$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Wszechstronny i wytrzymały charakter syntetycznych polimerów sprawił, że stały się one wszechobecnym elementem współczesnej ludzkiej egzystencji. Z drugiej strony, te same wytrzymałe i odporne na środowisko właściwości sprawiają, że odpady polimerowe są niezwykle trwałe. To, w połączeniu z faktem, że duża część wszystkich syntetycznych polimerów, jakie kiedykolwiek wyprodukowano, trafiła na wysypiska śmieci1, wzbudziło uzasadnione obawy o ich wpływ na środowisko2. Dodatkowo, otwarty obieg tradycyjnej gospodarki polimerowej spowodował stałe zużycie zasobów petrochemicznych i rosnący ślad węglowy3. Obiecujące drogi do gospodarki polimerowej o obiegu zamkniętym są zatem bardzo poszukiwane.
Recykling chemiczny do monomeru (CRM) jest jedną z takich ścieżek. Przewaga CRM nad tradycyjnym recyklingiem polega na tym, że prowadzi on do regeneracji monomerów, które można wykorzystać do produkcji nieskazitelnych polimerów, w przeciwieństwie do mechanicznego recyklingu materiałów o pogarszających się właściwościach w wielu cyklach przetwarzania. Polimery oparte na polimeryzacji z otwarciem pierścienia okazały się szczególnie atrakcyjną drogą do materiałów CRM4. Termodynamika polimeryzacji jest zazwyczaj wzajemnym oddziaływaniem dwóch przeciwstawnych czynników: entalpii polimeryzacji (ΔHp, która jest zwykle ujemna i sprzyja polimeryzacji) i entropii polimeryzacji (ΔSp, która również jest zwykle ujemna, ale nie sprzyja polimeryzacji), przy czym temperatura sufitu (Tc) to temperatura, w której te dwa czynniki równoważą się nawzajem5. Aby polimer był zdolny do CRM w praktycznych i ekonomicznie korzystnych warunkach, musi zostać osiągnięta właściwa równowaga ΔHp i ΔSp. Cykliczne monomery pozwalają na wygodne dostrojenie tych czynników poprzez wybór odpowiedniego rozmiaru i geometrii pierścienia, ponieważ tutaj ΔHp jest przede wszystkim determinowane przez odkształcenie pierścienia cyklicznych monomerów4,5. W rezultacie, ostatnio zgłoszono polimery CRM z szeroką gamą monomerów6,7,8,9,10,11. Spośród tych systemów, polimery ROMP przygotowane z cyklopentenów są szczególnie obiecujące ze względu na dość tani wymagany materiał wyjściowy oraz stabilność hydrolityczną i termiczną polimerów. Dodatkowo, przy braku katalizatora metatezy, depolimeryzacja jest kinetycznie niewykonalna, zapewniając wysoką stabilność termiczną pomimo niskiej klasy Tc12. Jednak cyklopenteny (i inne monomery oparte na małych strukturach cyklicznych) stanowią kluczowe wyzwanie - nie mogą być łatwo funkcjonalizowane, ponieważ obecność grup funkcyjnych w szkielecie może wpływać na termodynamikę polimeryzacji w drastyczny, a czasem nieprzewidywalny sposób13,14.
Niedawno informowaliśmy o systemie, który pokonuje niektóre z tych wyzwań15. Zainspirowany przykładami cyklooktenów pierścieniowych o niskim odkształceniu w literaturze16,17, zaprojektowano nowy system CRM oparty na polimerach ROMP cyklooktenów stopionych transcyklobutanem (tCBCO) (Rysunek 1A). Monomery tCBCO można wytworzyć w skali gramowej z [2+2] fotocyklowandu bezwodnika maleinowego i 1,5-cyklooktadienu, które można łatwo funkcjonalizować w celu uzyskania zróżnicowanego zestawu podstawników (Rysunek 1B). Otrzymane monomery miały odkształcenia pierścieniowe porównywalne z cyklopentenem (~5 kcal·mol−1, obliczone za pomocą DFT). Badania termodynamiczne wykazały niski poziom ΔHp (−1,7 kcal·mol−1 do −2,8 kcal·mol−1), który był równoważony niskim ΔSp (−3,6 kcal·mol−1·K−1 do −4,9 kcal·mol−1·K−1), pozwalające na otrzymywanie polimerów o dużej masie cząsteczkowej (przy wysokich stężeniach monomerów) i depolimeryzacji bliskiej ilościowej (>90%, w warunkach rozcieńczonych) w temperaturach otoczenia w obecności katalizatora Grubbs II (G2). Wykazano również, że można uzyskać materiały o zróżnicowanych właściwościach termomechanicznych przy zachowaniu łatwości polimeryzacji/depolimeryzacji. Zdolność ta została następnie wykorzystana do przygotowania miękkiej sieci elastomerowej (która mogła być również łatwo depolimeryzowana), a także sztywnego tworzywa termoplastycznego (o właściwościach rozciągania porównywalnych z polistyrenem).
Jedną z wad tego systemu była potrzeba wysokich stężeń monomerów, aby uzyskać dostęp do polimerów o wysokiej masie cząsteczkowej. Jednocześnie, ze względu na rozległe reakcje przenoszenia łańcuchowego i cyklizacji, polimeryzacja miała charakter niekontrolowany. Problem ten został rozwiązany w późniejszej pracy poprzez fotochemiczną izomeryzację Z-alkenu w monomerach tCBCO w celu przygotowania wysoce odkształconych monomerów E-alkenu tCBCO18. Monomery te mogą ulegać szybkiej polimeryzacji w sposób żywy przy niskich początkowych stężeniach monomerów (≥25 mM) w obecności katalizatora Grubbs I (G1) i nadmiaru trifenylofosfiny (PPh3). Polimery można następnie zdepolimeryzować w celu uzyskania formy Z-alkenu monomerów. Stworzyło to możliwości dostępu do nowych architektur polimerów depolimeryzowalnych, w tym kopolimerów blokowych i kopolimerów do przeszczepów/szczotek do butelek.
W tej pracy przedstawiono szczegółowe protokoły syntezy monomerów tCBCO z różnymi grupami funkcyjnymi i ich polimeryzacji, a także depolimeryzacji powstałych polimerów. Dodatkowo opisano również protokoły przygotowania próbek dogbone o miękkiej sieci elastomerowej i ich depolimeryzacji, a także formowania tłocznego sztywnego polimeru termoplastycznego podstawionego N-fenylimidem. Na koniec omówiono również protokoły fotoizomeryzacji monomeru tCBCO do jego napiętej formy E-alkenu tCBCO, a następnie jego żywego ROMP.