A TTK Anyag- és Környezetkémiai Intézet kutatói – nemzetközi partnereikkel együttműködésben – olyan újgenerációs, makrociklikus polimerek szintézisén dolgoznak, amelyek hozzájárulhatnak újszerű, kiemelkedő tulajdonságokkal rendelkező és fenntartható polimerek kifejlesztéséhez. Eredményeiket a Nature Chemistry lapban közölték.
A ciklikus (gyűrűs) polimerek topológiai szempontból rendkívül érdekes makromolekulák, fizikai tulajdonságaik számos esetben eltérőek lineáris analógjaikhoz képest. A gyűrűs topológiának köszönhetően ezek a polimerek nem tartalmaznak láncvégi csoportokat, így kivételes kémiai stabilitással is rendelkeznek.
A makrociklusos polimerek használhatók többek között kenőanyagok adalékaként. A kenőanyagok használati idejének előrehaladtával csökken azok viszkozitása, melynek oka, hogy az abban található poli(alfa)olefinek lánctöredezést szenvednek. Ezzel egyidőben a gyűrűs polimerek láncfelnyílásával olyan hosszú szénláncú polimerfragmensek keletkeznek, amelyek ellensúlyozzák a viszkozitás csökkenését, és így meghosszabbítják a kenőanyag élettartamát.
Munkájuk során a kutatók makrociklikus polimereket – elsősorban polipenténamereket – állítottak elő szilíciumhordozós, ruténiumalapú olefinmetatézis-katalizátorokkal, gyűrűexpanziós metatézis polimerizációval (ring expansion metatheis polymerization, REMP), mely munkájukat amerikai szabadalom védi (Tuba, R.; Grubbs, R. H. US Patent App. 10,619,003).
A polipenténamereket olyan szintetikus gumialapanyagként tartja számon a szakirodalom, amelynek fizikai tulajdonságai hasonlóak a természetes gumiéhoz. Általános az a nézet, hogy a lineáris polimerek végcsoportjaik révén hozzájárulnak a gumiabroncsokban található polimerek öregedéséhez, jelentősen csökkentve azok teljesítményét és tartósságát. A gyűrűs polimerek így várhatóan enyhítik ezeket a problémákat, és javítják a gumiabroncsok teljesítményét, növelik élettartamukat.
Környezetvédelmi szempontból kiemelkedő jelentőségű, hogy a polipenténamerek – akár lineáris, akár makrociklikus – egyensúlyi olefin metatézis polimerizációval állíthatók elő. Ez magában hordozza annak a lehetőségét, hogy ezeket a polimereket nemcsak fel lehet építeni az adott katalizátorrendszerekkel ciklopenténből, hanem a reakció körülmények enyhe megváltoztatásával katalitikusan vissza is lehessen bontani kiindulási alkotóelemeire. Így teremthető meg annak az elvi lehetősége, hogy olyan nagyteljesítményű gumiabroncsokat lehessen előállítani, amelyek használat után építőelemire visszabonthatók és újrahasznosíthatók.
A cikkben bemutatott katalizátorrendszerek igen kiemelkedő aktivitást mutatnak enyhe reakciókörülmények között. Ezt jól példázza, hogy egyetlen, hordozóhoz kötött katalizátormolekula 415.000 monomer beépítésére képes (TON > 415.000). A katalizátor heterogenizálásnak köszönhetően a termék ruténiumszennyezése elhanyagolható, emellett a katalizátor is újrahasznosítható. Ezek a tulajdonságok messze túlmutatnak napjaink fenntartható katalízisre vonatkozó elvárásain.
Yoon, KY., Noh, J., Gan, Q. et al. Scalable and continuous access to pure cyclic polymers enabled by ‘quarantined’ heterogeneous catalysts. Nat. Chem. (2022).