聚烯烴材料具有性價比高、力學性能好、熱性能穩定等優點，廣泛應用于工業生產和日常生活的各個領域，現已成為最大類的合成高分子材料。催化劑是化學工業的靈魂，對聚烯烴工業更是如此。開發新型的聚烯烴催化劑，能夠不斷地推動新的聚合工藝的變革，以及合成高性能聚烯烴樹脂新材料。青島科技大學李志波/劉紹峰教授團隊一直致力于聚烯烴催化劑的設計與合成，開發了多類高效金屬催化劑（Organometallics2021,40, 242?252；Organometallics2021,40, 184-193；Organometallics2020,39, 3268?3274；Dalton Trans.2018,47,13459–13465）。
最近，青島科技大學劉紹峰/李志波教授團隊成功合成了一系列基于SNN三齒配位的均相鉻金屬催化劑（Cr1-Cr6，圖1），以MAO為助催化劑對乙烯聚合表現出極高的催化活性（高達2.4 × 107g(PE)·mol?1(Cr)·h?1）。
圖1.合成SNN三齒配位的均相鉻金屬催化劑Cr1-Cr6
圖2.Cr/MAO體系制備高附加值雙峰聚乙烯
研究發現，通過調節鉻金屬催化劑的結構和聚合條件，可以有效地調控聚乙烯的結構，制備包括低分子量聚乙烯蠟、超高分子量聚乙烯以及雙峰分布的高附加值聚乙烯（圖2）。例如，在較低反應溫度（50°C）、乙烯壓力（5 atm）和較高MAO用量（Al/Cr = 1500）條件下，合成了分子量及其分布可調的雙峰聚乙烯，兼具優異的力學性能和加工性能；而在較高反應溫度（≥ 80°C）、乙烯壓力（40 atm）和較低的MAO用量（Al/Cr ≤ 500）條件下，制備了具有單峰和窄分布的低分子量聚乙烯蠟。
研究人員通過原位紫外對催化劑及活性中心進行了研究，并結合DFT理論計算，提出了雙活性中心制備雙峰聚乙烯的機理（圖3）。鉻金屬催化劑與助催化劑MAO相互作用，能夠生成A-F六個潛在的活性中心。由于B和E為電中性化合物，不利于乙烯單體配位，因此不可能為存在的活性中心。根據DFT理論計算，C中間體配位的能壘遠高于A中間體，因此在低MAO用量條件下，活性中心主要為A，可以制備低分子量聚乙烯臘；而在高MAO用量條件下，D中間體和F中間體配位和插入反應的能壘非常相似，均可能存在，制備了高分子量聚乙烯。這一結果也說明了對于鉻系聚烯烴金屬催化劑（包括非均相的Phillips催化劑），其Cr活性中心的氧化態很難確定，仍舊是該領域研究的難點。
圖3. DFT理論計算及雙活性中心制備雙峰聚乙烯的機理
該項工作作為內封面文章于近日發表于Macromolecules2022,55, 2433-2443。碩士生王東琪為論文的第一作者，劉紹峰教授和李志波教授為論文的通訊作者，合作者包括大連醫科大學亢小輝教授和斯特拉斯堡大學Braunstein教授。該項工作得到了國家自然科學基金、科技部111創新引智基地等項目的資助。
論文鏈接：Controlling Polyethylene Molecular Weights and Distributions Using Chromium Complexes Supported by SNN-Tridentate Ligands.https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.1c02351
