کاربرد شبیه‌سازی رایانه‌ای در کاتالیزگرهای پلی‌اولفینی از نوع زیگلر-ناتا

نوع مقاله : تالیفی

نویسندگان

1 گروه مهندسی شیمی و پلیمر دانشکده فنی مهندسی، واحد تهران مرکزی، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران.

2 عضو هیئت علمی پژوهشگاه پلیمر و پتروشیمی ایران

چکیده

شیمی محاسباتی شاخه‌ای از شیمی است که با استفاده از شبیه‌سازی رایانه‌ای سعی در حل مسائل شیمی دارد. در این روش، فن‌های موجود در شیمی نظری به‌کار گرفته می‌شوند، به‌طوری که در آن از رایانه برای بررسی ساختار و خواص مولکول‌ها استفاده می‌شود. نمونه‌هایی از این خواص شامل ویژگی‌های ساختاری، انرژی (برهم‌کنش)، توزیع بار الکترونی، ممان دوقطبی و بسامدهای ارتعاشی هستند. روش‌های شیمی محاسباتی از محدوده بسیار دقیق تا بسیار تقریبی را در بر می‌گیرد و عمدتاً شامل روش‌های آغازین و روش‌های نیمه‌تجربی هستند. در روش آغازین به‌طور کامل از مکانیک کوانتومی و ثابت‌های فیزیکی استفاده می‌شود، در حالی که در روش‌های نیمه‌تجربی، عامل‌های تجربی نیز به‌کار گرفته می‌شوند. با آنکه نتایج محاسبات به‌طور معمول مکمل اطلاعات به‌دست آمده از آزمایش‌های شیمیایی است، در برخی از موارد می‌تواند پدیده‌های شیمیایی را پیش‌بینی کند که تاکنون مشاهده نشده یا انجام آن‌ها در آزمایشگاه امکان‌پذیر نیست. به‌دلیل اهمیت ویژه شیمی محاسباتی در حل مسائل شیمیایی، به‌ویژه واکنش‌های کاتالیزگری، در این مقاله بدان توجه شده است. نخست درباره روش‌های موجود در شیمی محاسباتی و نرم‌افزارهای مربوط توضیحاتی ارائه می‌شود. سپس، به کاربرد این روش در واکنش‌های پلیمرشدن کاتالیزی اولفین‌ها با استفاده از کاتالیزگرهای زیگلر-ناتا پرداخته می‌شود که جزء مهم‌ترین واکنش‌های شیمیایی شناخته شده هستند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Application of Computational Modelling in Ziegler-Natta Type Polyolefin Catalysts

نویسندگان [English]

  • Seyed Amin Mirmohammadi 1
  • naeimeh bahri-laleh 2
1 Department of Chemical & Polymer Engineering, Central Tehran Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran.
2 1Department of Polymerization Engineering, Iran Polymer and Petrochemical Institute, P.O. Box 14965/115, Tehran, Iran.
چکیده [English]

Computational chemistry is a branch of chemistry which uses computer simulation to assist in solving chemical problems. In this technique, the methods of theoretical chemistry, incorporated into efficient computer programs, are used in order to calculate the structures and properties of molecules. Examples of such properties are structural parameters, (interaction) energies, electronic charge distributions, dipoles and higher multiple moments and vibrational frequencies. Computational chemistry methods range from highly accurate to very approximate methods which mainly include Ab initio and semi-empirical methods. Ab initio methods are based entirely on quantum mechanics and basic physical constants. Other methods are called empirical or semi-empirical, because they employ additional empirical parameters. While computational results normally complement the information obtained by chemical experiments, it can in some cases predict infeasible and undone chemical reactions. Due to the importance of computational chemistry in solving and predicting chemical reactions, especially catalytic reactions, this article is dedicated to this issue. First, the computational chemistry software and methods will be described in brief. Then, the application of computational chemistry in polymers is reviewed with special focus on Ziegler-Natta catalytic olefin polymerization reactions.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Zigler-Natta catalyst
  • density functional theory (DFT)
  • olefin polymerization
  • quantum mechanics (QM) simulation
  • computational chemistry
1. Gharibi M. and Motallebipour M., Computational Chemistry (Persian), Andishehsara, Tehran, 47-53, 2012.
2. Ghambarian M., Computional Organic Chemistry (Persian), Tarbiat Modares University, Tehran, 24-29, 2013.
3. Bavafa S., Deisign Softwares and Computional Chemistry (Persian), Andishehsara, Tehran, 78-89, 2014.
4. Jensen F., Introduction to Computational Chemistry, John Wiley and Sons, West Sussex, England, 107-115, 2007.
5. Bazvand R., Bahri-Laleh N., Nekoomanesh M., and Abedini H., Effect of Modifiers on the Performance of Ziegler-Natta Catalysts in Olefin Polymerization, Polymerization (Persian),
4, 22-31, 2014.
6. Durand D.J. and Fey N., Computational Ligand Descriptors for Catalyst Design, Chem. Rev., 119, 6561-6594, 2019.
7. Simons T.E., Quantum Mechanics in Chemistry, Oxford University, England, 202-207, 1977.
8. Robson M., Introduction to Chemical Kinetics, John Wiley and Sons, West Sussex, England, 152-159, 2004 .
9. Thakur A., Wada T., Chammingkwan P., Terano M., and Taniike T., Development of Large-Scale Stopped-Flow Technique and its Application in Elucidation of Initial Ziegler–Natta
Olefin Polymerization Kinetics, Polymers, 11, 1012, 2019. DOI:10.3390/polym11061012
10. Foresman J.B., Exploring Chemistry with Electronic Structure Methods, Gaussian, USA, 67-71, 1966.
11. Copéret C., Allouche F., Chan K.W., Conley M.P., Delley M.F., Fedorov A., et al., Bridging the Gap Between Industrial and Well-Defined Supported Catalysts, Angew. Chem. Int. Ed.,
57, 6398-6440, 2018.
12. Breuza E., Antinucci G., Budzelaar P., Busico V., Correa A., and Ehm C., MgCl2-Supported Ziegler-Natta Catalysts: A DFT-D ‘Flexible-Cluster’ Approach. TiCl4 and Probe Donor
Adducts, Int. J. Quantum. Chem., 118, e25721, 2018.  doi:10.1002/qua.25721
13. Bahri-Laleh N., Hanifpour A., Mirmohammadi S.A., Poater A., Nekoomanesh-Haghighi M., Talarico G., and Cavallo L., Computational Modeling of Hheterogeneous Ziegler-Natta
Catalysts for Olefins Polymerization, Prog. Polym. Sci., 84, 89-114, 2018.
14. Ray H. and Mathers R.T., Handbook of Transition Metal Polymerization
Catalysts, John wiley and Sons, Hoboken, New Jersey, 289, 2010.
15. Mori H., Sawada M., Higuchi T., K.Hasebe, and Terano M., Direct Observation of MgCl2-Supported Ziegler Catalysts by High Resolution Transmission Electron Microscopy, Macromol.
Rapid. Commun., 20, 245–250, 1999.
16. Boero M., Parrinello M., and Weiss H., A First Principles Exploration of a Variety of Active Surfaces and Catalytic Sites in Ziegler-Natta Heterogeneous Catalysis, J. Phys. Chem., 105,
5096-5105, 2001.
17. Bazvand R., Bahri-Laleh N., Nekoomanesh-Haghighi M., and Abedini H., Highly Efficient FeCl3 Doped Mg(OEt)2/TiCl4- Based Ziegler–Natta Catalysts for Ethylene Polymerization,
Des. Monomers Polym., 18, 599-610, 2015.
18. Correa A., Bahri-Laleh N., and Cavallo L., How Well Can DFT Reproduce Key Interactions in Ziegler–Natta Systems?,Macromol. Chem. Phys., 214, 1980-1989, 2013.
19. Bahri-Laleh N., Correa A., Mehdipour-Ataei S., Arabi H., Nekoomanesh-Haghighi M., Zohuri G.H., and Cavallo L., Moving Up and Down the Ti-Oxidation State in Ziegler Natta Catalysis, Macromolecules, 44, 778-783, 2011.
20. Stukalov D.V., Igor L., Zilberberg V., and Zakharov V.A., Surface Species of Titanium (IV) and Titanium (III) in MgCl2- Supported Ziegler-Natta Catalysts. A Periodic Density Functional
Theory Study, Macromolecules, 42, 8165-8171, 2009.
21. Correa A., Piemontesi F., Morini G., and Cavallo L., Key Elements in the Structure and Function Relationship of the MgCl2/TiCl4/Lewis Base Ziegler-Natta Catalytic System,
Macromolecules, 40, 9181-9189, 2007.
22. Takasao G., Wada T., Thakur A., Chammingkwan P., Terano M., and Taniike T., Machine Learning-Aided Structure Determination for TiCl4–Capped MgCl2 Nanoplate of Heterogeneous
Ziegler–Natta Catalyst, ACS Catal., 9, 2599-2609, 2019.
23. Stukalov D.V., and Zakharov V.A., Active Site Formation in  MgCl2-Supported Ziegler-Natta Catalysts. A Density Functional Theory Study, J. Phys. Chem. C., 113, 21376-21382,
2009.
24. Zaccaria F., Vittoria A., Correa A., Ehm C., Budzelaar P., Busico V., and Cipullo R., Internal Donors in Ziegler–Natta Systems: Is Reduction by AlR3 a Requirement for Donor Clean-Up?, ChemCatChem, 10, 984-988, 2018.
25. Bahri-Laleh N., Nekoomanesh-Haghighi M., and Mirmohammadi S.A., A DFT Study on the Effect of Hydrogen in Ethylene and Propylene Polymerization Using a Ti-Based Heterogeneous
Ziegler–Natta Catalyst, J. Organomet. Chem., 719, 74-79, 2012.
26. Bahri-Laleh N., Falivene L., and Cavallo L., Testing DFT Ability to Predict the Stereoselectivity of Group 4 Metallocenes in Propylene Polymerization, Polyolefins J., 1, 139-146, 2014.