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青岛科技大学刘恒/王孝华团队开辟后过渡金属催化烯烃聚合新策略:协同F…Ni/H…Ni非共价相互作用赋能高性能乙烯聚合催化剂
2026-07-024
    聚烯烃是目前种类最多、应用最广泛的高分子材料,而聚烯烃的发展高度依赖于高性能催化剂的研究。1995Brookhart报道α-二亚胺Ni(II)Pd(II)催化剂开启了后过渡金属催化剂催化烯烃聚合的新篇章。然而热稳定性差限制着α-二亚胺Ni(II)催化剂的大规模应用。开发有效新策略以提升乙烯聚合中α-二亚胺镍(II)催化剂的催化性能——如提高催化剂热稳性、抑制链转移以实现超高分子量聚乙烯、调聚合物微观结构等一直是该领域长久挑战。
    近日,青岛科技大学高分子科学与工程学院刘恒、王孝华教授团队在α-二亚胺镍(II)乙烯聚合催化剂领域取得研究进展团队合成一种具有赤道F··Ni和轴向H···Ni协同相互作用新型α-二亚胺镍(II)催化剂Ni1-Ni2并通过Ni2催化剂单晶证明存在赤道F··Ni和轴向H···Ni协同相互作用。
1. 催化剂rac-(R,R-S,S)-Ni2的单晶结构图

   在乙烯聚合研究中,轴向H···Ni相互作用抑制链转移反应,得到具有289.03×104 g/mol超高分子量聚乙烯弹性体。同时,赤道F···Ni相互作用抑制潜在的催化剂失活途径,显著提高了催化剂热稳定性,在100℃高温聚合条件下仍然具有0.25×106 g mol-1 h-1的活性并聚合得到高分子量聚乙烯(25.85×104 g/mol)

2. 催化剂Ni1-Ni2ref-meso-(S,R)-Ni3乙烯聚合行为对比(a) 催化活性(b) 支化度(c)分子量Mw.

    此外该团队通过密度泛函理论计算证明氟原子在乙烯聚合过程中可同时发挥两个独特作用:一是直接与镍中心配位形成赤道Ni···F相互作用,有效抑制高温失活路径其中无氟催化剂C-H失活能垒为28.4 kcal/mol,而含氟催化剂C-F失活能垒高达48.0 kcal/mol活化能垒的提高能够显著增强活性物种的热稳定性。同时动力学研究表明,在60°C80°C高温下,meso-(S,R)-Ni1rac-(R,R-S,S)-Ni1均表现出部分可控的聚合特征——分子量与聚合时间呈线性关系,且分子量分布较窄(1.2-1.6)。这得益于氟取代基通过F···Ni配位对阳离子镍活性物种的稳定作用。

3. meso-(S,R)-Ni1乙烯聚合的计算自由能曲线(ΔGkcal/mol).

4. meso-(S,R)-Ni1 (a)ref-meso-(S,R)-Ni3 (b)高温失活能.

    二是氟原子与镍中心形成短接触F···H距离为2.31 ?,短于范德华半径之和2.67 ?)。这种相互作用使链转移过程中,过渡态中的氢原子受到额外的约束,难以向金属中心发生β-迁移从而提高了β-H消除过程的能垒,减少β-H消除,最终抑制链行走。

5. meso-(S,R)-Ni1乙烯聚合过程中间体Int_3Ni1 (a)TS_2Ni1 (b)的优化结构.

    在极性单体共聚方面,meso-(S,R)-Ni1为催化剂,成功实现乙烯与十一烯碳酸甲酯、丙烯酸丁酯、降冰片烯甲酸甲酯、十一烯醇四类极性单体共聚。十一烯醇对催化剂毒化作用最弱,20°C聚合活性68.7×104 g PE/(mol Ni?h),极性单体插入率0.07 mol%;升温至60°C可提升插入率至0.20 mol%能够制备自带羟基、酯基官能团的功能化聚乙烯,拓宽聚烯烃在粘接、涂料、生物相容材料领域应用。

    拉伸性能方面meso-(S,R)-Ni120°C下所得聚乙烯具有20.85 MPa的断裂应力和671.65%的断裂应变。循环拉伸实验显示,随聚合温度升高,弹性回复率(SR)45%(20°C)提升至60%(60°C),与支化度增加趋势一致,展现出优异的弹性体性能

6. meso-(S,R)-Ni1rac-(R,R-S,S)-Ni1聚合所得聚乙烯的应力-应变曲线.

    该工作通过引入氟取代基,在α-二亚胺镍催化剂中同时构建了赤道F···Ni和轴向H···Ni协同非共价作用,实现了三重性能突破:轴向H···Ni作用高效抑制链转移以获得超高分子量聚乙烯弹性体;赤道F···Ni配位显著增强活性物种热稳定性,使催化剂在100°C高温下仍保持活性;F···H-Ni短程接触提高链行走能垒,有效调控聚乙烯支化度。这一策略为后过渡金属烯烃聚合催化剂的设计提供了新的思路

   相关工作近期发表Journal of Catalysis2026, 461, 116987文第一作者为青岛科技大学硕士研究生孙洪飞通信作者刘恒教授王孝华副教授文中理论计算部分得到中国石油大学(华东)马丽爽副教授的大力支持。工作同时得到国家自然科学基金(22071236, 22201154, 218012360)、山东省自然科学基金(ZR2022QB011)和泰山学者计划(tsqn202211165)的资助。

论文链接:https://doi.org/10.1016/j.jcat.2026.116987













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