आणविक रीसाइक्लिंग के लिए बनाया गया है: एक लिग्निन-व्युत्पन्न अर्ध-सुगंधित बायोबेस्ड बहुलक
Summary
एक परिपत्र सामग्री अर्थव्यवस्था की ओर एक बंद पाश दृष्टिकोण का एक उदाहरण यहां वर्णित है । एक संपूर्ण टिकाऊ चक्र प्रस्तुत किया जाता है जहां बायोबेस्ड अर्ध-सुगंधित पॉलिएस्टर को पॉलिमराइजेशन, डीपॉलिमराइजेशन द्वारा डिजाइन किया जाता है, और फिर उनकी पैदावार या अंतिम गुणों में केवल मामूली परिवर्तन के साथ फिर से बहुलीकृत किया जाता है।
Abstract
रासायनिक पुनर्नवीनीकरण योग्य बायोपॉलिमर का विकास एक परिपत्र अर्थव्यवस्था की खोज के भीतर अवसर प्रदान करता है। रासायनिक रूप से पुनर्नवीनीकरण योग्य बायोपॉलिमर उपयोग चरण के बाद निपटान चरण में बहुलक सामग्रियों के मुद्दे को हल करने के लिए एक सकारात्मक प्रयास करते हैं। इस पेपर में बायोबेस्ड सेमी-एरोमेटिक पॉलिएस्टर्स का प्रोडक्शन, जिसे पूरी तरह से बायोमास जैसे लिग्निन से निकाला जा सकता है, का वर्णन और कल्पना की जाती है । इस पेपर में वर्णित पॉलीमर पॉली-एस में पीईटी जैसे कुछ आमतौर पर उपयोग किए जाने वाले प्लास्टिक के समान थर्मल गुण हैं। हमने एक ग्रीन नोवेनेगेल प्रतिक्रिया विकसित की है, जो सुगंधित एल्डिहाइड और मैलोनिक एसिड से मोनोमर का कुशलतापूर्वक उत्पादन कर सकती है। यह प्रतिक्रिया स्केलेबल साबित हुई है और इसमें उल्लेखनीय रूप से कम गणना किए गए ई-कारक हैं। एक प्रारंभिक बिंदु के रूप में लिग्नो-फाइटोकेमिकल्स के साथ ये पॉलिएस्टर न्यूनतम नुकसान के साथ एक कुशल आणविक रीसाइक्लिंग दिखाते हैं। पॉलिएस्टर पॉली (डिहिड्रोसिनेपिनिक एसिड) (पॉली-एस) को इन अर्ध-सुगंधित पॉलिएस्टर के उदाहरण के रूप में प्रस्तुत किया जाता है, और बहुलकीकरण, depolymerization, और पुनः बहुलीकरण का वर्णन किया जाता है।
Introduction
पॉलीमेरिक कचरे के जलाए जाने के विपरीत, रासायनिक रीसाइक्लिंग मोनोमर को ठीक करने की संभावना प्रदान करता है। पॉलीमेरिक सामग्रियों के तकनीकी जीवन के अंत में रासायनिक पुनर्चक्रण एक तार्किक विकल्प है क्योंकि ये पॉलीमेरिक सामग्री रासायनिक रूप से उत्पादित होती है1. पॉलीमेरिक सामग्री को रासायनिक रूप से रीसायकल करने के दो तरीके हैं, पायरोलिसिस और आणविक रीसाइक्लिंग2। पायरोलिसिस के साथ, पॉलीमेरिक सामग्री को चरम परिस्थितियों3, 4का उपयोग करके उच्च मूल्य के उत्पादों में बदल दियाजाताहै। आणविक रीसाइक्लिंग डीपॉलिमराइजेशन का उपयोग करके शुरुआती सामग्रियों को ठीक करने के लिए एक कुशल तरीका है। अपाधिकीकरण के बाद, मोनोमेरिक इकाइयों को कुंवारी बहुलक सामग्री5में फिर से लागू किया जा सकता है। बड़े पैमाने पर आणविक रीसाइक्लिंग लागू करने के लिए उपयुक्त मोनोमर की उपलब्धता चाहते हैं। वर्तमान प्लास्टिक समस्या तय करती है कि समाज मजबूत और मजबूत बहुलक सामग्री की मांग करता है। साथ ही यह भी पसंद किया जाता है कि एक ही पॉलीमेरिक सामग्री आसानी से रिसाइकल हो जाती है और पर्यावरण में सहना नहीं पड़ता। अच्छे थर्मल और यांत्रिक गुणों वाली वर्तमान बहुलक सामग्री आसानी से6को विकृत नहीं करती है ।
लिग्निन, आमतौर पर संवहनी पौधों में पाया जाता है, दुनिया की प्राकृतिक कार्बन सामग्री के 30% के लिए जिम्मेदार है और सेल्यूलोज के बाद दूसरा सबसे प्रचुर मात्रा में बायोपॉलिमर है। लिग्निन में एक जटिल असंगत संरचना है और जीवाश्म सामग्रियों से निकाले गए सुगंधित को बदलने के लिए एक उपयुक्त विकल्प प्रतीत होता है। लिग्निन की त्रि-आयामी संरचना लकड़ी को शक्ति और कठोरता प्रदान करती है, साथ ही क्षरण के प्रतिरोध को भी प्रदान करती है। रासायनिक रूप से बोल रहा हूं, लिग्निन एक बहुत ही जटिल पॉलीफेनोलिक थर्मोसेट है। इसमें तीन अलग-अलग मेथोक्साइलेटेड फेनिलोपेन संरचनाओं की अलग-अलग संरचना होती है। सिरिंजिल, गुआसिल, और पी-हाइड्रोक्सीफेनिल (अक्सर क्रमशः एस, जी और एच के रूप में संक्षिप्त) मोनोलिग्निल सिनापिल अल्कोहल, कोनिफिल अल्कोहल, और पी-कौआरिल अल्कोहल7से प्राप्त होते हैं। इन इकाइयों का वितरण प्रति बायोमास प्रकार भिन्न होता है, उदाहरण के लिए, सॉफ्टवुड के साथ, जिसमें ज्यादातर ग्वाइसिल इकाइयां और गुआसिल और सिरिंजल इकाइयों की हार्डवुड शामिल हैं8,9। अक्षय प्राकृतिक स्रोत, जैसे पेड़ और पौधे, अभिनव बहुलक सामग्री10के लिए बदल दिए गए मोनोमर के उत्पादन के लिए वांछनीय हैं। प्राकृतिक स्रोतों से अलग और संश्लेषित इन मोनोमर, तथाकथित बायोबेस्ड पॉलिमर11के लिए बहुलीकृत हैं।
सुगंधित कार्बोक्सिलिक एसिड इलेक्ट्रॉनिक कारणों से समतुल्य एलिफेटिक कार्बोक्सिलिक एसिड की तुलना में कम इलेक्ट्रोफिलिक के कई आदेशहैं। विभिन्न वाणिज्यिक पॉलिएस्टर एलिफेटिक कार्बोक्सिलिक एसिड के बजाय सुगंधित कार्बोक्सिलिक एसिड का उपयोग करते हैं। नतीजतन, पॉलीएस्टर वस्त्रों में फाइबर पॉली (एथिलीन टेरेफ्थेलेट) (पीईटी) फाइबर से बने लगभग धोने के दौरान हाइड्रोलिसिस के प्रति असंवेदनशील होते हैं या उदाहरण के लिए,13बारिश। जब पॉलिएस्टर्स का आणविक रीसाइक्लिंग चाहता है, तो बहुलक के निर्माण में एलिफेटिक एस्टर का उपयोग करने की सलाह दी जाती है।
बताए गए कारणों से हमने 4-हाइड्रोक्सी-3,5-डाइमेथॉक्सी-डाइमेथॉक्सी-डाइइड्रोसिनेनामिक एसिड14से पॉलिएस्टर बनाने की संभावनाओं की जांच की है । क्रिचेलडोर्फ15, मेयर 16और मिलर17,18के पिछले अध्ययनों से पता चलता है कि 4-हाइड्रोक्सी-3, 5-डाइमेथॉक्सी-डाइमेथ्रोसिननामिक एसिड का उपयोग करके बहुलक बनाना चुनौतीपूर्ण है। डेकार्क्सिलेशन और क्रॉसलिंकिंग ने बहुलकीकरण में बाधा डाली, और इसलिए इन संश्लेषण की सफलता को सीमित किया। इसके अलावा, पॉलीकोंडेंसेशन का तंत्र अस्पष्ट रहा। प्रस्तुत किए गए पेपर में उन स्थितियों का वर्णन किया गया है जिनमें पॉलिएस्टर पॉली (डिहाइड्रोसिनापिनिक एसिड) को नियमित रूप से और उच्च उपज में संश्लेषित किया जा सकता है, इस प्रकार अर्ध-सुगंधित पॉलिएस्टर का उपयोग करने का मार्ग प्रशस्त होता है जो आणविक रूप से पुनर्नवीनीकरण योग्य होते हैं।
हमने सिरिंगाल्डिहाइड और मैलोनिक एसिड19,20के बीच संघनन प्रतिक्रिया का उपयोग करके सिनापिनिक एसिड को संश्लेषित करने का एक हरा और कुशल तरीका विकसित किया है । इस ग्रीन नोवेनेगेल के बाद, हाइड्रोजनीकरण डियड्रोसिनापिनिक एसिड पैदा करता है, जो रिवर्सिबल पॉलीकोंडेन्सेशन के लिए उपयुक्त है। यह प्रकाशन पॉली-एस नामक लिग्निन की आधार इकाइयों की चर्चा करते हुए आणविक रूप से पुनर्नवीनीकरण पॉलीमर पॉली (डिहाइड्रोसिनापिनिक एसिड) के लिए सिंथेटिक चरणों की कल्पना करता है। पॉलीमेरिक सामग्री का विश्लेषण करने के बाद, पॉली-एस को अपेक्षाकृत अनुकूल परिस्थितियों में मोनोमर डियेड्रोसिनापिनिक एसिड से अवगत कराया जाता है और बार-बार फिर से पुन: प्रकट किया जाता है।
Protocol
Representative Results
Discussion
जब एक प्रतिक्रिया पोत में डिहिड्रोरोसिनापिनिक एसिड गर्म किया गया था, तो शुरुआती सामग्री का उदात्तीकरण हुआ, और वैक्यूम लागू होने पर इस प्रभाव को बढ़ाया गया था। उदात्तीकरण से बचने के लिए डिडिड्रोसिनाप?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
लेखक नीदरलैंड ऑर्गनाइजेशन फॉर साइंटिफिक रिसर्च (एनडब्ल्यूओ) (ग्रांट 023.007.020 से जैक वान शिजनडेल को दिए गए अनुदान) से वित्तीय सहायता के लिए आभारी हैं।
Materials
| Reaction 1: Green Knoevenagel condensation | |||
| Ammonium bicarbonate | Sigma Aldrich | >99% | |
| Ethanol | Boom | Technical grade | |
| Ethyl acetate | Macron | 99.8% | |
| Hydrochloric acid | Boom | 37% | |
| Malonic acid | Sigma Aldrich | 99% | used as received |
| Sodium bicarbonate | Sigma Aldrich | >99.7% | |
| Syringaldehyde | Sigma Aldrich | 98% | used as received |
| Reaction 2: Hydrogenation | |||
| Magnesium sulfate | Macron | 99% | dried |
| Raney™ nickel | Sigma Aldrich | >89% | |
| Sodium hydroxide | Boom | Technical grade | dissolved |
| Reaction 3: Acetylation | |||
| Acetic anhydride | Macron | >98% | |
| Acetone | Macron | >99.5% | |
| Sodium acetate | Sigma Aldrich | >99% | |
| Reaction 4A: Polymerisation | |||
| 1,2-xylene | Macron | >98% | |
| Sodium hydroxide | Boom | Technical grade | finely powdered |
| Zinc(II)acetate | Sigma Aldrich | 99.99% | |
| Reaction 4B: Depolymerisation | |||
| Sodium hydroxide | Boom | Technical grade | dissolved |
| Sulfuric acid | Macron | 100% | |
| Analysis | |||
| CDCl3 | Cambride Isotope Laboratories, Inc. | 99.5% | |
| CF3COOD | Cambride Isotope Laboratories, Inc. | 98% | |
| Dimethylformamide | Macron | >99.9% | |
| Hexafluoro-2-propanol | TCI Chemicals | >99% | |
| Methanol | Macron | >99.8% | |
| Tetrahydrofuran | Macron | >99.9% |
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