Для просмотра этого контента требуется подписка на Jove Войдите в систему или начните бесплатную пробную версию.
Method Article
Пример замкнутого подхода к экономике циркулярных материалов описан здесь. Представлен целый устойчивый цикл, в котором полуароматические полиэфиры на биологической основе разрабатываются путем полимеризации, деполимеризации, а затем повторно полимеризуются с незначительными изменениями их выходов или конечных свойств.
Разработка химически перерабатываемых биополимеров открывает возможности в рамках стремления к циркулярной экономике. Химически перерабатываемые биополимеры прилагают положительные усилия для решения проблемы полимерных материалов на этапе утилизации после фазы использования. В этой статье описано и визуализировано производство полуароматических полиэфиры на биологической основе, которые могут быть полностью извлечены из биомассы, такой как лигнин. Полимер poly-S, описанный в этой статье, обладает тепловыми свойствами, аналогичными некоторым широко используемым пластмассам, таким как ПЭТ. Мы разработали реакцию Зеленого Кневенагеля, которая может эффективно производить мономеры из ароматических альдегидов и малоновой кислоты. Было доказано, что эта реакция масштабируема и имеет удивительно низкий расчетный E-фактор. Эти полиэфиры с лигно-фитохимическими веществами в качестве отправной точки показывают эффективную молекулярную переработку с минимальными потерями. Полиэфир поли(дигидрозинапиновая кислота) (поли-S) представлен в качестве примера этих полуароматических полиэфиров, и описаны полимеризация, деполимеризация и реполимеризация.
В отличие от сжигания полимерных отходов, химическая переработка дает возможность рекуперации мономеров. Химическая переработка является логичным выбором в конце технического срока службы полимерных материалов, поскольку эти полимерные материалы производятся химически1. Существует два способа химической переработки полимерного материала: пиролиз и молекулярная рециркуляция2. При пиролизе полимерный материал превращается в продукты более высокой ценности с использованием экстремальных условий3,4. Молекулярная рециркуляция является эффективным методом восстановления исходных материалов с использованием деполимеризации. После деполимеризации мономерные единицы могут быть реполитимеризованы в первичные полимерные материалы5. Наличие подходящих мономеров для применения молекулярной рециркуляции в более широком масштабе является желаемым. Нынешняя проблема пластика диктует, что общество требует прочных и надежных полимерных материалов. В то же время также предпочтительно, чтобы те же полимерные материалы легко перерабатывали и не выдерживали в окружающей среде. Современные полимерные материалы с хорошими термическими и механическими свойствами не деполимеризуются легко6.
Лигнин, обычно встречающийся в сосудистых растениях, отвечает за 30% естественного содержания углерода в мире и является вторым наиболее распространенным биополимером после целлюлозы. Лигнин имеет сложную аморфную структуру и, по-видимому, является подходящей альтернативой для замены ароматических веществ, извлеченных из ископаемых материалов. Трехмерная структура лигнина обеспечивает древесине прочность и жесткость, а также устойчивость к деградации. Химически говоря, лигнин представляет собой очень сложный полифенольный термореактивный материал. Он состоит из различного состава трех различных метоксилированных фенилпропановых структур. Syringyl, guaiacyl и p-гидроксифенил (часто сокращенно S, G и H, соответственно) получают из монолигнолов синапилового спирта, хвойного спирта и п-кумарилового спирта7. Распределение этих единиц различно в зависимости от типа биомассы, например, хвойных пород, состоящих в основном из единиц гуаяцила и лиственных пород гваяцила и сирингильных блоков8,9. Возобновляемые природные источники, такие как деревья и растения, желательны для производства переработанных мономеров для инновационных полимерных материалов10. Эти мономеры, выделенные и синтезированные из природных источников, полимеризуются в так называемые биополимеры11.
Ароматические карбоновые кислоты на несколько порядков менее электрофильны, чем эквивалентные алифатические карбоновые кислоты по электронным причинам12. Различные коммерческие полиэфиры используют ароматические карбоновые кислоты вместо алифатических карбоновых кислот. В результате волокна в полиэфирный текстиль, изготовленные из волокон поли(этилентерефталата) (ПЭТ), практически нечувствительны к гидролизу во время стирки или, например, дождя13. Когда требуется молекулярная переработка полиэфиров, целесообразно использовать алифатические эфиры в накоплении полимера.
По указанным причинам мы исследовали возможности получения полиэфира из 4-гидрокси-3,5-диметокси-дигидроцинновых кислот14. Предыдущие исследования Крихельдорфа15,Мейера 16и Миллера17,18 показывают, что сложно строить полимеры с использованием 4-гидрокси-3,5-диметокси-дигидроциннаминовой кислоты. Декарбоксилирование и сшивание препятствовали полимеризации и, таким образом, ограничивали успех этих синтезов. Также механизм поликонденсации оставался неясным. В представленной работе описаны условия, в которых полиэфирная поли(дигидрозинапиновая кислота) может синтезироваться регулярно и с высокой урожайностью, тем самым прокладывая путь для использования полуароматических полиэфиров, которые являются молекулярно перерабатываемыми.
Мы разработали зеленый и эффективный способ синтеза синавиновой кислоты с использованием реакции конденсации между сирингальдегидом и малоновой кислотой19,20. После этого зеленого кневенагеля гидрирование производит дигидрозинапиновую кислоту, которая подходит для обратимой поликонденсации. Эта публикация визуализирует синтетические этапы молекулярно перерабатываемого полимера поли (дигидрозинапиновая кислота), ссылаясь на базовые единицы лигнина, называемые поли-S. После анализа полимерного материала поли-S деполимеризуется до мономера дигидрозинапиновой кислоты в относительно благоприятных условиях и реполитимеризуется снова и снова.
1. Конденсация синингальдегида в сторону синапиновой кислоты с 5 моль% бикарбоната аммония
2. Гидрирование синапиновой кислоты в сторону дигидрозинапиновой кислоты никелем RaneyTM.
3. Ацетилирование дигидрозинапиновой кислоты в сторону ацетилированных мономеров и олигомеров (преполимеров).
4. Полимеризация ацетилированных мономеров и олигомеров.
5. Репрезентативный порядок деполимеризации поли-S в 1 М NaOH:
Синапиновую кислоту синтезировали в высокой чистоте и высоком выходе (> 95%) из синрингальдегида с использованием конденсации Green Knoevenagel. (Вспомогающая информация: Рисунок S1) Э-фактор является показателем производства отходов, где более высокое число указывает на большее количе?...
Когда дигидрозинапиновую кислоту нагревали в реакционном сосуде, происходила сублимация исходного материала, и этот эффект усиливался при применении вакуума. Ацетилирование проводилось на дигидрозинапиновой кислоте, чтобы избежать сублимации. Kricheldorf et al.12,
Авторам нечего раскрывать.
Авторы благодарны за финансовую поддержку со стороны Нидерландской организации научных исследований (NWO) (грант 023.007.020 присужден Джеку ван Шенделю).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Reaction 1: Green Knoevenagel condensation | |||
Ammonium bicarbonate | Sigma Aldrich | >99% | |
Ethanol | Boom | Technical grade | |
Ethyl acetate | Macron | 99.8% | |
Hydrochloric acid | Boom | 37% | |
Malonic acid | Sigma Aldrich | 99% | used as received |
Sodium bicarbonate | Sigma Aldrich | >99.7% | |
Syringaldehyde | Sigma Aldrich | 98% | used as received |
Reaction 2: Hydrogenation | |||
Magnesium sulfate | Macron | 99% | dried |
Raney™ nickel | Sigma Aldrich | >89% | |
Sodium hydroxide | Boom | Technical grade | dissolved |
Reaction 3: Acetylation | |||
Acetic anhydride | Macron | >98% | |
Acetone | Macron | >99.5% | |
Sodium acetate | Sigma Aldrich | >99% | |
Reaction 4A: Polymerisation | |||
1,2-xylene | Macron | >98% | |
Sodium hydroxide | Boom | Technical grade | finely powdered |
Zinc(II)acetate | Sigma Aldrich | 99.99% | |
Reaction 4B: Depolymerisation | |||
Sodium hydroxide | Boom | Technical grade | dissolved |
Sulfuric acid | Macron | 100% | |
Analysis | |||
CDCl3 | Cambride Isotope Laboratories, Inc. | 99.5% | |
CF3COOD | Cambride Isotope Laboratories, Inc. | 98% | |
Dimethylformamide | Macron | >99.9% | |
Hexafluoro-2-propanol | TCI Chemicals | >99% | |
Methanol | Macron | >99.8% | |
Tetrahydrofuran | Macron | >99.9% |
Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи
Запросить разрешениеThis article has been published
Video Coming Soon
Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены