In situ ethylene homopolymerization and copolymerization catalyzed by zirconocene catalysts entrapped inside functionalized montmorillonite

Ethylene homopolymerizations and copolymerizations were catalyzed by zirconocene catalysts entrapped inside functionalized. montmorillonites that had been rendered organophilic via the ion exchange of the interlamellar cations of layered montmorillonite with hydrochlorides Of L-amino acids (AAH(+)Cl(-)) or their methyl esters (MeAAH(+)Cl(-)), with or without the further addition of hexadecyltrimethylammonium bromide (C16H33N+Me3Br-; R4N+Br-). In contrast to the homogeneous CP2ZrCl2/methylaluminoxane catalyst for ethylene homopolymerizations and copolymerizations with 1-octene, the intercalated Cp2ZrCl2 activated by methylaluminoxane for ethylene homopolymerizations and copolymerizations with 1-octene proved to be more effective in the synthesis of polyethylenes with controlled molecular weights, chemical compositions and structures, and properties, including the bulk density. The effects of the properties of the organic guests on the preparation and catalytic performance of the intercalated zirconocene catalysts were studied.

Ethylene polymerization by self-immobilized neutral nickel catalysts bearing allyl groups

[Ni(Ph)(PPh3)(N,O)] complexes containing phenyliminophenolato ligands (N,O) (1: N,O = A; 2: N,O = B; 3: N,O = Q 4: N,O = D; 5: N,O = E) have been synthesized and characterized. The molecular structure of 4 was determined by single-crystal X-ray analysis. Complexes 2-5 bearing allyl groups have been investigated as self-immobilized catalysts for ethylene polymerization without the use of co-catalysts. The high ethylene polymerization activities of ca. 10(5) g.PE mol(-1) Ni.h(-1) and high molecular weight (M-w approximate to 10(5)) of polyethylene could be accomplished by changing the ligand structures and reaction conditions. The self-immobilization of catalysts brings about a dramatic increase in the catalytic activities of ethylene polymerization.

Polymer immobilized silane bridged metallocene catalysts for ethylene polymerization

Ansa-zirconocene complex with an allyl substituted silane bridge [(CH2=CHCH2)CH3Si(C5H4)(2)]ZrCl2 (1a) has been synthesized and characterized. The molecular structure of la has been determined by X-ray crystallographic analysis. The polymer immobilized metallocene catalyst 1b is prepared by the co-polymerization of la with styrene in the presence of radical initiator. The result of ethylene polymerization showed that the polymer immobilized metallocene catalyst kept high activity for ethylene polymerization and was a potential supported catalyst for olefin polymerization.

Synthesis of C-1 bridge-containing metallocene catalysts and their catalytic activities for olefin polymerization

The synthesis and characterization of metallocene complexes which can be used as catalysts in the presence of MAO for olefin polymerization were discussed in the present paper. The metallocene complexes have been characterized by IR, H-1 NMR, EI-MS spectra and element analyses; The catalytic features of Olefin polymerization were studied under different conditions. Metallocenes in which metals is Ti had no activity for ethylene polymerization, Polymers with different features can be obtained by using different catalysts.

New development of organolanthanide complexes containing chalcogenide ligands

This article is to present and outline new approaches to chalcogen coordination chemistry from the organolanthanides point of view.

SYNTHESIS AND MOLECULAR-STRUCTURE OF THE 5-COORDINATE ZIRCONIUM COMPLEX (CH3C5H4)2ZRCL(ALPHA-C10H7COO)

Bis(methylcyclopentadienyl)chloro(alpha-naphthoyloxy)zirconium, (CH3C5H4)2Zr Cl(alpha-C10H7COO), has been synthesized by the reaction between (MeCp)2ZrCl2 and equimolar sodium alpha-naphthoate in toluene at room temperature. The molecular structure of the title complex was determined by X-ray diffraction. The molecules have a five-coordinate bent metallocene structure in which the alpha-naphthoxyligand is bidentate [Zr-O, 2.317(2), 2.260(2) angstrom]. The remaining distances are [Zr-Cl, 2.521(1) angstrom; Zr-C, 480-2, 565 angstrom; Zr-cent-CH3C5H4 2.217 and 2.230 angstrom].

Ab initio calculations of group 4 metallocene reaction mechanisms: atomic layer deposition and bond activation catalysis

Thin film dielectrics based on titanium, zirconium or hafnium oxides are being introduced to increase the permittivity of insulating layers in transistors for micro/nanoelectronics and memory devices. Atomic layer deposition (ALD) is the process of choice for fabricating these films, as it allows for high control of composition and thickness in thin, conformal films which can be deposited on substrates with high aspect-ratio features. The success of this method depends crucially on the chemical properties of the precursor molecules. A successful ALD precursor should be volatile, stable in the gas-phase, but reactive on the substrate and growing surface, leading to inert by-products. In recent years, many different ALD precursors for metal oxides have been developed, but many of them suffer from low thermal stability. Much promise is shown by group 4 metal precursors that contain cyclopentadienyl (Cp = C5H5-xRx) ligands. One of the main advantages of Cp precursors is their thermal stability. In this work ab initio calculations were carried out at the level of density functional theory (DFT) on a range of heteroleptic metallocenes [M(Cp)4-n(L)n], M = Hf/Zr/Ti, L = Me and OMe, in order to find mechanistic reasons for their observed behaviour during ALD. Based on optimized monomer structures, reactivity is analyzed with respect to ligand elimination. The order in which different ligands are eliminated during ALD follows their energetics which was in agreement with experimental measurements. Titanocene-derived precursors, TiCp*(OMe)3, do not yield TiO2 films in atomic layer deposition (ALD) with water, while Ti(OMe)4 does. DFT was used to model the ALD reaction sequence and find the reason for the difference in growth behaviour. Both precursors adsorb initially via hydrogen-bonding. The simulations reveal that the Cp* ligand of TiCp*(OMe)3 lowers the Lewis acidity of the Ti centre and prevents its coordination to surface O (densification) during both of the ALD pulses. Blocking this step hindered further ALD reactions and for that reason no ALD growth is observed from TiCp*(OMe)3 and water. The thermal stability in the gas phase of Ti, Zr and Hf precursors that contain cyclopentadienyl ligands was also considered. The reaction that was found using DFT is an intramolecular α-H transfer that produces an alkylidene complex. The analysis shows that thermal stabilities of complexes of the type MCp2(CH3)2 increase down group 4 (M = Ti, Zr and Hf) due to an increase in the HOMO-LUMO band gap of the reactants, which itself increases with the electrophilicity of the metal. The reverse reaction of α-hydrogen abstraction in ZrCp2Me2 is 1,2-addition reaction of a C-H bond to a Zr=C bond. The same mechanism is investigated to determine if it operates for 1,2 addition of the tBu C-H across Hf=N in a corresponding Hf dimer complex. The aim of this work is to understand orbital interactions, how bonds break and how new bonds form, and in what state hydrogen is transferred during the reaction. Calculations reveal two synchronous and concerted electron transfers within a four-membered cyclic transition state in the plane between the cyclopentadienyl rings, one π(M=X)-to-σ(M-C) involving metal d orbitals and the other σ(C-H)-to-σ(X-H) mediating the transfer of neutral H, where X = C or N. The reaction of the hafnium dimer complex with CO that was studied for the purpose of understanding C-H bond activation has another interesting application, namely the cleavage of an N-N bond and resulting N-C bond formation. Analysis of the orbital plots reveals repulsion between the occupied orbitals on CO and the N-N unit where CO approaches along the N-N axis. The repulsions along the N-N axis are minimized by instead forming an asymmetrical intermediate in which CO first coordinates to one Hf and then to N. This breaks the symmetry of the N-N unit and the resultant mixing of MOs allows σ(NN) to be polarized, localizing electrons on the more distant N. This allowed σ(CO) and π(CO) donation to N and back-donation of π*(Hf2N2) to CO. Improved understanding of the chemistry of metal complexes can be gained from atomic-scale modelling and this provides valuable information for the design of new ALD precursors. The information gained from the model decomposition pathway can be additionally used to understand the chemistry of molecules in the ALD process as well as in catalytic systems.

Atomic layer deposition of copper – study through density functional theory

The wonder of the last century has been the rapid development in technology. One of the sectors that it has touched immensely is the electronic industry. There has been exponential development in the field and scientists are pushing new horizons. There is an increased dependence in technology for every individual from different strata in the society. Atomic Layer Deposition (ALD) is a unique technique for growing thin films. It is widely used in the semiconductor industry. Films as thin as few nanometers can be deposited using this technique. Although this process has been explored for a variety of oxides, sulphides and nitrides, a proper method for deposition of many metals is missing. Metals are often used in the semiconductor industry and hence are of significant importance. A deficiency in understanding the basic chemistry at the nanoscale for possible reactions has delayed the improvement in metal ALD. In this thesis, we study the intrinsic chemistry involved for Cu ALD. This work reports computational study using Density Functional Theory as implemented in TURBOMOLE program. Both the gas phase and surface reactions are studied in most of the cases. The merits and demerits of a promising transmetallation reaction have been evaluated at the beginning of the study. Further improvements in the structure of precursors and coreagent have been proposed. This has led to the proposal of metallocenes as co-reagents and Cu(I) carbene compounds as new set of precursors. A three step process for Cu ALD that generates ligand free Cu layer after every ALD pulse has also been studied. Although the chemistry has been studied under the umbrella of Cu ALD the basic principles hold true for ALD of other metals (e.g. Co, Ni, Fe ) and also for other branches of science like thin film deposition other than ALD, electrochemical reactions, etc.

Stereoselective synthesis of substituted hexahydro-3a,4a-diazacyclopentaphenanthren-4-ones and aminoferrocenes

This thesis explored the development of several methodologies for the stereoselective construction of ligand frameworks and some of their applications. The first segment concerns the application of an enantioselective lithiation at an Sp3_ hybridized position adjacent to nitrogen by means of the widely used and typically highly effective enantioselective lithiation with ( -)-sparteine. This investigation was intended to develop a method to install chirality into a system that would be converted into a family of diaminoylidenes for use as phosphine mimics in transition metal catalysis or as nucleophilic reagents. Molecular modeling of the system revealed some key interactions between the substrate and (-)-sparteine that provided general insight into the diamine's mode of action and should lend some predictive value to its future applications. The second portion focuses on the development of methods to access 1,2- disubstituted aminoferrocenes, an underexplored class of metallocenes possessing planar chirality. Two routes were examined involving a diastereoselective and an enantioselective pathway, where the latter method made use of the first BF3-mediated lithiation-substitution to install planar chirality. Key derivatives such as 1,2- aminophosphines, made readily accessible by the new route, were evaluated as ligands for Pd(II), Pt(II) and Ir(I). These complexes show activity in a number of transformations with both achiral and prochiral substrates. Optimization experiments were conducted to prepare enantiomerically enriched 2-substituted-I-aminoferrocenes by direct asymmetric lithiation of BF3-coordinated tertiary aminoferrocenes. A predictive computational model describing the transition state of this reaction was developed in collaboration with Professor Travis Dudding's group (Department of Chemistry, Brock University). The predicted stereochemistry of the process was confirmed by single-crystal X-ray analysis of a 2-phosphino-l-dimethylaminoferrocene derivative. Enantiomerically pure samples of the aminophosphine ligands derived from this new process have given promising preliminary results in the enantioselective hydrogenation of prochiral alkenes and warrant further stUdy in metal-mediated catalysis.

Maßgeschneiderte Kieselgelträger für die metallocen-katalysierte Polyolefinsynthese

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Synthese und Charakterisierung von porösen Kieselgelen und ihrem Einsatz als Träger in der heterogenen metallocen-katalysierten Polymerisation von Ethylen. Im Vordergrund stand die Optimierung dieses Prozesses durch das Maßscheidern der Trägereigenschaften unter sonst identischen Polymerisationsbedingungen und das Erforschen des heterogenen Polymerisationsprozesses. Das verwendete Katalysatorsystem (Methylaluminoxan mit Dicyclopentadienylzirkoniumdichlorid) besitzt sehr hohe Aktivitäten und verbleibt im Falle der heterogenen Reaktionsführung im Produkt. Der Mechanismus verläuft über mehrere Phasen, wobei besonderes Augenmerk auf die Trägerpartikelfragmentierung gelenkt wurde. Es wurden zwei Synthesekonzepte für die Herstellung der Träger verfolgt. Im ersten Teil der Arbeit wurden monodisperse unporöse Kieselgel-Nanopartikel (Monosphere) zu Agglomeratträgern über einen Sprühtrocknungsprozess aufgebaut. Die Stabilität der Agglomerate wurde über den Zusatz von monodispersen Kieselgel-Binderpartikeln während der Herstellung variiert. Es wurden sowohl die porenstrukturellen als auch morphologischen Eigenschaften der Agglomeratprodukte untersucht und mit den physiko-chemischen Eigenschaften der Nanopartikel korreliert. In einem zweiten Ansatz wurden sphärische hochporöse Kieselgele mit abgestufter Porosität bei konstanter spezifischer Oberfläche hergestellt und als Träger in der Polyethylensynthese getestet.

Tris(trimethylsilyl)silyl substituted alkali- and transition metal guaiazulenides

In der vorliegenden Arbeit wird ein prochirales, aus natürlichen Resourcen gewonnenes Azulen, das Guajazulen genutzt, um neuartige chirale Cyclopentadienyl-Systeme aufzubauen. Mit Alkalimetallhypersilaniden als starke und sperrige Nukleophile gelingt es hypersilylsubstituierte Gujazulenide zu synthetisieren. Diese wurden mittels Elementaranalyse, NMR-Spektroskopie und Röntgendiffraktometrie charakterisiert. Durch nachfolgende Metathesen mit Übergangsmetallhalogeniden konnten in vielen Fällen die entsprechenden Metallocene erhalten werden. Die Experimente enthüllen eine ausgeprägte Regioselektivität der Addition des sperrigen Hypersilyanions an das Guajazulen, die durch das eingesetzte Lösungsmittel graduell verändert werden kann. In nicht-koordinierenden Lösungsmitteln findet man ausschließlich eine Addition an der 6-Position, die 6-Hypersilyl-2,6-dihydroguajazulenide (6-Hyp-Hgual) (M=Li 1, K 2, Cs 4) in ausgezeichneten Ausbeuten liefert. In polaren Solventien erhält man hingegen Mischungen der 6- und 8-Regioisomeren: 2 bzw. (8-Hyp-Hgual) (3). 2 bleibt aber hierbei das Hauptprodukt. Röntgenbeugungsexperimente zeigen, dass 1 im Kristall als dimerer Sandwich-Komplex, meso-[Li2(6-Hyp-Hgual)2], und die THF-Solvate (thf)4K(6-Hyp-Hgual) (2a) sowie (thf)4K(8-Hyp-Hgual) (3a) jeweils als Halb-Sandwich-Komplexe in einer racemischen Mischung vorliegen. Die Verbindungen 1, 2, 3 and 4 eignen sich sehr gut dazu, in Metathesereaktionen als Precursor für neuartige chirale Metallozen-Komplexe eingesetzt zu werden. Insbesondere das Kaliumderivat 2 besticht durch die einfache und relativ preiswerte Synthese, die erzielten hohen Ausbeuten (>80%) und seine leichte Handhabbarkeit. In THF als Solvent wurden die Metallocene 5:5-M’(6-Hyp-Hgual)2 (M’ = Mn 5, Fe 6, Ni 8) und 5:5-Fe(8-Hyp-Hgual)2 (7) erhalten. Bei Verwendung einiger redox-aktiver Metallhalogenide beobachtet man jedoch die Zersetzung der Metallocene unter Bildung des oxidativen Kopplungsproduktes (3-Hyp-6-Hgual)2 (9) sowie der Ausscheidung von Metall. Die Umsetzung von Halogeniden der Gruppe 4 (TiCl3 and M’’Cl4 (M’’ = Ti, Zr, Hf)) mit 2 liefert in THF ausschließlich die Metallozendichloride M’’(6-Hyp-Hgual)2Cl2 (M’’ = Ti (10), Zr (11), Hf (12)). Die erhaltenen Metallozenderivate fallen als Diastereomeren-Gemische an, die sich durch fraktionierende Kristallisation teilweise oder vollständig in ihre Bestandteile, das jeweilige R,R-Racemat und das R,S-meso-Diastereomer auftrennen lassen. Die Strukturen der rac-Diastereomere konnten durch Beugungsexperimente aufgeklärt werden. Durch eine Metathese von 2 mit Hyp-Cl kann eine zweite Hypersilylgruppe in die 2-Position des Guajazulen-Gerüstes eingeführt werden. Das entstehende 2,6-bis(Hyp)-H2gua (14) kann anschließend mit nBuLi in das extrem luft- und feuchtigkeitsempfindliche Li[2,6-bis(Hyp)-Hgual] (15) überführt werden, dass wie 1 eine dimere Sandwich-Struktur aufweist. Durch Einführung des zweiten Hypersilylrestes werden die chemischen Eigenschaften des Azulenids dramatisch verändert. Während Verbindung 1 sich als guter Precursor für Metallocene erwies, gelang es uns bislang nicht, entsprechende Derivate der Verbindung 15 zu isolieren.

Nanosized polymer carriers for metallocene catalysts in heterogeneous olefin polymerization

Das Ziel der vorgelegten Arbeit war die Synthese von definierten, sphärischen Polystyrolpartikeln im Größenbreichen von Nanometern, die als Träger für die Immobilisierung von Metallocenkatalysatoren verwendet werden sollten. Ein wichtiger Anspruch an das System war dabei die Möglichkeit einer homogene Verteilung des Metallocenes auf dem Träger and eine homogene Fragmentierung des geträgerten Katalysators während der Polymerisation im Polymerprodukt. Für diese Zielsetzung wurden unterschiedliche Polystyrolnanopartikel hergestellt. Die Polystyrolnanopartikel waren mit unterschiedlichen funktionellen Gruppen wie Polyethylenoxid- und Polypropylenoxidketten oder Hydroxygruppen auf der Oberfläche versehen, um den Metallocenkatalysator und den Cokatalysator MAO immobilisieren zu können. In verschiedenen Experimenten wurde der Einfluss dieser Polystyrolnanopartikel als Träger auf die Katalysatoreigenschaften wie Aktivität oder Produktivität und die Eigenschaften des produzierten Polyolefins wie z.B. Molekulargewicht und Morphologie untersucht. Im Vergleich zu den PS- Nanopartikeln wurden außerdem PS-Mikropartikel, Silica und Dendrimere als Träger in der heterogenen Olefinpolymerisation eingesetzt. Von all diesen Trägersystemen wurde das Fragmentierungsverhalten durch konfocale Fluoreszenzmikroskopie untersucht. Aus den erhaltenen Ergebnissen kann geschlossen werden, dass die hergestellten Polystyrolnanopartikel neuartige und leistungsfähige Träger für heterogene Polymerisationsprozesse darstellen. Die hergestellten Polystyrolnanopartikel besaßen eine wohldefinierte sphärische Struktur, die eine homogene Verteilung des immobilisierten Metallocenkatalysators und somit auch eine vollständige Fragmentierung des geträgerten Katalysators im hergestellten Polyolefin ermöglichte. Die Katalysatorsysteme, die aus den PS- Nanopartikeln und dem Metallocenkatalysator zusammengesetzt waren, wurden in verschiedenen Polymerisationen wie der Ethylen- oder Propylenhomopolymersation und der Copolymerisation von Ethen mit α- Olefinen getestet. Die Oberflächen- funktionalisierten PS Nanopartikel immobilisierten den Metallocenkatalysator ausreichend gut, so dass kein „Leachen“ (Ablösen) des Katalysators von der Trägeroberfläche festgestellt werden konnte und deshalb Polymer von sehr guter Morphologie erhalten wurde. Um die Fragmentierung des Katalysators und den inneren Aufbau des Polymers näher untersuchen zu können, wurde die konfocale Fluoreszenzmikroskopie für das PS- Nanopartikelträgersystem angewendet. Durch farbstoffmarkierte Trägerpartikel konnte die Verteilung des fragmentierten Katalysators innerhalb des Polymers sichtbar gemacht und analysiert werden. Dabei wurde festgestellt, dass sich PS- Nanopartikel und auch Dendrimere als Träger ähnlich verhalten wie Ziegler- Natta- Katalysatoren, die auf MgCl2 immobilisiert für die heterogene Olefinpolymerisation verwendet werden. Das Fragmentierungsverhalten der Silica oder PS- Mirkopartikel geträgerten Systeme entsprach dagegen dem schichtweisen Fragmentierungsverhalten wie es bereits von Fink und Mitarbeitern beschrieben wurde.

Latexpartikel als Trägermaterialien in der durch Postmetallocene katalysierten Ethenpolymerisation

Die vorliegende Arbeit beschäftigte sich mit der Immobilisierung von Postmetallocenen auf einem organischen Trägermaterial für die heterogene Ethenpolymerisation. Dabei konnte gezeigt werden, dass sich mit nukleophilen Gruppen funktionalisierte Latexpartikel als Trägermaterial für empfindliche Bis(phenoxyimin)titankatalysatoren eignen. Durch geschickte Kombination aus Trägermaterial, Katalysator und Cokatalysator wurde ein Katalysatorsysteme erhalten, das ultrahochmolekulares Polyethylen mit einem Molekulargewicht Mw von bis zu 7.000.000 g/mol (GPC, PS-Standard) bei einer enger Molekulargewichtsverteilung von weniger als 3 erzeugt. Die erhaltenen Produktivitäten erreichten dabei die Anforderungen an industriellen Katalysatorsystemen. Erstaunlich war, dass nukleophile Gruppen auf den Latexpartikeln, die dafür bekannt sind, dass sie den Katalysator deaktivieren können, ein wichtige Schutzfunktion für den Titankatalysator bilden. So konnte gezeigt werden, dass Pyridingruppen auf der Oberfläche der Latexpartikel als Scavenger gegen Trimethylaluminium wirken, welches ansonsten den aktiven Titankomplex zersetzen würde. An ausgewählten Systemen auf der Basis unterschiedlicher Postmetallocene und einem Metallocen für die Ethenpolymerisation wurde durch Anwendung verschiedener Methoden das Polymerisationsverhalten der Latex-geträgerten Katalysatorsysteme untersucht. Eine Methode war die so genannte Videomikroskopie, bei der in Gasphase Ethen polymerisiert wird und so das Wachstumsverhalten der Katalysatorpartikel analysiert werden kann. In Kombination mit einer kinetischen Kontrolle des Monomerumsatzes in Suspensionspolymerisation, konnte gezeigt werden, dass die auf Latexpartikel geträgerten Katalysatorsysteme ein anderes Polymerisationsverhalten besitzen wie in der Literatur beschriebene Silica-geträgerte Katalysatoren. Dies kann auf die unterschiedliche Beschaffenheit des Trägermaterials zurückgeführt werden. Während das harte Silica-Material Monomer nur in den Poren aufnimmt und so rasch nach Beginn der Polymerisation in eine diffusionskontrollierte Polymerisation übergeht, quillt das organische Trägermaterial mit dem Monomeren an und kann den aktiven Katalysator damit bedienen bis weiteres Monomer von außen in das Katalysatorpartikel nach diffundiert ist. Durch die weiche Beschaffenheit der organischen Latexpartikel kann das entstehende Polymer das Katalysatorpartikel außerdem leicht auseinandertreiben werden. Die Polymerisation kann so im ganzen Katalysatorpartikel beginnen, während das Silica-Trägermaterial nur langsam von außen nach innen fragmentieren kann.