化学家们发明了一种新方法，使回收塑料更容易、更有利可图

诸平

Carolina chemists develop a way to modify common polymers used in grocery bags, water and soda bottles and packaging to make it easier—and more profitable—to recycle plastic. Credit: Jon Gardiner / University of North Carolina Chapel Hill

据美国北卡罗莱纳大学教堂山分校（University of North Carolina at Chapel Hill简称UNC at Chapel Hill）2022年2月7日提供的消息（Carolina chemists develop radical way to make it easier, more profitable to recycle plastic），该校的化学家们开发了一种方法来修改常见的聚合物，这些聚合物用于购物袋、水和苏打水瓶以及包装中，以使回收塑料更容易，也更有利可图。上图就是北卡罗莱纳大学教堂山分校提供的。

根据2020年的一项研究（according to a 2020 study），美国产生的塑料垃圾比其他任何国家都多，约4630万吨，即每人每年287磅。这个国家9%的回收率（9% rate of recycling）永远无法跟上。为什么这么低?当今塑料的化学特性使得塑料很难回收。即使是可以熔化的热塑性塑料，也会随着每次重复使用而变弱。这导致了循环经济的真正障碍，没有利润的激励。

但现在，北卡罗莱纳大学教堂山分校的一组化学家扭转了局面，他们发现了一种分解塑料的方法，从而创造出一种比原来更坚固、更有价值的新材料。

北卡罗莱纳大学文理学院（UNC College of Arts & Sciences）的化学助理教授弗兰克·雷布法斯（Frank Leibfarth）说：“我们的方法将塑料垃圾视为生产新分子和新材料的潜在有价值的资源。我们希望这种方法能够推动回收塑料的经济动机，真正地将垃圾变成财富。”

弗兰克·雷布法斯和北卡罗莱纳大学教堂山分校专门研究化学合成的埃里克·亚历山尼亚（Erik Alexanian）教授在《科学》（Science）杂志上描述了这种塑料回收闭环的方法——Timothy J. Fazekas, Jill W. Alty, Eliza K. Neidhart, Austin S. Miller, Frank A. Leibfarth, Erik J. Alexanian. Diversification of aliphatic C–H bonds in small molecules and polyolefins through radical chain transfer. Science, 3 Feb 2022, 375(6580): 545-550. DOI: 10.1126/science.abh4308. https://www.science.org/doi/10.1126/science.abh4308

碳氢键是自然界中最强的化学键之一。它们的稳定性使得将天然产品转化为药物变得困难，回收塑料商品也颇具挑战性。但是，通过修改聚合物中常见的碳氢键，聚合物的使用寿命可以超越一次性塑料。聚合物是现代用于购物袋、苏打水和水瓶、食品包装、汽车零部件和玩具的塑料的基石。有了一种新发现的试剂，可以从药用化合物和聚合物上剥离氢原子，北卡罗莱纳大学教堂山分校的化学家们能够在以前被认为无反应的地方形成新的化学键。

埃里克·亚历山尼亚说:“我们的方法的多功能性在于，它能在如此广泛的重要化合物上实现许多有价值的碳氢键转换。”

变废为宝（Turning trash into treasure）

北卡罗莱纳大学教堂山分校的弗兰克·雷布法斯研究小组（Leibfarth Group），专注于设计更智能、更实用、更可持续的聚合物。在北卡罗莱纳政策合作实验室（NC Policy Collaboratory）的支持下，该团队开发了一种能够去除饮用水中的危险化学物质（removing dangerous chemicals from drinking water）的高吸水性聚合物。

研究人员设想，利用这种创新方法，将难以回收的塑料垃圾转化为高价值的聚合物。他们首先使用在运输过程中用来保护电子产品的泡沫塑料包装进行研究，因为这些产品最终会被填埋。消费后泡沫样品由北卡罗来纳州达勒姆（Durham, N.C.）的回收公司（High Cube LLC）提供。这种泡沫是由一种叫做商用聚烯烃（commercial polyolefin）的低密度塑料制成的。

通过有选择性地从聚烯烃中提取氢原子，化学家们想出了一种方法，将这种一次性塑料延长为一种高价值的塑料，称为离聚物（ionomer）。陶氏的沙林树脂（Dow's SURLYN）是一种很受欢迎的离聚物，它是一种用于各种食品包装的常用材料。

大多数回收的塑料被“向下循环”，制成地毯或聚酯纤维服装等质量较低的产品，这些产品最终仍可能被扔进垃圾填埋场。如果海龟将海洋塑料误认为食物（turtles mistake ocean plastic for food.），那么废弃的塑料会危害到海洋生物。但是，如果这种化学方法能够被反复应用到聚合物上，帮助它们一遍又一遍地循环利用，“它可能会改变我们看待塑料的方式，”弗兰克·雷布法斯说。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

塑料升级利用的最直接途径是设计专门用于重复使用的聚合物（The most direct path to plastic upcycling is designing polymers specifically for reuse）

A clean break for C–H bonds

Carbon–hydrogen (C–H) bonds are ubiquitous in pharmaceuticals and plastics but are difficult to transform. Fazekas et al. report a versatile reagent that strips hydrogen without immediately trapping the carbon. Heating or photolysis of the reagent produces a pair of radicals, one of which rapidly cleaves a C–H bond while the other remains comparatively inert. A wide variety of other radical sources can then intercede to form carbon–halogen, carbon–carbon, and carbon–sulfur bonds. A two-step upcycling sequence that added imidazolium groups to postconsumer polyethylene foam produced a potentially valuable ionomer. —JSY

Abstract

The ability to selectively introduce diverse functionality onto hydrocarbons is of substantial value in the synthesis of both small molecules and polymers. Herein, we report an approach to aliphatic carbon–hydrogen bond diversification using radical chain transfer featuring an easily prepared O-alkenylhydroxamate reagent, which upon mild heating facilitates a range of challenging or previously undeveloped aliphatic carbon–hydrogen bond functionalizations of small molecules and polyolefins. This broad reaction platform enabled the functionalization of postconsumer polyolefins in infrastructure used to process plastic waste. Furthermore, the chemoselective placement of ionic functionality onto a branched polyolefin using carbon–hydrogen bond functionalization upcycled the material from a thermoplastic into a tough elastomer with the tensile properties of high-value polyolefin ionomers.