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.
Über den Autor
Dr. Donald Darensbourg ist Distinguished Professor für Chemie an der Texas A&M University. Seine Forschungen zielen bereits seit mehr als 35 Jahren auf die Entwicklung katalytischer Prozesse für die Rückgewinnung von Kohlendioxid und dessen Umsetzung in nützliche Chemikalien ab, unter anderem in Polymere. Diese Studien eröffnen Wege zu Technologien, die Kohlenstofffixierung und -speicherung ergäzen.
Source: Angewandte Chemie, Pressemitteilung, 2015-07-27.