中科院化学所刘志敏团队Nature Communications: 废弃聚酯降解制羧酸和烃的通用方法

▲第一作者：曾伟

通讯作者：刘志敏

通讯单位：中国科学院化学研究所

论文DOI： 10.1038/s41467-023-44604-1

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中科院化学所刘志敏团队报道了一种利用卤素阴离子离子液体将聚酯类塑料解聚转化为羧酸和烃的新型通用策略。采用1-丁基-2、3-二甲基咪唑溴盐与Pd/C复合体系，在加氢条件下可将芳香族、脂肪族聚酯及其共聚酯或聚酯混合物降解为相应的羧酸和烷烃；而采用四丁基溴化膦可在无外氢源和无金属条件下，将含有β-H的聚酯直接降解成羧酸和烯烃。这一方法不仅实现了废弃聚酯资源的回收利用而具有环保意义，也为羧酸生产提供了新途径。

背景介绍

无处不在的塑料给人类生活和生产带来了极大的便利，同时大量的塑料垃圾由于难以降解，也日渐对生态环境和人类造成了严重的危害。塑料化学回收不仅为消除塑料废物的环境污染提供了有效的途径，而且为合成高值化学品提供了新方法。迄今为止，废弃聚酯的化学回收策略包括热解、水解、醇解、胺解和氢解等，可以将其降解为相应的羧酸、酯、酰胺和醇等。

本文亮点

聚酯是一类由酯基（-c_acylooC_alkoxy-）连接而成的高分子。从其化学结构来看，其解聚可从断裂C_acyl-O或C_alkoxy-O键而实现。如水解、醇解和胺（氨）解是通过断裂C_acyl-O实现聚合物的解聚，往往受限于低聚物的存在和大量溶剂的使用。选择性断裂C_alkoxy-O键可保留-coo-基团，从而直接获得羧酸，而这一断键方式在文献中鲜有报道。在本研究中，我们发现卤素阴离子基离子液体，由于阳离子与酯基中O的氢键作用而增强了卤素阴离子的亲核性，使其可直接亲核进攻聚酯中的C_alkoxy原子而断裂C_alkoxy-O键。基于此，提出了一种将聚酯降解为羧酸和烃的通用策略，如图1所示。在加氢条件下，离子液体与Pd/C共同催化聚酯转化为羧酸和烷烃；而在无氢条件下，离子液体可将含β-H的聚酯解聚转化为不饱和羧酸和烯烃。

图文解析

Fig. 1. A general strategy for recycling polyesters into carboxylic acids and hydrocarbons. IL as catalyst, R1 = H or CH3, R2= aryl or alkyl groups, X = halogen, m ≥ 0, m1 ≥ 1, m2 ≥ 2.

Fig. 2. Decomposition of various polyesters (R1 = H or CH3, R2 = aryl or alkyl groups, m ≥ 0) over [BMMIm]Br-Pd/C under the H2 atmosphere.

Fig. 4. Mechanism study on recycling polyesters over [BMMIm]Br-Pd/C under the H2 atmosphere.

Fig. 5. Deconstruction of various polyesters (R = aryl or alkyl groups, m ≥ 0, m1 ≥ 1, m2 ≥ 2) with β-H over [P₄₄₄₄]Br under the N2 atmosphere.

总结与展望

本文展示了一种利用卤素阴离子基离子液体将聚酯解聚转化为羧酸和烃的通用策略，同时为由废弃聚酯生产羧酸和烃类化合物提供了新方法。

课题组介绍

刘志敏，中国科学院化学所研究员，博士生导师，英国皇家化学会会士，国家杰出青年基金获得者，国家自然科学基金委创新群体负责人（2022），科技部创新人才推进计划重点领域可再生碳资源绿色转化利用创新团队负责人，国家”特支计划”科技创新领军人才（2018）。长期从事绿色化学研究，在绿色溶剂设计、性质及其调控催化可再生碳资源（二氧化碳、生物质、废旧塑料等）转化利用方面取得一系列创新性成果。曾获国家自然科学奖二等奖、北京市科学技术奖二等奖、中国科学院杰出科技成就奖（突出贡献者）、中国科学院巾帼建功先进个人等。