Iron guanidine complexes as polymerization catalysts for ROP and ATRP

  • Eisen-Guanidin-Komplexe als Polymerisationskatalysatoren für ROP und ATRP

Rittinghaus, Ruth Dorina; Herres-Pawlis, Sonja (Thesis advisor); Okuda, Jun (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2021)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Kurzfassung

Die zunehmende Umweltverschmutzung durch Kunststoff erfordert innovative Lösungen unter Berücksichtigung der Prinzipien der Kreislaufwirtschaft. Ein Kunststoff, der vielfältige Möglichkeiten für einen zirkulären Materialfluss bietet, ist Polylactid (PLA). Basierend auf nachwachsenden Rohstoffen kann es sowohl biologisch abgebaut, als auch chemisch oder mechanisch rezykliert werden. Die industrielle Herstellung von PLA erfolgt aktuell jedoch mit einem gesundheitsschädlichen Zinn-Katalysator, der in Anlehnung an die Prinzipien der grünen Chemie mit einem biologisch unbedenklichen Katalysator ersetzt werden sollte. Einige biokompatible Katalysatoren sind bekannt, jedoch zeigen diese die benötigte hohe Polymerisationsaktivität nur unter nicht skalierbaren Bedingungen, z.B. unter Nutzung aufgereinigter Monomere oder der Verwendung von Lösungsmitteln. Ein Katalysator, der industriell eingesetzt wird, sollte robust gegenüber Verunreinigungen in den Monomeren sein und eine hohe Aktivität in der lösungsmittelfreien Polymerisation zeigen. In dieser Arbeit wird Eisen als biokompatibles und unbegrenzt verfügbares Metall mit neutralen Guanidin-Liganden kombiniert, mit dem Ziel, einen alternativen Katalysator für die industrielle Herstellung von PLA zu finden. Hierfür werden verschiedene Eisen-Guanidin-Komplexe synthetisiert und ihre molekulare Struktur analysiert. Anschließend wird die Polymerisationsaktivität der Komplexe für Lactid untersucht und ihre Reaktionsgeschwindigkeits-konstanten ermittelt. Die Ergebnisse zeigen einen bahnbrechenden Erfolg: Zum ersten Mal besitzt ein biokompatibler Katalysator unter industriell relevanten Polymerisationsbedingungen eine höhere Aktivität für die Polymerisation von Lactid als der zu ersetzende Zinn-Komplex. PLA kann bereits den Ersatz für traditionelle Kunststoffe in einigen Anwendungen bieten, die Grenzen seiner Eigenschaften müssen jedoch mit der Hilfe von Comonomeren überwunden werden, um weitere Anwendungsgebiete zu erschließen. Deswegen wurde die Copolymerisation von Lactid, ε-Caprolacton und Glycolid untersucht und gezeigt, dass Eisen-Guanidin-Katalysatoren in Abhängigkeit von den Polymerisationsbedingungen sowohl Block- als auch statistische Copolymere produzieren können. Die vielfältige Einsetzbarkeit der Komplexe wird einmal mehr demonstriert, indem sie die Polymerisation von Lactid und die Atomtransferradikal-polymerisation von Styrol simultan durchführen können. Diese orthogonale Katalyse ermöglicht die einfache Herstellung von Blockcopolymeren bestehend aus zwei Monomeren ohne gemeinsame funktionelle Gruppe. Ein Katalysator, der ein hochaktives System für die Polymerisation von Lactid darstellt, der es erlaubt, über die Polymerisationsbedingungen die Mikrostruktur eines Copolymers zu beeinflussen und zwei Polymerisationsmechanismen gleichzeitig durchführen kann, ermöglicht einen kleinen Einblick, wie Polymerisationsprozesse durch die richtige Katalysatorwahl vereinfacht werden können. Weiterführende Forschung an Katalysatoren wird nicht nur den Weg für zirkuläre Materialien ebnen, sondern auch eine nachhaltige Produktion ebendieser ermöglichen.

Identifikationsnummern

Downloads