“美国总统绿色化学挑战奖”华裔得主发明真正化学意义上“可回收”的生物塑料

科学技术的魅力之一就是不断的更新，让人类可以做到原来不能做到的事情，突破人类能力的极限。最近，化学领域就有一个很好的例子。

美国科罗拉多州立大学的华裔化学家Eugene Chen教授和他团队中的博士后Miao Hong在《Nature Chemistry》杂志上发表了一个令人惊喜的研究成果（注：Eugene Chen教授也是2015年“美国总统绿色化学挑战奖”的获奖者，点击阅读详细），他们发明了一种新型的可回收聚酯材料，可以在简单地加热一个小时后，就能够复原到初始的单体状态，而这些单体可直接再利用。他们这个新材料的出发原料是一种可再生的生物单体分子，而这种单体分子早就被教材和期刊文献认为是不可能聚合的。

图片来源：source.colostate.edu

作为最重要的人造高分子材料，塑料最常见的类型主要是聚乙烯和聚苯乙烯塑料，而这些材料最终在垃圾场堆积如山，无法回收利用。陈教授实验室的主要研究方向之一就是专注于制造可再生和降解的塑料和其它类型的聚合物，以取代传统的基于石油的材料。

“每人每年消耗超过200磅的合成聚合物，塑料可能是其中产量最大的。大多数的这类聚合物都没有生物再生性，”Chen教授说。“现在的一个大方向是研发可生物再生和可生物降解的聚合物或塑料，但这只是解决了一部分的问题，从原料循环利用的角度看，可生物降解的聚合物不一定是可回收的”。

图片来源：source.colostate.edu

目前市场上有几种可生物降解的塑料，其中主要是由聚乳酸（PLA）制成的淀粉基材料。餐厅里使用的可降解杯子、餐具和包装就是由PLA制成的，它们是可生物降解的，但它们并不能真正的“可回收”。这意味这些产品一旦做出来，在不产生多余副产物的条件下就不能完全复原到原来的单体状态。

那么在有些塑料瓶子上的“可回收”是真的可回收吗？这实际上是另外一种回收。这是指可以对这些塑料材料重新利用，以延长其产品生命周期。但从化学角度上，这并不是真正的可回收。它并不能简单的将这些高分子物质转变为初始的单体状态而重新结合成全新的塑料。

这个研究团队的原料单体叫做γ-丁内酯（GBL），它是一种无色液体，很常用，来自于美国能源部推荐的最适合替代石化产品的12个生物质衍生化合物之一。

教科书和科学文献描述了这种单体小分子具有很高的热稳定性，几乎不可能从单体化学状态转变到聚合状态。传统的观点认为“你不能从这种单体得到聚合物，因为反应的热力学已经决定了这是不可能的，”Chen教授说，“我们怀疑，一些以前的报告中的数据很可能不正确。”

他们不仅使用这种单体制造出可回收的聚合物，该团队还探索了利用不同催化剂和反应条件，让聚合物具有不同的形状，如线性或环状。在实验中，他们使用金属类和非金属类的催化剂以合成聚合物，称为poly(GBL)，其在化学上与一种被称为聚4-羟基丁酸酯（P4HB）的商业生物材料是等价的。

图片来源：Jing Tang/Chen lab；source.colostate.edu

他们专门设计的反应条件包括在较低温度下聚合，而又使聚合物在加热到220-300摄氏度之间时又能够转化回原始单体，证明了该聚合物的热可回收性。

“在科罗拉多州立大学工作的这15年里，这可能是我们团队最激动人心的成果，”Chen教授说，“这项工作创造了一类真正可回收的生物聚合物。它们来自于本来被认为是不能聚合的生物衍生单体，而得到的是一个生物可再生和可回收的聚合物。”该团队的新发现具有广阔的市场潜力，在科罗拉多州立大学风险投资机构的帮助下，他们已经提交了临时专利申请。

1. http://www.nature.com/nchem/journal/vaop/ncurrent/full/nchem.2391.html

2. http://source.colostate.edu/recyclable-bioplastics-cooled-down-cooked-up-in-csu-chem-lab/