Polymerforskere opdager vej til bæredygtige og bionedbrydelige polyestere

Der er en god chance for, at du har rørt ved noget, der er lavet af polyolefinpolymeren i dag. Det bruges ofte i polyethylenprodukter som plastposer eller polypropylenprodukter som bleer.

Så nyttig som polyolefiner er i samfundet, de fortsætter med at formere sig som affald i miljøet. Forskere vurderer plastposer, for eksempel, vil tage århundreder at nedbryde.

Men nu, forskere ved Virginia Tech har syntetiseret et bionedbrydeligt alternativ til polyolefiner ved hjælp af en ny katalysator og polyesterpolymeren, og dette gennembrud kan i sidste ende få en dybtgående indvirkning på bæredygtighedsindsatsen.

Rong Tong, adjunkt i Institut for Kemiteknik og tilknyttet fakultetsmedlem i Macromolecules Innovation Institute (MII), ledet forskergruppen, hvis fund for nylig blev offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikation .

En af de største udfordringer inden for polymerkemi er at kontrollere takticiteten eller stereokemien af ​​polymeren. Ved multiplikation af monomer -underenheder til den makromolekylære kæde, det er svært for forskere at replikere et konsekvent arrangement af sidekædefunktionelle grupper, der stammer fra hovedpolymerkæden. Disse funktionelle grupper i sidekæden påvirker i høj grad en polymers fysiske og kemiske egenskaber, såsom smeltetemperatur eller glasovergangstemperatur, og regelmæssig stereokemi fører til bedre egenskaber.

Tong sagde, at hans gruppe nu har fundet en måde at skabe regelmæssig stereokemi med polyestere.

"Der findes ingen metode til at udføre denne form for kemi, "Tong sagde." Folk har tidligere udført lignende arbejde med polylactid, men vi har grundlæggende vist, at hvis vi kontrollerer stereokemien, polyestrene vil have forbedrede fysiske og kemiske egenskaber. "

Tong og hans postdoc, Quanyou Feng, kombineret en ny fotoredox Ni/Ir-katalysator-en overraskende simpel kemisk proces, der bruger en husstands pære til at starte reaktionen-med en stereoselektiv Zn-katalysator til at starte ringåbningspolymeriseringen af ​​O-carboxyanhydridmonomeren til at skabe disse forbedrede polyestere. Monomerer kan bekvemt polymeriseres inden for få timer med spormængder af katalysatorer. Det resulterende materiale har en høj molekylvægt, termisk stabilitet og krystallinitet, og kan nedbrydes i grundlæggende vandopløsning.

"Hvis du bruger en almindelig katalysator, det har ikke stereokemikontrol, men vi fandt ud af, at vores katalysator kan gøre det, "Tong sagde." I vores papir, vi demonstrerer, hvordan man designer sådanne stereoselektive katalysatorer, og hvordan de hjælper med stereokemikontrol. "

O-carboxyanhydrider er lavet af aminosyrer, som er naturlige organiske forbindelser, så disse polyestere ville nedbrydes, i modsætning til de nuværende ikke -nedbrydelige polyolefiner. Ud over, O-carboxyanhydrider kan bringe forskellige funktionelle grupper til polyesteren og diversificere polymerens anvendelse. I øjeblikket, FDA har kun godkendt nogle få polyestere til biomedicinsk anvendelse.

Efter endt syntese, Tong arbejdede derefter med Guoliang "Greg" Liu, en adjunkt i Institut for Kemi og med tilknyttet fakultetsmedlem med MII, for at vise, at de nye polymerer havde forbedrede egenskaber.

"Dr. Tongs laboratorium har enestående katalysatordesign og polymeriseringsteknikker, og vi har fremragende karakteriserings- og behandlingsfærdigheder, så det er naturligt for os at arbejde sammen, "Sagde Liu." At kontrollere og bevise taktik er ikke en triviel proces. Ved hjælp af differentiel scanningskalorimetri og nuklear magnetisk resonans, vi leverer stærke beviser for den struktur og egenskaber, vi går efter. "

At udvikle disse polyestere til applikationer er stadig nede på linjen, men Liu sagde for nu, at dette er en betydelig fremgang for materialeforskning.

"Denne polyestersyntese, der styrer taktikken, kan give et nyt bibliotek af polymermaterialer, som vi ikke har haft før, "Sagde Liu.

Dette stykke innovativ kemi har Tong og Liu spændt på en fremtid, hvor nedbrydeligt og grønt plastik kan produceres for at erstatte nutidens petroleumsplast, der vedvarer på lossepladser og oceaner i årtier eller århundreder.

Tong nævnte, at denne nye polymersynteseteknologi kun er blevet demonstreret i den akademiske laboratorieskala. Der er stadig meget arbejde, der skal gøres for at karakterisere disse funktionelle materialer og perfektionere den patentanmeldte synteseskalingsproces.

"Det ville være vores drøm at se disse nedbrydelige polyestere materialisere sig på markedet, for både plastindustrien og biomedicinsk anvendelse, "Sagde Tong.

Tongs team omfatter også Yongliang Zhong, en kemiteknisk ph.d. studerende; Dong Guo, en kemistuderende, der arbejder i Lius laboratorium; og samarbejdspartneren Linghai Xie, professor ved Nanjing University of Posts and Telecommunications i Kina, der hjalp med beregningsundersøgelserne med at belyse katalysatorens stereoselektivitetsmekanisme.