Az ELKH TTK Anyag- és Környezetkémiai Intézetének kutatócsoport-vezetője, Tuba Róbert nemzetközi partnereivel együttműködve olyan újgenerációs, makrociklikus polimerek szintézisét vizsgálta, amelyek hozzájárulhatnak újszerű, fenntartható és kiemelkedő fizikai tulajdonságokkal rendelkező polimerek kifejlesztéséhez. Eredményeiket a rangos Nature Chemistry kémiai folyóiratban közölték.
A ciklikus (gyűrűs) polimerek topológiai szempontból speciális makromolekulák, fizikai tulajdonságaik számos esetben eltérnek lineáris analógjaiktól. A gyűrűs topológiának köszönhetően ezek a polimerek nem tartalmaznak láncvégi csoportokat, így kivételes kémiai stabilitással is rendelkeznek.
A makrociklikus polimereket többek között kenőanyagok adalékaként is használják. Természetes folyamat, hogy a kenőanyagok használati idejének előrehaladtával csökken azok viszkozitása – ennek elsődleges oka, hogy a bennük található poli(alfa)olefinek lánctöredezést szenvednek. Ezzel egy időben a gyűrűs polimerek láncfelnyílásával olyan, hosszú szénláncú polimerfragmentumok keletkeznek, amelyek ellensúlyozzák a viszkozitás csökkenését, és így meghosszabbítják a kenőanyag élettartamát.
A kutatók munkájuk során makrociklikus polimereket – elsősorban polipenténamereket – állítottak elő szilíciumhordozós, ruténiumalapú olefinmetatézis-katalizátorokkal, gyűrűexpanziós metatézis polimerizációval (ring expansion metathesis polymerization ‒ REMP). Az eredményt amerikai szabadalom védi (Tuba, R.; Grubbs, R. H. US Patent App. 10,619,003).
Makrociklusos polimerek szintézise gyűrűexpanziós metatézis-polimerizációs (REMP) eljárással
A polipenténamereket olyan szintetikus gumialapanyagként tartja számon a szakirodalom, amelynek fizikai tulajdonságai hasonlóak a természetes gumiéhoz. Általános az a nézet, hogy a lineáris polimerek végcsoportjaik révén hozzájárulnak a gumiabroncsokban található polimerek öregedéséhez, jelentősen csökkentve azok teljesítményét és tartósságát. A gyűrűs polimerek így várhatóan enyhítik ezeket a problémákat, és javítják a gumiabroncsok teljesítményét, növelik élettartamukat.
Környezetvédelmi szempontból is kiemelkedő jelentőségű, hogy a polipenténamerek – legyenek akár lineárisak, akár makrociklikusak – egyensúlyi olefinmetatézis-polimerizációval állíthatók elő. Ez annak a lehetőségét is magában hordozza, hogy ezeket a polimereket nemcsak felépíteni lehet az adott katalizátorrendszerekkel ciklopenténből, hanem a reakciókörülmények kismértékű megváltoztatásával katalitikusan vissza is lehet bontani kiindulási alkotóelemeikre. A kutatáson alapuló körültekintő tervezés teremtheti meg annak lehetőségét, hogy olyan, nagy teljesítményű gumiabroncsokat lehessen előállítani, amelyek használat után összetevőikre bonthatók és újrahasznosíthatók.
A tanulmányban bemutatott katalizátorrendszerek kiemelkedő aktivitást mutatnak enyhe reakciókörülmények között. Ezt jól példázza, hogy egyetlen, hordozóhoz kötött katalizátormolekula 415 000 monomer beépítésére képes (TON > 415 000). A katalizátor heterogenizálásának köszönhetően a termék ruténiumszennyezése elhanyagolható, emellett a katalizátor is újrahasznosítható. Ezek a tulajdonságok messze túlmutatnak napjaink fenntartható katalízisre vonatkozó elvárásain.