姜黃素有望成為塑料生產中BPA的天然替代材料

2024-02-27

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在我們的日常生活中，充斥著各種各樣的塑料制品。全球近一半的塑料資源被用于生產包裝材料2。塑料材料固有的衛生特性為消費包裝商品（CPG）市場提供了巨大的優勢。然而，在這一領域，我們有必要識別一些對消費者或環境存在潛在危害的化合物、對其進行研究，并將其從全球供應鏈中消除。因此，我們亟需對塑料的合成以及該過程中使用的有毒材料進行研究。

例如，雙酚A（BPA）就是這樣一個例子，它是一種主要的聚碳酸酯塑料，許多科研人員都在研究它與肥胖和糖尿病等不健康癥狀的相關性。此外，還有一些科研人員正在研究雙酚A作為一種內分泌干擾物與不孕癥和癌癥等疾病之間的關系。塑料垃圾通常以微塑料形式存在，除了損害人類健康之外，還會污染自然環境，并危害生態系統及其中的生物。

對于一些致力開發更具可持續性和可再生性方案的化學家和生物學家而言，造成人類并發癥和環境破壞的塑料及其生產是一個重要的突破口。這些方案包括——使用更清潔、更具可持續的替代材料來取代雙酚A，從而取代它形成的有毒的聚碳酸酯。為此，對全球研究人員而言，利用有效的分析技術，對新塑料材料的分子間和分子內特性進行實時研究是至關重要的。根據設計，這些新材料將適合回收再利用，并對環境的影響降低到最小。

什么是姜黃素？為何姜黃素是替代BPA的合適選擇？

來自意大利巴里大學化學生物學系的一組科研人員打破了BPA作為塑料產品先驅物的主導地位——他們使用姜黃素來替代雙酚A，合成了一種新型生物基可再生聚碳酸酯。姜黃素（CM）是一種天然抗氧化劑，并且具有抗炎、抗菌和抗癌特性。姜黃素源于姜黃植物，其化學結構與雙酚A類似。在對姜黃素的穩定性和水溶性及其結構適應性作出改善之后，巴里大學研究團隊選擇將其作為先導物來制備雙酚A聚碳酸酯的合適替代產品。

利用姜黃素和THCM合成生物基雙酚A替代產品

該研究團隊參與了生物基雙酚A替代產品的合成過程，該合成過程可分解為反式聚合過程，主要分為兩個步驟。第一步是雙酚A聚碳酸酯（BPA-PC）與苯酚解聚，生成一種名為“碳酸二苯酯”（DPC）的產物。然后，研究人員使用姜黃素或四氫姜黃素（THCM），對DPC進行熔融酯交換反應，以制備作為雙酚A聚碳酸酯替代產品的最終產物。這些產品仍然具有與雙酚A聚碳酸酯相同的功用，但不具有雙酚A的負面特性。

在尋求獲得清潔聚碳酸酯的實驗中，科研人員同時使用了姜黃素和THCM。THCM是姜黃素的一種形式，其化學結構比姜黃素多出額外四個氫原子。THCM保留了姜黃素的所有結構與藥物優勢，但不會產生姜黃素在作為聚碳酸酯合成單體時產生的不太好的濃黃色。科研人員在紫外-可見光譜儀的監測下，通過選擇性還原過程，從姜黃素衍生得到THCM，并通過13C-NMR波譜，對該過程予以確認。

當最終產物姜黃素聚碳酸酯和TCHM聚碳酸酯合成完畢時，布魯克500 MHz核磁共振波譜儀立即生成相應的1H-NMR波譜表征。最終，該研究團隊成功地將有毒的塑料廢料雙酚A聚碳酸酯轉化為由可再生單體組成的等效聚合物。通過進一步的紅外光譜分析，可證明該碳酸鹽化合物的形成過程。這一觀察結果還證明，利用姜黃素和THCM可成功地發生聚合反應。此外，姜黃素聚碳酸酯和THCM聚碳酸酯的聚合產率較高，與雙酚A聚碳酸酯的聚合產率相似，這一點增強了姜黃素作為塑料產品先驅物的可用性。

無雙酚A塑料的生產和循環經濟的未來

這項研究率先嘗試以姜黃素作為雙酚A的可持續替代材料來合成聚碳酸酯。對雙酚A的可再生替代材料的需求源于文首所述的健康和環境風險。因此，這項新研究的目標包括——使用可再生能源生產塑料，并根據循環經濟原則，設計可回收的消費品。

布魯克Avance系列核磁共振波譜儀是聚合物研究與開發工作中的關鍵工具。該儀器提供了獨特的探頭組合，讓研究人員能夠迅速適應新的趨勢，并如本文所述，對新型聚合物的分子結構進行驗證。

循環經濟旨在建立一種更具可持續性的社會生產與消費模式，它強調使用可再生能源和提高材料的可重復利用性。姜黃素不僅是一種天然的、可再生的塑料先驅物，而且使用其生產的雙酚A聚碳酸酯可重新轉化為高純度的雙酚A，供進一步加工和反復循環。因此，我們可利用姜黃素的這一可持續性優勢來幫助實現循環經濟。

這項研究的負責人承認，目前，將姜黃素投入大規模塑料生產的成本較高。然而，他們仍然倡導消費者、生產商和政策制定者給予相應支持，從而助力建設無雙酚A塑料的未來。消費者環保意識的增強將對塑料行業，進而對其生產工藝產生影響，使之轉向可持續替代材料，與此同時，致力于實現循環經濟的政策制定者可通過制定相關政策，降低姜黃素的相應成本。

參考文獻：

DeLeo,V.;Casiello,M.; Deluca, G.; Cotugno, P.; Catucci, L.; Nacci, A.; Fusco, C.; D’Accolti, L. Concerning Synthesis of New Biobased Polycarbonates with Curcumin in Replacement of Bisphenol A and Recycled Diphenyl Carbonate as Example of Circular Economy. Polymers 2021, 13, 361. https://doi.org/ 10.3390/polym13030361
https://www.unpri.org/plastics/risks-and-opportunities-along-the-plastics-value-chain/4774.article