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本文以设计新型官能化N-杂环卡宾螯合配体及其稀土双烷基配合物为研究出发点，合成了两类官能化N-杂环卡宾螯合配体：(1)茂基官能化N-杂环卡宾限制几何构型配体，茂基包括茚基、芴基和2,7-二叔丁基芴基；(2)烷氧基官能化N杂环卡宾配体。将两类配体合成了相应的稀土双烷基配合物。详细地研究了茂官能化N-杂环卡宾稀土双烷基配合物的聚合性质：异戊二烯均聚、乙烯和降冰片烯共聚、乙烯和1-己烯共聚以及乙烯和1-辛烯共聚。
1．提出了由N-杂环卡宾前体合成相应的稀土双烷基配合物的两种方法：(1)N-杂环卡宾前体与稀土四烷基配合物直接反应，配体前体与稀土四烷基配合物上的两个烷基分别发生复分解和烷烃消除反应，进而直接形成稀土双烷基配合物：(2)N-杂环卡宾前体先与碱试剂通过复分解反应生成中性N-杂环卡宾配体，再与稀土三烷基配合物经烷烃消除反应形成稀土双烷基配合物。茚基、芴基官能化N杂环卡宾稀土双烷基配合物具有正四面体的空间构型，茚基和芴基中五元茂环的中心位于四面体的顶点，配体通过η5/κ1方式与稀土中心配位，配合物分子中不含有配位的溶剂分子。烷氧官能化N-杂环卡宾稀土双烷基配合物通过氧原子的桥联作用形成双核四烷基配合物。将烷氧官能化N-杂环卡宾配体中氮杂环的类型从咪唑变为苯并咪唑，则相应配合物中卡宾碳原子与稀土中心离子的键长变长(从2.55变到2.56(A))，但影响不大。
2．对于茂基官能化N-杂环卡宾稀土双烷基配合物，配体中茂基的类型有茚基(Ind)、芴基(F1u)和2,7-二叔丁基芴基(FlutBu)，中心金属的类型包括钪(Sc)、钇(Y)、钬(Ho)和镥(Lu)，将这类配合物简记为(中心金属-配体)符号。这类稀土双烷基配合物与有机硼盐([Ph3C][B(C6F5)4])和烷基铝反应形成的三组分催化体系对异戊二烯聚合具有高的活性。通过改变稀土双烷基配合物中配体的类型以及中心金属的种类，考察了催化体系对异戊二烯聚合的活性以及区域选择性的影响。两个钪配合物(Sc-Ind,Sc-Flu)组成的三组分催化体系都没有聚合活性。对于茚基官能化N-杂环卡宾配合物来说，对异戊二烯聚合的3,4-区域选择性分别是76.1％(Ho-Ind)、89.4%(Y-Ind)和91.0%(Lu-Ind)。当配体变成芴基官能化N-杂环卡宾时，对异戊二烯的3,4-区域选择性提高，分别是98.3%(Ho-Flu)、98.2%(Y-Flu)和99.0%(Lu-Flu,Lu-FlutBu)。配体的空间位阻越大、中心金属离子的半径越小，则相应的3,4-区域选择性越高。配体从茚基到芴基的改变，催化体系的聚合活性提高。聚合反应动力学的研究表明由Lu-Flu组成的三组分催化体系对异戊二烯的聚合反应呈现活性聚合的特点。进而，考察了其它反应条件(如反应溶剂，反应温度)对聚合反应以及所得聚合物的链结构、分子量及分子量分布和玻璃化转变温度的影响。溶剂从甲苯换成氯苯，反应活性提高；溶剂换成己烷，反应活性下降，溶剂的改变对异戊二烯聚合的3,4-区域选择性的几乎没有影响。Lu-Flu组成的三组分催化体系能够在较宽的温度范围内进行聚合反应(25℃～80℃)，聚合活性随着温度的升高而提高，但温度对3,4-区域选择性的影响不是十分地显著，在80℃时，3,4-区域选择性仅下降到94.5%。温度对产物分子量分布影响不大。不同聚合条件所制备的3,4-聚异戊二烯的玻璃化转变温度(Tg)在40℃左右，最高达到49℃，是目前所报道的Tg的最高值。由Lu-Flu组成的三组分催化体系对异戊二烯的聚合同时具备了高3,4-区域选择性(99.0%)、中等的间规立体选择性(rr＝50%)以及活性聚合的特点，这也是首个能够制备3,4-聚异戊二烯的活性聚合体系。
3．茂基官能化N-杂环卡宾钪双烷基配合物组成的三组分催化体系对异戊二烯聚合没有活性，但是对乙烯和降冰片烯共聚合具有较高的活性。考察了配体的类型对共聚合的活性以及降冰片烯插入率的影响。三个钪配合物组成的催化体系的共聚活性分别是0.28×106(Sc-Ind)、2.37×106(Sc-Flu)和1.25×106(Sc-FlutBu)g.molsc-1·h-1·atm-1，相应共聚物中降冰片烯的插入率分别是37.1%(Sc-Ind,Sc-Flu)和30.1%(Sc-FlutBu)。茚基配合物的活性最低，芴基配合物活性最高。大位阻的配体使降冰片烯的插入率下降。将金属离子换成钇、钬和镥时，其组成的催化体系的共聚合活性很低。考察了降冰片烯与乙烯的投料比对共聚物组成的影响。降冰片烯与乙烯的投料摩尔比从2.31增加到23.15，共聚物中降冰片烯的插入率从26.8%增加到46.3%，接近交替共聚物。聚合的最适宜温度是40℃左右，提高温度致使反应溶剂中乙烯的浓度下降而导致活性降低；降低温度使催化体系不能获得足够的活化能而导致活性下降。
4．研究了由钪双烷基配合物(Sc-Flu)组成的三组分催化体系对乙烯和1-己烯、1-辛烯的共聚合行为。乙烯与1-己烯，乙烯与1-辛烯的共聚合活性最高分别达到5.76×105,4.23×106g.molsc-1·h-1·atm-1，乙烯与1-辛烯共聚的活性比乙烯与1-己烯共聚的活性提高了一个数量级。增加α-烯烃与乙烯投料比，其相应共聚物中α-烯烃的插入率提高，但对乙烯和1-辛烯共聚体系影响更大。乙烯与1-己烯共聚物中1-己烯的含量从0.7%增加到5.8%，而乙烯与1-辛烯共聚物中1-辛烯的含量从2.1%增加到32.4%。1-己烯或1-辛烯的插入，使相应共聚物的熔点比聚乙烯的熔点降低。乙烯/1-己烯共聚物熔点降至108.8℃，高1-辛烯插入率的乙烯/1-辛烯共聚物熔点可以降至83.4℃，甚至更高1-辛烯含量的共聚物使其变成了粘稠材料。
5．初步研究了烷氧官能化N-杂环卡宾钪配合物与有机硼盐和烷基铝组成的三组分催化体系对共轭双烯轻的聚合。催化体系对异戊二烯和丁二烯均聚具有中等的顺1,4-选择性(最高为84.3%)。所用钪配合物为双核四烷基配合物，理论上可以与1至3倍的有机硼盐反应。随着催化体系中有机硼盐与配合物的比例从1增加至3，聚合活性显著提高，顺1,4-选择性也提高。