从植物油中提取的高性能单体和聚合物

我们经常将化石燃料视为能量来源，但化石燃料的一个关键用途是合成新化学化合物的起点。这些范围从塑料到药品。近年来，推动了移动到更可持续的化学原料。北达科他州北达科他州立大学的Andriy Voronov教授是一个研究人员之一，这是寻找从可再生原料制造高性能化学品的策略之一，具有较低的环境影响。

许多材料，比如塑料，都是原油这种黑色泥浆混合物的一部分。原油是碳氢化合物的丰富来源，碳氢化合物是一种含有碳和氢元素的化学物质。从这种汤中，可以生成数千种不同的化合物，从高价值的药品到聚乙烯和尼龙等塑料构件。

虽然原油和其他碳氢化合物燃料(如天然气)是一种丰富的化学原料，但这些都是有限资源，通常需要耗费大量能源才能加工成有用的化合物;由于其不可生物降解的特性，它们也会积聚废物。在寻找可再生能源替代能源方面已经取得了巨大进展，但石油化学领域是否也能取得同样的进展?

Andriy Voronov教授和他的北达科他州立大学的研究团队正常工作 - 试图用较低的纺丝能量综合可再生能源的材料，对环境影响较低。在他的研究中，他通过将植物油转化为单体，制定了一种在单步反应中制备乙烯基单体的新策略。然后，单体用于聚合步骤中以制备丙烯酸类聚合物。

在寻找可再生能源替代能源方面已经取得了巨大进展，但石油化学领域是否也能取得同样的进展?

聚合物生产
我们所知道的塑料是聚合物的例子——一种由称为单体的重复亚基构成的材料。通常用于生产饮料瓶和塑料袋的塑料聚乙烯因其单体亚基乙烯而得名。在聚合物中，数百或数千个单体单元连接在一起形成长链。根据这些链的密度和长度，最终的塑料可以有不同的性能。例如，高密度的链使聚乙烯非常轻和坚固，适用于瓶子，但低密度的链可以使某些东西像手提袋一样灵活。

Andriy Voronov教授发现了一种方法，可以使用一步的合成工艺制备来自植物油的丙烯酸单体。植物油是一种优秀的起始材料，因为它们的许多人本质上是丰富的，通常廉价，无毒。它们还具有可生物降解的内在但重要的财产。使用它们制造高性能聚合物的挑战 - 其中诸如链条长度的性质的一致性是关键的 - 是如何处理更复杂和不一致的起动材料。化学上，油由甘油三酯（脂肪酸和甘油的酯）组成。

成功的聚合物合成是关于控制和工业生产植物在技术上进行显着投入的，以便在对反应的每一步进行精确控制。随着单体在一起开始建立链的作用，总有不需要的副反应的风险。其中一些可能使其他不需要的化学物质，但其他人可能导致链增长过程的终止。虽然一旦链条达到预期长度，但是如果它发生得太早期，则这是理想的，则反应混合物可能会恶化。

不同的聚合物具有非常不同的结构性质。如果聚合物链的迁移率受到限制，则聚合物材料是脆性和刚性的。如果迁移率较高，所得聚合物是柔性的。对于更柔韧的聚合物，最受欢迎的应用之一是用于各种材料的涂层。这意味着聚合物需要非常耐受，以保护下面的物体，但也必须具有良好的粘附，以粘附到表面而不会随时间剥落或碎裂。衍生自Voronov的实验室专业的植物油的丙烯酸类聚合物具有长的脂族（烃类）链，其具有不同量的双键（取决于油源），可提供材料柔韧性。疏水性属性本质上是基于用于合成的可再生资源的性质。这些优异的性能可用于防水，提高柔韧性和粘附性，并具有许多有价值的应用。

一个灵活的骨干
虽然Voronov的植物油基丙烯酸类丙烯酸单体可以直接用于制造基于丙烯酸单体的现有材料，但它们也是制造生物化聚合物结构的优秀结构块。设计的植物油单体具有双重官能度 - 使聚合物链生长在自由基聚合中生长，并在聚合过程中保存的脂肪酸链中的双键，并且可用于后聚合的交联反应。

Voronov教授开发的一种新的合成方法打开了以相对直接的方式创造生物基聚合物的可能性。

丙烯酸单体还可以与重要的石油中间体或生物基乙烯化合物混合，制成混合聚合物(共聚物)。这种共聚物可以将植物油基丙烯酸聚合物优异的耐水性和其他聚合物的可塑性结合起来。这意味着最终生成的共聚物的生物降解性和弹性可以根据具体的应用进行精确定制，从而制成一种可持续的聚合物材料。

植物油基丙烯酸单体的另一个重要特征是它们可以在乳液法中经历反应以形成乳液聚合物，否则被称为胶乳。当化合物不溶解在溶剂中时，形成乳液，它保持为分散的液滴。乳液的最着名的实例之一是牛奶，这是油滴在水中的分散。乳液聚合是一种非常有用的方法，因为它产生即用的最终胶乳聚合物，并且这种类型的聚合易于在水中发生。这意味着可以形成乳液聚合物，施加到表面上，干燥后留下最终的聚合物膜或涂层。植物油衍生的乳液聚合物具有能够形成薄膜的益处，这在涂料和涂料如涂料和涂料中是非常理想的。对于例如涂料等特定应用，需要疏水性，使植物油基单体理想的材料合成候选。

一个更环保的未来
向循环工业发展，化学废料也成为化学原料，对化学处理来说是一项巨大的事业。Voronov教授开发的一种新的合成方法很重要，不仅因为它开启了制造生物基聚合物的可能性，而且因为它是以一种相对直接的方式实现的。

可持续化学合成的一个重大挑战是，找到一种不仅适用于单个科学家可能只生产几克产品的工作台反应，而且还能找到一种可以按比例放大并自动化生产许多公斤产品的反应。采用单步合成使这一方法更有可能实现，因为更少的步骤意味着更好的产品产量和更有效的过程，以及反应自动化的更大程度的简单。由于反应是在温和的条件下进行的，因此不需要高能耗。

沃罗诺夫教授现在已经申请了合成工艺的专利。植物油基单体和聚合物的性能，由于其固有的无毒特性，为粘合剂、涂料甚至个人护理产品提供了广泛的机会。对于利用可再生、绿色原料的新合成工具和路线的开发来说，这是一个令人兴奋的时期。