Efeitos estéricos e eletrônicos de substituintes alquilas em catalisadores titanocênicos solúveis na polimerização sindioespecífica de estireno

Steric and electronic effects of alkyl substituents of soluble titanocenic catalysts in the sindiospecific polimerization of styrene

ARTIGO TÉCNICO CIENTÍFICO

Efeitos Estéricos e Eletrônicos de Substituintes Alquilas em Catalisadores Titanocênicos Solúveis na Polimerização Sindioespecífica de Estireno

Brasilio C. A. Pereira, Stanlei I. Kleine Marcos L. Dias

RESUMO: Titanocenos são catalisadores solúveis conhecidos para a polimerisação estereoespecífica de olefinas pró-quirais como o estireno. Nesse trabalho descrevemos as relações entre as características do poliestireno e a estrutura do precursor do catalisador, de fato aqueles da família (RCp)₂TiCl₂ (R = H, etila, iso-propila, n-propila, sec-butila, n-butila, iso-amila e ciclohexila). Todos os catalisadores são ativos para a produção de poliestireno acima de zero graus centígrados. A sindiotaticidade dos polímeros são dependentes da cadeia lateral dos anéis aromáticos do titanoceno e da temperatura da polimerização. A relação entre os fatores estéricos e eletrônicos do precursor do catalisador e os produtos de polimerização são apresentados e discutidos.

Palavras-chave: Poliestireno, titanocenos, catálise Ziegler-Natta, catálise homogênea, efeitos estéricos e efeitos eletrônicos.

Steric and electronic effects of alkyl substituents of soluble titanocenic catalysts in the sindiospecific polimerization of styrene

ABSTRACT: Titanocenes are known to be soluble, stereospecific catalysts for the polymerisation of prochiral olefins such as styrene. In this work we shall describe the relations between polystyrene cracteristics and the structure of the catalyst precursor, namely those of the family (RCp)₂TiCl₂ (R = H, ethyl, iso-propyl, n-propyl, sec-butyl, n-butyl, iso-amyl e ciclohexyl). All catalysts were found to be active for the production of polystyrene at temperatures above zero degrees centigrade. The syndiotacticity of the polymers were found to be dependent on the side chain at the aromatic rings of the titanocene, and onthe temperature of polymerisation. The relationship between steric and electronic factors within the catalyst precursors and the polymerisation products shall be presented and discussed.

Keywords: Polystyrene, titanocenes, Ziegler-Natta catalysis, homogeneous catalysis, steric and electronic effects.

Introdução

Os catalisadores estudados neste trabalho estão baseados na substituição de um próton do anel ciclopentadieno, Cp, por um grupo alquila. Da complexação desse ciclopentadienilo mono-substituído, RCp, a um sal de metal de transição, forma-se um complexo organometálico do tipo (RCp)_mMX_n. Para o titânio (IV), a química desses compostos foi primeiro notificada por Sullivan e Little^[1], e a primeira aplicação em catálise realizada por Hoecker e Saeki^[2]. Na polimerização do estireno os titanocenos solúveis tem sido alvo de intensa investigação^[3,4,5]. Porri e colaboradores, propuseram um mecanismo catalítico a partir de seus estudos sobre sistemas contendo compostos de titânio (III) e (IV) e metilalumoxano (MAO) como co-catalisador. Nessa proposta, o processo se inicia pela redução do catalisador pelo MAO. Em seguida, outra molécula de MAO provoca a substituição de um cloreto, remanescente, do complexo por um grupo metila gerando uma ligação metal carbono e seguindo-se a formação de um composto catiônico pela ação de uma terceira molécula de MAO.

Essa proposta mecanística será utilizada no presente trabalho para apoiar a argumentação sobre os resultados obtidos na polimerização do estireno por oito catalisadores de uma família de titanocenos do tipo (RCp)₂TiCl₂ onde R = H, etila, n-propila, iso-propila, n-butila, sec-butila, iso-amila e ciclo-hexila.

Experimental

A síntese dos catalisadores foi baseada no método de Wilkinson e Birmingham^,. A metodologia utilizada na polimerização do estireno, foi baseado nos trabalhos de Porri e colaboradores^[5]. Em atmosfera inerte, na temperatura adequada (0^oC ou 50^oC) e utilizando tolueno seco como solvente, foram adicionados, sob agitação, 8,2 mL de solução de metilalumoxano 0,5 M, a 5 mL de uma solução 3.10⁶ M de catalisador. Em seguida, o volume foi completando até 20 mL com tolueno e a mistura permaneceu sob agitação por 3 min para a formação do complexo ativado. A seguir, foram adicionados 5 mL do monômero à mistura que foi mantida sob agitação pelo período conveniente (a 0^oC por um período de 18 horas, e a 50^oC por 4 horas).

A reação foi interrompida pela adição cuidadosa de 200 mL de solução 3 M de ácido clorídrico em etanol. O polímero obtido foi filtrado e lavado primeiramente com 10 mL da solução de HCl alcoólica e posteriormente com 20 mL de etanol puro. O sólido foi seco em estufa a 50°C por um período de 12 horas. O polímero bruto seco foi submetido a um processo de extração em soxhlet, com butanona-2 (MEC), por 6 horas.

Os dados de ressonância magnética foram obtidos a partir do Bruker AC 200-F. As curvas de calorimetria exploratória diferencial (DSC) foram adquiridas pelo Thermal Analyst 3100 da TA Instruments. Para os GPC, foi empregado o cromatógrafo Waters 150CV para trabalho a alta temperatura, equipado com detectores de índice de refração e viscosimétrico. Nesse cromatógrafo, foram utilizadas três colunas diferentes, mStyragel HT6, HT5 e HT4. A temperatura de trabalho foi de 135°C, o solvente utilizado foi o triclorobenzeno numa vazão de 1mL/min. A curva de calibração foi feita com padrões monodispersos de poliestireno.

Resultados e Discussão

O produto polimérico obtido apresentou-se como uma mistura de compostos que puderam ser separados em duas frações pela utilização de butanona-2 (MEC). A parte insolúvel apresentou ponto de fusão no intervalo 260^o a 278 ^oC (Tabela 1), obtidos pela técnica de DSC, o que serviu para caracterizar essa fração como poliestireno sindiotático^[3].

A análise por GPC desses polímeros insolúveis em butanona-2 revelou que as massas moleculares são relativamente altas. Para os polímeros obtidos nas reações efetuadas a 50°C essas massas variaram de 30000 a 43000. O sistema catalítico empregado nesse trabalho favoreceu as reações de inserção versus reações de terminação de cadeia à baixa temperatura. Dessa forma os polímeros insolúveis produzidos a 0°C mostraram massas moleculares substancialmente mais elevadas, que variaram de 83000 a 129000.

Essa fração do polímero bruto apresentou polidispersão (Mw/Mn), abaixo de 2 (Tabela 1). Esse valor é consistente com um processo polimérico onde o catalisador desenvolve um único tipo de sítio ativo. A microestrutura dessa fração insolúvel não foi completamente determinada.

Os espectros de r.m.n. de ¹³C dos polímeros solúveis em MEC, obtidos em clorofórmio à temperatura ambiente, indicam uma mistura de polímeros atáticos, com sinais de maior intensidade na região de 145,2 ppm a 146,5 ppm (Figura 1), o que indica uma boa porcentagem de pentades regulares (sindiotáticas) ao longo das cadeias^[6].

O primeiro fato que chama a atenção quando da análise dos dados da Tabela 1 é a drástica redução da massa bruta do polímero obtido, quando se passa do sistema Cp₂TiCl₂/MAO para o sistema (RCp)₂TiCl₂/MAO. Essa sensível diminuição do rendimento da polimerização deve certamente estar associada à introdução dos grupos R nos complexos; segundo o mecanismo proposto por Porri^[5], fica intuitivo deduzir que em (RCp)₂TiCl₂ existe um aumento de densidade eletrônica sobre o metal, proporcionado pelo simples aumento dos efeitos indutivos dos anéis Cp sobre o metal, provocado pela presença dos grupos alquila. Portanto, quanto maior a indução eletrônica, mais difícil se tornaria a primeira etapa de ativação (d⁰® d¹) do precursor, o que para a família (RCp)₂TiCl₂ provocaria uma sensível diminuição no número de centros ativos^[4], com a conseqüente diminuição da massa bruta de polímero quando comparada a massa obtida com o parente Cp₂TiCl₂ em condições similares.

No presente trabalho, foi muito importante notar que os diferentes efeitos indutivos dos diferentes grupos R, impõe aos complexos que compõem a família (RCp)₂TiCl₂, atividades catalíticas sutilmente diferentes. Essa sutil porém perceptível diferença pode ser claramente relacionada ao tipo de indução causada por R. Em nosso caso, é possível subdividir a família de compostos (RCp)₂TiCl₂ em duas sub-famílias, uma delas possuindo um grupo R com um CH₂a ao anel (R= etila, n-propila, n-butila e iso-amila), que deveria ser a família contendo os metais com maior densidade eletrônica, devido aos efeitos indutivos, do que os metais da sub-família que possuiriam um CH a ao anel (R= iso-propila, sec-butila e ciclo-hexila).

Assim sendo, era de se esperar que o grupo de complexos com CH₂a ao anel (RCH₂-) produzisse uma quantidade menor de polímero quando comparado aos análogos do grupo de compostos com R com um CH a ao anel (R₂CH-), caso o efeito indutivo fosse o único efeito em operação. Surpreendentemente, os dados mostrados na Tabela 1, obtidos das polimerizações efetuadas a 50°C, indicam justamente uma situação inversa. Para os complexos com RCH₂-, foram obtidas quantidades superiores de massa bruta de polímero em relação aos complexos com RCH-. Essa característica pode indicar que, para complexos com RCH₂-, a pequena desvantagem na catálise, esperada devido a efeitos indutivos, é superada por uma maior influência estérica.

Um efeito muito interessante da influência estérica do grupo substituinte R em compostos do tipo (RCp)₂TiCl₂, que pode estar associado aos resultados de polimerização acima, foi investigado por Strelets e colaboradores^[9], no estudo da eletro-redução de vários compostos daquela família, particularmente com M = Ti e Zr, e R = metila, iso-propila, terc-butila, ciclo-hexila e trimetilsilano. Eles observaram que o aumento da densidade eletrônica sobre o metal em compostos do tipo (RCp)₂MCl₂ induzida pela introdução do substituinte R, provoca uma maior dificuldade na eletroredução levando os potenciais de redução do primeiro e segundo elétrons para valores mais negativos em relação ao Cp₂MCl₂ (Tabela 2).

De acordo com a Tabela 2, Strelets e colaboradores observaram uma inversão na tendência de aumento do potencial de redução (a entrada do primeiro elétron, que irá se alojar no orbital 1a₁, Figura 2a) quando o substituinte possuía um efeito estérico muito grande, como em R= terc-butila e trimetilsilila. Para justificar essa tendência, aqueles autores levantaram hipóteses, todas elas do ponto de vista dos efeitos do impedimento estérico de R sobre as características eletrônicas do complexo.

Dentre as hipóteses de Strelets e colaboradores^[9], uma delas está baseada nas localizações espaciais dos grupos R em (RCp)₂TiCl₂, tal como determinadas por espectroscopia de raios-X. As estruturas cristalinas sugeridas para os compostos (RCp)₂TiCl₂ estudados por Strelets com R = metila, etila, iso-propila e ciclo-hexila são mostradas na figura 2b e para os mais volumosos R = terc-butila e trimetilsilano são mostradas na figura 2c.

Observando a Figura 2, fica claro que quanto maior o volume do grupo R maior será a possibilidade de uma interação de ordem coulômbica entre o grupo alquila (positivado por conseqüência da doação de densidade eletrônica para o anel) e o orbital 1a₁, permitindo que esse tipo de complexo (com R volumoso) sofra uma eletroredução para Ti(III) facilitada pela razoável interação R^d+¬1a₁ que seria desenvolvida. Assim sendo, a localização privilegiada do grupo alquila volumoso poderia ter um efeito coulômbico que seria mais importante, no tocante à processos de redução, que o seu próprio efeito indutivo. Isso é aparentemente confirmado quando se observa o potencial de redução do 2° elétron, (Tabela 2) os compostos com os grupos mais volumosos são mais susceptíveis a receber um segundo elétron, tendo valores para essa segunda redução até menores que a do parente Cp₂TiCl₂.

Retomando o mecanismo catalítico^[5], temos que na primeira etapa o processo de redução química da espécie contendo Ti(IV) para Ti(III), se agora considerarmos às possíveis interações coulômbicas^[8] entre o fragmento alquila e o orbital 1a₁, fica claro, pelos resultados obtidos (Tabela 1), que a geometria dos complexos contendo substituintes RCH₂- deva estar permitindo uma melhor interação entre R^d+®1a₁, facilitando o mecanismo de ativação (d¹®d⁰), proporcionando um número maior de centros ativos e consequentemente uma massa bruta polimérica maior.

Quando observamos a porcentagem de polímero insolúvel obtido em cada um dos casos, ainda à temperatura de 50°C, a divisão da família sugerida acima fica muito clara. Comparativamente, obtivemos uma porcentagem maior de polímero insolúvel quando utilizamos Cp₂TiCl₂ ao invés da família (RCp)₂TiCl₂. Aparentemente, aqui também o aumento da densidade eletrônica sobre o metal provoca uma diminuição na porcentagem de polímero insolúvel, Mantendo-se a divisão dos compostos em duas sub-famílias, os dados da Tabela 1 mostram que os substituídos com RCH₂- produziram uma porcentagem de polímero insolúvel superior (51 a 67%) àquela encontrada para os catalisadores com RCH- (22 a 42%). Caso esse fato também seja relacionado à maior facilidade da primeira sub-família em ter o centro ativo estabilizado por atrações coulômbicas, o caráter estérico de R deve ser o que tem papel determinante nessa última comparação. O polímero insolúvel é o de cadeia mais estereorregular que, no presente caso possui características sindiotáticas (sPS).

A análise dos pesos moleculares dos polímeros insolúveis também mostrou uma característica interessante. Aparentemente, a família (RCp)₂TiCl₂ proporciona em qualquer temperatura um significativo aumento do peso molecular do polímero em relação aos produtos das reações do protótipo Cp₂TiCl₂. Esse fenômeno pode estar relacionado também a efeitos relacionados aos grupos R. Ainda que eles atuem primariamente na diminuição do número de sítios ativos (efeito indutivo), o seu efeito estérico deve prejudicar de alguma forma as reações de terminação de cadeia, permitindo que um número maior de monômeros sejam introduzidos, o que resultaria em um polímero de maior massa molecular.

Por exemplo, nas polimerizações utilizando catalisadores de sítio único solúveis como os metalocenos, o principal processo de terminação é a "eliminação de hidrogênio b". A b-eliminação, só pode ocorrer se a cadeia for capaz de se aproximar do metal e interagir com ele através de uma interação b agóstica. A presença do grupo R parece minimizar essa interação impedindo de certa forma a ocorrência de reações de terminação através de b-eliminação.

Ainda no quesito de massa molecular dos polímeros formados, é aparente a subdivisão dos compostos substituídos em duas famílias distintas: os resultados de peso molecular dos polímeros insolúveis (sPS) a 50°C, obtidos pela sub-família RCH₂- (33000 a 41000) e pela sub-família RR'CH- (43000 a 48000), podem indicar que as possíveis interações coulômbicas que são facilitadas na primeira sub-família forçam também uma maior rigidez ao conjunto que suporta o centro ativo, o que permitiria intensificação das reações de terminação, por exemplo, impedindo a formação da cadeia polimérica no sentido de proporcionar à aproximação de hidrogênios-b que facilitariam os processos de eliminação de cadeia (b-eliminação).

Os resultados de polimerizações efetuadas a 0°C mostram claramente uma menor formação de polímeros, quando comparadas às reações efetuadas a 50°C, como esperado, uma vez que todos os processos de ativação do pré-catalisador tornam-se energeticamente proibitivos àquela temperatura, além de se tornarem mais lentas às próprias reações de iniciação, propagação e terminação de cadeias, típicas de tais sistemas. Mesmo assim, é de uma forma surpreendente encontrar, nos dados da Tabela 1, os resultados de massa bruta de polímeros formados durante a ação catalítica dos compostos das sub-famílias dos complexos alquil-substituídos. Aquela sub-família contendo grupos RCH₂- produz massa polimérica bruta menor (23 a 48 mg, exceto R = n-butila 119 mg), em contraste com a atividade daquela sub-família a 50 ^oC, onde era ela a produtora de maior massa bruta de polímeros formados. É possível especular-se que o abaixamento da temperatura tem um efeito, sobre essa sub-família de compostos, de obrigar deslocamento do substituinte R, de maior volume, para dentro da região espacial que envolve a mediatriz do ângulo Cl-Ti-Cl, em uma imitação dos efeitos observados no estado sólido para essa classe de organometálicos. Ora, essa situação pode remover os grupos R substituintes daquela posição média ótima de maximização dos efeitos coulômbicos, responsáveis pela estabilização dos intermediários da redução Ti(IV) ® Ti(III). Esse efeito agora minimiza a formação de centros cataliticamente ativos, resultando em uma massa polimérica bruta menor. Uma vez que o efeito estérico/coulômbico parece ter sua importância minimizada pelo "efeito do estado sólido", é de se esperar que o efeito indutivo do substituinte R venha a se sobrepor, e que seus resultados, em relação à atuação do catalisador, seja espelhada nas propriedades do polímero formado durante a catálise. É necessário dizer que quaisquer comparações desse âmbito, dentro da família de compostos estudada no presente trabalho, pode se tornar contraditória; entretanto, podemos comparar compostos quase semelhantes, como por exemplo os dados oriundos da catálise promovida pelo (ⁿPrCp)₂TiCl₂ (Mw= 128000) e o parente RCH- (ⁱPrCp)₂TiCl₂ (Mw= 124900). Esses dados parecem indicar que, uma vez que a pequena quantidade de centros reduzidos seja efetivamente formada à temperatura de 0°C, a densidade eletrônica sobre o metal seria tão incrementada, que grupos substituintes bom indutores teriam, novamente, maior capacidade de tomar parte na transferência coulômbica R^d+¬1a₁, minimizando o "efeito do estado sólido", e permitindo aos catalisadores se comportarem como o observado a 50°C. É claro que, como poucos centros foram, naquelas condições, inicialmente formados, o rendimento em massa polimérica bruta continuaria sendo muito baixa. Em geral, os dados da Tabela 1 concordam com o argumento posto acima, quando comparadas as atividades de catalisadores com substituintes R com o mesmo número de átomos de carbono. É de se esperar também que, naquelas baixas temperaturas, as velocidades de reações colaterais de terminação de cadeia também sejam minimizadas, o que favoreceria a formação de cadeias poliméricas de mais alto peso molecular, independentemente do sistema sendo observado.

Outra tendência interessante a se ressaltar está na diminuição sistemática do peso molecular do polímero insolúvel no decorrer de nossa série a 0°C, (Tabela 1). A hipótese que justifica tal comportamento é a atuação sistemática do "efeito do estado sólido" ao longo da série R= etila à ciclo-hexila. Assim, independentemente de outros efeitos de natureza eletrônica, os substituintes R teriam a tendência de cada vez mais se localizarem na região do espaço que compreende as ligações TiCl₂, provocando um efeito estérico comprometedor da atividade catalítica geral dos complexos, à medida que aumenta o tamanho de R.

Conclusão

A análise dos poliestirenos sindiotáticos obtidos por esses catalisadores à temperaturas de 0 e 50^ºC indica ainda o efeito fundamental de um fator estérico que realça os efeitos eletrônicos através de um efeito coulômbico, que opera sobre os substituintes e os orbitais baseados no metal. Esse efeito coulômbico nunca havia sido relacionado à atividade catalítica de um metaloceno de titânio. Em todos os casos estudados, os polímeros formados pelos compostos substituídos apresentam maior peso molecular, maior polidispersão e , em princípio, maior estereoregularidade do que aquele formado pelo protótipo Cp₂TiCl₂ .

O presente trabalho sugere que é possível "afinar" o catalisador para que ele reproduza o tipo de característica da cadeia polimérica para a produção de polímeros com qualidades específicas.

Brasilio C. A. Pereira, Stanlei I. Klein, Instituto de Química de Araraquara, UNESP, R. Prof. Francisco Degni s/n CEP: 14800-900, Araraquara, SP; Marcos L. Dias, Instituto de Macromoléculas Professora Eloisa Mano, IMA, C.P. 68525, CEP: 21945-970, Rio de Janeiro, RJ.

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Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  21 Maio 2003
• Data do Fascículo
  Dez 1999