Catalizadores de polipropileno
Un catalizador Ziegler-Natta, llamado así por Karl Ziegler y Giulio Natta, es un catalizador utilizado en la síntesis de polímeros de 1-alquenos (alfa-olefinas). Se emplean dos amplias clases de catalizadores Ziegler-Natta, que se distinguen por su solubilidad:
El Premio Nobel de Química de 1963 se concedió al alemán Karl Ziegler, por su descubrimiento de los primeros catalizadores a base de titanio, y al italiano Giulio Natta, por utilizarlos para preparar polímeros estereorregulares a partir del propileno. Los catalizadores Ziegler-Natta se utilizan en la fabricación comercial de diversas poliolefinas desde 1956. En 2010, el volumen total de plásticos, elastómeros y cauchos producidos a partir de alquenos con estos catalizadores y otros relacionados (especialmente Phillips) en todo el mundo supera los 100 millones de toneladas. En conjunto, estos polímeros representan los plásticos básicos de mayor volumen, así como los productos químicos básicos de mayor volumen del mundo.
A principios de los años 50, los trabajadores de Phillips Petroleum descubrieron que los catalizadores de cromo son muy eficaces para la polimerización a baja temperatura del etileno, lo que puso en marcha importantes tecnologías industriales que culminaron con el catalizador Phillips. Unos años más tarde, Ziegler descubrió que una combinación de tetracloruro de titanio (TiCl4) y cloruro de dietilaluminio (Al(C2H5)2Cl) ofrecía actividades comparables para la producción de polietileno. Natta utilizó α-TiCl3 cristalino en combinación con Al(C2H5)3 para producir el primer polipropileno isotáctico[3] Normalmente los catalizadores Ziegler se refieren a sistemas basados en el titanio para la conversión del etileno y los catalizadores Ziegler-Natta a sistemas para la conversión del propileno. En los años 70 se descubrió que el cloruro de magnesio mejoraba enormemente la actividad de los catalizadores basados en el titanio. Estos catalizadores eran tan activos que el titanio residual ya no se eliminaba del producto. Permitieron la comercialización de resinas de polietileno lineal de baja densidad (LLDPE) y el desarrollo de copolímeros no cristalinos[4].
Catalizador Ziegler-natta
Karl Ziegler (1898-1973) y Giulio Natta (1903-1979) fueron dos de los varios científicos que desarrollaron de forma independiente catalizadores que permitían la polimerización a temperatura ambiente y presión atmosférica normal y que controlaban exactamente la posición de los átomos unidos a las cadenas de polímeros.
Robert Banks y J. Paul Hogan, de Phillips Petroleum, habían descubierto un proceso similar aproximadamente un año antes, pero no fue resuelto por los tribunales estadounidenses hasta la década de 1980; para entonces, el nombre de polimerización Ziegler-Natta ya se había impuesto.
Ziegler nació cerca de Kassel, en el centro de Alemania. Estudió en la Universidad de Marburgo, sirvió brevemente en la Primera Guerra Mundial y volvió a Marburgo para doctorarse en 1920. Al principio de su carrera se interesó sobre todo por la síntesis orgánica y la química física orgánica, pero durante la Segunda Guerra Mundial contribuyó al esfuerzo alemán por fabricar caucho sintético. Al final de la guerra, estaba felizmente instalado como profesor en la Universidad de Halle, en un territorio que pronto sería ocupado por los soviéticos y que acabaría convirtiéndose en Alemania Oriental.
Giulio natta
El polietileno y el polipropileno son dos materiales de enorme importancia en el mercado. El hecho de que su uso continúe a pesar de las legítimas preocupaciones medioambientales es un testimonio de lo útiles que se han vuelto estos materiales a lo largo de los años.
En cambio, estos monómeros se encadenan mediante un proceso llamado “polimerización Ziegler-Natta”. Este proceso lleva el nombre de un químico alemán y otro italiano a los que se les atribuye de forma independiente su desarrollo en la década de 1950.
En la polimerización de Ziegler-Natta, los monómeros se tratan con un catalizador, como una mezcla de cloruro de titanio (o compuestos relacionados, como el cloruro de oxovanadio) con trietilaluminio (o trimetilaluminio). A menudo se añaden otros componentes, como el cloruro de magnesio, para modificar el catalizador y mejorar su rendimiento. La mezcla descrita aquí produce un catalizador heterogéneo; es un sólido insoluble.
A pesar de la complicada mezcla del catalizador, sabemos un poco sobre el mecanismo de la reacción. En parte, esta información procede de estudios de compuestos modelo. Los compuestos modelo son más sencillos que los catalizadores industriales, pero siguen teniendo algunas características estructurales en común con sus primos trabajadores. Tienen lo suficiente en común para poder llevar a cabo la catálisis de la polimerización, aunque quizá no tan bien como los pesos pesados industriales.
Polimerización Ziegler-natta del propileno
Antes de los primeros años de la década de 1920, los químicos dudaban de la existencia de moléculas con pesos moleculares superiores a unos pocos miles. Este punto de vista limitado fue cuestionado por Hermann Staudinger, un químico alemán con experiencia en el estudio de compuestos naturales como el caucho y la celulosa. En contraste con la racionalización predominante de estas sustancias como agregados de pequeñas moléculas, Staudinger propuso que estaban formadas por macromoléculas compuestas por 10.000 o más átomos. Formuló una estructura polimérica para el caucho, basada en una unidad repetitiva de isopreno (denominada monómero). Por sus aportaciones a la química, Staudinger recibió el Premio Nobel en 1953. Los términos polímero y monómero derivan de las raíces griegas poly (muchos), mono (uno) y meros (parte).
El reconocimiento de que las macromoléculas poliméricas constituyen muchos materiales naturales importantes fue seguido por la creación de análogos sintéticos con diversas propiedades. De hecho, las aplicaciones de estos materiales como fibras, películas flexibles, adhesivos, pinturas resistentes y sólidos resistentes pero ligeros han transformado la sociedad moderna. En los siguientes apartados se analizan algunos ejemplos importantes de estas sustancias.