可降解塑料的春天即将到来了么？

高分子的出现无疑给人们的生产和生活带来了极大的便利，几乎随处都能看到它的身影。不过，由于其多为石油基原料制备而成，且在制备过程中需要用到金属催化剂，因此可持续性较差，并会对环境带来很大的隐患，随后而来的“白色污染”问题也令人忧心。近年来开环聚合法（ROP）以内酯小分子开环聚合成可生物降解的脂肪族聚酯备受关注。但是该方法通常需要在高温（160度左右）以及超高压的严苛条件下才能进行，因此开发新型的温和条件制备可降解的塑料制品成为竞相追逐的热点。

2015年底，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——“可回收”的生物塑料（相关阅读：“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）。

图片来源：source.colostate.edu

在该篇论文中（假定机理详见下图），作者尝试了金属催化剂与一些强碱，最终发现La金属螯合催化γ-丁内酯（GBL），成功在低温条件下实现内酯的开环聚合，得到了线形与环状两种聚合产物，最高转化率高达90%。最为重要的是：所得聚合物可以在加热条件下回到单体，实现降解循环利用。这篇文章实现了从无到有的突破，但是还是存在一个显著的问题——还需要使用金属催化剂。众所周知，金属催化剂价格昂贵，并且可能污染产物。

为了解决这个问题，而且之前的工作也证明利用有机碱亦可得到聚合产物，Eugene Chen教授和Miao Hong博士于是再度做出改进，使用了一种更强的有机碱tert-Bu-P4，在容易拔氢的同时该分子的正离子也有利于稳定γ-丁内酯拔氢后的负离子（具体机理请看下图），首次在不使用金属催化剂的情况下实现了γ-丁内酯的低温开环聚合。（Towards Truly Sustainable Polymers: A Metal-Free Recyclable Polyester from Biorenewable Non-Strained γ-Butyrolactone. Angew. Chem. Int. Ed., 2016. DOI: 10.1002/anie.201601092）

这一次他们依然实现了高达90%的单体转化率，并且用时更少（四个小时或更短），可得到高分子量的聚合物（Mn高达26.7 kg/mol）。所得到的聚合物产品为粉末状，并表现为聚酯材料的典型特征，可被浇铸成不同的形状。而最重要的，这些聚酯产品完全可回收，对其进行加热就可使其转化成纯的单体。作者强调：“使用有机聚合的方法得到的Poly-GBL可完全转化成纯单体而得到回收，要做的仅仅是对这种聚合物进行加热。”

由于该反应没有金属催化剂参与其中，因此对于那些强调“无金属”的产品和工艺来说（例如生物制药），该反应特别有吸引力。

1. http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201601092/abstract

2. http://phys.org/news/2016-03-metal-free-recyclable-polyester-biomass-derived-compound.html