01.03.2021 - Nagoya Institute of Technology (NITech)

Mit einer neuen umweltfreundlichen Polymerisationsmethode die Zukunft gestalten

Neuartiges umweltfreundliches Polymerisationsverfahren mit nicht-metallischen Organokatalysatoren öffnet Türen zu effizienten Polymerprodukten

Viele Materialien in der modernen Welt - von den Kunststoffen, die sie dominieren, bis zu den elektronischen Chips, die sie antreiben - sind aus Polymeren aufgebaut. Angesichts ihrer Allgegenwärtigkeit und der sich entwickelnden Anforderungen unserer Welt ist die Suche nach besseren und effizienteren Methoden zu ihrer Herstellung ein ständiges Anliegen der Forschung. Darüber hinaus erfordern die aktuellen Umweltprobleme die Verwendung von Methoden und Ausgangsmaterialien, die umweltfreundlich sind.

Jüngste Forschungen von Wissenschaftlern des Nagoya Institute of Technology, Japan, gehen in diese Richtung und fügen einer Polymerisationstechnik, die seit den 1980er Jahren bekannt und erfolgreich ist, einen neuen Dreh hinzu: die lebende kationische Polymerisation, bei der das Wachstum der Polymerkette nicht beendet werden kann, bis das Monomer verbraucht ist. Die Wissenschaftler haben zum ersten Mal eine metallfreie Organokatalyse für diese Reaktion bei Raumtemperatur für Vinyl- und Styrolpolymere, zwei der am häufigsten in Kunststoffen verwendeten Polymere, nachgewiesen. Ihre Methode ist nicht nur effizienter als bisherige metallbasierte Methoden, sondern auch umweltfreundlicher. Ihre Ergebnisse sind in der Zeitschrift Polymer Chemistry der Royal Society of Chemistry veröffentlicht.

In ihrer Studie testeten sie zunächst die Anwendbarkeit von nicht-ionischen und mehrzähnigen (oder mehrere Elektronenpaare aufnehmenden) halogenbindenden Organokatalysatoren, speziell zwei Jod-tragende polyfluor-substituierte Oligoarene, für die lebende kationische Polymerisation von Isobutylvinylether. Dr. Koji Takagi, leitender Wissenschaftler der Studie, erklärt in einem Nebensatz: "Die nicht-ionische Eigenschaft ist vorteilhaft, weil der Katalysator in weniger polaren Lösungsmitteln wie Toluol löslich ist, das für eine solche Polymerisation von Vinylmonomeren besser geeignet ist."

Sie fanden heraus, dass die Reaktion mit der dreizähnigen Variante sogar bei Raumtemperatur reibungslos ablief und eine gute Ausbeute - wenn auch weniger als die theoretische Grenze - in einer angemessenen Zeit erreichte, ohne dass sich der Katalysator zersetzte oder als Verunreinigung im Produkt auftrat. Wie Dr. Takagi erklärt, könnte dies ein großer Vorteil gegenüber bestehenden metallischen Katalysatoren sein, die in der Industrie verwendet werden: "Während Katalysatoren auf Metallbasis im letzten Jahrhundert einen bedeutenden Beitrag zu den Materialwissenschaften geleistet haben, führt die Kontamination durch verbleibende metallische Verunreinigungen oft zu einer Verringerung der Lebensdauer und Leistung der hergestellten Materialien. Wir glauben, dass die vorliegende Erkenntnis zur Herstellung hochreiner und zuverlässiger polymerer Materialien führen wird."

Damit bezieht er sich natürlich auch auf die andere wichtige Erkenntnis der Studie. Im zweiten Teil der Studie wurde die Anwendbarkeit von ionischen Iodoimidazolium-Katalysatoren mit verschiedenen Gegenanionen (die negativen Ionen, die die positiv geladene Gruppe begleiten) für die Polymerisation von p-Methoxystyrol (pMOS) und unsubstituiertem Styrol untersucht, wobei letzteres schwieriger zu polymerisieren ist als ersteres.

pMOS polymerisierte leicht bei Raumtemperatur innerhalb von zwei Stunden und ohne Katalysatorzersetzung eines zweizähnigen 2-Iodimidazolium-Salzes, das ein Triflat-Gegenanion hatte. Unsubstituiertes Styrol lieferte die maximale Polymerausbeute über eine Reaktion bei -10°C für 24 Stunden mit einem anionenstabilisierenden und sperrigen Gegenion-haltigen Katalysator.

Zu den erhaltenen Produkten sagt Dr. Takagi: "Obwohl die erhaltenen Polymere nicht für einen bestimmten Zweck bestimmt sind, soll unsere Methodik für die Synthese von leitfähigen und abbaubaren Polymeren angewendet werden, die keine metallischen Verunreinigungen enthalten sollten, wenn sie für den praktischen Gebrauch konstruiert werden sollen."

In der Tat sind die Erkenntnisse von unschätzbarem Wert, um die effizientere Herstellung von polymeren Materialien für eine Vielzahl von Anwendungen voranzutreiben. Der erfolgreiche Einsatz von Organokatalysatoren bei Raumtemperatur bietet aber noch einige weitere Vorteile. Zum einen sind Organokatalysatoren unempfindlich gegenüber Feuchtigkeit und Sauerstoff, was das manchmal schwerwiegende Problem beseitigt, das die relativ hygroskopische Natur von ionischen Katalysatoren für solche kontrollierten Polymerisationsreaktionen darstellt. Außerdem sind sie leicht verfügbar und daher kostengünstig. Sie sind auch nicht giftig für die Umwelt. Und wenn die Reaktionen bei Raumtemperatur durchgeführt werden, ist der Energiebedarf gering.

Diese Studie ebnet somit den Weg für kostengünstige Elektronik in der Zukunft, die auf nachhaltige Weise aus umweltfreundlichen Materialien hergestellt wird.

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