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長春應化所在可閉環回收塑料的研究中取得進展

時間:2021-08-30

  近年來,塑料的閉環回收的概念成為全世界高分子科學界關注的焦點,該方法通過設計特定的單體合成高分子材料,再將其直接轉化為原單體,從而實現資源循環和同級使用。8月13日,美國康奈爾大學高分子化學家Geoffrey W. Coates課題組在《科學》發文,以二氧戊環為單體,實現了塑料的閉環回收。

圖1.硫交酯單體顯示熱力學有利于成環,動力學有利于開環聚合

  近期,中科院長春應化所陶友華研究員等人提出硫交酯單體可以作為一類新型的單體用于閉環回收塑料。相比于大家熟知的乙交酯、丙交酯等交酯單體,硫交酯單體在熱力學上更有利于成環,在動力學上更有利于開環聚合(圖1),從而成功的將兩種看似矛盾的性質結合到一種單體上,使硫交酯單體相較于乙交酯、丙交酯等交酯單體,更容易合成、更容易聚合、也更容易實現閉環回收。同時,來源于纈氨酸的異丙基硫交酯的開環聚合,所得聚合產物具有無規但是結晶的不同尋常的特性。

  經典的高分子化學理論中,單體的成環能力和開環聚合活性是相互矛盾的。如用于合成聚乳酸的丙交酯單體,具有較大的環張力,因此丙交酯單體開環聚合的活性較高,但丙交酯單體的規?;铣刹⒉蝗菀祝ㄖ苯迎h化的收率不到50%)。理想的用于閉環回收塑料的單體應該具有低的環張力但高的開環聚合活性,這樣才能實現單體更容易合成、更容易聚合、也更容易實現閉環回收。陶友華研究員團隊在前期的工作中(Angew. Chem. Int. Ed., 2021, 60, 10798-10805),意外的發現硫交酯單體的環張力小于乙交酯、丙交酯等交酯單體,又由于硫酯鍵具有動態共價鍵的特點,因此,他們猜測硫交酯單體是一種“理想單體”,更容易合成(直接環化的收率最高為91%)、動力學聚合活性高、且容易實現閉環回收。同時,所得聚硫酯的解聚過程具有很高的選擇性,高選擇性的解聚成外消旋硫交酯單體,只產生2%左右的內消旋單體。這種高的解聚選擇性對于未來硫交酯單體的立體選擇性聚合具有重要意義。

  來源于纈氨酸的異丙基硫交酯的聚合產物具有無規但是結晶的不同尋常的特性,熔點為115oC,可以注塑成啞鈴型樣條,拉伸強度可達21Mpa(圖2)??傊?,硫交酯單體的原料來源廣泛、容易合成、動力學聚合活性高、容易實現閉環回收、聚合產物具有無規但是結晶的不同尋常的特性,未來有希望實現規?;苽浜蛻?。

圖2.來源于纈氨酸的異丙基硫交酯的聚合產物的熱力學性質

  上述成果在Angew. Chem. Int. Ed. (DOI: 10.1002/anie.202109767)發表。論文的第一作者為王彥超博士,陶友華研究員為文章的通訊作者,王獻紅研究員為文章的共同作者。長春應化所為第一單位。該研究得到了國家自然科學基金委和吉林省科技廳的支持。

(聚氨基酸生態高分子課題組)

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