Abbaubare Polymere auf biologischer Basis bieten Möglichkeiten für chemisches Kunststoffrecycling und sie können als Speicherstoff für nützliche Moleküle dienen. Wissenschaftler haben eine Klasse von zuckerbasierten Polymeren entwickelt, die sich durch saure Hydrolyse chemisch abbauen lassen. Die Forscher bauten auch „Fracht“-Moleküle zur späteren Abspaltung ein. Abbaubare Polymere mit molekularer Fracht sind wichtig für die Medizin- und Sensortechnik.
Kunststoffe widerstehen in der Regel natürlichen Abbauprozessen. Die zunehmende Plastikverschmutzung der Umwelt hat deshalb zu dem Ruf nach abbaubaren Kunststoffen geführt, die in chemischen Recyclingprozessen abgebaut werden können. Durch das Aufbrechen der Polymerbindungen gewinnt die Industrie dann entweder die Monomere für eine erneute Polymerisation zurück, oder sie sammelt die produzierten kleinen Moleküle für nachfolgende Reaktionen.
Abbaubare Kunststoffe – aufwändiges Design
Abbaubare Kunststoffe benötigen jedoch ein aufwändiges Design: Die Verknüpfungen zwischen den Polymerbausteinen müssen sich chemisch oder enzymatisch wieder öffnen lassen. Darüber hinaus sollten nachhaltige Polymere aus biobasierten Rohstoffen bestehen.
Tae-Lim Choi und Kollegen vom Fachbereich Chemie der National-Universität Seoul haben eine Möglichkeit gefunden, hochwertige Polymere aus Xylose-basierten Monomeren herzustellen. Xylose ist ein Zucker aus pflanzlichen Zellwänden. Die Forscher bauten in die Xylose-Monomere eine besondere molekulare Gruppe zur chemischen Verknüpfung ein und unterzogen dann die Monomere einer Kaskadenpolymerisation.
Salzsäure und abbaubare Polymere
Als Test auf die Abbaubarkeit dieser Kunststoffe behandelten die Forscher die Xylose-basierten Polymere mit Salzsäure, wie es bei chemischen Recyclingverfahren üblich ist. Die Abbaubarkeit hing dabei der Art der Verknüpfung ab, wie die Forscher feststellten: Bestand die Verknüpfung aus einem Kohlenstoffatom, widerstand das Polymer der Hydrolyse, Stickstoff- oder Sauerstoffatome führten dagegen zu einem sofortigen Abbau.
Polymere mit der stickstoffhaltigen Verknüpfung ergaben Pyrrole als Abbauprodukte, solche mit der Sauerstoff-Verbindung produzierten Furane. Pyrrole und Furane sind beides gängige, natürlich vorkommende Verbindungen. Dennoch raten die Forscher zur Vorsicht: „Es ist bekannt, dass Furanderivate ein breites Spektrum an biologischer Aktivität haben. Das sollte bei möglichen Anwendungen für diese Kunststoffe berücksichtigt werden.“
Blockcopolymere im Test
Blockcopolymere bestehen aus miteinander verknüpften Blöcken von kürzeren Polymersträngen. Die Eigenschaften der Blockcopolymere ergeben sich dann aus denen der Einzelblöcke. Da viele Funktionsmaterialien aus Blockcopolymeren hergestellt werden, testeten die Autoren, ob auch Xylose-basierte Blockcopolymere, die Blöcke mit nicht abbaubaren Verknüpfungen enthalten, durch Säurebehandlung zerfallen würden. Die Antwort war ja: „Nach 24 Stunden war auch der kohlenstoffverknüpfte Block fast vollständig zu kleinen Molekülen abgebaut; nur wenig oligomeres Material blieb übrig“, berichteten die Autoren.
Außerdem bauten die Forscher kleine Reportermoleküle in die Polymere ein. Durch saure Hydrolyse der Polymere mit der Sauerstoffverknüpfung bildeten sich Furane, die anschließend das Reportermolekül para-Nitrophenol freisetzten.
Diese Art molekularer Fracht ermöglicht eine einfache Quantifizierung der freigesetzten Menge. Das Frachtmolekül kann jedoch durch andere Verbindungen ersetzt werden, die nach ihrer Freisetzung verschiedene Funktionen ausüben.
Tae-Lim Choi, Fachbereich Chemie der National-Universität Seoul