Det finns en god chans att du har rört något gjord av polyolefinpolymeren idag. Det används ofta i polyetenprodukter som plastpåsar eller polypropenprodukter som blöjor.

Lika användbara som polyolefiner är i samhället, de fortsätter att föröka sig som skräp i miljön. Forskare uppskattar plastpåsar, till exempel, kommer att ta århundraden att försämras.

Men nu, forskare vid Virginia Tech har syntetiserat ett biologiskt nedbrytbart alternativ till polyolefiner med hjälp av en ny katalysator och polyesterpolymeren, och detta genombrott kan så småningom få en djupgående inverkan på hållbarhetsarbetet.

Rong Tong, biträdande professor vid institutionen för kemiteknik och ansluten fakultetsmedlem i Macromolecules Innovation Institute (MII), ledde teamet av forskare, vars resultat nyligen publicerades i tidskriften Naturkommunikation .

En av de största utmaningarna inom polymerkemi är att kontrollera polymerens takticitet eller stereokemi. När man multiplicerar monomersubenheter till den makromolekylära kedjan, det är svårt för forskare att replikera ett konsekvent arrangemang av sidokedjefunktionella grupper som härrör från huvudpolymerkedjan. Dessa sidokedjefunktionella grupper påverkar i hög grad en polymers fysikaliska och kemiska egenskaper, såsom smälttemperatur eller glasövergångstemperatur, och regelbunden stereokemi leder till bättre egenskaper.

Tong sa att hans grupp nu har hittat ett sätt att skapa vanlig stereokemi med polyestrar.

"Det finns ingen tillgänglig metod för att göra den här typen av kemi, ", sa Tong. "Folk har gjort liknande arbete med polylaktid tidigare, men vi har i grunden visat att om vi kontrollerar stereokemin, polyestrarna kommer att ha förbättrade fysikaliska och kemiska egenskaper."

Tong och hans postdoc, Quanyou Feng, kombinerat en ny fotoredox Ni/Ir-katalysator - en förvånansvärt enkel kemisk process som använder en hushållsglödlampa för att starta reaktionen - med en stereoselektiv Zn-katalysator för att initiera ringöppningspolymerisationen av O-karboxyanhydridmonomeren för att skapa dessa förbättrade polyestrar. Monomererna kan bekvämt polymeriseras inom bara några timmar med spårmängder av katalysatorer. Det resulterande materialet har en hög molekylvikt, termisk stabilitet och kristallinitet, och kan brytas ned i grundvattenlösning.

"Om du använder en vanlig katalysator, den har inte stereokemikontroll, men vi upptäckte att vår katalysator kan göra det, " sa Tong. "I vår tidning, vi visar hur man designar sådana stereoselektiva katalysatorer och hur de hjälper till med stereokemikontroll."

O-karboxyanhydrider är gjorda av aminosyror, som är naturliga organiska föreningar, så dessa polyestrar skulle brytas ned, till skillnad från nuvarande icke-nedbrytbara polyolefiner. Dessutom, O-karboxyanhydrider kan tillföra olika funktionella grupper till polyestern och diversifiera polymerens tillämpning. För närvarande, FDA har bara godkänt ett fåtal polyestrar för biomedicinsk användning.

Efter att ha slutfört syntesen, Tong arbetade sedan med Guoliang "Greg" Liu, en biträdande professor vid Institutionen för kemi och stipendiat ansluten fakultetsmedlem med MII, för att visa att de nya polymererna hade förbättrade egenskaper.

"Dr. Tongs labb har enastående katalysatordesign och polymerisationstekniker, och vi har utmärkta egenskaper för karaktärisering och bearbetning, så det är naturligt för oss att arbeta tillsammans, ", sa Liu. "Att kontrollera och bevisa taktik är inte en trivial process. Genom att använda differentiell scanningskalorimetri och kärnmagnetisk resonans, vi ger starka bevis för strukturen och egenskaperna som vi går efter."

Att utveckla dessa polyestrar till applikationer är fortfarande på väg, men Liu sa för närvarande att detta är ett betydande framsteg för materialforskning.

"Denna polyestersyntes som styr takticiteten kan ge ett nytt bibliotek av polymermaterial som vi inte har haft tidigare, " sa Liu.

Detta stycke innovativ kemi har Tong och Liu glada för en framtid där nedbrytbar och grön plast kan produceras för att ersätta dagens petroleumplast som finns kvar på deponier och hav i årtionden eller århundraden.

Tong nämnde att denna nya polymersyntesteknologi endast har demonstrerats i akademisk labbskala. Det finns fortfarande mycket arbete att göra för att karakterisera dessa funktionella material och fullända den patentsökta syntesuppskalningsprocessen.

"Det skulle vara vår dröm att se dessa nedbrytbara polyestrar materialiseras på marknaden, för både plastindustrin och biomedicinska tillämpningar, " sa Tong.

Tongs team inkluderar också Yongliang Zhong, en kemiingenjör Ph.D. studerande; Dong Guo, en kemistudent som arbetar i Lius labb; och kollaboratören Linghai Xie, en professor vid Nanjing University of Posts and Telecommunications i Kina, som hjälpte till med beräkningsstudierna för att belysa katalysatorns stereoselektivitetsmekanism.