Abbaubare Polymere auf Zuckerbasis als Speicher für nützliche Frachtmoleküle |
Abbaubare Polymere auf biologischer Basis bieten Möglichkeiten für chemisches Kunststoffrecycling und sie können als Speicherstoff für nützliche Moleküle dienen. Wissenschaftler haben eine Klasse von zuckerbasierten Polymeren entwickelt, die sich durch saure Hydrolyse chemisch abbauen lassen. Die Forscher bauten auch „Fracht“-Moleküle zur späteren Abspaltung ein. Abbaubare Polymere mit molekularer Fracht sind wichtig für die Medizin- und Sensortechnik.
Kunststoffe widerstehen in der Regel natürlichen Abbauprozessen.
Die zunehmende Plastikverschmutzung der Umwelt hat deshalb zu dem Ruf
nach abbaubaren Kunststoffen geführt, die in chemischen
Recyclingprozessen abgebaut werden können. Durch das Aufbrechen der
Polymerbindungen gewinnt die Industrie dann entweder die Monomere für
eine erneute Polymerisation zurück, oder sie sammelt die produzierten
kleinen Moleküle für nachfolgende Reaktionen.
Abbaubare
Kunststoffe benötigen jedoch ein aufwändiges Design: Die Verknüpfungen
zwischen den Polymerbausteinen müssen sich chemisch oder enzymatisch
wieder öffnen lassen. Darüber hinaus sollten nachhaltige Polymere aus
biobasierten Rohstoffen bestehen.
Tae-Lim Choi und Kollegen vom
Fachbereich Chemie der National-Universität Seoul haben eine Möglichkeit
gefunden, hochwertige Polymere aus Xylose-basierten Monomeren
herzustellen. Xylose ist ein Zucker aus pflanzlichen Zellwänden. Die
Forscher bauten in die Xylose-Monomere eine besondere molekulare Gruppe
zur chemischen Verknüpfung ein und unterzogen dann die Monomere einer
Kaskadenpolymerisation.
Als Test auf die Abbaubarkeit dieser
Kunststoffe behandelten die Forscher die Xylose-basierten Polymere mit
Salzsäure, wie es bei chemischen Recyclingverfahren üblich ist. Die
Abbaubarkeit hing dabei der Art der Verknüpfung ab, wie die Forscher
feststellten: Bestand die Verknüpfung aus einem Kohlenstoffatom,
widerstand das Polymer der Hydrolyse, Stickstoff- oder Sauerstoffatome
führten dagegen zu einem sofortigen Abbau.
Polymere mit der
stickstoffhaltigen Verknüpfung ergaben Pyrrole als Abbauprodukte, solche
mit der Sauerstoff-Verbindung produzierten Furane. Pyrrole und Furane
sind beides gängige, natürlich vorkommende Verbindungen. Dennoch raten
die Forscher zur Vorsicht: „Es ist bekannt, dass Furanderivate ein
breites Spektrum an biologischer Aktivität haben. Das sollte bei
möglichen Anwendungen für diese Kunststoffe berücksichtigt werden.“
Blockcopolymere
bestehen aus miteinander verknüpften Blöcken von kürzeren
Polymersträngen. Die Eigenschaften der Blockcopolymere ergeben sich dann
aus denen der Einzelblöcke. Da viele Funktionsmaterialien aus
Blockcopolymeren hergestellt werden, testeten die Autoren, ob auch
Xylose-basierte Blockcopolymere, die Blöcke mit nicht abbaubaren
Verknüpfungen enthalten, durch Säurebehandlung zerfallen würden. Die
Antwort war ja: „Nach 24 Stunden war auch der kohlenstoffverknüpfte
Block fast vollständig zu kleinen Molekülen abgebaut; nur wenig
oligomeres Material blieb übrig“, berichteten die Autoren.
Außerdem
bauten die Forscher kleine Reportermoleküle in die Polymere ein. Durch
saure Hydrolyse der Polymere mit der Sauerstoffverknüpfung bildeten sich
Furane, die anschließend das Reportermolekül para-Nitrophenol
freisetzten. „Diese Art molekularer Fracht ermöglicht eine einfache
Quantifizierung der freigesetzten Menge. Das Frachtmolekül kann jedoch
durch andere Verbindungen ersetzt werden, die nach ihrer Freisetzung
verschiedene Funktionen ausüben,“ erklärt Choi.
Den Artikel finden Sie unter:
https://onlinelibrary.wiley.com/page/journal/15213757/homepage/press/202027press.html
Quelle: Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V. (01/2021)
Publikation: Angewandte Chemie doi.org/10.1002/ange.202012544 |