03.11.2020 - University of Tokyo

Gut orientiert: Katalysatoren für isotaktische polare Polypropylene

Japanisches Team entwickelt einen neuen Ansatz, mit dem sich besser geeignete Katalysatoren wesentlich einfacher herstellen lassen

Polypropylen (PP) ist einer der weltweit am meisten eingesetzten Kunststoffe. Auf der Basis von PP mit kontrollierter räumlicher Anordnung der Propylen-Bausteine und zusätzlichen polaren Bausteinen könnte eine neue Generation attraktiver technischer Spezial-Kunststoffe entstehen, z.B. mit verbesserter Benetzbarkeit und erhöhter Abbaubarkeit. In der Zeitschrift Angewandte Chemie stellt ein japanisches Team einen Ausgangspunkt für eine neue Klasse von Palladium-Katalysatoren für diesen Polymerisationstyp vor.

Für die Eigenschaften von PP ist ganz entscheidend, in welcher räumlichen Orientierung die einzelnen Monomere an die wachsende Polymerkette angeknüpft werden (Taktizität): Bei einem ataktischen PP (aPP) ist diese zufällig. Bei einem syndiotaktischen PP (sPP) zeigen die CH3-Seitengruppen der Monomere immer abwechselnd nach beiden Seiten des Polymer-Rückgrates. Am begehrtesten aufgrund seiner besonders günstigen mechanischen Eigenschaften ist isotaktisches PP (iPP), bei dem alle Gruppen in dieselbe Richtung weisen. Der zusätzliche Einbau funktioneller polarer Monomere in iPP wäre ein wichtiger Schritt für die Entwicklung neuartiger Kunststofftypen.

Mit den gängigen Ziegler-Natta- und Metallocen-Katalysatoren ist eine solche Copolymerisation jedoch stark eingeschränkt, da typische polare Monomere zuvor „maskiert“, d.h. mit speziellen Schutzgruppen bestückt werden müssen. Mit Nickel- oder Palladium-Katalysatoren geht es auch unmaskiert – allerdings unter deutlichen Einbußen bei der Isotaktizität. Gewisse Erfolge konnten mit speziellen Ni- und Pd-Phosphin-Komplexen (ein Typ Phosphor-haltiger organischer Verbindung) erzielt werden, deren Synthese sich jedoch ausgesprochen mühsam und zeitaufwendig gestaltet.

Das Team um Kyoko Nozaki von der Universität Tokio entwickelte jetzt einen neuen Ansatz, mit dem sich besser geeignete Katalysatoren wesentlich einfacher herstellen lassen. Die Idee dahinter: Während die räumliche Ausrichtung der Propylen-Monomere während der Polymerisation bei den bisherigen Phosphin-Katalysatoren durch die spezielle räumliche Struktur (Stereogenität) an bestimmten Kohlenstoffatomen der organischen Menthol-Substituenten des Phophins beeinflusst werden, wollten die Forscher Phosphin-Verbindungen entwickeln, die die benötigte Stereogenität am Phosphoratom aufweisen.

Um die bisher nötigen langwierigen synthetischen Anforderungen zu vermeiden, entwickelten sie zudem wesentlich zeiteffizientere Syntheseprotokolle unter Verwendung lagerfähiger modularer Bausteine und von Phenol abgeleiteter Phosphinite (Phosphor- und Sauerstoff-haltige organische Verbindungsklasse). So ließen sich rasch und einfach eine Vielzahl verschiedener Phosphine und die entsprechenden Palladium-Komplexe herstellen, die mit einem raschen Screening-Ansatz erfolgreich nach geeigneten Kandidaten durchforstet wurden.

Das Forschungsteam fand auf diese Weise Katalysatoren, die Propylen mit polaren Monomeren zu Copolymeren mit besonders hoher Isotaktizität polymerisieren, sogenanntes isotaktisches polares Polypropylen (iPPP).

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