Die wachsenden Möglichkeiten von biobasierten Polymeren
Forscher präsentieren einen neuen Weg zur Herstellung von biobasierten Polyestern mit einstellbaren Eigenschaften
Innovative und nachhaltige Lösungen für unsere Materialbedürfnisse zu finden, ist eines der Kernziele der grünen Chemie. Die unzähligen Kunststoffe, die unser tägliches Leben umhüllen - von Matratzen über Lebensmittel bis hin zu Autos - werden meist aus erdölbasierten Monomeren hergestellt, die die Bausteine der Polymere sind. Daher ist es attraktiv, biobasierte Monomere für die Polymersynthese zu finden, um nachhaltigere Lösungen in der Materialentwicklung zu erreichen.
ICIQ/Francesco Della Monica
In einer in ACS Sustainable Chemistry & Engineering veröffentlichten Arbeit stellen Forscher der Kleij-Gruppe einen neuen Weg zur Herstellung von biobasierten Polyestern mit einstellbaren Eigenschaften vor. Die Forscher bauen auf der multifunktionalen Struktur des Terpens β-Elemen auf: drei Doppelbindungen mit unterschiedlicher Reaktivität, die es erlauben, diese Bindungen selektiv umzuwandeln und so die Funktionalitäten im Rückgrat des Polymers zu verändern. "Dieses multifunktionale Terpengerüst ist ziemlich einzigartig und ermöglicht eine Feinabstimmung der strukturellen Vielfalt und perspektivisch die Modulation von Polymer- und Materialeigenschaften", erklärt Arjan Kleij, Gruppenleiter am ICIQ und Professor am ICREA.
In Zusammenarbeit mit der Firma Isobionics nutzten die Forscher β-Elemen, das durch eine innovative Zucker-Fermentationsroute gewonnen wurde. Dieser Prozess erwies sich als vielversprechender Anfang für die Verwendung von β-Elemen als Rohstoff für die Polymerisation. "Die Zuckerfermentationsroute von Isobionic verändert das Ausmaß der Verfügbarkeit von β-Elemen komplett, das nun in der Polymerproduktion eingesetzt werden kann", erklärt Francesco Della Monica, Postdoc in der Kleij-Gruppe im europäischen SUPREME-Projekt, ein MSCActions Individual Fellowship und Erstautor der Arbeit.
Über eine ringöffnende Copolymerisationsreaktion (ROCOP) kombinierten die Forscher β-Elemenoxide und Phthalsäureanhydrid (ein übliches Monomer, das bei der Herstellung von Polyestern verwendet wird), um das biobasierte lineare Polymer Poly(BEM-alt-PA) und seine verwandte Struktur, das vernetzte Poly(BED-alt-PA), herzustellen. Diese Umwandlungen wurden mit katalytischen Systemen (Eisen- und Aluminium-Aminotriphenolat-Komplexe in Kombination mit Bis-(Triphenylphosphin)-Iminiumchlorid) erreicht, die zuvor von der Gruppe unter Verwendung unkritischer, reichlich vorhandener Elemente für die katalytische Polymerisation entwickelt wurden.
Sobald der Polyester hergestellt ist, gibt es zwei verbleibende Doppelbindungen aus dem ursprünglichen Terpen-Baustein, die leicht und selektiv adressiert und funktionalisiert werden können, wodurch der endgültige Polyester maßgeschneidert werden kann. "Diese Nachmodifikationsreaktionen an einem biobasierten Polymer sind recht selten. Die meisten biobasierten Monomere, die verfügbar sind, weisen keine Funktionalitäten auf", bemerkt Della Monica.
Die Arbeit ist ein Ausgangspunkt für die weitere Entwicklung von β-Elemen-basierten Polymeren, die es ermöglichen, die Eigenschaften des Endmaterials (je nach Verwendung) durch einfache Modifikationen nach der Polymerisation anzupassen. Das Papier geht nicht auf die biologische Abbaubarkeit des Materials ein, obwohl für Della Monica "je nach Endverwendung das Ideal vielleicht nicht die biologische Abbaubarkeit ist, sondern die Schaffung eines recycelbaren Polymers: d.h. man nimmt ein Ausgangsmaterial, stellt das Polymer her, verwendet es, gewinnt es zurück und baut es dann kontrolliert ab und verwendet das Material wieder. Jetzt, wo wir die Idee einer Kreislaufwirtschaft in greifbare Nähe gerückt haben, brauchen wir auch zirkuläre Prozesse", schließt die Wissenschaftlerin.
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