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Angew. Chem. :聚苯乙烯升级回收为芳香酮和有机硫化物的通用模板

聚苯乙烯是一种广泛生产和使用的聚烯烃塑料,年产量约为2500万吨。同时,聚苯乙烯又是生活垃圾中塑料的主要成分和回收率最低的塑料之一。由于聚苯乙烯产品尤其是泡沫类聚苯乙烯的密度较小,使得塑料的采集、分离、清理和贮藏成本较高。此外,塑料表面的杂质污染增加了回收的难度,导致大多数企业缺乏回收这种材料的经济动力。


近期,化学回收法引起了越来越多研究人员的兴趣。与传统的机械回收法相比,化学法更有可能将聚苯乙烯塑料转化为丰富且高价值的回收产物。在这方面一个典型的例子是含氧氢原子转移法(aerobic hydrogen atom transfer, HAT),通过在含氧环境中光引发C-C键裂解来获得芳香含氧化合物。然而,这种方法面临几个关键困境:


HAT法常被用于生产苯甲酸,然而该反应选择性较低。一般情况下,回收产品是混合物,包括苯甲酮和苯甲醛等等。这些组分具有相似的物理性质和较高的沸点,使得分离纯化较为困难,降低了方法的实际应用价值。此外低价值的二氧化碳、一氧化碳和甲酸也是HAT法的常见副产品。


光催化反应与现有工业流程不相容。相关反应需要新的基础设施配套,促使投资者采取更加谨慎的态度;


经济可行性亟待验证。由于苯甲酸类产品的市场价值(<  $2000/吨)相对不够高,同时废旧聚苯乙烯要求昂贵的预处理,再经过一个昂贵的光化学反应后的盈利能力需要细致彻底的研究。


为解决聚苯乙烯回收的化学与经济问题,美国Virginia Tech的Guoliang Liu团队在2022年首次提出了一种名为降解-升级(Deg-Up)回收的策略(Xu, et al., PNAS, 2022)。该策略利用两个或两个以上级联反应将聚苯乙烯分解为优势中间产物,然后升级为香料和医药中间体等高价值产物。经经济核算验证该流程具备极好的经济可行性,并且对市场价格波动显示出了很高的稳定性。


为了进一步验证聚苯乙烯Deg-Up回收法在工业上的应用潜力,他们采用热化学方法优化原有回收流程,并增加了回收产品的类型,展现了一条在温和条件下普适且多功能的转化聚苯乙烯为芳香羰基化合物和有机硫化物的方法。在这条新型回收路线上聚苯乙烯先被三氯化铝热催化分解成苯,这一反应的产率极高。随后,将烷基氯与酰氯化合物与分解产物混合,并利用前一步的三氯化铝催化获得八个具有较高值的芳香羰基化合物。这些产品在化妆品及医药领域中占有重要地位。另外,也可以采用芳基亚砜原位还原反应将磺酰氯与苯共混得到芳基硫醚。综上所述,聚苯乙烯Deg-Up回收法作为一种高效,选择性强,有较高价值的化学回收法可以为现实生活中提供大量需求量大的化学产品,具备一定经济可行性和应用潜力。



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一个将聚苯乙烯转化为9种芳酮和硫化物的Deg-Up流程

文信息

A Generic Platform for Upcycling Polystyrene to Aryl Ketones and Organosulfur Compounds

Nuwayo Eric Munyaneza, Carlos Posada, Zhen Xu, Vincenzo De Altin Popiolek, Griffin Paddock, Charles McKee, Dr. Guoliang Liu


Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202307042




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