Nur Wasser hinzufügen: Einfache Methode zur Herstellung vielseitiger poröser Polymere
Netzwerkpolymere auf der Basis von Polyethylenimin durch einfaches Auflösen von Triaziridinverbindungen in Wasser herstellen
Für ein Polymer, das aus sehr einfachen sich wiederholenden Einheiten besteht, hat Polyethylenimin (PEI) eine erstaunliche Anzahl praktischer Anwendungen, darunter Reinigungsmittel, Klebstoffe, Kosmetika, Industriemittel, CO2-Abscheidung und sogar Zellkulturen. Im Allgemeinen wird PEI durch die ringöffnende Polymerisation von Ethylenimin, auch bekannt als Aziridin, synthetisiert. Bei dieser Herstellung entsteht ein flüssiges Polymer mit einer verzweigten Struktur.
Forscher des SIT in Japan haben herausgefunden, dass die Zugabe von Wasser zu einer Triaziridinverbindung bei milden Temperaturen ausreicht, um starke und beständige poröse Polymere herzustellen. Durch Anpassung der Reaktionstemperatur und der anfänglichen Triaziridin-Konzentration können die morphologischen und mechanischen Eigenschaften der Polymere gesteuert werden.
Reprinted (adapted) with permission from Naga et al. Ring-Opening Polymerization of Triaziridine Compounds in Water: An Extremely Facile Method to Synthesize a Porous Polymer through Polymerization-Induced Phase Separation. ACS Macro Lett. 2022, 11, 5, 603–607. Copyright {2022} American Chemical Society.
Trotz seines großen Potenzials wird PEI durch die Tatsache behindert, dass Ethylenimin eine hochgiftige Substanz ist. Da dieses Vorprodukt kommerziell nicht erhältlich ist, ist es ziemlich schwierig, Experimente durchzuführen, die darauf abzielen, die Morphologie oder den Zustand von PEI zu kontrollieren. Infolgedessen könnten uns viele neue Anwendungen für PEI entgehen.
Um dieses Problem zu lösen, hat sich ein Forscherteam des japanischen Shibaura Institute of Technology (SIT) auf die Entwicklung neuer PEI-basierter Netzwerkpolymere konzentriert. Unter der Leitung von Professor Naofumi Naga von der Graduate School of Engineering and Science am SIT entdeckte das Team vor kurzem eine einfache, aber revolutionäre Methode zur Herstellung solcher Polymere auf der Grundlage einer Triaziridin-Verbindung; ihr Vorschlag: einfachetwas Wasser hinzufügen. Diese Studie, die am 12. April 2022 online veröffentlicht wurde und am 17. Mai 2022 in Band 11, Ausgabe 5 der ACS Macro Letters erschien, wurde in Zusammenarbeit mit Professor Tamaki Nakano vom Institut für Katalyse und der Graduate School of Chemical Sciences and Engineering der Universität Hokkaido, Japan, im Rahmen des Joint Usage/Research Center Program (MEXT) durchgeführt.
Obwohl die Forscher zwei Triaziridinverbindungen getestet haben, konnte nur eine von ihnen nach der Reaktion mit Wasser durchgängig ein poröses Polymernetzwerk bilden. Die vollständige chemische Bezeichnung lautet 2,2-Bishydroxymethylbutanol-tris[3-(1-Aziridinyl)propionat] und kann mit "3AZ" abgekürzt werden. Das Team entdeckte, dass das Auflösen von 3AZ in destilliertem Wasser bei Temperaturen im bescheidenen Bereich von 20 bis 50 °C ausreicht, um die Aziridin-Gruppen zu öffnen und die 3AZ-Monomere miteinander zu verbinden. Das Ergebnis war bei den meisten Temperaturen und anfänglichen 3AZ-Konzentrationen eine poröse Polymerphase.
Das Team analysierte die Morphologie der porösen Polymere mittels Rasterelektronenmikroskopie. Während die Synthesetemperatur in dieser Hinsicht keine Rolle zu spielen schien, führten unterschiedliche Konzentrationen von 3AZ zu unterschiedlichen Partikelgrößen, die zwischen 1 und 5 μm lagen. Im Gegenteil, die Synthesetemperatur wirkte sich auf einige der mechanischen Eigenschaften der porösen Polymere aus, z. B. auf den Elastizitätsmodul. Bemerkenswert ist, dass alle porösen Polymere Drucktests von 50 N standhalten konnten.
Die Möglichkeit, die morphologischen und mechanischen Eigenschaften poröser Polymere auf PEI-Basis maßgeschneidert einzustellen, ist ein großer Vorteil, umso mehr, wenn es nur darum geht, eine einfache Reaktion mit Wasser einzustellen. "Wasser ist aufgrund seiner Umweltfreundlichkeit, Verfügbarkeit und Nachhaltigkeit ein ideales Lösungsmittel für die Chemie", bemerkt Professor Naga, "Unsere Arbeit berichtet über eine der einfachsten Methoden zur Herstellung eines PEI-basierten Netzwerkpolymers, die bisher bekannt ist." Zusätzlich zu den vielseitigen Eigenschaften stellte das Team fest, dass ihre porösen Polymere unabhängig von ihren Eigenschaften verschiedene Lösungsmittel absorbieren können, darunter Hexan, Aceton, Ethanol, Dichlormethan und Chloroform.
Insgesamt wird diese Studie hoffentlich neuartige Polymere auf PEI-Basis ins Rampenlicht rücken. Mit Blick auf die Zukunft erwarten Professor Naga und seine Kollegen, dass sie neue Anwendungen für diese Verbindungen finden werden. "Die Verarbeitung und chemische Modifizierung der porösen 3AZ-Polymere wird ihre Anwendungsbereichewahrscheinlich erweitern, und Untersuchungen zu diesen Aspekten sind bereits im Gange", so Naga abschließend.
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