Summary
Döngüsel malzeme ekonomisine yönelik kapalı döngü yaklaşımının bir örneği burada açıklanmıştır. Biyobazlı yarı aromatik polyesterlerin polimerizasyon, depolimerizasyon ve daha sonra verimlerinde veya nihai özelliklerinde sadece küçük değişikliklerle yeniden polimerize edildiği bir bütün sürdürülebilir döngü sunulmaktadır.
Abstract
Kimyasal olarak geri dönüştürülebilir biyopolimerlerin geliştirilmesi, döngüsel bir ekonomi arayışında fırsatlar sunmaktadır. Kimyasal olarak geri dönüştürülebilir biyopolimerler, kullanım aşamasından sonra bertaraf aşamasında polimer malzemeler sorununu çözmek için olumlu bir çaba sarf eder. Bu yazıda lignin gibi biyokütleden tamamen çıkarılabilen biyobazlı yarı aromatik polyesterlerin üretimi açıklanmış ve görselleştirilmiştir. Bu makalede açıklanan polimer poli-S, PET gibi yaygın olarak kullanılan bazı plastiklere benzer termal özelliklere sahiptir. Aromatik aldehitler ve tonik asitten monomerleri verimli bir şekilde üretebilen yeşil bir Knoevenagel reaksiyonu geliştirdik. Bu reaksiyonnun ölçeklenebilir olduğu kanıtlanmıştır ve oldukça düşük hesaplanmış bir E faktörüne sahiptir. Başlangıç noktası ligno-fitokimyasallara sahip bu polyesterler, en az kayıpla verimli bir moleküler geri dönüşüm göstermektedir. Polyester poli(dihidrosinapinik asit) (poli-S) bu yarı aromatik poliesterlere örnek olarak sunulmuştur ve polimerizasyon, depolimerizasyon ve yeniden polimerizasyon açıklanmaktadır.
Introduction
Polimerik atıkların yakılmasının aksine, kimyasal geri dönüşüm monomerleri geri kazanma imkanı sunar. Kimyasal geri dönüşüm, polimerik malzemelerin teknik ömrünün sonunda mantıklı bir seçimdir, çünkü bu polimerik malzemeler kimyasal olarak üretilir1. Polimerik malzemeyi kimyasal olarak geri dönüştürmenin iki yolu vardır, piroliz ve moleküler geri dönüşüm2. Piroliz ile polimerik malzeme, aşırı koşullar kullanılarak daha yüksek değerli ürünlere dönüştürülür3,4. Moleküler geri dönüşüm, depolimerizasyon kullanarak başlangıç malzemelerinin geri kazanılması için etkili bir yöntemdir. Depolimerizasyondan sonra, monomerik üniteler bakir polimerik malzemelere yeniden dönüştürülebilir5. Moleküler geri dönüşümü daha büyük ölçekte uygulamak için uygun monomerlerin mevcudiyeti istiyor. Mevcut plastik sorun, toplumun sağlam ve sağlam polimerik malzemeler talep ettiğini dikte ediyor. Aynı zamanda, aynı polimerik malzemelerin kolayca geri dönüştürülebilir olması ve ortamda dayanmaması da tercih edilir. İyi termal ve mekanik özelliklere sahip akım polimerik malzemeler kolayca depolimerize olmaz6.
Genellikle vasküler bitkilerde bulunan Lignin, dünyadaki doğal karbon içeriğinin% 30'undan sorumludur ve selülozdan sonra en bol ikinci biyopolimerdir. Lignin karmaşık bir amorf yapıya sahiptir ve fosil malzemelerden çıkarılan aromatiklerin yerini almak için uygun bir alternatif olarak görünmektedir. Lignin üç boyutlu yapısı ahşaba mukavemet ve sertlik sağlamanın yanı sıra bozulmaya karşı direnç sağlar. Kimyasal olarak konuşursak, lignin çok karmaşık bir polifenolik termosettir. Üç farklı metoksillenmiş fenilpropan yapının farklı bileşimlerinden oluşur. Syringyl, guaiacyl ve p-hydroxyphenyl (genellikle sırasıyla S, G ve H olarak kısaltılır) monolignols sinapil alkol, iğne yapraklı alkol ve p-coumaryl alkol7türetilmiştir. Bu birimlerin dağılımı biyokütle tipine göre farklılık gösterir, örneğin yumuşak ağaç, çoğunlukla guaiacyl üniteleri ve guaiacyl ve şırıng ünitelerinin sert odunlarından oluşan8,9. Ağaçlar ve bitkiler gibi yenilenebilir doğal kaynaklar, yenilikçi polimerik malzemeler için yeniden tasarlanmış monomerlerin üretimi için arzu edilir10. Doğal kaynaklardan izole edilen ve sentezlenen bu monomerler, biyobaz polimerler11olarak adlandırılır.
Aromatik karboksilik asitler, elektronik nedenlerle eşdeğer alifatik karboksilik asitlerden daha az elektrofilik büyüklükteki birkaç sipariştir12. Çeşitli ticari polyesterler alifatik karboksilik asitler yerine aromatik karboksilik asitler kullanır. Sonuç olarak, poli(etilen tereftalat) (PET) liflerinden yapılan polyester tekstillerdeki lifler yıkama sırasında hidroliz veya örneğin yağmur13'eneredeyse duyarsızdır. Polyesterlerin moleküler geri dönüşümü istendiğinde, polimerin birikmesinde alifatik esterlerin kullanılması tavsiye edilir.
Bahsedilen nedenlerden dolayı, 4-hidroksi-3,5-diethoxy-dihidrosinnamik asitlerden polyester yapma olasılıklarını araştırdık14. Kricheldorf15, Meier16ve Miller17,18 tarafından yapılan öncekiçalışmalar,4-hidroksi-3,5-diethoxy-dihidrosinnamik asit kullanarak polimerler inşa etmenin zor olduğunu göstermektedir. Dekarboksilasyon ve çapraz bağlama polimerizasyonları engelledi ve böylece bu sentezlerin başarısını sınırladı. Ayrıca, polikondansasyonun mekanizması belirsizliğini korudu. Sunulan makale, polyester polisinin (dihidrosinapinik asit) düzenli ve yüksek verimde sentezlenebildiği koşulları açıklar, böylece moleküler olarak geri dönüştürülebilir yarı aromatik polyesterlerin kullanılmasının yolunu açmaktadır.
Şırındaldehit ve malonik asit arasında yoğuşma reaksiyonunu kullanarak sinapinik asidi sentezlemenin yeşil ve verimli bir yolunu geliştirdik19,20. Bu Yeşil Knoevenagel'den sonra hidrojenasyon, geri dönüşümlü polikondansasyon için uygun olan dihidrosinapinik asit üretir. Bu yayın, poli-S adı verilen lignin temel birimlerine atıfta bulunarak moleküler olarak geri dönüştürülebilir polimer polimeri (dihidrosinapinik asit) için sentetik adımları görselleştirir. Polimerik malzeme analiz edildikten sonra, poli-S nispeten uygun koşullar altında monomer dihidrosinapinik aside depolimerize edilir ve tekrar tekrar repolimerize edilir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Yeşil Knoevenagel yoğuşması şırındaldehit doğru sinapinik asit ile 5 mol% amonyum bikarbonat
- 250 mL yuvarlak alt şişeye şırındaldehit (36,4 g, 200,0 mmol) ile birlikte malonik asit (20,81 g, 200,0 mmol) ekleyin. Her iki bileşeni de 20,0 mL etil asetat içinde çözün ve şişeye amonyum bikarbonat (790 mg, 10,0 mmol) ekleyin.
NOT: Yoğuşma reaksiyonunun tam olarak tamamlanmasını sağlamak için, döner evaporatör etil asetat ve reaksiyon karışımını konsantre etmek için kullanılabilir ve çözücüsüz reaksiyona neden olur. - Reaksiyon karışımını sinapinik aside tam dönüşüm için karıştırmadan açık şişede 90 °C'de 2 saat tutun.
NOT: Bu reaksiyon sırasında çeşitli morfolojik değişiklikler gözlenir. Reaksiyon karışımı, reaksiyonun yoğuşma adımı sırasında su oluşumu nedeniyle yoğun gri bir karışımdan çözünmüş sarı bir karışıma dönüşür. Yoğuşma buharlaştıktan sonra, reaksiyon karışımı tekrar katılaşır ve tam dönüşümü gösterir. - Sinapinik asit ürününün çalışmasında, doymuş sulu NaHCO3çözeltisinin 100 mL'sinde kalıntıyı çözün. Çözeltiyi bir behere aktarın ve daha sonra 6 M HCl kullanarak 2 pH'a asitleştirin.
NOT: Doymuş sulu NaHCO3çözeltisi eklenirken, ham ürün yavaşça çözülür ve tamamen çözünmesi için biraz zaman ve manuel kazıma gerektirir. Tamamen çözülüp behere aktarıldıktan sonra, 6 M HCl'lik asidik çözelti damla açısından eklenir. Sinapinik asit hızlı bir şekilde çökelecek ve CO2 gazının salınmasının ürünün köpürmesine neden olacağıdır. - Elde edilen kalıntıyı vakum filtrasyonu ile ayırın ve demineralize su ile yıkayın.
NOT: Bu noktada, ürünün saflığı HPLC tarafından analiz edilebilir. Ürün kontamine görünüyorsa, bir sonraki arıtma adımı (örneğin, rekristalizasyon) uygulanmalıdır. - Su etanol karışımında (4:1, v/v) rekristalizasyondan sonra kristalleri vakum filtrasyonu ile ayırın. Kalıntıyı vakumlu fırında 60 °C'de kurulayın, böylece 42,56 g saf sinapinik asit elde edin.
NOT: Sinapinik asidin saflığı erime noktası analizi ve HPLC ile ölçülür.
2. Sinapinik asidin RaneyTM nikel ile dihidrosinapinik aside doğru hidrojenasyonu.
- 450 mL'lik bir şişeyi (hidrojenasyon aparatı kullanarak) sinapinik asit (33,6 g, 150 mmol) ile şarj edin. Sinapinik asidi 2 M NaOH çözeltisinin 300 mL'sinde çözün ve şişeyi aparatlara takmadan önce 1,5 g nikel bulamacı ekleyin (bkz. Malzeme Tablosu).
NOT: Alkali çözeltinin eklenmesi nedeniyle reaksiyon karışımının rengi değişir. Sinapinik asit kristal formunda sarı olacaktır, ancak taban tarafından deprotonize edildiğinde, çözeltinin rengi kırmızıya dönecektir. Nikel ilavesi rengi siyaha çevirecektir. - Reaktörü üç çubuk hidrojen gazı ile basınçlandırın ve 80 °C'deki reaksiyonun üç saat boyunca mekanik olarak sallanması.
- Reaktörü oda sıcaklığına soğutun ve yavaşça basınçlandırılın. Nikel katalizörünün çoğunu bir mıknatısla kurtarın ve daha sonra çözeltiyi azaltılmış basınç altında filtreleyin.
NOT: Reaksiyon karışımı, filtrasyondan sonra görülebilen kırmızıdan yeşil renge değişmelidir. Dikkate değer renk değişimi, konjuge sistemin çift bağın hidrojenasyonu ile kesintiye uğramasıdır. - Çözeltiyi 4 M HCl çözelti ile 2 pH'a doğru asitleştirin. Daha sonra, etil asetat (4 kez 50 mL) ile bir ekstraksiyon gerçekleştirin. MgSO4üzerinde kuruduktan sonra çözücüyü azaltılmış basınç altında çıkarın. Katı ürün dihidrosinapinik asidi vakumlu fırında 60 °C'de kurutun.
NOT: Teorik olarak, polikondansasyon reaksiyoni dihidrosinapinik asit üzerinde işlenebilir, ancak bazı pratik dezavantajları vardır. Moleküler yapı nedeniyle, dihidrosinapinik asit erime noktasının üzerinde sublimates. Süblimasyonu önlemek ve reaktiviteyi artırmak için bir asetilasyon reaksiyoni yapılabilir.
3. Dihidrosinapinik asidin asetillenmiş monomerlere ve oligomerlere (prepolimer) doğru asetilasyonu.
- 250 mL yuvarlak dip şişesine dihidrosinapinik asit (22,6 g, 100 mmol) ekleyin, ardından asetik anhidrit (14,2 mL, 150 mmol) ve sodyum asetat (0,82 g, 10 mmol).
NOT: Dihidrosinapinik asit, asetik anhidritte oda sıcaklığında tam olarak çözülmez. - Dihidrosinapinik asidin 4-asetoksi-dihidrosinapinik aside ve asetillenmiş oligomerlerine doğru tamamen dönüştürülmesi için bir saat karıştırırken çözeltiyi 90 ° C'ye ısıtın.
NOT: Tüm ürünler asetik anhidrit içinde çözünmüş olarak kalır. 4-asetoksi-dihidrosinapinik asidin toplam çökeltme miktarını artırmak için, bir sonraki adımda az miktarda suda çözünür çözücü ekleyin. - Katıyı 25 mL asetonda çözün, kuvvetlice karıştırırken 0,1 M HCl'nin 250 mL'sine çökeltin (solventsiz çözücü) ve vakum altında filtreleyin.
NOT: En iyi sonuç tamamen çökemiş beyaz, yapışkan bir katı gösterir. Ürün çözeltisi HCl çözeltisine çok hızlı eklenirse, ürün asidik çözeltinin dibinde kahverengi bir sıvı olarak kalır. Bu durumda, tüm ürün çözeltisini etil asetatla (4 kez 50 mL) çıkarın. MgSO4üzerinde kuruduktan sonra, etil asetatını azaltılmış basınç altında çıkarın. Ürün 4-asetoksi-dihidrosinapinik asit ve prepolimerdir.
4. Asetillenmiş monomerlerin ve oligomerlerin polimerizasyonu.
- Monomerleri, 4-asetoksi-dihidrosinapinik asidi (20,8 g, 100 mmol) ve prepolimerleri 100 mL yuvarlak alt şişeye ekleyin ve ince toz NaOH (400 mg, 10,0 mmol) ekleyin. Reaksiyon karışımını 100 rpm'de karıştırırken açık şişede 140 °C'lik bir sıcaklıkta üç saat ısıtın.
NOT: Bu reaksiyon sırasında açık şişeden su ve asetik asit yoğunlaştı. Asetik asidin yoğuşmasını doğrulamak için buharın pH'ı ölçülebilir. Reaksiyon ürününün morfolojisi erimiş durumdan kompakt, açık kahverengi bir ürüne dönüşür. Kurulum, yoğuşma buharlaşmasını teşvik etmek ve oksidasyonu önlemek için bir azot akışına tabi tutulur. Bu tür reaksiyonlar genellikle karışımın yüksek viskozitesi nedeniyle mekanik bir karıştırıcı ile karıştırılır. Bununla birlikte, manyetik bir karıştırıcının kullanımı yeterlidir ve fark bu ölçekte ihmal edilebilir. - Şişeye çinko (II)asetat (180 mg, 1 mmol) ve 25,0 mL 1,2-ksilen ekleyerek çözücü destekli polimerizasyon kurun. Ayarlanan sıcaklığı 160 °C'ye yükseltin.
NOT: 1,2 ksilen reflüsü ve polimerizasyonun tam reaktivitesini sağlamak için ayarlanan sıcaklığı 160 °C'ye yükseltin. Reaksiyonun sıcaklığı, 1,2-ksilen kaynama noktası nedeniyle 144 ° C'de kalır. - Karışımı 144 °C'de üç saat boyunca dean-stark kafası kullanarak sabit su ve asetik asit giderme ile reflüyün.
NOT: 1,2 ksilen ekledikten ve reaksiyon şişesini gerekli sıcaklığa ısıttıktan sonra, reaktifler daha düşük viskoziteye sahip kahverengi bir bulamaç oluşturur. Bu düşük viskozitenin polimerin son gruplarının hareketliliğine fayda sağladığı ve reaktiviteyi teşvik ettiği varsayılmaktadır. - Reaksiyon karışımını soğutun ve vakum (<10 mbar) uygulayarak 1,2 ksilenini çıkarın.
NOT: Reaksiyon karışımı çözücüyü buharlaştırırken katılaşır ve beyaz olmayan bir katıya dönüşür. - Polimerizasyonun son aşamasında sıcaklığı 240 °C'ye yükseltin ve otuz dakika boyunca yüksek vakum <1 mbar uygulayın.
NOT: Bu adım sırasında sadece az miktarda yoğuşma buharlaşır, çünkü polimerizasyonun bu aşamasında zincir uzunluğunu önemli ölçüde artırmak için sadece az miktarda yoğuşmaya ihtiyaç vardır. - Polimer poli-S'yi oda sıcaklığına soğutun ve 4-asetoksi-dihidrosinapinik asit ve prepolimerleri ortadan kaldırmak için metanol ile yıkayın. Elde edilen ürün açık kahverengi bir katıdır.
NOT: İşlemden sonra polyesterin zincir uzunluğu ve termal özellikleri GPC ve DSC tarafından incelenir.
5. Poli-S'in 1 M NaOH'da depolimerizasyonu için temsili prosedür:
- Hidrolitik bozulmayı ölçmek için poli-S'yi ince öğütün ve 180 μm'den küçük parçacıklara eyle.
NOT: Parçacıkları gerekli boyuta öğütmek için, sıvı azot soğutmalı poli-S ile bir harç ve pestle kullanın, ardından mekanik bir eleme adımı kullanın. - 20 mg poli-S ile birkaç test tüpü yükleyin ve 1.0 mL 1 M NaOH çözeltisi ekleyin. Tüpleri üç farklı sıcaklıkta (RT, 50 ve 80 °C) kuluçkaya yatırın ve kontrollü bir ortam inkübatör çalkalayıcısı kullanarak 500 rpm'lik bir ajitasyonla.
NOT: Tüm reaksiyonların tam olarak aynı (termal) koşullarda gerçekleşmesini sağlamak için bu reaksiyon için birden fazla girişe sahip bir ısıtma bloğu / çalkalayıcı kullanın. - 0,5 M H2SO4'ün 1,0 mL'si ile düzenli zaman aralıklarında bir test tüpünü nötralize edin ve soğudktan sonra 2,0 mL metanol ekleyin.
NOT: Az miktarda poli-S ve sadece 1,0 mL 1 M NaOH kullanılır, çünkü bu konsantrasyonlar metanol ilavesinden sonra doğrudan HPLC'ye enjekte edilebilir ve daha fazla seyreltme gerektirmez. - 0,45 μm PTFE şırınma filtreleri kullanarak tüm numuneleri filtreleyin ve bir otomatik örnekleyici kullanarak HPLC'ye enjekte edin (20 μL). Absorbansı φ = 254 nm'de izleyin ve konsantrasyonları bilinen dihidrosinapinik asit standart çözeltilerinin kalibrasyon eğrisinden hesaplayın.
NOT: Kalibrasyon eğrisinin standart çözümleri, depolimerizasyondan sonra çalışma ile aynı çözücü karışımında yapılmalıdır.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Sinapinik asit, Yeşil Knoevenagel yoğuşması kullanılarak şırındyaldehitten yüksek saflıkta ve yüksek verimde (%> 95) sentezlendi. (Destekleyici Bilgiler: Şekil S1) E-faktörü, daha yüksek bir sayının daha fazla israfı gösterdiği atık üretiminin bir göstergesidir. E faktörü, toplam malzeme girişi alınarak, istenen son ürün miktarı çıkarılarak ve tamamının son ürün miktarına bölünmesiyle hesaplanır. Bu Yeşil Knoevenagel yoğuşması 1.0 E faktörüne sahiptir. hesaplanabilir: [(29.81 g malonik asit + 36.4 g şırındyaldehit + 0.790 g amonyum bikarbonat + 18.04 g etil asetat) – 42.56 g sinapinik asit) / 42.56 g sinapinik asit]. Sinapinik asit, hedeflenen monomer dihidrosinapinik asidi elde etmek için yüksek verimle (%>95) hidrojenize edildi. (Destekleyici Bilgiler: Şekil S2) Bu hidrojenasyon reaksiyonunun E faktörü 0.84'tür. Daha sonra, dihidrosinapinik asit 4-asetoksi-dihidrosinapinik asit ve prepolimer elde etmek için asetillendi. Bu asetilasyon reaksiyonunun E faktörü 0.45 idi, 4-asetoksi-dihidrosinapinik aside tam dönüşüm varsayıldı (Destekleyici Bilgi: Şekil S3).
Genellikle, farmasötiklerin organik sentetik reaksiyonlarının E faktörü 5 ila 100 arasındadır ve bu reaksiyonlar sıklıkla nispeten zararlı kimyasallar kullanır21. Hem Yeşil Knoevenagel hem de sonraki reaksiyonlar için hesaplanan E faktörü, bu sayılara kıyasla oldukça düşüktür. Yine de, E faktörü bazı eksiklikler sergiliyor. Örneğin, belirli bir atık bileşeninin çevresel tehlikesi E faktörü tarafından yansıtılır. Prensip olarak, bu, belirli bir atığın "çevre dostu olmayanlığını" dikkate alarak "çevresel bölüm" (Q) ile telafi edilebilir. Katalizör amonyum bikarbonat nispeten zararsız olduğundan, Yeşil Knoevenagel'in çevresel düşmanca bölüm Q'su da düşük olarak belirtilmiştir. Yine de, bunu doğrulamak için ek araştırma gereklidir22. Bahsedilen organik sentetik reaksiyonlar uygulanarak, 4-asetoksi-dihidrosinapinik asit ve prepolimerleri poli-S'ye polikondansasyon için hazırdır.
Şekil 1, 4-asetoksi-dihidrosinapinik asidin basamak büyüme polimerizasyonunun önerilen mekanizmasını tasvir eder. Adım i'de, eklenen taban reaksiyona başlar ve asit grubunu deprotonasyona uğrayarak reaksiyon oranını kontrol edilir, böylece reaktivitesini uyarır23. Oluşan karboksit, asetoks grubunun karboniline saldırır ve bir tetrahedral oluşturur. Bu durumda, fenoksit grubu, başlangıçta alifatik karboksilik asit grubu olan bir fenoksit kayması yoluyla diğer karbonillere bağlanır. Fenoksit kayması meydana geldiğinde, asetat-iyon arayı terk eder, orijinal tabandan bir proton çıkarır ve daha sonra reaksiyonu asetik asit olarak bırakır. Pratikte, bu adım reaksiyon kabında bir vakum oluşturularak teşvik edilir24. Her döngüde zincire bir yeni molekül eklenir. Polikondansasyon reaksiyonunun ilerlemesi sırasında, moleküler ağırlığı artırmak ve polimer zincirlerinin bozulması arasındaki tam kombinasyonu bulmak zor olduğu ortaya çıktı. Eriyik polimerizasyonu sırasında sıcaklık bir gradyan ile yükseldiğinden, polimerin viskozitesi arttıkça artan miktarlarda bozulma meydana geldi. Viskoziteyi azaltmak için polikondansasyonun ikinci adımı sırasında az miktarda çözücü eklendi. Bu solvent destekli poli-yoğuşmada, 1,2-ksilen polikondansasyonu teşvik etmek için uygun bir ajan olduğu ortaya çıkar25.
Şekil 2, polimerizasyon işlemi sırasında üç farklı 1H NMR ölçümünü temsil eder. Numuneler iyi çözünmüş ve CF3COOD / CDCl3karışımında ölçülmüştir. 1H NMR spektrası sinapinik asidin asetilasyonundan sonra alındı. Ortadaki 1H NMR spektrumu aynı reaksiyondan alınan bir örnektir. Spesifik bir bileşik izole edilmedi, bu nedenle asetillenmiş sinapik asit ve prepolimerleri gösterilmiştir. Yukarıdaki 1H NMR spektrumu, polikondansasyonun tamamlanmasından sonra bir örnekten alınmıştır. Polimerizasyon işlemi sırasında asetil uç gruplarının alanları azalır ve polimerizasyonun ortalama derecesi (DPn)artar. Reaksiyon tamamlandıktan sonra polimerizasyon derecesi 1H NMR ölçümü ile belirlenen 43 tekrarlayan ünite olarak belirlendi.
Poli-S'in zincir uzunluğunu araştırmak için GPC ölçümleri yapıldı ve analiz için çeşitli GPC sistemleri test edildi. İlk adım, polimerik malzemeyi kloroform (CHCl3),dimetilformamid (DMF), heksafluoro-2-propanol (HFIP) ve tetrahidrofuran (THF) gibi çeşitli yaygın organik çözücülerde eritmekti. Bununla birlikte, DSC termogramlarında görülebilen poli-S'in son derece kristal malzemesinin bu çözücülerde idareli bir şekilde çözündüğü görülmektedir. Ayrıca, polimerik malzeme eritildiğinde ve daha sonra polimerin amorfikliğini artırmak için sıvı nitrojende çok hızlı bir şekilde soğutulduğunda, sadece kısa polimer zincirleri DMF'de çözünmüştü. GPC'de ölçülen değer 2.100 Da'ya kadar sadece 1.900 idi ve bu da yaklaşık on yinelenen birime karşılık geliyor.
Uygun bir GPC ölçümü yapmak için başka bir ön işlem yöntemi seçilmiştir. Ek araştırma26, ataktik formundaki polistiren polyestere eritilerek karıştırıldığında daha amorf bir polyester malzemenin oluşabileceğini öngörmektedir. İki polimer (polyester ve polistiren) bir DSC tavasına birlikte yerleştirildi, eritildi ve daha sonra sıvı nitrojende soğutuldu. Söndürülen karışımın asetonla yıkanması artık polistireni çıkardı ve DMF'de başarılı bir şekilde çözüldükten sonra yüksek moleküler ağırlıklı bir polimer gözlemlenebilir.
Poly-S 1 M NaOH'da hidrolize edildiğinde, moleküler olarak geri dönüştürülebilir polyester başlangıç malzemesi dihidrosinapinik asidi 10 dakikadan daha kısa bir sürede verdi. HPLC, erime noktası analizi ve 1H NMR bu gözlemi doğruladı (Destekleyici bilgiler: Şekil S4). Genişletilmiş reaksiyon süreleri, Şekil 3'tegösterildiği gibi verimi artırmadı.
Poli-S 1.0 ve art arda gelen nesilleri poly-S 2.0 ve poli-S 3.0'ın ataktik polistiren ile zorla amorfiziteden sonra termogramları ve GPC analizi sırasıyla Şekil 4 ve Tablo 1'degösterilmiştir. Poli-S'in DSC analizi 113 °C'de bir cam geçiş sinyali (Tg)ve 281 °C'de endotermik erime sinyali (Tm)gösterir. Yeniden polimerize sinapinik asit 3a poly-S 2.0 yukarı ve poli-H 3.0'dan elde edilen polimerler benzer termal özellikler sergiler (Destekleyici Bilgiler: Şekiller S5-S7). Poly-S yarı kristal polimerik bir malzemedir, çünkü poly-S'in termogramlarında ve ardışık nesillerinde cam geçiş sıcaklıkları (Tg)ve erime sinyalleri bulunur. Ataktik polistiren ile zorla amorfikiteden sonra GPC analizinin farklı nesiller boyunca sabit bir polimerik malzeme uzunluğu sergilediği belirtilebilir (Destekleyici Bilgiler: Şekiller S8-S10).
Şekil 1: 4-asetoksi-dihidrosinapinik asidin basamak büyüme polikondansasyonunun önerilen mekanizması. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 2: Sinapinik asidin izole edilmiş asetilasyon ürününün (altta) CF3COOH ve CHCl3için 11.49 ve 7.27 ppm'de artık solvent zirveleri ile 1 H NMR spektrumunun (25 °C, CF3COOD/CDCl3)yerpaylaşımı; poli-S'in prepolimer (orta); katı hal sonrası yoğuşma sonrası poli-S (240 °C, 30 dk, vakum) (üstte). Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 3: HPLC tepe alanlarına göre dihidrosinapinik asit (DHSA) verimi ile belirlenen alkali hidroliz (1 M NaOH çözeltisi, 80 °C) zamanla poli-S. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 4: Üç nesil poli-S DSC termogramı. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
| Kuşak | Poli-S (mg) | PS (mg) | Mn | Mw | PDI | DP |
| 1.0 | 5.0 | 4.8 | 120030 | 193580 | 1.6 | 594 |
| 2.0 | 5.0 | 5.0 | 134740 | 194410 | 1.4 | 667 |
| 3.0 | 4.7 | 4.9 | 153620 | 237210 | 1.5 | 760 |
Tablo 1: Poli-S nesillerinin GPC ölçümleri.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Dihidrosinapinik asit bir reaksiyon kabında ısıtıldığında, başlangıç malzemesinin süblimasyonu meydana geldi ve vakum uygulandığında bu etki arttı. Süblimasyonu önlemek için dihidrosinapinik asit üzerinde asetilasyon yapıldı. Kricheldorf ve ark.12,27 sadece asetilasyon değil, aynı zamanda di- ve oligomerizasyonun meydana geldiğini kabul etti. Bununla birlikte, bu esterleşmiş monomerler ve oligomerler artık sublimate değildir ve eriyik polikondansasyonu için monomerler olarak uygundur28. Ayrıca, 4-asetoksi-dihidrosinapinik asitten prepolimerlerin oluşumu varsayımsal reaksiyon mekanizmasını doğrular29.
1 Polimerizasyonun ortalama derecesini belirlemek için H NMR ölçümleri, daha fazla zincir uzunluğu verisi oluşturmak için GPC ölçümleri kullanılmıştır. GPC ölçümleri her zaman polistiren karıştırılarak ve sıvı nitrojen ile söndürülerek amorfizite zorlandıktan sonra gerçekleştirildi.
Tablo 1'de sunulan sonuçlar, polimerörneklerinin GPC M n değerlerinin nesiller boyunca ortalama 670 tekrarlayan poli-S birimine karşılık geldiğini göstermektedir. Bu değerler Şekil 2'de sunulan 1H NMR ölçümü ile elde edilen karşılık gelen değerlerden önemli ölçüde daha yüksektir, çünkü bu değerler yaklaşık 43 yinelenen poli-S birimidir. Bu varyasyon, sentezlenen polimerler içindeki bileşikleri içeren asetoksi grubunun iz safsızlıklarıyla ilgilidir ve 1H NMR ölçümü ile hesaplanan polimerizasyonun (DPn)ortalama derecesini azaltır. Diğer bir açıklama ise GPC ölçümleri sırasında kullanılan poliesterlerin hidrodinamik hacimlerindeki ve polistiren standartlarındaki farklılıklarla ilgilidir. Polidisperlik PDI 2.0'ın altındadır. Bu nispeten düşük değer, GPC analizinden önce yüksek moleküler polimer filtrelemesine bağlanabilir.
Termal karakterizasyon DSC ve TGA teknikleri kullanılarak gerçekleştirildi ve böylece termal özellikler PET ile karşılaştırılabilir bulundu. DSC analizi, moleküler olarak geri dönüştürülebilir polimer poli-S'in 281 °C erime sıcaklığına sahip olduğunu göstermiştir. Bu erime sıcaklığı PET30ile ilgili on altı derece daha yüksektir. Poly-S'in cam kauçuk geçiş sıcaklıkları da PET'e kıyasla daha yüksektir, yani PET ile 113 °C ve 67 °C. Daha yüksek bir cam kauçuk geçiş sıcaklığı genellikle birçok uygulama için faydalıdır.
Son olarak, soğutma döngüsü sırasında poli-S, PET ile ilgili daha düşük bir kristalizasyon sıcaklığına sahiptir, yani 151 ° C'ye karşı 190 ° C. Poly-S'in termal gravimetrik analizi, 341 °C poli-S ayrışma sıcaklığına işaret etti. 470 °C ayrışma sıcaklığına sahip PET ile karşılaştırıldığında, poli-S'nin ayrışma sıcaklığı31 daha düşüktür (Destek Bilgileri: Şekil S11).
Oluşan polimerik malzemenin depolimerizasyonu iki saatten fazla bir süre boyunca, 80 °C sıcaklıkta gözlendi. Numuneler, HPLC verimini belirlemek için saf dihidrosinapinik asit kalibrasyon eğrisine göre ölçüldü. (Destekleyici Bilgiler: Şekil S12)
Tam bir polimerizasyon ve depolimerizasyon döngüsü sırasında kütle kaybını belirlemek için bir kütle dengesi kurulmuştur. Polimerizasyon işlemine tam olarak 5,00 gram dihidrosinapinik asit sokulmuştır. Bir polimerizasyon döngüsünden, dihidrosinapinik aside depolimerizasyondan ve çalışmadan sonra,% 94 verime karşılık gelen 4.70 gram dihidrosinapinik asit üretildi. İlk döngü sırasında, malzemenin çoğu manuel elleçleme ile kaybedildi (Destek Bilgileri: Şekil S13-S14). Monomer dihidrosinapinik asit kaybı makul derecede sınırlıydı, böylece üç nesil sonra, ilk monomer miktarının yaklaşık% 85'i kaldı.
Bu yayın, moleküler geri dönüşüm için özel olarak uygun olan yeni bir polimerik malzemenin nasıl tasarlandığını açıklar. Monomerlerin geri kazanılmış olduğu polimerizasyon, depolimerizasyon ve repolimerizasyon kombinasyonu, sadece minimum kayıpla tamamen sürdürülebilir bir döngü yaratmıştır. Yeşil Kimya ilkeleri daha fazla uygulandığında, farklı adımların koşullarını optimize etmek mümkündür. Örneğin, sonraki çalışmalar aşırı tuz oluşumunu önlemek için asidik koşullar altında hidrolizi araştırabilir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarların açıklayacak bir şeyi yok.
Acknowledgments
Yazarlar, Hollanda Bilimsel Araştırma Örgütü'nün (NWO) finansal desteği için minnettardır (Jack van Schijndel'e verilen 023.007.020 hibe).
Materials
| 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% |
References
- Rahimi, A., García, J. M. Chemical recycling of waste plastics for new materials production. Nature Reviews Chemistry. 1 (6), 41570 (2017).
- Sardon, H., Dove, A. Plastics recycling with a difference. Science. 360 (6387), 380-381 (2018).
- Jones, G. O., Yuen, A., Wojtecki, R. J., Hedrick, J. L., García, J. M. Computational and experimental investigations of one-step conversion of poly(carbonate)s into value-added poly(aryl ether sulfone)s. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 113 (28), 7722-7726 (2016).
- García, J. M., et al. Recyclable, Strong Thermosets and Organogels via Paraformaldehyde Condensation with Diamines. Science. 344 (6185), 1251484 (2014).
- Brutman, J. P., De Hoe, G. X., Schneiderman, D. K., Le, T. N., Hillmyer, M. A. Renewable, Degradable, Chemically Recyclable Cross-Linked Elastomers. Industrial & Engineering Chemistry Research. 55 (42), 11097-11106 (2016).
- Hong, M., Chen, E. Y. Completely recyclable biopolymers with linear and cyclic topologies via ring-opening polymerization of γ-butyrolactone. Nature Chemistry. 8 (1), 42-49 (2016).
- Lochab, B., Shukla, S., Varma, I. K. Naturally occurring phenolic sources: monomers and polymers. RSC Advances. 4 (42), 21712 (2014).
- Fache, M., Boutevin, B., Caillol, S. Vanillin, a key-intermediate of biobased polymers. European Polymer Journal. 68, 488-502 (2015).
- Pinto, P. C. R., Costa, C. E., Rodrigues, A. E. Oxidation of Lignin from Eucalyptus globulus Pulping Liquors to Produce Syringaldehyde and Vanillin. Industrial & Engineering Chemistry Research. 52 (12), 4421-4428 (2013).
- Llevot, A., Grau, E., Carlotti, S., Grelier, S., Cramail, H. From Lignin-derived Aromatic Compounds to Novel Biobased Polymers. Macromolecular Rapid Communications. 37 (1), (2016).
- Hernández, N., Williams, R. C., Cochran, E. W. The battle for the "green" polymer. Different approaches for biopolymer synthesis: bioadvantaged vs. bioreplacement. Organic & Biomolecular Chemistry. 12 (18), 2834-2849 (2014).
- Kricheldorf, H. R., Stukenbrock, T. New polymer syntheses 85. Telechelic, star-shaped and hyperbranched polyesters of β-(4-hydroxyphenyl) propionic acid. Polymer. 38 (13), 3373-3383 (1997).
- Gilding, D. K., Reed, A. M. Biodegradable polymers for use in surgery-poly(ethylene oxide) poly(ethylene terephthalate) (PEO/PET) copolymers: 1. Polymer. 20 (12), 1454-1458 (1979).
- Jiang, Y., Loos, K. Enzymatic Synthesis of Biobased Polyesters and Polyamides. Polymers. 8 (7), 243 (2016).
- Kricheldorf, H. R., Stukenbrock, T. New polymer syntheses, 92. Biodegradable, thermotropic copolyesters derived from β-(4-hydroxyphenyl)propionic acid. Macromolecular Chemistry and Physics. 198 (11), 3753-3767 (1997).
- Kreye, O., Oelmann, S., Meier, M. A. Renewable Aromatic-Aliphatic Copolyesters Derived from Rapeseed. Macromolecular Chemistry and Physics. 214 (13), 1452-1464 (2013).
- Mialon, L., Pemba, A. G., Miller, S. A. Biorenewable polyethylene terephthalate mimics derived from lignin and acetic acid. Green Chemistry. 12 (10), 1704 (2010).
- Nguyen, H. T. H., Reis, M. H., Qi, P., Miller, S. A. Polyethylene ferulate (PEF) and congeners: polystyrene mimics derived from biorenewable aromatics. Green Chemistry. 17 (9), 4512-4517 (2015).
- van Schijndel, J., Canalle, L. A., Molendijk, D., Meuldijk, J. The Green Knoevenagel Condensation: Solvent-free Condensation of Benzaldehydes. Green Chemistry Letters and Reviews. 10 (4), 404-411 (2017).
- van Schijndel, J., Molendijk, D., Spakman, H., Knaven, E., Canalle, L. A., Meuldijk, J. Mechanistic considerations and characterization of ammonia-based catalytic active intermediates of the Green Knoevenagel reaction of various benzaldehydes. Green Chemistry Letters and Reviews. 12 (3), 323-331 (2019).
- Sheldon, R. A. Fundamentals of green chemistry: efficiency in reaction design. Chemical Society Reviews. 41 (4), 1437-1451 (2012).
- van Schijndel, J., Molendijk, D., Canalle, L. A., Rump, E. T., Meuldijk, J. Temperature Dependent Green Synthesis of 3-Carboxycoumarins and 3,4-unsubstituted Coumarins. Current Organic Synthesis. 16 (1), 130-135 (2019).
- Bloom, M. E., Vicentin, J., Honeycutt, D. S., Marsico, J. M., Geraci, T. S., Miri, M. J. Highly renewable, thermoplastic tetrapolyesters based on hydroquinone, p-hydroxybenzoic acid or its derivatives, phloretic acid, and dodecanedioic acid. Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry. 56 (14), 1498-1507 (2018).
- Padias, A. B., Hall, H. K.
- Moon, S., Lee, C., Taniguchi, I., Miyamoto, M., Kimura, Y. Melt/solid polycondensation of l-lactic acid: an alternative route to poly(l-lactic acid) with high molecular weight. Polymer. 42 (11), 5059-5062 (2001).
- Wellen, R. M. R. Effect of polystyrene on poly(ethylene terephthalate) crystallization. Materials Research. 17 (6), 1620-1627 (2014).
- Kricheldorf, H. R., Conradi, A. New polymer syntheses 16. LC-copolyesters of 3-(4-hydroxyphenyl) propionic acid and 4-hydroxy benzoic acids. Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry. 25 (2), 489-504 (1987).
- Chen, Y., Tan, L., Chen, L., Yang, Y., Wang, X. Study on biodegradable aromatic/aliphatic copolyesters. Brazilian Journal of Chemical Engineering. 25 (2), 321-335 (2008).
- Han, X., et al. A Change in Mechanism from Acidolysis to Phenolysis in the Bulk Copolymerization of 4-Acetoxybenzoic Acid and 6-Acetoxy-2-naphthoic Acid. Macromolecules. 29 (26), 8313-8320 (1996).
- Lu, X. F., Hay, J. N. Isothermal crystallization kinetics and melting behaviour of poly(ethylene terephthalate). Polymer. 42 (23), 9423-9431 (2001).
- Sánchez, M. E., Morán, A., Escapa, A., Calvo, L. F., Martínez, O. Simultaneous thermogravimetric and mass spectrometric analysis of the pyrolysis of municipal solid wastes and polyethylene terephthalate. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 90 (1), 209-215 (2007).
