图片来源:杰弗里·蔡斯，特拉华大学
合成橡胶和塑料——用于制造轮胎、玩具和无数其他产品——是由丁二烯制成的，丁二烯是一种传统上由石油或天然气制成的分子。但是，由于来自美国三所研究型大学的科学家团队的聪明才智，这些人造材料可能很快就会变得更加绿色。
来自特拉华大学、明尼苏达大学和马萨诸塞大学的科学团队发明了一种从树木、草和玉米等可再生资源中生产丁二烯的方法。
这项研究结果将发表在《美国化学学会》杂志的网络版上ACS可持续化学与工程绿色化学与工程领域的领先期刊。该研究的作者都隶属于特拉华大学的能源创新催化中心(CCEI)。CCEI是由美国能源部资助的一个能源前沿研究中心。
CCEI主任Dionisios Vlachos说:“我们的团队将我们最近发现的一种催化剂与新的令人兴奋的化学结合起来，找到了第一种高产量、低成本制造丁二烯的方法。”他是UD化学和生物分子工程Allan and Myra Ferguson教授，也是这项研究的合著者。“这项研究可能会改变数十亿美元的塑料和橡胶工业。”
丁二烯是社会上广泛存在的各种物质中的主要化学成分。当这种四碳分子发生化学反应形成长链聚合物时，就形成了用于制造耐磨汽车轮胎的丁苯橡胶(SBR)。当将丁腈橡胶(NBR)混合制成时，它就成为医疗环境中无处不在的软管、密封条和橡胶手套的关键部件。
在塑料领域，丁二烯是丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)的主要化学成分，ABS是一种可以模压成刚性形状的硬塑料。结实的ABS塑料被用于制造视频游戏机、汽车零部件、体育用品、医疗设备和联锁塑料玩具砖等产品。
Vlachos说，由于丁二烯在商业产品中的重要性，在过去10年里，学术研究转向了可再生化学品和丁二烯。
“我们团队的成功来自于我们的理念，即将新型催化材料的研究与化学的新方法联系起来，”Vlachos说。“这是一个很好的例子，表明研究团队比其各部分的总和更强大。”
新化学分为三步
这种新颖的化学方法包括一个从生物质衍生糖开始的三步过程。利用CCEI开发的技术，该团队将糖转化为一种称为糠醛的环状化合物。在第二步中，研究小组进一步将糠醛加工成另一种环化合物四氢呋喃(THF)。
在第三步，研究小组发现了突破性的化学制造技术。利用该中心开发的一种名为“全硅磷沸石”的新催化剂，该团队能够以高收率(大于95%)将THF转化为丁二烯。
研究小组将这种新的选择性反应称为“脱水-脱环”反应，以表示它同时去除水和打开环化合物的能力。
马萨诸塞大学阿姆赫斯特分校的范伟教授说:“我们发现，由二氧化硅和沸石支撑的磷基催化剂对制造丁二烯等化学物质表现出很高的选择性。”“当将其控制某些工业化学用途的能力与其他催化剂进行比较时，磷材料显得非常独特，很好地补充了我们在CCEI开发的一套催化剂。”
可再生橡胶的发明是CCEI更大使命的一部分。CCEI于2009年启动，专注于利用转化催化技术从天然生物质源生产可再生化学品和生物燃料。
“这种更新的技术大大扩展了我们可以从木质纤维素中制造分子的范围，”明尼苏达大学的保罗道恩豪尔教授说，他是CCEI的联合主任，也是这项研究的合著者。
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