Polystyreen is een wijdverspreid plastic dat in wezen niet recyclebaar is als het met andere materialen wordt gemengd en niet biologisch afbreekbaar is. In het tijdschrift Angewandte Chemie heeft een Duits onderzoeksteam een ​​biohybride katalysator geïntroduceerd die polystyreenmicrodeeltjes oxideert om de daaropvolgende afbraak ervan te vergemakkelijken. De katalysator bestaat uit een speciaal geconstrueerd "ankerpeptide" dat zich hecht aan polystyreenoppervlakken en een kobaltcomplex dat polystyreen oxideert.

Polystyreen heeft – alleen of in combinatie met andere polymeren – vele toepassingen, van yoghurtcontainers tot instrumentbehuizingen. In de schuimvorm, vooral bekend onder de merknaam Styrofoam, wordt het bijvoorbeeld gebruikt voor isolatie en verpakking. Een groot nadeel van polystyreen is de slechte biologische afbreekbaarheid, wat leidt tot milieuvervuiling.

Wanneer het schoon is en niet gemengd met andere materialen, is polystyreen recyclebaar, maar niet wanneer het verontreinigd is of gecombineerd wordt met andere materialen. In gemeentelijke recyclingprogramma's zijn gemengd polystyreenplastic afval en afbraakproducten, zoals polystyreen nano- en microdeeltjes, moeilijk te verwerken. Het probleem ligt in het feit dat polystyreen waterafstotend en niet-polair is en dus niet kan reageren met gewone polaire reactanten.

Voor een eenvoudig, economisch en energiezuinig proces om gemengd polystyreenafval af te breken, moet het polystyreen eerst worden uitgerust met polaire functionele groepen. Een team onder leiding van Ulrich Schwaneberg en Jun Okuda van de RWTH in Aken (Duitsland) heeft nu een nieuwe biohybride katalysator ontwikkeld om deze stap uit te voeren. De katalysator is gebaseerd op verbindingen die bekend staan ​​als ankerpeptiden, gekoppeld aan een kobaltcomplex.

Ankerpeptiden zijn korte peptideketens die zich aan oppervlakken kunnen hechten. Het team ontwikkelde een speciaal ankerpeptide (LCI, Liquid Chromatography Peak I) dat zich bindt aan het oppervlak van polystyreen. Eén gram van dit peptide is voldoende om een ​​oppervlak tot 654 m² te bedekken ² met een monolaag binnen enkele minuten door middel van spuiten of dompelen.

Een katalytisch actief kobaltcomplex wordt via een kort verbindingsstuk aan het ankerpeptide gehecht. Het kobaltatoom wordt "omringd" door een macrocyclisch ligand, een ring gemaakt van acht koolstof- en vier stikstofatomen (TACD, 1,4,7,10-tetraazacyclododecaan). De katalysator versnelt de oxidatie van de C-H-bindingen in polystyreen om polaire OH-groepen te vormen (hydroxylering) door reactie met Oxone (kaliumperoxymonosulfaat), een veelgebruikt oxidatiemiddel.

De binding van de ankerpeptiden is materiaalspecifiek, dus in dit geval immobiliseren ze het katalytisch actieve kobalt nabij het polystyreenoppervlak, wat de reactie versnelt. Dit eenvoudige, goedkope en energiezuinige proces is schaalbaar door middel van dompel- en spuittoepassingen en is geschikt voor gebruik op industriële schaal.

Door het gebruik van geconjugeerde chemische katalysatoren zou dit hybride katalysatorconcept, waarbij gebruik wordt gemaakt van materiaalspecifieke binding door ankerpeptiden, de materiaalspecifieke afbraak mogelijk kunnen maken van verdere hydrofobe polymeren zoals polypropyleen en polyethyleen, die niet economisch kunnen worden afgebroken door enzymen.

Meer informatie: Dong Wang et al., Engineered Anchor Peptide LCI met een kobaltcofactor verbetert de oxidatie-efficiëntie van polystyreenmicrodeeltjes, Angewandte Chemie International Edition (2024). DOI:10.1002/anie.202317419

Journaalinformatie: Angewandte Chemie Internationale Editie , Angewandte Chemie

Aangeboden door Wiley