Американские химики синтезировали полимерный материал, по своим механическим свойствам и термической устойчивости не уступающий современным пластмассам, но, в отличие от них, его можно контролируемо перерабатывать, разбирая обратно на отдельные мономеры. Полученные при этом мономеры годятся для новой полимеризации, за счет чего такой материал можно использовать многократно, пишут ученые в Science.

Одно из основных достоинств современных пластмасс — их долговечность и устойчивость по отношению к внешним механическим нагрузкам и небольшим изменениям температуры. Однако тот факт, что у пластика со временем практически не меняются химические и механические свойства, имеет очевидные отрицательные последствия. Именно из-за устойчивости пластик практически невозможно переработать, в результате чего он постепенно загрязняет планету, накапливается в океане и вмешивается в жизнь морских экосистем. Поэтому важной задачей современной химии является поиск таких полимерных материалов, которые с одной стороны обладают нужными физическими свойствами, а с другой — могут быть легко переработаны, после чего их можно будет использовать повторно.

Американские химики из Университета штата Колорадо под руководством Юджина Чена (Eugene Y.-X. Chen) синтезировали новый тип полимерного материала, который обладает физическими свойствами — плотностью, упругостью и термической устойчивостью — на уровне современных пластмасс и при этом может быть многократно использован за счет цикла реакций полимеризации и обратной деполимеризации. Мономером этого соединения стала молекула на основе гамма-бутиролактона, в которой два из атомов углерода дополнительно связаны в циклическую структуру в транс-конформации. Получить такой мономер можно довольно легко и в больших количествах с помощью двухстадийного синтеза из доступных в продаже реактивов.

Химическая структура мономера. J.-B. Zhu et al./ Science, 2018

Последующая полимеризация мономера происходит тоже довольно легко: при комнатной температуре с использованием совсем небольшого количества катализатора (не более одного мольного процента) и всего за несколько минут. При этом можно использовать два различных типа катализатора. В зависимости от выбора одного из них будет образовываться один из двух типов полимеров: с линейной или циклической структурой. Средняя молекулярная масса линейных полимеров составила от 0,5 до 1 мегадальтона, а циклических полимеров — около 80 килодальтон.

Схема полимеризации γ-бутиролактона при комнатной температуре. J.-B. Zhu et al./ Science, 2018

По всем своим характеристикам — молекулярной массе, термической устойчивости и механическим свойствам оба типа полимера оказались очень близки к используемым сейчас видам пластика (при этом каждый из полимеров может существовать в двух хиральных конформациях, однако наилучшими свойствами обладала рацемическая смесь двух энантиомеров). Так, температура плавления рацематов как циклического, так и линейного полимера составила около 190 градусов Цельсия, температура стеклования — около 50 градусов Цельсия, а модуль упругости — около 2,7 гигапаскаля, что сравнимо с показателями современных пластиковых материалов, например, биоразлагаемого полилактида.

Основным достоинством синтезированного полимера ученые называют возможность его многократной переработки с помощью деполимеризации, которую можно проводить либо с помощью термолиза при температурах выше 300 градусов Цельсия, либо при более умеренных температурах (около 120 градусов Цельсия) в присутствии хлорида цинка ZnCl₂. Выход реакций разложения составил около 97 процентов. Образованные при деполимеризации мономеры по своим свойствам не отличаются от начального состояния, и их можно снова использовать для получения нужного полимерного материала.

Ученые отмечают, что похожие перерабатываемые пластмассы уже были синтезированы и ранее, однако, все они уступали современным пластмассам по своим механическим свойствам и термической устойчивости. Предложенный же в данной работе материал позволяет и многократно проводить циклы полимеризации и деполимеризации, и обладает требуемыми для пластиковых материалов свойствами.

Другое направление поиска новых полимерных материалов — оптимизация их физических свойств, в частности, тепло- и электропроводности. Например, недавно американские химики синтезировали изотропный пластик, который одинаково хорошо проводит тепло во всех направлениях. До этого другая группа химиков получила первый прозрачный проводящий полимер, который не содержит системы сопряженных связей, а ток проводит за счет нужной структуры радикальных групп.

Автор: Александр Дубов