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摘要：一种以植物为原料的聚合物（塑料）的功能化方法，通过用氨水降解功能化塑料，所获得的降解产物有促进植物生长的肥料效果，为下一代聚合物材料提供了设计指南。

关键词：塑料、肥料、聚合物材料、氨水降解、功能化

研究概要

联合研究小组确立了一种以植物为原料的聚合物（塑料）的功能化方法。此外，研究证实，通过用氨水降解功能化塑料，所获得的降解产物有促进植物生长的肥料效果（图1）。

本研究提出了可使用废塑料作为肥料的下一代聚合物材料的设计指南。

图1.研究概要图

研究背景

日常生活中不可或缺的聚合物（塑料）大多都被废弃了，其回收率仅在10%以下。稳定的聚合物虽然可用作材料，但由于其稳定性，难以降解。相反，具有优异降解性的聚合物虽然便于可回收利用，但它们很难用作需要强度的材料。因此，考虑“稳定性”和“降解性”这两个相互冲突的特性的同时进行分子设计是实现循环型塑料的关键。

在这种背景下，研究小组考虑到键的稳定性和使用后的降解性，将注意力集中在了碳酸酯键上。碳酸酯键本身是稳定的，但其可以与常见的碱性物质氨反应，转化为作为肥料的尿素。

先前的研究表明，将这种有机反应应用于一种叫做聚异山梨醇的糖衍生聚合物（PIC），其降解产物（糖衍生单体和尿素的混合物）可以直接用作肥料（图2）。但是，PIC本身很脆弱，为了将其用作材料，需要开发一种提高其功能的方法（即功能化方法）。

图2：以往的研究和本研究

研究成果

为了确立PIC的功能化方法，研究小组将一种可以从糖甘露醇一步合成的植物衍生单体——DBM(1,3:4,6-二-O-亚苄基-D-甘露醇)与异山梨醇共聚合。DBM以保护部分羟基的形式存在，并且在共聚后通过去保护，可以将甘露醇衍生的羟基官能团引入聚合物的主链中（图3）。

图3：共聚物的合成和通过去保护引入羟基官能团

异山梨醇和DBM的共聚物表现出比通用聚合物材料更高的耐热性，并且可以在使用硼酸试剂合成聚合物后引入官能团（图4左），证明其可用于调整PIC的物理性质并赋予其新功能。

此外，研究小组对所获得的共聚物进行氨解评估后发现，与PIC相比，其降解速度更快。也就是说，由甘露醇衍生的羟基对聚合物的“功能化”和“降解”都有很大的贡献。最后，使用从共聚物降解生成的产物（异山梨醇、甘露醇和尿素的混合物）进行拟南芥生长实验。结果表明，从共聚物中降解出的产物可作为肥料发挥作用（图4右）。

图4 左：荧光性硼酸改性右：使用降解产物的拟南芥生长实验。

添加了降解产物的植物（右）叶子更多。

未来展望

此次合成的聚碳酸酯共聚物由葡萄糖和甘露醇等可再生植物衍生的糖制成，未来有望用作生物工程塑料。期待这种聚合物材料设计能够形成一个创新性系统，同时解决“塑料垃圾问题”和“人口增长引起的粮食问题”。

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可转化为肥料的塑料——支持循环型塑料社会的聚合物材料设计指南