可持续性高分子材料的设计

Modern life relies on polymers, from the materials that are used to make clothing, houses, cars and aeroplanes to those with sophisticated applications in medicine, diagnostics and electronics. The vast majority of these polymers are derived from petrochemicals, which not only leads to the depletion of resources, but also accompanies with enviormenatal problems. Therefore, the development of sustainable polymer materials derived from renewable resources is of great importance. Based on the relationship of monomer-polymer-property, the present project focuses on the access of epoxide monomers from renewable resources such as terpene, vegetable oil and furfural. By the rational design of chiral divalent bimetallic zinc/magnesium catalyst systems, and realize the highly reactive and selective copolymerization with CO2 or anhydride monomers with renewable epoxides by regulating the synergistic catalysis between two metal centers, then we can get the isotactic, sustainable polycarbonates and aliphatic polyesters. Additionally, the project also explores the synthesis of stereocomplexed process of chiral polymers with different configurations to prepare crystalline and sustainable stereocomplexes.

从制备衣服、房屋、汽车和飞机所需的原料到医药、诊断和电子器件中应用的材料，高分子贯穿到我们日常生活的方方面面，然而绝大多数的高分子都来源于石油和天然气等非可再生资源，这不仅带来资源消耗殆尽的问题，也会带来诸多环境问题。因此，开发来源于可再生资源的可持续性高分子材料显得至关重要。本课题从单体-聚合物-性能的构校关系出发，高效从萜烯、植物油和糠醛等可再生资源得到环氧烷烃单体，通过合理设计手性双二价锌镁催化体系，调控两个金属中心之间的协同催化作用，实现其与CO2或酸酐等单体的高活性和高选择性共聚反应，从而得到高度有序的聚碳酸酯和脂肪族聚酯可持续高分子材料。其次，将具有不同构型光学活性的聚合物进行物理共混，制备出结晶性的可持续高分子立体复合材料。

基于双金属协同诱导策略，通过调控活性金属位点酸性和取代基空间电子位阻效应，开发了系列双金属/三金属锌铬催化体系，实现了可再生资源CO2、酸酐与环氧烷烃的共聚和三元共聚反应，制备系列序列结构可控的可持续聚碳酸酯和聚酯材料。以糠醛等可再生资源为原料，通过简单化学转化，得到系列基于生物质的环氧烷烃底物。基于前文开发的手性双/多催化体系，实现此类环氧烷烃与CO2的高效不对称共聚反应，得到全同结构的系列可持续CO2基聚碳酸酯材料，实现材料结晶性和功能性的调控。将手性反构型聚合物进行物理共混，得到系列结晶性的立体复合物，实现无定形到结晶性的转变。此类聚碳酸酯在加热条件下可以高效循环为环氧烷烃底物，实现聚合物到单体的闭环回收，为解决当前高分子塑料污染的问题提供一种新的思路。开发了一种实现聚碳酸环己烯酯循环到环氧环己烷单体的金属催化体系，实现了聚碳酸环己烯酯定量解聚为单体的循环过程，活性高达3000 h-1，环氧环己烷的分离产率高达90%，选择性为99%，首次实现了二氧化碳基聚碳酸酯的选择性分拣热解，表明聚碳酸环己烯酯完全可以在不影响现有塑料垃圾处理措施的基础上进行选择性高效闭环回收。课题共发表了12篇研究论文，申请了2份中国发明专利，其中1项已经授权。培养博士2名（崔磊、陈世瑜），硕士4人（方黎明、于会颖、李宇彤、于艳），课题负责人刘野在资助期间，2019年获得教育部青年长江学者，2020年获得兴辽人才计划青年拔尖人才。