MOE-Fellowship

Martin Schäfer

Design von Zink-Guanidin-basierten Katalysatoren für die effiziente Produktion von Biokunststoffen unterstützt durch quantenchemische Simulationen und maschinelle Lernverfahren

In der heutigen Gesellschaft sind Kunststoffe essenzielle Werkstoffe und Verbrauchsmaterialien mit vielseitigen Anwendungen. Hierbei werden die Kunststoffe zumeist aus fossilen Rohstoffen wie Erdöl gewonnen. Die fossilen Ressourcen sind jedoch begrenzt, und die aus der Plastikproduktion anfallenden Giftstoffe belasten die Umwelt. Zudem sind die meisten Kunststoffe aus fossilen Rohstoffen weder biologisch abbaubar noch recycelbar, wodurch die Umwelt weiterhin durch anfallenden Plastikmüll verschmutzt wird. Eine Alternative zu den herkömmlichen erdölbasierten Kunststoffen stellt beispielsweise Polylactid (PLA) dar. PLA hat ähnliche Eigenschaften wie viele erdölbasierten Polymere, ist aber im Gegensatz zu diesen biologisch abbaubar. Entsprechend besitzen biobasierte Kunststoffe wie PLA das Potential, den derzeitigen Kunststoffmarkt umzustrukturieren, indem Kunststoffe aus fossilen Rohstoffen weitestgehend verdrängt werden. Das benötigte Monomer Lactid kann gewonnen werden, indem die Glucose aus stärkehaltigen Pflanzen wie Mais, Zuckerrohr und Zuckerrüben fermentiert wird und die anschließend entstehende Milchsäure zu Lactid dimerisiert wird. Somit kann das biologisch abbaubare PLA aus erneuerbaren Rohstoffen gewonnen werden. Grundsätzlich sind auch solche Biokunststoffe aber zu wertvoll, um nur einmal genutzt zu werden. PLA kann auch recycelt werden, so dass die vorherrschende lineare Wirtschaft, in der Plastik für den Einmalgebrauch entworfen und produziert wird, zu einer Kreislaufwirtschaft umstrukturiert werden kann.

Im Rahmen dieser Doktorarbeit sollen neue Zink-Guanidin-basierte Katalysatoren für die Polymerisation von Lactid entwickelt werden. Bei dieser Katalysatorklasse handelt es sich um kostengünstige und nicht-giftige Lewis-saure Komplexe, deren sterische Faktoren sowie elektronische Einflüsse durch das optimierte Ligandendesign angepasst werden können. Bisher haben Zink-Guanidin-Komplexe schon gezeigt, dass sie hochaktive und robuste Katalysatoren für die Lactidpolymerisation in der Schmelze darstellen. Aufgrund der herausragenden Aktivität dieser Katalysatorklasse besteht ein Potential für den industriellen Gebrauch und die Verdrängung toxischer Zinn-Katalysatoren, welche in den PLA-Produkten zurückbleiben. Zusätzlich zur Synthese und Aktivitätstests mittels online-Raman-Monitoring der neuen Katalysatoren sollen diese computerchemisch mittels Dichtefunktionaltheorie (DFT) mechanistisch überprüft werden. Die geschwindigkeitsbestimmenden Intermediate und Übergangszustände sollen untersucht werden, wodurch neue Designideen mit wenig computertechnischem und experimentellem Aufwand möglichst effizient analysiert werden können. Über die Korrelation zwischen Experiment und Simulation sollen zudem wichtige atomare Deskriptoren herausgearbeitet werden, die dann in einem Machine Learning (ML) Modell genutzt werden. Mithilfe eines solchen Modells soll die Entwicklung neuer Katalysatoren weiter beschleunigt und unterstützt werden.