Summary
דוגמה לגישה של לולאה סגורה כלפי כלכלת חומרים מעגליים מתוארת כאן. מחזור בר קיימא שלם מוצג שבו פוליאסטרים חצי ארומטיים ביובסים מתוכננים על ידי פילמור, דה-פילוריזציה, ולאחר מכן מחדש עם שינויים קלים בלבד בתשואות שלהם או תכונות סופיות.
Abstract
הפיתוח של ביופולימרים הניתנים למחזור כימי מציע הזדמנויות במרדף אחר כלכלה מעגלית. ביופולימרים הניתנים למחזור כימי עושים מאמץ חיובי לפתור את בעיית החומרים הפולימריים בשלב ההשלכה לאחר שלב השימוש. במאמר זה, הייצור של פוליאסטרים חצי ארומטיים ביובס, אשר ניתן לחלץ לחלוטין ביומסה כגון ליגנין, מתואר ודמיינו. פולי-S הפולימר המתואר במאמר זה יש תכונות תרמיות דומות פלסטיק נפוץ מסוימים, כגון PET. פיתחנו תגובת Knoevenagel ירוקה, אשר יכול לייצר ביעילות מונומרים מן אלדהידים ארומטיים וחומצה מלונית. תגובה זו הוכחה להיות מדרגית ויש לה גורם E מחושב להפליא. פוליאסטרים אלה עם ליגנו-פיטוכימיקלים כנקודת התחלה מראים מיחזור מולקולרי יעיל עם הפסדים מינימליים. פוליאסטר פוליאסטר (חומצה דיהידרוצינפינית) (פולי-S) מוצג כדוגמה של פוליאסטרים חצי ארומטיים אלה, ואת פילמור, depolymerization, ו פולימריזציה מחדש מתוארים.
Introduction
בניגוד שריפת פסולת פולימרית, מיחזור כימי מציע את האפשרות לשחזר את monomers. מיחזור כימי הוא בחירה הגיונית בסוף החיים הטכניים של חומרים פולימריים מאז חומרים פולימריים אלה מיוצרים כימית1. ישנן שתי דרכים למחזר את החומר הפולימרי כימית, פירוליזה ומיחזורמולקולרי 2. עם פירוליזה, החומר הפולימרי הופך למוצרים בעלי ערך גבוה יותר באמצעות תנאים קיצוניים3,4. מיחזור מולקולרי הוא שיטה יעילה לשחזור החומרים ההתחלתיים באמצעות דה-פילמוריזציה. לאחר depolymerization, יחידות מונומריות ניתן להפוך מחדש לתוך חומרים פולימריים בתולה5. הזמינות של מונומרים מתאימים להחיל מיחזור מולקולרי בקנה מידה גדול יותר הוא רוצה. בעיית הפלסטיק הנוכחית מכתיבה שהחברה דורשת חומרים פולימריים יציבים וחזקים. יחד עם זאת, הוא גם עדיף כי אותם חומרים פולימריים ניתנים למחזור בקלות ולא מחזיקים מעמד בסביבה. חומרים פולימריים נוכחיים עם תכונות תרמיות ומכאניות טובות אינם מנטרלים בקלות6.
ליגנין, המצוי בדרך כלל בצמחי כלי דם, אחראי ל-30% מתכולת הפחמן הטבעית בעולם והוא הביופולימר השני הנפוץ ביותר אחרי תאית. לליגנין מבנה אמורפי מורכב ונראה שהוא חלופה מתאימה להחלפת ארומטיקה המופקת מחומרים מאובנים. המבנה התלת מימדי של ליגנין מספק כוח ונוקשות לעץ, כמו גם עמידות בפני השפלה. מבחינה כימית, ליגנין הוא תרמוסט פוליפנולי מורכב מאוד. זה מורכב הרכב משתנה של שלושה מבנים פנילפן מתוקסילציה שונים. סירינגיל, גואיאציל ו-p-הידרוקסיפניל (לעתים קרובות מקוצרים כ-S, G ו-H, בהתאמה) נגזרים מאלכוהול סינפיל מונוליגנולים, אלכוהול מחטני ואלכוהול p-coumaryl7. ההתפלגות של יחידות אלה שונה לכל סוג ביומסה, עם עץ רך, למשל, המורכב בעיקר יחידות guaiacyl ועץ קשה של יחידות guaiacyl וסירינגיל8,9. מקורות טבעיים מתחדשים, כגון עצים וצמחים, רצויים לייצור מונומרים שעוצבה מחדש עבור חומרים פולימריים חדשניים10. מונומרים אלה, מבודדים ומסונתזים ממקורות טבעיים, הם פולימרים מה שנקרא פולימרים biobased11.
חומצות קרבוקסיליות ארומטיות הן מספר סדרי גודל פחות אלקטרופיליים מאשר חומצות קרבוקסיליות אליפטיות שוות ערך מסיבות אלקטרוניות12. פוליאסטרים מסחריים שונים משתמשים בחומצות קרבוקסיליות ארומטיות במקום בחומצות קרבוקסיליות אליפטיות. כתוצאה מכך, הסיבים בטקסטיל פוליאסטר עשוי פולי (אתילן טרפתלט) (PET) סיבים הם כמעט חסר רגישות הידרוליזה במהלך הכביסה או, למשל,גשם 13. כאשר מיחזור מולקולרי של פוליאסטרים הוא רצה, מומלץ להשתמש אסטרים אליפטיים בהצטברות של הפולימר.
מהסיבות שהוזכרו, חקרנו את האפשרויות של ביצוע פוליאסטרים מ 4-הידרוקסי-3,5-דימטוקסי-דיהידרוציננמי14. מחקרים קודמים של Kricheldorf15, מאייר16, ומילר17,18 מראים כי זה מאתגר לבנות פולימרים באמצעות 4-הידרוקסי-3,5-דיהידרוצ'יננמי. פירוק קרבוקסילציה והצלבה עיכבו את הפילמורים, וכך הגבילו את ההצלחה של סינתיסייזרים אלה. כמו כן, מנגנון הפוליקונדנסציה נותר לא ברור. המאמר המוצג מתאר את התנאים שבהם פוליאסטר פוליאסטר (חומצה דיהידרוסינפינית) ניתן לסנתז באופן קבוע בתפוקה גבוהה, ובכך לסלול את הדרך לשימוש פוליאסטרים ארומטיים למחצה הניתנים למחזור מולקולרי.
פיתחנו דרך ירוקה ויעילה לסנתז חומצה סינפינית באמצעות תגובת עיבוי בין סירינגלדהיד לחומצה מאלונית19,20. לאחר זה Knoevenagel ירוק, הידרוגנציה מייצרת חומצה דיהידרוסינפינית, אשר מתאים פוליקונדנסציה הפיכה. פרסום זה מדמיין את השלבים הסינתטיים לפולי פולימר הניתנים למחזור מולקולרי (חומצה דיהידרוסינפינית), בהתייחסו ליחידות הבסיס של ליגנין, הנקרא פולי-S. לאחר ניתוח החומר הפולימרי, פולי-S הוא depolymerized לחומצה דיהידרוסינפינית מונומר בתנאים נוחים יחסית repolymerized שוב ושוב.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. עיבוי קנוואנגל ירוק של סירינגלדהיד לכיוון חומצה סינפינית עם 5 מול% אמוניום ביקרבונט
- הוסף חומצה מלונית (20.81 גרם, 200.0 mmol) יחד עם סירינגלדהיד (36.4 גרם, 200.0 mmol) לבקבוקון עגול 250 מ"ל. ממיסים את שני המרכיבים ב-20.0 מ"ל של אתיל אצטט ומוסיפים אמוניום ביקרבונט (790 מ"ג, 10.0 mmol) לבקבוקון.
הערה: כדי להבטיח השלמה מלאה של תגובת העיבוי, המאייד הסיבובי יכול לשמש כדי לזקק את האצטט ואת לרכז את תערובת התגובה, וכתוצאה מכך תגובה ללא ממס. - שמור את תערובת התגובה במשך 2 שעות ב 90 °C בבקבוק הפתוח מבלי לערבב להמרה מלאה לחומצה סינפינית.
הערה: במהלך תגובה זו, מספר שינויים מורפולוגיים נצפים. תערובת התגובה משתנה מתערובת אפורה צפופה לתערובת צהובה מומסת עקב היווצרות מים במהלך שלב ה עיבוי התגובה. לאחר אידוי של עיבוי, תערובת התגובה מתמצקת שוב, המציין המרה מלאה. - בעבודה של מוצר חומצה סינפינית, להמיס את השאריות ב 100 מ"ל של NaHCO מימי רווי3-פתרון. להעביר את הפתרון ולאחר מכן חומצה אותו ל- pH של 2 באמצעות 6 M HCl.
הערה: בעת הוספת NaHCO3-פתרון מימי רווי, המוצר הגולמי מתמוסס לאט ודורש קצת זמן גירוד ידני להתמוסס באופן מלא. לאחר מומס לחלוטין והועבר אל, הפתרון החומצי של 6 M HCl מתווסף טיפה חכם. חומצה סינפינית תזרז במהירות, ושחרור גז CO2 יגרום למוצר להקציף. - להפריד את השאריות המתקבלות על ידי סינון ואקום לשטוף אותו עם מים demineralized.
הערה: בשלב זה, ניתן לנתח את טוהר המוצר על-ידי HPLC. אם המוצר נראה מזוהם, יש להחיל את שלב הטיהור הבא (למשל, recrystallization). - לאחר recrystallization בתערובת של אתנול מים (4:1, v /v), להפריד את הגבישים על ידי סינון ואקום. יבש את השאריות ב 60 °C בתנור ואקום, וכתוצאה מכך 42.56 גרם של חומצה סינפינית טהורה.
הערה: טוהר החומצה הסינאפינית נמדד על ידי ניתוח נקודת התכה ו- HPLC.
2. הידרוגנציה של חומצה סינפינית לכיוון חומצה דיהידרוסינפינית עם ניקלרני TM.
- טען בקבוקון 450 מ"ל (באמצעות מנגנון הידרוגנציה) עם חומצה סינפינית (33.6 גרם, 150 mmol). להמיס את החומצה הסינפינית ב 300 מ"ל של פתרון 2 M NaOH ולהוסיף 1.5 גרם של בלוי ניקל (ראה טבלה של חומרים)לפני התאמת הבקבוקון למנגנון.
הערה: צבע תערובת התגובה משתנה עקב התוספת של הפתרון האלקליין. חומצה סינפינית תהיה צהובה בצורתה הגבישית, אך כאשר היא תשוחרר על ידי הבסיס, צבע הפתרון ישתנה לאדום. תוספת של ניקל תהפוך את הצבע לשחור. - לחץ על הכור עם שלושה פס של גז מימן ומכני לנער את התגובה ב 80 °C (80 °F) במשך שלוש שעות.
- מצננים את הכור לטמפרטורת החדר ומפחיתים את הלחץ לאט. לשחזר את רוב זרז ניקל עם מגנט ולאחר מכן לסנן את הפתרון תחת לחץ מופחת.
הערה: תערובת התגובה צריכה להשתנות מאדום לצבע ירוק, גלוי לאחר הסינון. שינוי הצבע הבולט נובע מכך שהמערכת הצומדת נקטעת על ידי הידרוגנציה של הקשר הכפול. - חומצי את הפתרון עם פתרון 4 M HCl לקראת pH של 2. לאחר מכן, לבצע מיצוי עם אתיל אצטט (4 כפול 50 מ"ל). הסר את הממס תחת לחץ מופחת לאחר ייבוש מעל MgSO4. יבש את המוצר המוצק חומצה דיהידרוסינפינית ב 60 °C בתנור ואקום.
הערה: תיאורטית, תגובת פוליקונדנסציה ניתן לעבד על חומצה דיהידרוסינפינית, אבל יש כמה חסרונות מעשיים. בשל המבנה המולקולרי, חומצה דיהידרוסינפינית נשגבת מעל נקודת ההיתוך. תגובת אצטילציה יכולה להתבצע כדי למנוע תת-הכרתיות ולהגדיל את התגובה.
3. אצטילציה של חומצה דיהידרוסינפינית לכיוון מונומרים אצטילציה ואוליגומרים (פרפולימר).
- הוסף חומצה דיהידרוסינפינית (22.6 גרם, 100 mmol) לבקבוקון עגול 250 מ"ל, ואחריו אנהידריד אצטית (14.2 מ"ל, 150 mmol) ונתרן אצטט (0.82 גרם, 10 mmol).
הערה: החומצה הדיהידרוסינפינית אינה מתמוססת לחלוטין באנהידריד אצטית בטמפרטורת החדר. - מחממים את הפתרון ל 90 °C (70 °F) תוך ערבוב במשך שעה אחת להמרה מלאה של חומצה דיהידרוסינפינית לכיוון חומצה 4-acetoxy-dihydrosinapinic ואוליגומרים אצטילציות שלה.
הערה: כל המוצרים נשארים מומסים אנהידריד אצטית. כדי להגדיל את המשקעים הכוללים של חומצה 4-acetoxy-dihydrosinapinic, להוסיף כמות קטנה של ממס מסיס במים בשלב הבא. - ממיסים את המוצק ב 25 מ"ל של אצטון, מזרז (ממס-לא ממס) לתוך 250 מ"ל של 0.1 M HCl תוך ערבוב במרץ לסנן תחת ואקום.
הערה: התוצאה הטובה ביותר מראה מוצק לבן דביק לחלוטין. אם פתרון המוצר מתווסף לפתרון HCl מהר מדי, המוצר נשאר נוזל חום בתחתית הפתרון החומצי. במצב זה, לחלץ את פתרון המוצר כולו עם אתיל אצטט (4 פעמים 50 מ"ל). לאחר הייבוש מעל MgSO4, להסיר את האצטט אתיל תחת לחץ מופחת. המוצר הוא חומצה 4-אצטוקסי-דיהידרוסינפינית ופרפולימר.
4. פילמור של מונומרים אצטילציה ואוליגומרים.
- הוסיפו את המונומרים, חומצה דיהידרוסינפינית 4-אצטוקסי-דיהידרוסינפינית (20.8 גרם, 100 mmol), ופרפולימר לבקבוקון עגול 100 מ"ל והוסיפו אבקת NaOH דק (400 מ"ג, 10.0 mmol). מחממים את תערובת התגובה במשך שלוש שעות בטמפרטורה קבועה של 140 מעלות צלזיוס בבקבוק הפתוח תוך ערבוב ב 100 סל"ד.
הערה: במהלך תגובה זו, מים וחומצה אצטית מתעבה מהבקבוקון הפתוח. pH של האדים ניתן למדוד כדי לאשר את ה עיבוי של חומצה אצטית. המורפולוגיה של מוצר התגובה משתנה ממצב מותך למוצר קומפקטי חום בהיר. ההתקנה כפופה לזרימת חנקן כדי לקדם את האידוי של עיבוי ולמנוע חמצון. תגובות כאלה מתעוררות בדרך כלל עם מערבל מכני בשל הצמיגות הגבוהה של התערובת. עם זאת, השימוש במערבב מגנטי מספיק, וההבדל זניח בקנה מידה זה. - הגדר פילמור בסיוע ממס על ידי הוספת אבץ (II)אצטט (180 מ"ג, 1 mmol) ו 25.0 מ"ל של 1,2-קסילן לבקבוקון. העלו את הטמפרטורה שנקבעה ל-160 °C (70 °F).
הערה: העלה את הטמפרטורה שנקבעה ל 160 °C (50 °F) כדי להבטיח את reflux של 1,2-קסילן ותגובה מלאה של פילמור. טמפרטורת התגובה עצמה נשארת על 144 °C (75 °F), בשל נקודת הרתיחה של 1,2-קסילן. - Reflux התערובת ב 144 °C (70 °F) במשך שלוש שעות עם מים קבועים והסרת חומצה אצטית באמצעות ראש דין-סטארק.
הערה: לאחר הוספת 1,2-קסילן וחימום בקבוק התגובה לטמפרטורה הנדרשת, הריאגנטים יוצרים ריר חום עם צמיגות נמוכה יותר. צמיגות נמוכה זו נחשבת לטובת הניידות של קבוצות הקצה של הפולימר, קידום תגובתיות. - מצננים את תערובת התגובה ומסירים את 1,2-קסילן על ידי מריחת ואקום (<10 מ"ר).
הערה: תערובת התגובה מתמצקת תוך כדי אידוי הממס והופכת למוצק מחוץ ללבן. - העלה את הטמפרטורה ל 240 °C (70 °F) בשלב הסופי של פילמור ולהחיל ואקום גבוה <1 mbar במשך שלושים דקות.
הערה: רק כמות קלה של עיבוי מתאדה במהלך שלב זה כי רק כמות קטנה של עיבוי נדרש כדי להגביר את אורך השרשרת באופן משמעותי בשלב זה של פילמור. - מצננים את הפולימר פולי-S לטמפרטורת החדר ושטפו עם מתנול כדי למנוע חומצה ופרפולימרים 4-אצטוקסי-דיהידרוסינפיני. המוצר המתקבל הוא מוצק חום בהיר.
הערה: לאחר התהליך, אורך השרשרת ואת המאפיינים התרמיים של פוליאסטר נחקרים על ידי GPC ו- DSC.
5. הליך מייצג לדפולימריזציה של פולי-S ב-1 M NaOH:
- טוחנים דק מסננים מסננים פולי-S לחלקיקים הקטנים מ-180 מיקרומטר כדי למדוד השפלה הידרוליטית.
הערה: כדי לטחון את החלקיקים לגודל הנדרש, השתמש מרגמה ועלי עם פולי-S מקורר חנקן נוזלי, ואחריו צעד סינון מכני. - לטעון מספר מבחנות עם 20 מ"ג של פולי-S ולהוסיף 1.0 מ"ל של פתרון 1 M NaOH. לדגור על הצינורות בשלוש טמפרטורות שונות (RT, 50, ו 80 °C (80 °F), עם תסיסה של 500 סל"ד באמצעות שייקר אינקובטור סביבה מבוקרת.
הערה: השתמש בלוק חימום / שייקר עם ערכים מרובים עבור תגובה זו כדי להבטיח את כל התגובות להתרחש בדיוק באותו תנאים (תרמיים). - לנטרל מבחנה במרווחי זמן קבועים עם 1.0 מ"ל של 0.5 M H2SO4 ולהוסיף 2.0 מ"ל של מתנול לאחר הקירור.
הערה: כמויות קטנות של פולי-S ורק 1.0 מ"ל של 1 M NaOH משמשים כי ריכוזים אלה יכולים, לאחר תוספת של מתנול, להיות מוזרק ישירות HPLC ואינם דורשים דילול נוסף. - סנן את כל הדגימות באמצעות מסנני מזרק PTFE בגודל 0.45 מיקרומטר והזרק (20 μL) ב- HPLC באמצעות דגימה אוטומטית. נטר את הספיגה ב λ = 254 ננומטר, וחשב את הריכוזים מעקומת כיול של פתרונות סטנדרטיים ידועים של חומצה דיהידרוסינפינית.
הערה: הפתרונות הסטנדרטיים של עקומת הכיול צריכים להיעשות באותה תערובת ממס כמו העבודה למעלה לאחר depolymerization.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
חומצה סינפינית הייתה מסונתזת בטוהר גבוה ותשואה גבוהה (> 95%) מסירינגלדהיד באמצעות עיבוי Knoevenagel הירוק. (מידע תומך: איור S1) הגורם האלקטרוני הוא אינדיקציה לייצור פסולת שבה מספר גבוה יותר מצביע על יותר פסולת. גורם ה- E מחושב על-ידי לקיחת קלט החומר הכולל, חיסור כמות המוצר הסופי הרצוי וחלוקת השלם לפי כמות המוצר הסופי. עיבוי Knoevenagel ירוק זה יש גורם E של 1.0, אשר ניתן לחשב: [((29.81 גרם חומצה מלונית + 36.4 גרם סירינגלדהיד + 0.790 גרם אמוניום ביקרבונט + 18.04 גרם אתיל אצטט) – 42.56 גרם חומצה סינפינית) / 42.56 גרם חומצה סינפינית]. החומצה הסינפינית מוקשה בתפוקה גבוהה (>95%) כדי להשיג את החומצה הדיהידרוסינפית המונומר המיועדת. (מידע תומך: איור S2) לתגובת המימן הזו יש גורם E של 0.84. לאחר מכן, חומצה דיהידרוסינפינית היה אצטילאט כדי להשיג 4-אצטוקסי-דיהידרוסינפיני ו preפולימר שלה. הגורם האלקטרוני של תגובת האצטילציה הזו היה 0.45, בהנחה המרה מלאה לחומצה 4-אצטוקסי-דיהידרוסינפינית (מידע תומך: איור S3).
בדרך כלל, גורם E של תגובות סינתטיות אורגניות של תרופות הוא בין 5 ל 100, ותגובות אלה לעתים קרובות להשתמש כימיקלים מזיקים יחסית21. הגורם האלקטרוני, המחושב הן עבור Knoevenagel הירוק והן עבור התגובות הבאות, הוא נמוך להפליא בהשוואה למספרים אלה. עם זאת, גורם E מציג כמה חסרונות. לדוגמה, הסכנה הסביבתית של רכיב פסולת נתון אינה משתקפת על ידי גורם E. באופן עקרוני, ניתן לפצות על כך על ידי "מנה סביבתית" (Q) תוך התחשבות ב"חוסר החברות הסביבתית " של פסולת נתונה. מכיוון שאמוניום ביקרבונט הזרז אינו מזיק יחסית, מנה חוסר החברות הסביבתית Q של Knoevenagel הירוק הוא גם הצהיר נמוך. ובכל זאת, מחקר נוסף חיוני כדי לאשר את זה22. על ידי החלת התגובות הסינתטיות האורגניות שהוזכרו, חומצה 4-אצטוקסי-דיהידרוסינפינית ופרפולימרים שלה מוכנים לפולי-סק לפולי-S.
איור 1 מתאר את המנגנון המוצע של פילמור צעד-צמיחה של חומצה 4-אצטוקסי-דיהידרוסינפיני. בשלב i, הבסיס הנוסף מתחיל את התגובה ושולט בקצב התגובה על ידי דה-פרוטונים של קבוצת החומצה, ובכך מגרה את התגובה שלו23. הקרבוקסילאט שנוצר תוקף את הקרבוניל של קבוצת האצטוקסי ויוצר טטרהדרל. במצב זה, קבוצת פנוקסיד מתחברת קרבוניל האחר באמצעות משמרת פנוקסיד, אשר היה בתחילה קבוצת חומצה קרבוקסילית אליפטית. כאשר התרחשה תזוזת פנוקסיד, אצטט-יון עוזב את הביניים, מפחית פרוטון מהבסיס המקורי ולאחר מכן משאיר את התגובה כחומצה אצטית. בפועל, צעד זה מקודם על ידי יצירת ואקום בכלי התגובה24. בכל מחזור, מולקולה חדשנית אחת מתווספת לשרשרת. במהלך ההתקדמות של תגובת הפוליקונדנציה, התברר שזה מאתגר למצוא את השילוב המדויק בין הגדלת המשקל המולקולרי לבין השפלה של שרשראות הפולימר. כמו הטמפרטורה הייתה גבוהה עם שיפוע במהלך פילמור המסה, כמויות גדלות של השפלה התרחשה כמו הצמיגות של הפולימר גדל. כמות קטנה של ממס נוספה במהלך השלב השני של הפוליקדנציה כדי להקטין את הצמיגות. זה פולי-עיבוי בסיוע ממס, 1,2-קסילן מתברר להיות סוכן מתאים לקידום פוליקונדנסציה25.
איור 2 מייצג שלוש מדידות NMR שונות של H 1במהלך תהליך הפימור. הדגימות מומס היטב ונמדדו בתערובת של CF3COOD / CDCL3. ספקטרום 1H NMR נלקחו לאחר האצטילציה של חומצה סינפינית. ספקטרום 1H NMR באמצע הוא מדגם שנלקח מאותה תגובה. שום תרכובת ספציפית לא הייתה מבודדת, ולכן חומצה סינפית אצטילטית ופרפולימרים שלה מוצגים. ספקטרום 1H NMR לעיל נלקח מדגם לאחר השלמת הפוליקונדנסציה. האזורים של קבוצות הקצה אצטיל להקטין במהלך תהליך פילמור, ואת המידה הממוצעת מספר של פילמור (DPn) עולה. לאחר השלמת התגובה, מידת הפילינג נקבעה על 43 יחידות חוזרות כפי שנקבע על ידי 1מדידות H NMR.
מדידות GPC בוצעו כדי לחקור את אורך השרשרת של פולי-S, ומערכות GPC שונות נבדקו לניתוח. השלב הראשוני היה להמיס את החומר הפולימרי במספר ממיסים אורגניים נפוצים כגון כלורופורם (CHCl3),דימטילפורמיד (DMF), הקספלואורו-2-פרופנול (HFIP) וטטרהידרופורן (THF). עם זאת, נראה כי החומר הגבישי מאוד של פולי-S, הנראה על תרמוגרמות DSC, היה מסיס בממסים אלה. כמו כן, כאשר החומר הפולימרי נמס ולאחר מכן התקרר מהר מאוד בחנקן נוזלי כדי להגדיל את האמורפיות של הפולימר, רק שרשראות הפולימר הקצרות מומסות ב- DMF. הערך שנמדד ב- GPC היה רק 1,900 עד 2,100 Da, אשר מתאים כעשר יחידות חוזרות.
נבחרה שיטת טיפול קדם-טיפול אחרת לביצוע מדידת GPC מתאימה. מחקר נוסף26 קובע כי חומר פוליאסטר אמורפי יותר יכול להיווצר כאשר פוליסטירן בצורתו atactic הוא נמס מעורבב לתוך פוליאסטר. שני הפולימרים (פוליאסטר ופוליסטירן) הונחו יחד במחבת DSC, נמסו, ולאחר מכן התקררו בחנקן נוזלי. שטיפת התערובת מרווה עם אצטון הסיר את הפוליסטירן שיורית, ולאחר המסה מוצלחת DMF, פולימר משקל מולקולרי גבוה ניתן היה לראות.
כאשר פולי-S היה הידרוליזה ב 1 M NaOH, פוליאסטר למחזור מולקולרי הניב את החומר ההתחלתי חומצה דיהידרוסינפינית בפחות מ 10 דקות. HPLC, ניתוח נקודות התכה ו- 1H NMR אישרו תצפית זו (מידע תומך: איור S4). זמני תגובה ממושכים לא הגדילו את התשואה, כפי שניתן לראות באיור 3.
התרמוסרמוגרמות וניתוח GPC של פולי-S 1.0 ודורותיהם העוקבים פולי-S 2.0 ופולי-S 3.0 לאחר חוסר בגרות כפויה עם פוליסטירן אטקטי מוצגים באיור 4 ובטבלה 1, בהתאמה. ניתוח DSC של פולי-S מראה אות מעבר זכוכית (Tg)ב 113 °C (50 °F) ואות היתוך אנדותרמי (Tm)ב 281 °C (70 °F). הפולימרים מחומצה סינפינית בעלת פולימר חוזר 3a פולי-S 2.0 למעלה ופולי-H 3.0 מציגים תכונות תרמיות דומות (מידע תומך: איורים S5-S7). פולי-S הוא חומר פולימרי גבישי למחצה מכיוון שטמפרטורות מעבר זכוכית (Tg)ואותות נמסים נמצאים בתרמוגרמות של פולי-S והדורות העוקבים שלהם. ניתן לציין ניתוח GPC לאחר amorphicity כפוי עם פוליסטירן atactic מציג אורך קבוע של חומר פולימרי לאורך הדורות השונים (מידע תומך: דמויות S8-S10).
איור 1: המנגנון המוצע של פוליקונדנציה של חומצה 4-אצטוקסי-דיהידרוסינפינית. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 2: כיסוי של ספקטרום NMR 1H (25 °C , CF3COOD/CDCl3, עם שאריות ממסים ב 11.49 ו 7.27 ppm עבור CF3COOH ו CHCl3,בהתאמה) של מוצר אצטילציה מבודד של חומצה סינאפינית (למטה); הקדםפולימר של פולי-S (באמצע); פולי-S לאחר עיבוי מצב מוצק (240 °C (240 °F), 30 דקות, ואקום) (למעלה). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 3: הידרוליזה אלקליין (פתרון NaOH 1 M, 80 °C) של פולי-S לאורך זמן, נקבע על ידי תפוקת חומצה דיהידרוסינפינית (DHSA) בהתבסס על אזורי שיא HPLC. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 4: תרמוגרמה DSC של שלושה דורות פולי-S. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
| דור | פולי-S (מ"ג) | נ.ב. (מ"ג) | 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 |
טבלה 1: מדידות GPC של דורות פולי-S.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
כאשר חומצה דיהידרוסינפינית הייתה מחוממת בכלי תגובה, תת-הכרתיות של החומר ההתחלתי התרחשה, ואפקט זה הוגבר כאשר ואקום הוחל. אצטילציה בוצעה על חומצה דיהידרוזינפינית כדי למנוע תת-הכרתיות. קריכלדורף ואח '12,27 הכירו בכך שלא רק אצטילציה אלא גם די ואוליגומריזציה התרחשה. עם זאת, מונומרים ואוליגומרים אלה כבר לא נשגבים ומתאימים כמוומרים עבור פוליקונדנסציהנמסה 28. כמו כן, היווצרות של preפולימרים מחומצה 4-אצטוקסי-דיהידרוסינפיני מאשר את מנגנון התגובה ההיפותטית29.
1 מדידות H NMR שימשו לקביעת מידת הפימור הממוצעת של המספר, ומדידות GPC שימשו ליצירת נתוני אורך שרשרת נוספים. מדידות GPC בוצעו תמיד לאחר כפיית amorphicity על ידי ערבוב פוליסטירן ומרווה עם חנקן נוזלי.
התוצאות המתקבלות המוצגות בטבלה 1 מראות שערכי GPC Mn של דגימות הפולימר תואמים לכ-670 יחידות חוזרות של פולי-S, בממוצע, לאורך הדורות. ערכים אלה גבוהים משמעותית מהערכים המתאימים המתקבלים עם מדידות H NMR 1המוצגות באיור 2 מכיוון שערכים אלה הם כ-43 יחידות חוזרות של פולי-S. וריאציה זו קשורה לזיהומים קורט של קבוצת אצטוקסי המכיל תרכובות בתוך פולימרים מסונתזים, הפחתת מידת הפולימר הממוצעת של פילמור (DPn) של פולי-S, מחושב עם 1מדידות H NMR. הסבר נוסף קשור להבדלים בנפחים ההידרודינמיים של תקני הפוליאסטרים והפוליסטירן המשמשים במהלך מדידות GPC. PDI polydispersity הוא מתחת 2.0. ערך נמוך יחסית זה ניתן לייחס סינון פולימר מולקולרי גבוה לפני ניתוח GPC.
אפיון תרמי בוצע באמצעות טכניקות DSC ו- TGA, לפיהן נמצאו תכונות תרמיות דומות ל- PET. ניתוח DSC הראה כי פולי-S פולימר למחזור מולקולרי יש טמפרטורת המסה של 281 °C (50 °F). טמפרטורת ההיתוך הזו גבוהה ב-16 מעלות הקשורה ל-PET30. טמפרטורות המעבר גומי זכוכית של פולי-S הם גם גבוהים יותר בהשוואה PET, כלומר 113 °C (55 °F) לעומת 67 °C (77 °F) עם PET. טמפרטורת מעבר גבוהה יותר מגומי זכוכית מועילה לעתים קרובות עבור יישומים רבים.
לבסוף, במהלך מחזור הקירור, פולי-S יש טמפרטורת התגבשות נמוכה יותר הקשורים PET, כלומר 151 °C (50 °F) לעומת 190 °C (50 °F). הניתוח הכבידתי התרמי של פולי-S הצביע על טמפרטורת פירוק של 341 °C (50 °F) של פולי-S. בהשוואה ל-PET עם טמפרטורת פירוק של 470 °C (470 °F), טמפרטורת הפירוק של פולי-S נמוכהמ-31 (מידע תומך: איור S11).
depolymerization של החומר הפולימרי שנוצר נצפתה במשך יותר משעתיים, בטמפרטורה של 80 °C. דגימות HPLC נלקחו כדי לנתח את הריכוז של חומצה דיהידרוסינפינית שוחררה בתמיסה של 1 M NaOH. הדגימות נמדדו כנגד עקום כיול של חומצה דיהידרוסינפינית טהורה כדי לקבוע את התשואה HPLC. (מידע תומך: איור S12)
איזון מסה הוקם כדי לקבוע את אובדן המסה במהלך מחזור שלם של פילמוריזציה depolymerization. כמות מדויקת של 5.00 גרם של חומצה דיהידרוסינפינית הוכנסה לתהליך הפילמור. לאחר מחזור אחד של פילמור, depolymerization לחומצה דיהידרוסינפינית, ועבודה למעלה, 4.70 גרם של חומצה דיהידרוזינפינית הופק, אשר מתאים לתשואה של 94%. במהלך המחזור הראשון, רוב החומר אבד על ידי טיפול ידני (מידע תומך: איור S13-S14). אובדן החומצה הדיהידרוסינפינית המונומרת היה מוגבל למדי, כך שלאחר שלושה דורות, כ -85% מהכמות הראשונית של מונומר נשאר.
פרסום זה מתאר כיצד תוכנן חומר פולימרי חדש המתאים במיוחד למיחזור מולקולרי. השילוב של פילמור, דה-פילוריזציה, שבה המונומרים מתאוששים, ו repolymerization, יצר מחזור בר קיימא לחלוטין עם הפסדים מינימליים בלבד. כאשר העקרונות של כימיה ירוקה מוחלים עוד יותר, ניתן לייעל את התנאים של צעדים שונים. לדוגמה, מחקרים הבאים יכולים לחקור הידרוליזה בתנאים חומציים כדי למנוע היווצרות מלח מוגזמת.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
למחברים אין מה לחשוף.
Acknowledgments
המחברים אסירי תודה על התמיכה הכספית של הארגון ההולנדי למחקר מדעי (NWO) (מענק 023.007.020 שהוענק לג'ק ואן שינדל).
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).
