Zur Polymerisationskatalyse nachwachsender Monomere mit Zink-N,N-Donor-Komplexen

Hermann, Alina; Herres-Pawlis, Sonja (Thesis advisor); Pich, Andrij (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2022, 2023)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2022

Kurzfassung

Um zukünftig nachhaltige Lösungen für die zunehmenden, globalen Umweltprobleme durch Kunststoffabfälle zu schaffen, eignen sich Biokunststoffe als Alternativen zu petrochemischen Kunststoffen. Der derzeit am meisten produzierte Biokunststoff ist Polylactid (PLA), welches biobasiert und biologisch abbaubar ist. Problematisch bei der Produktion ist jedoch die Verwendung eines toxischen Zinn-Katalysators, welcher im Polymer verbleibt. Durch Akkumulation von PLA gelangt somit auch der umweltschädliche Katalysator in die Umwelt. Für ein vollständig nachhaltiges Polymer ist es daher notwendig einen biokompatiblen Katalysator für die industrielle Anwendung zu entwickeln. Diese Arbeit befasst sich daher mit dem Design von nicht-toxischen Zink-Guanidin-Komplexen auf Basis von N,N-Donor-Ligandensystemen für die industrielle Herstellung von PLA. Dafür werden verschiedenste robuste Zink-Komplexe synthetisiert und charakterisiert, sowie deren jeweilige Molekülstrukturen analysiert. Durch ein gezieltes Liganden- und Komplexdesign können ideale Strukturmerkmale für Zink-Guanidin-Komplexe herausgearbeitet und so Alternativen zu dem in der Industrie verwendeten, toxischen Katalysator geschaffen werden. Die unterschiedlichen Modifizierungen zeigen, dass das Ligandendesign eine entscheidende Rolle für die Aktivität des Katalysators spielt. Besonders günstig zeigte sich ein vollständiges oder teilweise gesättigtes Ligandenrückgrat, dass die zwei Donor-Einheiten verbindet. In Kombination mit nicht-koordinierenden Triflat-Ionen ergeben sich hochaktive Zink-Komplexe für die Lactidpolymerisation, deren Aktivität die des industriellen Katalysators übertreffen. Einer dieser Zink-Guanidin-Katalysatoren ist nicht nur der bisher schnellste robuste Katalysator für die Herstellung von PLA, sondern auch der erste Guanidin-Komplex, der eine Aktivität in der Lösungspolymerisation von Lactid aufweist. Auch dort ist die Aktivität deutlich höher als die des industriellen Zinn-Katalysators. Zur nachhaltigen Betrachtung eines gesamten Lebenszyklus zählt ebenso das Zurückführen der Materialien in einen Kreislauf, weshalb die Komplexe in der Methanolyse von PLA eingesetzt werden. Zusätzlich wird die Bandbreite an weiteren Monomeren für den vielversprechendsten Katalysator erweitert, indem dessen Aktivität mit cyclischen (Thio-)Carbonaten und Ethern untersucht wird. Gleichzeitig wird die Vielseitigkeit des Komplexes durch den Einsatz in der Polykondensation unterstrichen, was es ermöglicht auch lineare Monomere mit diesem Katalysator zu polymerisieren.