Catalizadores Ziegler-Natta: Estructura, Mecanismos y Aplicaciones en Polimerización

Catalizadores Ziegler-Natta

Los catalizadores Ziegler-Natta son complejos metálicos con propiedades catalíticas que permiten la polimerización de alquenos. Están formados por la interacción de alquilos de los metales de los grupos I-III de la tabla periódica con haluros de los metales de transición de los grupos IV-VIII. Son catalizadores heterogéneos. El estado de oxidación del metal de transición es un factor determinante en la actividad catalítica; frecuentemente se usa el Ti como TiCl₄, ya que es un agente reductor, pasando de Ti⁺⁴ a Ti⁺³. Los compuestos organometálicos más usados son los compuestos alquilaluminio por su alta estereoregularidad.

Mecanismos de Reacción

Existen dos mecanismos de reacción propuestos dependiendo de si el metal de los grupos I a III (Al) participa o no en la etapa de propagación:

• Si participa: mecanismo bimetálico (Ti + Al)
• Si no participa: mecanismo monometálico (Ti)

Generación del Catalizador

El catalizador se genera sobre una superficie (normalmente MgCl₂) y esa superficie se trata para obtener centros activos. Cuando se añade el monómero, los polímeros se formarán sobre dichos centros activos, formando centros quirales.

Aspectos Aceptados en la Propagación

Aunque el mecanismo preciso de la propagación no se conoce, hay ciertos aspectos que ahora son ampliamente aceptados basados en la evidencia experimental:

1. El monómero inicialmente se coordina al orbital vacante del metal de transición en la superficie del catalizador.
2. La disposición del monómero en la coordinación viene determinada por las interacciones estéricas y electrónicas con los ligandos del metal de transición. Una orientación particular es de menor energía.
3. La propagación se completa con la inserción de la molécula coordinada en el enlace metal-carbono.
4. La orientación de la molécula de monómero a medida que se inserta en el enlace metal-carbono determina la estereoquímica del carbono asimétrico en la recién formada unidad de repetición.
5. Los polímeros isotácticos se forman cuando la orientación preferida para la coordinación del monómero es de mucha menor energía que las otras orientaciones posibles.
6. El mecanismo de inserción de monómero siempre conduce a la formación de cadenas poliméricas lineales, independientemente de la estereoquímica detallada.

Tipos de Monómeros Accesibles

• Alpha olefina
• Dienos (butadieno, isopreno)
• Los compuestos con dobles enlaces internos no polimerizan

Desventajas de los Catalizadores Z-N

No todos los monómeros sirven.

Consideraciones Prácticas

Los catalizadores Ziegler-Natta se preparan bajo condiciones inertes y anhidras, ya que son altamente reactivos y muchos inflaman espontáneamente en contacto con la atmósfera. Si se utiliza disolvente, este tiene que ser inerte (alcanos). Si aumentamos mucho la temperatura, el centro catalítico se vuelve menos rígido y no es tan selectivo, disminuyendo el control esterequímico.

La industria suele utilizar catalizadores heterogéneos en lugar de homogéneos, porque son más fáciles de separar. Se llaman metalocenos a los catalizadores de un solo centro reactivo; para que el metal sea soluble en compuestos orgánicos, se añaden al metal grupos orgánicos y pasan a ser solubles.