Евро-Азиатский институт образовательных технологий Eurasian Institute of educational technologies
Saturday, 2020-11-28, 2:02 AM
Site menu
Section categories
Археология- Аrcheology
Ботаника- Вotany
География- Geography
Зоология- Zoology
История- Нistory
История науки- Нistory of science
Медицина- Мedicine
Образование- Education
Общая биология- General biology
Общество- Society
Палеонтология- Рaleontology
Право- Jurisprudence
Психология- Рsychology
Технологии- Technology
Физика- Physics
Химия- Сhemistry
Экология- Еcology
Экономика- Еconomy
Our poll
Выберите научные направления, которые интересны Вам / Select the science areas that you interest in
Total of answers: 2572
Statistics

Total online: 1
Guests: 1
Users: 0

10:42 AM
Биоразлагаемый полимер из дезоксирибозы и углекислого газа / A biodegradable polymer synthesized of desoxyribose and carbon dioxide

Рис. 1. Графическая демонстрация разработанного химиками из Батского университета способа превращения диоксида углерода и углеводов в биоразлагаемый пластик. Изображение © Georgina Gregory с сайта bath.ac.uk

Исследователи из Батского университета разработали процесс, позволяющий превратить углевод дезоксирибозу и углекислый газ в циклический карбонат, который можно использовать в качестве мономера для получения биоразлагаемого биосовместимого поликарбонатного пластика. Разработанный подход открывает новый способ эффективного использования одного из парниковых газов — диоксида углерода, а также путь получения менее опасных по отношению к окружающей среде полимерных материалов из возобновляемого сырья.

Полимеры зарекомендовали себя как удобный конструкционный материал — легкий, прочный и долговечный. Сейчас они используются практически везде — от пищевой упаковки до корпусов автомобилей. Однако с запуском в 1909 году промышленного производства первого синтетического полимера — бакелита началось и загрязнение окружающей среды. Ведь в живой природе почти нет механизмов, способных разрушать отходы синтетических полимеров. Например, для полного разрушения полимеров, наиболее часто засоряющих экологические системы, — полиэтилена, идущего на производство пакетов, и полиэтилентерефталата, из которого делают пластиковые бутылки, — может потребоваться до четырех сотен лет.

Поэтому в последнее время всё больше внимания уделяется разработке методов синтеза биоразлагаемых полимерных материалов, желательно из возобновляемых источников. Наиболее известный из таких материалов — полимолочная кислота (полилактид), ее можно использовать вместо полиэтилена для изготовления пищевой пленки или пакетов.

Разработка метода производства полимолочной кислоты стала важным шагом на пути к «зеленым полимерам» — макромолекулам, которые будут оказывать гораздо более щадящее воздействие на окружающую среду, чем синтетические полимеры. Но она отнюдь не решила вопрос окончательно. В настоящее время существует огромное количество синтетических полимерных материалов с различными свойствами и применяющихся в разных областях, поэтому поиск биоразлагаемых аналогов полимеров, отличающихся по свойствам от полиэтилена, не теряет актуальности.

Целью исследователей из Батского университета была разработка биоразлагаемых полимеров другого типа — поликарбонатов. Из них можно изготавливать не только садовые теплицы и компакт-диски, но и элементы туристической экипировки (например, лямки рюкзаков на основе тонких волокон, сплетенных из поликарбонатных нитей). Производимые в настоящее время промышленностью поликарбонаты не биоразлагаемы, также как и полиэтилен с политерефталатом. К тому же сырьем для их производства служит бисфенол А, небезопасный для здоровья человека.

В начале 2010-х годов появились первые сообщения о синтезе поликарбонатов из сахаров, и полученные поликарбонаты оказались биоразлагаемыми. Однако метод синтеза безопаснее не стал: углеводные карбонаты получали взаимодействием углеводов и фосгена COCl2 (см. W. Zhu et al., 2011. High-molecular-weight aliphatic polycarbonates by melt polycondensation of dimethyl carbonate and aliphatic diols: synthesis and characterization), а фосген, хотя и используется в различных областях химического синтеза, печально известен как боевое отравляющее вещество удушающего действия, применявшееся во время Первой мировой войны; ядовит он и в небольших количествах.

Впрочем, с точки зрения химии и карбонаты (неорганические и органические, низкомолекулярные и высокомолекулярные), и фосген, и углекислый газ являются производными угольной кислоты Н2СО3. Британские химики нашли способ получения углеводных поликарбонатов, позволяющий заменить токсичный фосген (хлорангидрид угольной кислоты) на менее опасный углекислый газ (ангидрид угольной кислоты).

Суть разработанного метода следующая (рис. 2). На первом этапе находящийся в растворе моносахарид при комнатной температуре взаимодействует с пропускаемым через этот раствор углекислым газом, образуя циклический карбонат (сложный эфир моносахарида и угольной кислоты). Последний служит мономером для синтеза поликарбоната. На втором этапе карбонатный мономер вступает в реакцию полимеризации с размыканием цикла и получается целевое высокомолекулярное соединение — поликарбонат. Образование полимера также протекает в мягких условиях (комнатная температура, небольшие концентрации катализатора и инициатора), и для получения образца поликарбоната с молекулярной массой 25000 дальтон требуется не более часа.

Рис. 2. Схема получения поликарбонатного полимера из дезоксирибозы и углекислого газа. Рисунок из обсуждаемой статьи в Polymer Chemistry

 

Физические свойства полимера, полученного из моносахарида (для отработки условий синтеза исследователи использовали дезоксирибозу) и углекислого газа, оказались практически такими же, как и у поликарбонатов, полученных из продуктов нефтепереработки. Новый полимер прозрачен, отличается высокой прочностью, обладает стойкостью к механическим контактным повреждениям. Основное отличие его от поликарбонатов, полученных на основе бисфенола А, заключается в том, что воздействие ферментов, выделяемых почвенными бактериями, разрушает его до исходных соединений — моносахарида и неорганических солей угольной кислоты — карбонатов. Карбонаты аккумулируются в почве и потом либо формируют известняк, либо с грунтовыми водами стекают в Мировой океан. Моносахариды используются почвенными организмами.

Углеводный поликарбонат в перспективе может использоваться при изготовлении контейнеров для пищи или бутылочек для детского питания. А биологическая совместимость этого пластика может найти применение в хирургии или регенерационной медицине, где из него можно будет делать шовный материал, имплантаты или даже шаблоны для выращивания тканей или органов, предназначенных для трансплантации. Возможность применения в медицинских технологиях обуславливается еще и тем, что свойства нового полимера достаточно легко настраивать, внося изменения в его структуру. Так, например, с помощью химической модификации, не влияющей на биологическую совместимость, можно добиться того, что на нити макромолекулы углеводного поликарбоната будет сосредоточен положительный заряд, облегчающий клеткам выращиваемой ткани взаимодействие с шаблоном, направляющим рост. На мембранах клеток локализован отрицательный заряд. Клетки будут «приклеиваться» к такому шаблону за счет притяжения разноимённых зарядов.

Отработав протокол синтеза углеводного поликарбоната на D-дезоксирибозе (тиминозе) — углеводе, остаток которого входит в состав ДНК, — британские специалисты по высокомолекулярным соединениям планируют опробовать его на других углеводах — рибозе и маннозе. Они заявляют, что после столетия, в течение которого органический синтез развивался, отталкиваясь от идеи преобразования продуктов нефтепереработки, пора вернуть в синтез вещества, получаемые из возобновляемых источников, те же углеводы, выделяемые из природного сырья. Полимеры, полученные из такого сырья, будут относиться к синтетическим, ведь природные полимеры — это только те макромолекулы, которые образуются непосредственно в результате деятельности живых организмов. Однако их строительные блоки, взятые из живой природы, будут облегчать их биоразлагаемость, и пакет из такого полимера, попав в окружающую среду, распадется за один-два года, а не за сотни лет, как полиэтиленовый.

Открытие химиков из Бата делает нас на шаг ближе к миру без мусорных полигонов для захоронения пластиковых отходов и природных ландшафтов, загрязненных пластиковыми пакетами и бутылками. Полученные учеными поликарбонатные полимеры, сырьем для которых являются возобновляемые источники — углеводы и углекислый газ, разлагаются на порядки быстрее, чем синтетические полимеры из нефтяного сырья.

Источник: Georgina L. Gregory, Gabriele Kociok-Köhn, Antoine Buchard. Polymers from sugars and CO2: ring-opening polymerisation and copolymerisation of cyclic carbonates derived from 2-deoxy-d-ribose // Polymer Chemistry. 2017. V. 8 (13). P. 2093–2104. DOI: 10.1039/C7PY00236J.

Аркадий Курамшин

http://elementy.ru/novosti_nauki/433050/Poluchen_biorazlagaemyy_polimer_iz_dezoksiribozy_i_uglekislogo_gaza/t21099/Khimiya

 

Fig. 1. A graphic display was developed by chemists from the University of Bath's way of turning carbon dioxide and carbohydrates in biodegradable plastic. Image © Georgina Gregory from the site bath.ac.uk

Researchers from Bath University have developed a process that allows you to convert the carbohydrate deoxyribose and carbon dioxide in cyclic carbonate, which can be used as a monomer for obtaining the biodegradable biocompatible polycarbonate plastic. The developed approach opens a new way to effectively use one of the greenhouse gases — carbon dioxide, as well as way less dangerous towards the environment polymeric materials from renewable raw materials.

Polymers have established themselves as a convenient structural material — lightweight, strong and durable. They are now used almost everywhere — from food packaging to car bodies. However, with the launch in 1909, the industrial production of the first synthetic polymer — bakelite has started, and environmental pollution. After all, in nature there are almost no mechanisms that can destroy the waste synthetic polymers. For example, for the total destruction of polymers, most often contaminating ecological systems — polyethylene going to the production of packages and polyethylene terephthalate, used to make plastic bottles can take up to four hundred years.

Therefore, in recent years more and more attention is paid to the development of methods for the synthesis of biodegradable polymeric materials, preferably from renewable sources. The most famous of such materials are acid (polylactide), it can be used instead of polyethylene for the manufacture of cling film or bags.

Development of a method of production of polylactic acid has become an important step towards "green polymers" macromolecules that will have a much more gentle impact on the environment than synthetic polymers. But she did not settle the question definitively. Currently, there are a huge number of synthetic polymeric materials with different properties and applied in different areas, so the search for analogues of biodegradable polymers, differing in properties from polyethylene, which does not lose relevance.

The aim of the researchers from Bath University was to develop biodegradable polymers of another type — of polycarbonates. Of them can be produced not only garden greenhouses and CDs, but also the elements of tourist equipment (e.g., straps of backpacks on the basis of thin fibers woven from polycarbonate strands). Currently produced by industry, polycarbonates are not biodegradable, as well as polyethylene with polyterephthalate. Besides, the raw material for their production is bisphenol-a, is unsafe for human health.

In early 2010-ies were the first reports of the synthesis of polycarbonates from sugars, and the resulting polycarbonates were biodegradable. However, the method of synthesis has not become safer: carbohydrate carbonates were obtained by interaction of carbohydrates and phosgene, COCl2 (see W. Zhu et al., 2011. High-molecular-weight aliphatic polycarbonates by melt polycondensation of dimethyl carbonate and aliphatic diols: synthesis and characterization), and the phosgene, although it is used in various fields of chemical synthesis, an infamous chemical warfare agent suffocating actions used during the First world war; it is poisonous and in small amounts.

However, from the point of view of chemistry and carbonate (inorganic and organic, low and high molecular weight), phosgene, and carbon dioxide are derivatives of carbonic acid Н2СО3. British chemists have found a way of getting carbohydrate polycarbonates that can replace toxic phosgene (acid chloride of carbonic acid) to the less dangerous carbon dioxide (the anhydride of carbonic acid).

The essence of the developed method (Fig. 2). At the first stage in the solution of the monosaccharide at room temperature interacts with is passed through this solution with carbon dioxide, forming a cyclic carbonate (ester of monosaccharide and carbonic acid). The latter serves as a monomer for the synthesis of polycarbonate. In the second stage, the carbonate monomer is reacted polymerization with opening cycle and turns the target high-molecular compound — polycarbonate. The formation of the polymer also takes place in mild conditions (room temperature, low concentrations of catalyst and initiator), to receive the sample of the polycarbonate with a molecular weight of 25,000 daltons requires no more than an hour.

Fig. 2. The scheme for obtaining a polycarbonate polymer from desoxyribose and carbon dioxide. The illustration of the discussed articles in Polymer Chemistry

The physical properties of the polymer obtained from the monosaccharide (for testing conditions of synthesis, the researchers used the deoxyribose) and carbon dioxide were almost the same as that of polycarbonates derived from petroleum products. The new polymer is transparent, has high strength, is resistant to mechanical contact damage. Main difference from polycarbonates derived from bisphenol A, is that the effect of enzymes secreted by soil bacteria, destroys it to the original compounds — monosaccharide and inorganic salts of carbonic acid of carbonates. Carbonates accumulate in the soil and then either forming limestone, or with groundwater draining into the oceans. Monosaccharides are used by soil organisms.

Carbohydrate polycarbonate in the long term can be used in the manufacture of containers for food or bottles for baby food. And the biological compatibility of this plastic can be used in surgery or in regenerative medicine where it will be possible to make suture material, implants, or even templates for the cultivation of tissues or organs designed for transplantation. The possibility of application in medical technology is caused by the fact that the properties of the new polymer makes it easy to configure, making changes in its structure. So, for example, through chemical modifications that do not affect biological compatibility, you can ensure that strands of the macromolecule carbohydrate polycarbonate is concentrated positive charge, which helps the cells grow tissue interaction with a template that guides the growth. On the cell membranes of localized negative charge. The cells are "glued" to this pattern due to attraction of opposite charges.

After the Protocol of the synthesis of carbohydrate polycarbonate D-deoxyribose (timenote) is a carbohydrate, the balance of which is included in DNA — British experts on macromolecular compounds planned to test it on other carbohydrates — ribose and mannose. They claim that after a century during which organic synthesis was developed, starting from the ideas of transformation of refined products, it is time to return to the synthesis of substances derived from renewable sources, the same carbohydrates extracted from natural raw materials. Polymers derived from such raw materials will be synthetic, because natural polymers are only those macromolecules which are formed as a direct result of the activities of living organisms. However, their building blocks taken from living nature, will facilitate the Biodegradability and the package of this polymer, once in the environment will decay over one to two years, not for hundreds of years, such as plastic.

The discovery chemists from Baht gets us one step closer to a world without landfills for dumping plastic waste and natural landscapes, contaminated plastic bags and bottles. Scientists obtained polycarbonate polymers, raw materials for which are renewable sources — carbohydrates and carbon dioxide, decay of magnitude faster than synthetic polymers from crude oil.

Source: Georgina L. Gregory, Gabriele Kociok-Köhn, Antoine Buchard. Polymers from sugars and CO2: ring-opening polymerisation and copolymerisation of cyclic carbonates derived from 2-deoxy-d-ribose // Polymer Chemistry. 2017. V. 8 (13). P. 2093-2104. DOI: 10.1039/C7PY00236J.

Arkady Kuramshin

http://elementy.ru/novosti_nauki/433050/Poluchen_biorazlagaemyy_polimer_iz_dezoksiribozy_i_uglekislogo_gaza/t21099/Khimiya

Category: Химия- Сhemistry | Added by: zvonimirveres
Log In
Search
Calendar
«  July 2017  »
SuMoTuWeThFrSa
      1
2345678
9101112131415
16171819202122
23242526272829
3031
Организации / Оrganizations
Полезные ссылки / Useful links