Chirale Diborane als metallfreie, kooperative Katalysatoren für die stereoselektive Polymerisation von Propylenoxid und anderen substituierten Epoxiden

• Antragsteller: Professor Dr. Stefan Naumann
• Fachliche Zuordnung: Präparative und Physikalische Chemie von Polymeren
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 519885019

Aliphatische Polyether werden typischerweise durch ring-öffnende Polymerisation von Epoxiden gewonnen und gehören zu den wichtigsten Produkten der chemischen Industrie. Trotz dieser Erfolge sind ausnahmslos alle in größerem Maßstab hergestellten Polyether-basierten Produkte ataktisch - die Stereochemie (Taktizität) der entsprechenden Polymere (z.B. Polypropylenoxid (PPO)), wiewohl ein erwiesenermaßen wirkmächtiger Parameter, wird nicht zur Optimierung der Eigenschaften verwendet. Dies hängt mit den für diesen Zweck derzeit verfügbaren stereoselektiven Polymerisationskatalysatoren zusammen, die allesamt metallbasiert sind und eine ganze Reihe von Unzulänglichkeiten aufweisen. Das vorliegende Projekt soll diese Limitierungen durch einen neuen Ansatz adressieren und aufheben, indem metallfreie („organokatalytische“) Systeme zur Darstellung von isotaktischen oder isotaktisch-angereicherten (it-)Polyethern entwickelt werden, wobei insbesondere auch der Aufbau komplexerer Architekturen (Blockcopolymere) von Interesse ist. Ziel ist ein selektives, nutzerfreundliches, skalierbares Katalysatorsystem mit einer ausgeprägten Toleranz für funktionelle Gruppen. Dies soll durch einen kooperativen Polymerisationsmechanismus erreicht werden, bei dem zwei organische, Lewis-saure Funktionalitäten (Borane) im Propagationsschritt zusammenwirken. Indem beide Borane über ein axial-chirales Rückgrat verbunden werden, soll ein kinetisch vorteilhaftes, stereoselektives System gebildet werden. Die einzelnen Arbeitspakete enthalten eine detaillierte Untersuchung der Stellschrauben dieser Diboran-Katalysatoren (sterischer Anspruch des Backbones, Länge der aliphatischen Linker, elektronische Situation am Boran) in Bezug auf die katalytische Performance (TON, TOF, molare Massen und deren Verteilung sowie insbesondere die Stereoselektivität (% isotaktische mm-Sequenzen). Durch systematisches Screening der Katalysatoren bezüglich der Polymerisation von PO soll eine Struktur-Eigenschafts-Korrelation erhalten werden, die es erlaubt durch optimierte Katalysatoren semikristalline Polyether zu erzeugen (>90% mm). In einer späteren Phase des Projekts sollen auch andere substituierte Epoxide untersucht werden (1-Butylenoxid, Allylglycidylether, Styroloxid) sowie unterschiedliche Makroinitiatoren. Für letztere soll dabei auf chemisch sensible Polymere zurückgegriffen werden (Polyester, Polycarbonate), die unter konventionellen Bedingungen der Epoxidpolymerisation zersetzt werden, via Organokatalyse jedoch erhalten bleiben können. Damit soll eine neue Klasse (it)-Polyether enthaltender (Multi)Blockcopolymere eröffnet werden, die insbesondere für polymere Additive Potential hat, mit gegenwärtigen Polymerisationskatalysatoren aber nicht dargestellt werden kann.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen