Polyester z oxidu uhličitého jde rozložit zpět na monomer. Zatím v laboratoři

Časopis Nature vydal 29. července práci, ve které devět autorů z Colorado State University a Northwestern University spojilo oxid uhličitý přímo s napjatými bicykloalkany do polyesteru. Řetězec se podle abstraktu střídá dokonale pravidelně, takže každá druhá jednotka pochází z oxidu uhličitého. Jednu z obou popsaných variant autoři rozložili zpátky na čistý výchozí monomer s izolovaným výtěžkem nad 90 %.

Proč se to dosud dělalo oklikou

Oxid uhličitý je chemicky líný a energie z něj vytáhnout nejde. Do polymerů se proto pouští jen ve dvojici s reaktivnějším partnerem, který tu energii dodá. Abstrakt to říká rovnou: střídavá kopolymerace oxidu uhličitého s alkeny je termodynamicky neproveditelná, a právě proto se z něj polyestery dělaly obtížně.

Tým to obešel volbou partnera. Místo běžného alkenu použil bicykloalkany – molekuly, ve kterých jsou dva malé kruhy slepené k sobě tak, že vazby musí být ohnuté proti přirozenému úhlu. Konkrétně jde o bicyklobutan (BCB) a bicyklopentan (BCP). Napětí v takovém kruhu je zásoba energie, která se při reakci uvolní; polymerace pak běží i s partnerem tak nezajímavým, jako je oxid uhličitý. Spouští ji podle abstraktu prostý organický katalyzátor, tedy žádný drahý kov.

Údaj o 50 mol% obsahu oxidu uhličitého, který abstrakt označuje za maximum, je molární podíl jednotek v řetězci. Znamená přesně to, co dokonalé střídání: jedna jednotka z oxidu uhličitého, jedna z uhlovodíku, pořád dokola. Hmotnostní podíl to není a abstrakt ho neuvádí.

Materiál drží, dokud se nezavelí

U polyesterů z BCB abstrakt uvádí výjimečnou tepelnou stabilitu a odolnost proti hydrolýze v celém rozsahu pH. To je u polyesteru podstatné: esterová vazba je ta, kterou voda za pomoci kyseliny nebo zásady běžně štěpí, takže odolnost proti vodě a rozložitelnost si obvykle překážejí.

Tady je vyřešená tím, že rozklad potřebuje jiné podmínky než běžný provoz. Materiál z BCB se podle abstraktu depolymeruje bez rozpouštědla a za katalýzy zásadou zpátky na čisté monomery BCB, výtěžek po izolaci je přes 90 %. Opakované cykly rozklad – opětovná polymerace pak podle autorů uzavírají životní cyklus.

Druhá varianta se chová jinak. Polyestery z BCP se rozkládají také, ale na bicyklolaktony, tedy na jinou látku, než ze které vznikly. Laktonový kruh esterovou skupinu obsahuje, takže uhlík z oxidu uhličitého v produktu podle nás zůstává; abstrakt to takhle výslovně neříká. U varianty s BCB se vrací samotný bicykloalkan a co se přitom stane s oxidem uhličitým, abstrakt nepíše.

Co ve veřejné části nestojí

Plné znění je za předplatným, takže tenhle text stojí na abstraktu a na tiskové zprávě, kterou univerzita vydala v den vydání práce. Ani v jednom není jediné číslo o pevnosti, tažnosti nebo teplotě skelného přechodu – zpráva mluví o vysoké mechanické pevnosti a pružnosti, hodnoty k tomu nedává.

Chybí i druhý konec řetězu. Odkud se berou bicyklobutan a bicyklopentan, kolik energie jejich výroba spotřebuje a co stojí, neuvádí ani abstrakt, ani tisková zpráva. Bez toho se nedá spočítat, jestli je celá cesta pro klima přínosem, nebo jen zajímavou syntézou. Postdoktorand Min Zhu, první autor práce, podle zprávy uvedl, že polymery z tohohle postupu se dají navrhnout tak pevné jako houževnaté plasty, nebo tak měkké, aby se používaly stejně jako guma. Konkrétní materiál za tím ve zprávě nestojí.

Práci vedl Eugene Y.-X. Chen, který na univerzitě drží nadační profesuru pojmenovanou po Johnu K. Stillem. Peníze na ni dala americká Národní vědecká nadace a konsorcium BOTTLE, které financuje ministerstvo energetiky a které se zabývá recyklací plastů a návrhem polymerů rozložitelných už z principu.

Jak se k polyesterům z oxidu uhličitého chodilo dřív

Že jde o krok, a ne o objev z ničeho, je vidět na starší práci. Skupina Iana Tonkse z Minnesoty popsala v Nature Chemistry 27. června 2022 polyester z oxidu uhličitého, butadienu a vodíku. Nešla ale přímo: nejdřív z těch tří vznikl laktonový meziprodukt a teprve jeho polymerací kruh za kruhem polyester. Molární hmotnost dosáhla 13,6 kg/mol, stropová teplota polymerace 138 °C – to je teplota, nad kterou se řetězec sám rozpadá zpátky, takže se materiál dá chemicky recyklovat. Tehdejší abstrakt psal, že přímá kopolymerace oxidu uhličitého s olefiny popsaná nebyla.

Chen v tiskové zprávě zasazuje věc do delší řady. Citujeme v překladu: „Existují postupy využívající oxid uhličitý k syntéze polymerů už od 60. let. Úkolem bylo dostat do plastových výrobků co nejvíc neaktivního oxidu uhličitého a vyrobit ekologicky přijatelnější polyestery, které jsou recyklovatelné a rozložitelné.“ Podle vlastních slov teď skupina pracuje na tom, aby se zachycený oxid uhličitý dal používat jako meziprodukt pro výrobu materiálů, ne jen ukládat.

Co by věc posunulo

Uzavřený cyklus je tu prokázaný na polymeru, ne na uhlíku. Podle nás jsou dvě čísla, na která se u téhle práce vyplatí čekat: kolik energie stojí výroba napjatých monomerů a kolik jich cyklus rozklad – polymerace snese, než výtěžek spadne. Do té doby je to čistá chemie s pěkně navrženým koncem života, ne způsob, jak se zbavit emisí.

Zdroje

• Zhu, M. a kol.: Alternating CO2 and bicycloalkane copolymerization to circular polyesters, Nature, 29. července 2026
• Rhoten, J.: Transforming carbon dioxide into a new kind of recyclable plastics, Colorado State University, 29. července 2026
• Rapagnani, R. M. a kol.: Tunable and recyclable polyesters from CO2 and butadiene, Nature Chemistry, 27. června 2022
• BOTTLE Consortium, konsorcium ministerstva energetiky USA