Ziegler-Natta丙烯聚合催化剂内给电子体构象分析及其作用机理的分子模拟研究

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聚丙烯是使用最广泛的热塑性塑料之一,Ziegler-Natta催化剂作为重要的丙烯聚合工业催化剂,得到了广泛的研究和应用。其中,给电子体能够有效提高催化剂的立体选择性,改善聚丙烯产品的结构性能。关于给电子体的研发及作用机理的探索一直是Ziegler-Natta催化剂研究的热点,但由于给电子体结构通常比较复杂,构象多样,相关研究难度较大。  本论文在课题组前期研究MgCl2(110)缺陷结构模型的基础上,分别研究了三种最具代表性的内给电子体作用机理,包括邻苯二甲酸二正丁酯(DNBP)、丁二酸二甲酯(SAD)和9,9-双(甲氧基甲基)芴(BMMF)。采用TINKER软件MMFF力场构象搜索和DFT结构优化相结合方法,对给电子体构象进行快速搜索,筛选出其优势构象。考察了三种内给电子体的不同优势构象对其在MgCl2完整晶面和单氯原子缺陷(Da)、MgCl2分子缺陷(Db)和双氯原子缺陷(Dc)晶面上吸附行为的影响,进而研究了这三种给电子体对丙烯聚合活性中心区域选择性和立构选择性的影响。研究结果表明:  (1)TINKER构象搜索和DFT结构优化相结合的方法明显降低了给电子体初始稳定结构搭建模型的盲目性和随机性。其中,DNBP共得到1023种不同构象,存在s-顺、顺式和s-顺、反式两种优势构象;SAD共得到16种不同构象,其中s-反、反式构象稳定性明显高于s-顺、反式和s-顺、顺式构象;BMMF共得到9种不同构象,其中C2对称构象为最稳定构象。  (2)给电子体构象会影响其在MgCl2表面吸附方式和稳定性。s-顺、反式DNBP构象存在桥连、螯合和单齿多种吸附方式,而其s-顺、顺式构象仅存在桥连吸附。SAD-1、SAD-3和SAD-4三种不同s-反、反式构象与MgCl2作用各不相同:SAD-1仅存在螯合吸附,SAD-4仅存在桥连吸附,而SAD-3存在三种吸附方式。BMMF的Cs和C2构象均能形成稳定的螯合吸附,Cs构象吸附稳定性高于C2,约3.2 kcal/mol。值得注意的是,仅有DNBP的能量最低构象与MgCl2相互作用最稳定,而SAD或BMMF与MgCl2相互作用最稳定体系并不是由其能量最低构象而来。  (3)缺陷模型对三类给电子体的吸附稳定性影响不同。Da缺陷对三类内给电子体的吸附稳定性均有显著提高,而Db缺陷对其影响均较小,Dc缺陷对DNBP和SAD的稳定性均有促进作用,但是不利于BMMF在其上进行吸附。总体上,Dc模型提高了TiCl4与三类给电子体的竞争吸附优势,成为可能的反应活性中心位点。  (4)给电子体的吸附方式对活性中心的立体选择性影响不同:DNBP和SAD均能以桥连方式吸附在活性中心的邻位,显著改善催化剂的立构选择性和区域选择性,但两者以螯合方式吸附在活性中心附近对其基本没有影响;BMMF虽不能以桥连方式吸附在活性中心的邻位,但其以螯合方式吸附在活性中心附近能较好地提高活性中心的立构选择性。
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