Polymere aus Treibhausgas

Vielseitige Nanostrukturen aus CO2-basierten Polycarbonaten

29.07.2015 - USA

Kraftwerke, die ihr Kohlendioxid nicht mehr über den Schornstein in die Atmosphäre blasen, sondern direkt in eine angeschlossene Produktionsanlage einspeisen, sind eine durchaus realistische Zukunftsvorstellung: CO₂ ist nicht nur ein unerwünschtes Treibhausgas, sondern auch eine interessante Kohlenstoffquelle, etwa zur Herstellung hochwertiger Polymere. Amerikanische Wissenschaftler stellen in der Zeitschrift Angewandte Chemie jetzt eine zweistufige Ein-Topf-Synthese vor, mit der sich aus CO₂ und Epoxiden Polycarbonat-Block-Copolymere herstellen lassen, die wasserlösliche und wasserabweisende Bereiche vereinen und zu Nanopartikeln oder Mizellen aggregieren können.

CO₂ und Epoxide – sehr reaktionsfähige Verbindungen mit einem Dreiring aus zwei Kohlenstoffatomen und einem Sauerstoffatom – lassen sich mit speziell entwickelten Katalysatoren zu Polycarbonaten polymerisieren. Diese Verfahren sind eine umweltfreundlichere Alternative zu gängigen Herstellverfahren und wurden bereits von einigen Firmen eingeführt. Da die bisherigen CO₂-basierten Polycarbonate wasserabweisend sind und keine funktionelle Gruppen tragen, ist ihr Einsatz jedoch limitiert. Insbesondere biomedizinische Anwendungen, ein Gebiet, auf dem sich die biokompatiblen Polycarbonate schon etabliert haben, bleiben bisher außen vor.

Das Team um Donald J. Darensbourg und seinen Mitarbeiter Yanyan Wang von der Texas A&M University (USA) sorgt für Abhilfe. Den Forschern ist es erstmals gelungen, amphiphile Polycarbonat-Block-Copolymere herzustellen, bei denen sowohl die wasserabweisenden als auch die wasserlöslichen Bereiche auf CO₂ basieren. Zudem konnten sie verschiedene funktionelle und geladene Gruppen in die Polymere einbauen. Da es sehr schwierig ist, Bausteine für wasserfreundliche Polycarbonate zu finden, behalfen sich die Forscher mit einem Trick: Erst polymerisieren und die wasserlöslichen Gruppen anschließend einfach anknüpfen.

Das Ganze läuft sogar als „Ein-Topf-Reaktion“: Zunächst stellten die Forscher die wasserabweisenden Bereiche durch eine Polymerisation von CO₂ und Propylenoxid als Epoxid-Komponente her. Anschließend wurde einfach im selben Gefäß mit einem anderen Baustein weiterpolymerisiert: Allyl-Glycidylether (AGE), einem Epoxid, das eine Doppelbindung in der Seitenkette hat. Das AGE-haltige Polymer wächst auf beide Enden des bereits entstandenen Polycarbonats auf, sodass ein Triblock-Copolymer entsteht. Die Blocklänge lässt sich präzise steuern. An die Doppelbindungen kann im Anschluss mit einer sogenannten Thiol-En-Klick-Reaktion eine wasserlösliche Gruppe einfach „angeklipst“ werden. So lassen sich zum Beispiel saure und/oder basische Gruppen anhängen, die im entsprechenden pH-Bereich positiv bzw. negativ geladen vorliegen. Einige der so hergestellten amphiphilen Polycarbonate sind in der Lage, selbstorganisiert zu Partikeln oder Mizellen zu aggregieren. Dies und die Möglichkeit, z.B. auch bioaktive Stoffe anzuknüpfen, könnte viele neue interessante Perspektiven für biomedizinische Anwendung eröffnen.

Originalveröffentlichung

Yanyan Wang, Jingwei Fan and Prof. Donald J. Darensbourg; Construction of Versatile and Functional Nanostructures Derived from CO2-based Polycarbonates; Angewandte Chemie; Article first published online: 14 JUL 2015

https://www.chemie.de/news/153866/polymere-aus-treibhausgas.html