绿色化学从大自然中创造涂层：将生物质转化为高品质涂料

木质纤维素生物质使用酸裂化以产生糠醛。使用可见光和氧气，将糠醛转化为羟基丁烯内酯，然后使用不同的醇进行改性，生成烷氧基丁烯内酯单体，然后可以使用紫外线将其聚合成涂层。

格罗宁根大学和荷兰跨国公司AkzoNobel是有机涂料的主要生产商，有机化学家开发了一种工艺，使他们可以利用光，氧气和紫外线将生物质转化为高质量的涂料。该工艺将可再生资源与绿色化学相结合，并可以替代石油化学基单体（例如丙烯酸酯），丙烯酸酯目前被用作涂料，树脂和涂料的基础材料。2020年12月16日，在科学进步杂志上发表了有关新工艺​​的论文。

涂层无处不在，从房屋上的油漆到智能手机屏幕上的保护层。它们可保护表面免受刮擦，天气影响或日常磨损。大多数涂料是由丙烯酸酯单体制成的聚合物组成，全球每年丙烯酸酯的产量超过350万吨，全部来自化石油。

生物质

为了使这些涂料更具可持续性，在有机化学教授本·费林加（Ben Feringa）带领下，格罗宁根大学的科学家与涂料生产商阿克苏诺贝尔（AkzoNobel）的科学家合作。“我们希望使用木质纤维素作为起始材料，” Feringa研究组的博士学位学生，《科学进展》论文的第一作者乔治·赫尔曼斯（George Hermens）说。木质纤维素占植物木质部分的20％至30％，是地球上最丰富的原始生物质原料。目前，它主要用作固体燃料或用于生产生物燃料。

这是格罗宁根大学有机化学教授，本·费林加（Ben Feringa），2016年诺贝尔化学奖获得者。谁带领这个项目从大自然中创造涂料。

“木质纤维素可以用酸裂化，以生产糠醛的化学结构单元，但是需要对其进行改性以使其适合于涂料的生产，” Hermens解释说。他使用了他们小组中开发的一种方法，将糠醛转化为类似于丙烯酸的化合物羟基丁烯内酯。“化学转化仅使用光，氧气和简单的催化剂，不会产生废物。唯一的副产物是甲酸甲酯，它可在其他过程中替代氯氟烃。”

特性

羟基丁烯内酯的结构的一部分类似于丙烯酸酯，但是分子的反应性部分是环结构。“这意味着它的反应性不如丙烯酸酯，而我们面临的挑战是进一步修饰该分子，以使其产生有用的聚合物。”这是通过将不同的绿色或生物基醇添加到羟基丁烯醇内酯中，生成四种不同的烷氧基丁烯醇内酯单体来实现的。

这张照片显示了在将糠醛转化为羟基丁烯内酯的流动系统之前，论文的第一作者和第二作者Thomas Freese（左）和George Hermens。

这些单体可以在引发剂和紫外线的作用下转变成聚合物和涂料。涂层由交联的聚合物链组成。通过结合不同的单体，我们可以获得具有不同性能的交联聚合物。例如，尽管所有聚合物都可以涂覆玻璃，但是一种组合也可以在塑料上形成涂层。通过添加更多的刚性单体，可以形成更坚硬的涂层，其性能可与汽车上的涂层媲美。这样，这些涂层适用于不同的目的。

产品开发

“我们使用绿色化学方法，从可再生资源木质纤维素中创造出了涂料，” Hermens总结道。“而且我们的涂料质量与目前的丙烯酸酯基涂料相似。”在该过程的两个步骤中，已向该项目的工业合作伙伴AkzoNobel提交了专利申请。Hermens现在正在研究另一种由糠醛衍生的建筑材料，以生产其他类型的聚合物涂料。

该项目是由荷兰国家公私研究中心高级研究中心化学建筑材料联盟（ARC CBBC）发起的，该中心为新型化学载体和材料以及可持续化学的化学材料开发新的化学工艺和化学建筑材料。Hermens的主管Ben Feringa是该中心的创始人之一。ARC牛熊证是一项来自行业，学术界和政府的合作伙伴的国家计划。涉及三所大学（乌得勒支大学，格罗宁根大学和艾恩德霍芬科技大学）和主要的工业合作伙伴（阿克苏诺贝尔，壳牌，努里永和巴斯夫），以及教育，文化和科学部以及经济事务和气候部政策和荷兰研究理事会（NWO）。Feringa：该计划包括从基础科学发现到工艺和产品开发的所有步骤。在这种长期的合作关系中，大学和化学工业共同发展了未来的绿色化学。

参考：约翰内斯·赫尔曼斯（Johannes G. H. Hermens），托马斯·弗里斯（Thomas Freese），肯普·J·范登伯格（Keimpe J. van den Berg），罗吉尔·范·杰默特（Rogier van Gemert）和本·费林加（Ben L. Feringa）的自然涂层，科学进步。DOI：
10.1126 / sciadv.abe0026