层状双氢氧化物：呋喃基聚酯合成的绿色新希望

为解决传统催化剂合成呋喃基聚酯的潜在毒性及寻找更优合成体系问题，研究人员开展了层状双氢氧化物（LDHs）作为催化剂合成聚（乙烯呋喃酸酯）（PEF）等聚酯的研究。结果显示 LDHs 催化有效，可制备多种聚酯。这为绿色聚合技术提供新方向。

　　随着全球对环境保护的日益重视，可持续发展成为各行各业追求的目标，在材料领域也不例外。传统的石油基塑料因过度依赖化石原料，对环境造成了巨大压力，从原料获取到产品废弃后的处理，都存在诸多问题。而生物基聚合物的出现，为解决这些问题带来了曙光。其中，以 2,5 - 呋喃二甲酸（2,5-furandicarboxylic acid，FDCA）或其酯类为单体合成的呋喃基聚酯，尤其是聚（乙烯呋喃酸酯）（poly (ethylene furanoate)，PEF），被视为传统化石基聚酯聚对苯二甲酸乙二酯（poly (ethylene terephthalate)，PET）的有力替代品。

PEF 相比 PET 具有诸多优势。它的二氧化碳渗透率极低，这使得它在包装领域极具潜力，能有效延长食品等物品的保质期；同时，其氧气阻隔性能更好，拉伸模量也更高。此外，PEF 的合成温度比 PET 低，生产过程中消耗的不可再生能源更少。然而，PEF 的合成并非一帆风顺。传统合成 PEF 所使用的催化剂，如氧化锑、钛醇盐或氧化锡等，虽然能实现聚酯的合成，但这些均相催化剂存在潜在毒性，随着相关法规日益严格，其在商业产品中的使用受到了限制。

为了解决这一问题，研究人员进行了多方面的探索。离子液体曾被尝试用作催化剂，虽然取得了一定成果，如能高效合成高粘度的 PEF，但聚合物存在严重的变色问题。还有研究尝试在无催化剂的情况下合成 PEF，或采用开环聚合等方法，但这些方法也都存在各自的局限性，如反应时间长、存在潜在的食品安全风险等。因此，寻找一种既环保又高效的催化剂来合成呋喃基聚酯迫在眉睫。

在这样的背景下，来自国外的研究人员开展了一项关于层状双氢氧化物（layered double hydroxides，LDHs）作为呋喃基聚酯合成催化剂的研究。研究成果发表在《Catalysis Today》上。

研究人员采用了多种关键技术方法。首先，通过制备一系列不同金属组合的 LDHs，并利用 X 射线粉末衍射（XRD）技术对其晶体结构进行表征，以确定 LDHs 的正确合成。然后，将制备的 LDHs 应用于 PEF 及其他呋喃基聚酯的合成过程，通过热重分析（TGA）和差示扫描量热法（DSC）来测定聚酯的热性能，还利用红外光谱（IR）和核磁共振（¹H NMR）技术对合成的聚酯进行结构确认。

下面来看看具体的研究结果：

• LDHs 的合成与结构表征：研究人员制备了 17 种用于聚合研究的 LDHs，这些 LDHs 基于常见阳离子 Mg²⁺、Al³⁺和 Zn²⁺，以及碳酸根离子或水作为阴离子，同时还引入了如 Sb³⁺、Sn²⁺和 Ti⁴⁺等其他阳离子。XRD 分析结果表明，所制备的 LDHs 形成了正确的晶体结构，为后续的催化研究奠定了基础。
• 催化性能评估：研究人员将 LDHs 的催化性能与传统金属催化剂进行对比。结果发现，基于 Zn/Sn/Al 和 Mg/Al/Ti 的 LDHs 在聚合反应中表现出高效的催化活性。有趣的是，市售的 Mg/Al 基水滑石作为催化剂时，得到的 PEF 具有最高的分子量，这表明其在催化合成高分子量 PEF 方面具有独特优势。
• 聚酯的热性能研究：通过热重分析和差示扫描量热法对合成的 PEF 热性能进行测定。结果显示，所有合成的聚酯均为非晶态，具有较高的玻璃化转变温度（Tg），在 83 - 87 oC 之间，这一特性使得这些聚酯在实际应用中具有良好的热稳定性。
• LDHs 催化剂的扩展性和通用性研究：研究人员通过在不同规模下合成呋喃基聚酯，以及使用碳链长度为 4 - 6 的不同二元醇，展示了 LDHs 催化剂的扩展性和通用性。利用 IR 和¹H NMR 技术确认了聚（丁烯呋喃酸酯）（poly (butylene furanoate)，PBF）、聚（戊烯呋喃酸酯）（poly (pentylene furanoate)，PPeB）和聚（己烯呋喃酸酯）（poly (hexylene furanoate)，PHF）的成功合成，进一步证明了 LDHs 在合成多种呋喃基聚酯方面的潜力。

研究结论表明，开发替代体系用于呋喃基聚酯的合成对于实现可持续的生物基聚合物生产至关重要。本研究中合成的一系列易于制备且稳定的 LDHs，可作为有效的催化剂用于合成 PEF 及其他呋喃基聚酯。这不仅为绿色聚合技术提供了新的催化剂选择，也为生物基聚合物的发展开辟了更广阔的道路。

在讨论部分，研究人员指出，LDHs 作为催化剂具有诸多优势，如可调节性、环境相容性、独特的结构性质（高比表面积、碱性和热稳定性）、易于合成、成本低以及耐久性好等。这些特性使得 LDHs 在聚合物工业应用中极具吸引力，特别是考虑到 LDHs 中的一些典型金属不受食品接触法规的严格限制。此外，将不同金属组合在单一催化体系中的能力，使其在包含酯交换和缩聚两种反应类型的聚合过程中具有独特优势。然而，研究也存在一些需要进一步探索的方向，例如如何进一步优化 LDHs 的催化性能，以及深入研究其在大规模工业化生产中的可行性等。

总的来说，这项研究为解决呋喃基聚酯合成中传统催化剂的问题提供了新的思路和解决方案，LDHs 作为可持续催化剂的潜力为推动绿色聚合技术的发展迈出了重要一步，有望在未来生物基聚合物领域发挥更大的作用，为实现可持续发展目标做出贡献。