因素對乙烯齊聚與Friedel-Craft烷基化串聯反應的影響。
1.1 試劑與儀器
二苯基氯化磷(質量分數98%)、二苯基膦(質量分數98%)、(氯甲基)二甲基氯硅烷(質量分數99%)、三乙基鋁、甲基鋁氧烷(MAO,1.4 mol/L甲苯溶液)、正丁基鋰(2.4 mol/L己烷溶液)、一氯二乙基鋁(DEAC,1.0 mol/L甲苯溶液)、二氯乙基鋁(EADC,0.9 mol/L正庚烷溶液)、三異丁基鋁(TIBA,1.4 mol/L甲苯溶液)、二甲醚二溴化鎳(Ⅱ)((DME)NiBr2,質量分數98%)、1-己烯(質量分數>99%)、氫化鉀(質量分數99%),以上試劑均為美國Aldrich試劑公司產品;苯(分析純,質量分數≥99%)、甲苯(分析純,質量分數≥99%)、甲基環己烷(分析純,質量分數99%)、正己烷(分析純,質量分數≥99%),以上試劑均為天津市江天化工技術有限公司產品,使用前經分子篩干燥、金屬鈉回流等脫水處理;乙烯(聚合級,質量分數99.9%)、高純氮氣,天津市賽美特特種氣體公司產品。
vario EL Ⅲ型元素分析儀,德國Elementar公司產品;Voyager-DE STR型MALDI-TOF,美國AB SCIEX公司產品;DMX400型核磁共振儀(NMR),美國Bruke公司產品;Agilent GC 7890A 氣相色譜儀,美國安捷倫科技有限公司產品。
1.2 鎳絡合物的合成
1.2.1 雙(二苯基膦基)甲基二甲基硅烷(L1)的合成
在-80℃下,將正丁基鋰 (41.6 mL,99.84 mmol,2.4 mol/L的己烷溶液)逐滴加入到二苯基膦(18.62 g,0.1 moL)的四氫呋喃溶液中,保持該溫度持續攪拌1 h,隨后將反應溶液溫度緩慢升至室溫繼續攪拌1 h,減壓抽去溶劑,用正己烷洗滌所得固體,過濾、干燥得到鋰鹽。在-30℃下,向鋰鹽(2.40 g,12.5 mmoL)的正己烷溶液中緩慢滴加(氯甲基)-二甲基氯硅烷(0.86 g,6.0 mmol),持續攪拌3 h,隨后使反應溶液溫度緩慢升至室溫,減壓抽去溶劑,將所得固體用正己烷洗滌、過濾,重結晶得到黃色晶體狀的目標產物——雙(二苯基膦基)甲基二甲基硅烷(L1),收率45%。
1.2.2 L1/NiBr2(C1)的合成
雙膦鎳絡合物的合成采用的路線如圖1所示。在室溫下,將(DME)NiBr2(0.154 g, 0.5 mmoL)的二氯甲烷溶液逐滴加入到L1(0.220 g, 0.5 mmoL)的二氯甲烷溶液中,完成滴加后攪拌24 h。減壓抽去溶劑,得到棕色固體,用正己烷洗滌、過濾,將棕色固體溶于正己烷/四氫呋喃混合溶劑,在-35℃下重結晶得到目標產物——L1/NiBr2(C1),收率為79%。
1.2.3 雙(二苯基膦基)甲基二甲基硅烷(L1)的表征
1H NMR (400 MHz, C6D6)δ7.53 (td, J=7.8, 1.4 Hz, 4H), 7.41~7.29 (m, 4H), 7.10~6.90 (m, 12H), 1.55 (d, J=2.3 Hz, 2H), 0.11 (d, J=4.6 Hz, 6H)。
31P NMR (162 MHz, C6D6)δ-22.97 (d, J=17.6 Hz), -55.86 (d, J=17.5 Hz)。
13C NMR (101 MHz, C6D6)δ143.18 (d, J=16.1 Hz), 138.05 (d, J=16.9 Hz), 136.19 (d, J=17.3 Hz), 134.73 (d, J=19.8 Hz), 130.48 (dd, J=17.3, 6.7 Hz), 15.49 (dd, J=33.5, 11.7 Hz), 0.14 (dd, J=11.8, 4.8 Hz)。
L1:Anal. Calc for C27H28P2Si: C, 73.21; H, 6.33. Found: C, 73.28; H, 6.38. EI-MS:m/z=422.1。
1.2.4 L1/NiBr2(C1)的表征
C1:Anal. Calc for C27H28Br2NiP2Si: C, 49.01; H, 4.24. Found: C, 49.06; H, 4.27。MALDI-TOF-MS:m/z=[M+Na-81Br]+=603.3。
1.3 乙烯高壓齊聚反應
所有的乙烯高壓齊聚反應均在140 mL的Grest實驗室壓力反應釜中進行。反應前將反應釜置于105℃的烘箱中干燥2 h,趁熱進行3次抽真空、通高純N2的重復操作,除去反應釜中的氧氣和殘余的水分,然后用乙烯置換3次。依次將定量的溶劑、助催化劑加入到已預熱的高壓釜中,攪拌后迅速加入主催化劑,通入乙烯,使釜內壓力增加至預定值并保持恒定。乙烯齊聚進行30 min后停止反應,反應結束后用凍乙醇淬滅反應,釋放釜壓至常壓。濾液取樣后用氣質聯用儀(GC-MS)和氣相色譜進行定性和定量分析。
2.1 甲基環己烷體系中C1/EADC催化乙烯齊聚
以甲基環己烷為溶劑,C1/EADC可以催化乙烯發生齊聚反應,產物為丁烯和己烯。考察反應溫度、nAl/nNi、助催化劑種類對催化體系催化乙烯齊聚性能的影響如表1所示。其中甲基環己烷/C1/EADC體系催化下C4餾分中1-C4的選擇性為94.80%~97.80%,催化活性可達4.32×106g/(molNi·h)。用MAO、DEAC代替EADC作為助催化劑,乙烯齊聚表現為催化活性低、線性α-烯烴的選擇性低。

表1 甲基環己烷/C1/EADC體系中反應溫度、nAl/nNi和助催化劑種類對乙烯齊聚催化性能的影響Table 1 Effect of reaction temperature,nAl/nNi and cocatalyst on the catalytic property of C1/EADC for ethylene oligomerization in methylcyclohexane
Reaction conditions: Pressure of 1.0 MPa; Time of 30 min;n[Cat]=4.8 μmoL
2.2 甲苯體系中C1/EADC催化乙烯齊聚和Friedel-Crafts烷基化反應
2.2.1 助催化劑及溶劑種類對乙烯齊聚/Friedel-Crafts烷基化串聯反應的影響
助催化劑的種類對催化劑活性和選擇性的影響見表2。用EADC做助催化劑與MAO、DEAC做助催化劑相比反應活性明顯升高,原因可能是成對的氯原子具有兩個路易斯酸配位基可供其與金屬中心配位,從而對催化劑的催化性能造成影響[17]。TIBA做助催化劑與MAO做助催化劑相比活性大幅降低,這可能是由于不同的烷基取代基形成的不同的金屬鍵對金屬活性中心影響的結果,其次助催化劑的空間結構也可能造成這一結果,不同烷基對烷基鋁的空間位阻的影響明顯不同。用TIBA做助催化劑時,C4餾分的選擇性最高,為96.46%。用MAO、DEAC、TIBA做助催化劑時均未出現Friedel-Crafts烷基化反應,僅EADC做助催化劑時出現Friedel-Crafts烷基化反應。文獻[14,18-21]指出,強路易斯酸可以催化芳香族化合物與烯烴生成Friedel-Crafts烷基化產物,例如路易斯酸AlCl3在沒有金屬化合物的參與下可以催化甲苯與乙烯發生Friedel-Crafts烷基化反應,但是EADC在沒有金屬化合物的參與下卻不可以發生此反應。這說明EADC能夠活化金屬中心形成乙烯齊聚反應和Friedel-Crafts烷基化反應的活性物種,宋磊等[22]指出這種活性物種在生成短鏈的低聚物以后會在高溫下快速分解,并且轉化為新的能夠催化甲苯發生Friedel-Crafts烷基化反應的路易斯酸。這種路易斯酸的催化原理是,先是酸的質子化作用形成碳正離子聚合物種,然后經過重新排列形成一種更加穩定的化合物,這種親電子的物種和甲苯反應生成烷基化的產物,如圖2所示。

表2 助催化劑種類對催化劑催化活性和產物分布的影響Table 2 Effect of cocatalyst on catalytic activity and product selectivity
Reaction conditions: Pressure of 1.0 MPa; Time of 30 min; Solvent toluene; Temperature of 45℃;n[Cat]=4.8 μmol;nAl/nNi=700
1)Friedel-Crafts alkylation products

圖2 EADC在乙烯齊聚與Friedel-Crafts烷基化串聯反應中的作用Fig.2 The role of EADC in the tandem reaction of ethylene oligomerization and Friedel-Crafts alkylationA,B,C,D,E,F: Friedel-Crafts alkylation products
溶劑對C1/EADC催化體系的性能有著重要的影響,結果如表3所示。以甲苯為溶劑,EADC為助催化劑時,發生了Friedel-Crafts烷基化反應,產物中有烷基苯化合物存在。所得產物為丁烯、己烯和6種烷基化甲苯:1-丁基甲苯(B)、雙-丁基甲苯(D)和三-丁基甲苯(F)是主要的產品,乙基甲苯(A)、己基甲苯(C)、丁基-己基甲苯(E)的含量較少。以苯做溶劑,EADC做助催化劑,Friedel-Crafts烷基化反應的產物與甲苯作溶劑相比較少,這可能是因為甲基取代基的給電子能力較強,能更好地穩定活性陽離子金屬或促進其活化,這種影響可能會使活性位的數目增多或者改變催化劑的空間結構使金屬中心更易參與反應,從而提高整體的活性,有利于烷基化[17]。
通過氣相色譜分析可知烷基化甲苯存在異構體,例如化合物B有3種異構體,分別是鄰、對位被直鏈丁基或非直鏈丁基所取代[23]。根據結構推測D、E是B、C進一步與α-烯烴烷基化反應所得,由于是在二取代芳香烴的基礎上進行Friedel-Crafts烷基化反應,取代基的位阻效應較大,此時烷基化反應比甲苯與烯烴的反應更難發生,因此D、E的含量減少。F則是由D進一步發生烷基化反應的產物,是經3次烷基化的芳香烴產物,由于反應困難,含量較D更低[24]。乙基甲苯(A)的含量較少,說明只有極少量的乙烯與甲苯發生烷基化反應,乙烯與甲苯的烷基化反應困難。筆者做了1組空白實驗,即在相同的條件下,不加入鎳絡合物,僅加入EADC和甲苯與乙烯反應,結果除了極少量的烷基化產物(A)生成以外無其他產物生成,兩組實驗的結果一致。同時這一結果還證明沒有雙膦鎳絡合物參與反應,乙烯齊聚反應與Friedel-Crafts烷基化反應都不會發生。只有在催化體系下通過乙烯齊聚反應先生成α-烯烴,Friedel-Crafts烷基化反應才會發生,因此乙烯齊聚與Friedel-Crafts烷基化反應是串聯反應。圖3為C1/EADC催化乙烯齊聚與 Friedel-Crafts 烷基化反應的串聯反應過程。催化體系先進行乙烯齊聚反應,即乙烯在C1/EADC/甲苯作用下經鏈增長和β-H鏈轉移,得到C4、C6等短鏈烯烴,這些短鏈烯烴進而作為反應物與甲苯溶劑發生烷基化反應,得到多取代芳香烴。
在沒有鎳絡合物的參與下,乙烯與甲苯的烷基化反應困難,因此Friedel-Crafts烷基化反應是在丁烯以及鏈長更長的烯烴的參與下發生的。相同條件下,甲苯、1-己烯和EADC進行反應,結果是EADC催化1-己烯與甲苯發生Friedel-Crafts烷基化反應,轉化為烷基化產物,氣質聯用儀(GC-MS)分析結果表明:所得產物為C13(1-己基甲苯)、C19(雙-己基甲苯)和C25(三-己基甲苯),其中大多數的產物為單取代產物C13(1-己基甲苯)。用丙烯和1-丁烯代替1-己烯進行上述反應,也得到了相應的多取代芳香烴,分別是丙基-甲苯,丁基-甲苯。EADC在該催化體系中起到了雙功能的作用,一是齊聚反應的助催化劑,二是烷基化反應的助催化劑。這與Dyer等、Gao等和Omondi等報道的結果一致。

表3 溶劑種類對C1/EADC催化乙烯齊聚與Friedel-Crafts烷基化反應的影響Table 3 Effect of solvent on ethylene oligomerization and Friedel-Crafts alkylation reactions
Reaction conditions: Pressure of 1.0 MPa; Time of 30 min; Temperature of 45℃;n[Cat]=4.8 μmol; Cocatalyst of EtAlCl2;nAl/nNi=300

圖3 C1/EADC催化乙烯齊聚與Friedel-Crafts烷基化串聯反應的過程Fig.3 Tandem action of ethylene oligomerization and Friedel-Crafts alkylation
2.2.2nAl/nNi對C1/EADC催化乙烯齊聚/Friedel-Crafts烷基化串聯反應的影響
不同的nAl/nNi對C1/EADC催化劑的活性和產物的分布有明顯影響,其結果如表4所示。由表4可以看出,隨著nAl/nNi的增加,催化劑的活性呈現先增加后降低的趨勢。當nAl/nNi從100增加到700時,催化劑活性從2.17×106g/(molNi·h)提高到9.22×106g/(molNi·h),此時催化劑活性達到最大值。原因可能是EADC用量較少時,大部分EADC先用于消除體系中殘留的氧和水,無法使金屬配合物烷基化形成活性位,所以催化活性隨nAl/nNi的增加而提高,當nAl/nNi繼續增加,過多的EADC會導致金屬活性中心過度還原,導致催化劑活性降低[25]。當nAl/nNi為100時,1-丁烯的選擇性為88.65%,隨著nAl/nNi的增加,1-丁烯的選擇性出現明顯的下降現象,說明此時乙烯齊聚生成的線性α-烯烴很大程度上與甲苯溶劑反應轉化為烷基化產物。當nAl/nNi為700時,烷基化的程度相對較高,繼續增加nAl/nNi,烷基化的程度并沒有繼續增加,反而有所下降,乙烯齊聚的活性也隨之降低,原因可能與EADC濃度過高時產生的鈍化作用有關,EADC濃度過高時雜質含量增加,從而導致這種鈍化作用的產生,影響催化劑的活性以及α-烯烴的選擇性。由于該雙膦鎳絡合物/EADC體系下的乙烯齊聚與Friedel-Crafts烷基化的串聯反應產物較多,較復雜,所以尋求一種催化劑可減少或消除Friedel-Crafts烷基化反應,從而促進乙烯齊聚的反應,或能夠提高Friedel-Crafts烷基化反應僅對一種產物的選擇性是今后研究的方向[26]。

表4 nAl/nNi對乙烯齊聚與Friedel-Crafts烷基化反應的影響Table 4 Effect of nAl/nNi on ethylene oligomerization and Friedel-Crafts alkylation reactions
Reaction conditions: Pressure of 1.0 MPa; Time of 30 min; Temperature of 45℃;n[Cat]=4.8 μmol; Cocatalyst of EtAlCl2
2.2.3 反應溫度對C1/EADC催化乙烯齊聚/Friedel-Crafts烷基化串聯反應的影響
乙烯齊聚反應和Friedel-Crafts烷基化反應屬于放熱反應,改變溫度會影響催化劑的活性和烷基化產物的選擇性。反應溫度對C1/EADC催化體系活性及產物選擇性的影響見表5。由表5可以看出,隨著反應溫度的升高,C1/EADC催化劑活性和對C4餾分的選擇性均呈先上升后下降的趨勢。當溫度從15℃升高至45℃,C1/EADC催化劑活性從3.02×106g/(molNi·h) 提高到9.22×106g/(molNi·h),C4餾分的選擇性從3.90%提高到46.12%,C6餾分的選擇性從1.90%提高到11.61%,可能是由于隨著反應溫度的升高,分子的平均動能增加,齊聚反應的鏈增長速率和鏈轉移速率都有加快的趨勢,有利于鏈引發、鏈增長反應的進行,從而使活性增加,丁烯和己烯的選擇性提高。
甲苯與直鏈烯烴烷基化屬于正碳離子反應機理,首先是直鏈烯烴與酸的質子化作用形成碳正離子聚合物種,然后經過重新排列形成另外一種更加穩定的化合物,這種親電子的物種和甲苯反應生成烷基化的產物[19],此過程中生成的直鏈烯烴會異構化生成非直鏈烯烴,溫度較低時可以有效抑制直鏈烯烴異構化副反應的進行,所以在15℃和30℃時,產物中B、D、F的含量較45℃和60℃時的高,原因可能是溫度較低時,異構化程度較弱,大部分直鏈烯烴直接與甲苯溶劑發生Friedel-Crafts烷基化反應;溫度較高時,1位的碳正離子不穩定,直鏈烯烴會首先異構化為非直鏈烯烴,然后分別進行烷基化反應,因此烷基化程度會降低[15]。此外溫度過高還會導致活性物種的鈍化、分解以及鏈增長的終止,生成的大分子質量的烯烴以及烷基化產物溶解在溶劑中也會影響乙烯向催化劑活性中心的插入反應,從而導致催化劑活性下降[27]。同時,烷基化反應的速率快于乙烯齊聚的速率,使得產物中丁烯的選擇性下降,烷基化產物的選擇性增加。
合成并表征了雙膦鎳絡合物(C1)并將其用于催化乙烯齊聚的反應。
(1)以EADC為助催化劑,分別在甲基環己烷和甲苯溶劑中進行對比研究,結果顯示甲基環己烷為溶劑時,該絡合物僅發生乙烯齊聚反應,產物為丁烯和己烯,產物C4餾分中1-丁烯的選擇性均在94%以上,說明雙膦鎳絡合物/EADC是高效的乙烯二聚催化體系。
(2)以甲苯為溶劑時,C1能夠很好地發生乙烯齊聚反應和Friedel-Crafts烷基化的串聯反應,生成丁烯、己烯和6種烷基化產物。對比實驗結果說明,該雙膦鎳絡合物僅在甲苯溶劑中發生Friedel-Crafts烷基化反應。

表5 反應溫度對C1/EADC催化乙烯齊聚與Friedel-Crafts烷基化反應的影響Table 5 Effect of temperature on ethylene oligomerization and Friedel-Crafts alkylation reactions
Reaction conditions: Pressure of 1.0 MPa; Time of 30 min;n[Cat]=4.8 μmol; Cocatalyst of EtAlCl2;nAl/nNi=700
(3)相同條件下,將甲苯/EADC分別與乙烯、丙烯、丁烯和己烯進行對比實驗,結果表明EADC具有雙功能作用,一是齊聚反應的助催化劑,二是烷基化反應的催化劑。EADC能夠活化金屬中心形成乙烯齊聚反應和Friedel-Crafts烷基化反應的活性物種,這種活性物種在生成短鏈的低聚物以后會在高溫下快速分解,并且轉化為新的能夠催化甲苯發生Friedel-Crafts烷基化反應的路易斯酸。
(4)該乙烯齊聚與Friedel-Crafts烷基化串聯反應并不是彼此孤立的反應系統,而是相互聯系的有機體。然而烷基化反應產物中,沒有顯示出明顯的選擇性,勢必會影響該催化劑的有效應用,因此尋求一種催化劑能夠提高Friedel-Crafts烷基化反應僅對一種產物的選擇性是今后研究的方向。此外研究結果還為齊聚催化方面的研究提供了新思路,并為進一步調控相關因素來增強或消除串聯反應提供了方向。
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Ethylene Oligomerization and Friedel-Crafts Alkylation Tandem ActionCatalyzed by Diphosphine Nickel Complex/EADC
MENG Xuejiao, ZHANG Le, CHEN Yanhui, JIANG Tao
(CollegeofChemicalEngineeringandMaterialScience,TianjinUniversityofScience&Technology,Tianjin300457,China)
In this work, bis(diphenyl phosphine) methyl dimethyl silane(L1) and its nickel(II) halide complexes L1/NiBr2(C1), were synthesized and characterized. The influence of reaction temperature,nAl/nNiand various solvents on ethylene oligomerization were studied.Among these catalytic systems,C1/methyl cyclohexane/EtAlCl2(EADC) was proved to be highly active with the activity up to 4.32×106g/(molNi·h), while the product consisted of mainlyα-olefins(C4,C6) without polymers.The selectivity of 1-butylene in C4fractions was more than 94%. It was also found that oligomerization of ethylene gave C4and C6alkenes, followed by subsequent situ Friedel-Crafts alkylation of the toluene solvent to alkylated toluene products using C1 catalyst, in which the obtainedα-olefins were then converted into the corresponding Friedel-Crafts alkylated-toluene products. EADC in the catalytic systems played an important role to serve double functions, one is the cocatalyst of oligomerization, and the other is the catalyst for alkylation reaction.
nickel complexes; EADC; ethylene oligomerization; Friedel-Crafts alkylated reaction; alkylbenzene
2016-07-18
天津市應用基礎與前沿技術研究計劃重點資助項目(16JCZDJC31600)和天津市應用基礎與前沿技術研究計劃一般項目(14JCYBJC20800)基金資助
孟雪姣,女,碩士研究生,從事烯烴齊聚催化劑方面的研究
姜濤,男,教授,博士,從事烯烴齊聚催化劑方面的研究;Tel:022-60602936;E-mail:jiangtao@tust.edu.cn
1001-8719(2017)03-0431-08
0632.12
A
10.3969/j.issn.1001-8719.2017.03.006