Neue Publikation in ChemPlusChem veröffentlicht

06.04.2022
 

Guanidin-Carboxy-Zink-Komplexe für das chemische Recycling nachwachsender Polyester

Kunststoffe sind in unserem Leben allgegenwärtig. Doch die stetig steigende Umweltverschmutzung durch erdölbasierte, nicht abbaubare Kunststoffe ist eine der größten globalen Herausforderungen der nahen Zukunft. Zu deren Lösung können Biokunststoffe, wie der biobasierte und vollständig bioabbaubare Polyester Polylactid (PLA) einen entscheidenden Beitrag leisten. In der aktuell gebräuchlichen linearen Kunststoffökonomie kann jedoch auch PLA eine Gefahr für die Umwelt sein, denn für die industrielle Herstellung wird aktuell der toxische Katalysator Zinnoctanoat verwendet. Beim Bioabbau des Polymers kann so das toxische Schwermetall in die Umwelt eingetragen werden. Im Arbeitskreis Herres-Pawlis wird daher schon lange an der Entwicklung ungiftiger, stabiler und hoch-reaktiver Katalysatoren für die Ringöffnungspolymerisation von Lactid zur Herstellung von PLA geforscht. So wurden bereits verschiedene Eisen- und Zink-Guanidin-Katalysatoren entwickelt, die unter industriellen Bedingungen deutlich aktiver sind als der toxische Zinn-Katalysator. Um das volle Potential von PLA zukünftig auszuschöpfen, ist neben der Entwicklung ungiftiger Katalysatoren zur Herstellung, ein effizientes Recycling des Kunststoffs nach dessen Nutzung erstrebenswert. Aufgrund der reaktiven Esterbindung in der Polymerkette ist PLA besonders gut für chemische Recyclingmethoden, wie z.B. die Alkoholyse geeignet.

In der aktuellen Arbeit zeigen wir, dass drei im Arbeitskreis für die Lactidpolymerisation entwickelte robuste Guanidin-Carboxy-Zink-Komplexe auch in der Alkoholyse von PLA katalytisch aktiv sind. Hierbei wandeln alle getesteten Katalysatoren bereits unter milden Reaktionsbedingungen (60 °C in THF) PLA in einer Umesterungsreaktion zu Methyllactat um. Dieses kann zum Monomer Lactid zyklisiert werden um erneut PLA herzustellen, als Lösemittel oder als Startmaterial für die Synthese neuer Verbindungen eingesetzt werden. Elektronendichteschiebende Substituenten am Liganden steigern hierbei die katalytische Aktivität, wohingegen elektronendichteziehende Substituenten die Reaktivität herabsenken. Der aktivste Katalysator [ZnCl2(TMG5NMe2asme)] ist zusätzlich auf die Tauglichkeit für den industriellen Einsatz getestet worden. Sowohl die Skalierbarkeit des Recyclings, als auch das Recycling des Katalysators selbst werden hierbei erfüllt. Weiterhin sind die Umsetzung anderer reaktionsträgerer Alkohole, das selektive Recycling von PLA aus Kunststoffgemischen und Blends, sowie das Recycling des Biokunststoffs Polycaprolacton durch den Katalysator gegeben. Unter Lösemittelfreien Bedingungen bei 150 °C erreicht die Alkoholyse von PLA bereits nach 1 h Vollumsatz, was zusätzlich die industriele Relevanz des katalysators aufzeigt. Guanidin-Carboxy-Zink-Katalysatoren zeigen daher ein vielversprechendes Potenzial als Werkzeug in der Schaffung einer nachhaltigen Kreislaufwirtschaft für Biokunststoffe.

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