Catalyst metal-ligand design for rapid, selective, and solventless depolymerization of Nylon-6 plastics

解聚 催化作用 己内酰胺 尼龙6 材料科学 高分子化学 配体(生物化学) 后茂金属催化剂 乙二醛 聚合 茂金属 有机化学 化学 聚合物 生物化学 受体
作者
Liwei Ye,Xiaoyang Liu,Kristen Beckett,Jacob O. Rothbaum,Clarissa Lincoln,Linda J. Broadbelt,Yosi Kratish,Tobin J. Marks
出处
期刊:Chem [Elsevier BV]
卷期号:10 (1): 172-189 被引量:57
标识
DOI:10.1016/j.chempr.2023.10.022
摘要

Developing effective catalysis to address end-of-life Nylon pollution is urgent yet remains underdeveloped. Nylon-6 is a resilient synthetic plastic and a major contributor to ocean pollution. Here, we report a metallocene catalytic system based on earth-abundant early transition and lanthanide metals that mediates Nylon-6 depolymerization at unprecedented rates up to 810 (ε-caprolactam)·mol(Cat.)−1·h−1 at 240°C in ≥99% yield. This solventless process operates with catalyst loadings as low as 0.04 mol % at temperatures as low as 220°C—the mildest Nylon-6 depolymerization conditions reported to date. This metallocene catalysis can be carried out in a simulated continuous process, and the resulting ε-caprolactam can be re-polymerized to higher-quality Nylon-6. Experimental and DFT analyses identify effective depolymerization pathways involving catalytic intra-Nylon-chain “unzipping” assisted by π-ligand effects and inter-chain “hopping.” A robust chelating ansa-yttrocene is particularly effective in depolymerizing diverse commodity end-of-life articles, such as fishing nets, carpets, clothing, and plastic mixtures.
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