Bisfenol A (BPA) vindt zijn toepassingen voornamelijk in polycarbonaten en epoxyharsen, maar ook in nicheproducten als tandvullingen. Het materiaal heeft uitstekende eigenschappen, maar ook grote nadelen: het kan uitlogen uit de producten waarin het is verwerkt en bovendien bleek de stof een zogeheten hormoonverstoorder te zijn. BPA verstoort de oestrogene activiteit in de mens.  Er wordt nu gesproken van een komende Europese ban. Ook veel (makkelijke) bisfenolalternatieven blijken in de praktijk geen goede vervangers; ze zijn minstens zo schadelijk.  

De groep van Bert Sels aan de KU Leuven wilde een écht duurzaam alternatief maken. ‘Onze groep werkt vooral aan de conversie van biomassa naar chemicaliën’, vertelt Laura Trullemans, postdoc in de groep van Sels en samen met Steven-Friso Koelewijn, eerste auteur van de Nature Sustainability paper. ‘Nu blijkt dat biomassa ons net de substraten kan bieden die we nodig hebben om veiligere structuren te synthetiseren, die bovendien de functionele kern van een bisfenol hebben. Zo leidde het ene mooi tot het andere en verkregen we veiligere én duurzamere alternatieven.’ 

Zeoliet

De gangbare synthese van p,p’-bisfenolen berust op gebruik van stoffen die afkomstig zijn uit de fossiele industrie, zoals ketonen, aldehydes en fenolen. Via hydroxyalkylering-alkyleringcondensatie met onder andere instabiele thiol-katalysatoren worden die omgezet. Het idee van de Leuvense groep is om te starten met p-alkenylguaiacol en dat om te zetten tot bisguaiacol via Friedel-Crafts-alkylering. Je hebt dan geen vluchtige stoffen of zwavelkatalysatoren nodig, er komt geen water vrij en je hebt geen stoffen uit de fossiele industrie nodig. Bijkomend voordeel is dat je een industriële zeolietkatalysator kunt gebruiken, die je later ook nog kunt recyclen. De resulterende bisguaiacol lijkt sterk op het bisfenol, maar heeft naast de para-hydroxygroepen nog een methoxygroep zitten op de ortho-positie.  

Het was voor de onderzoekers vooral heel belangrijk om al bij het ontwerp van de alternatieven te kijken naar de potentiële schadelijke effecten. ‘In de Safe and Sustainable by design visie, gepromoot door de Europese Unie, is het belangrijk om in de vroege ontwikkelingsstadia reeds toxiciteitstesten te doen op nieuwe moleculen. Het heeft namelijk geen zin om een alternatief te maken en pas later tot de ontdekking te komen dat het even schadelijk en niet duurzamer is dan het origineel’, zegt Trullemans. De paper bevat daarom ook een sectie over de oestrogene activiteit van de bisguaiacols en die is inderdaad een flink stuk lager dan bij het origineel; de activiteit is in sommige gevallen zelfs tot mM-concentraties niet aanwezig. 

Hout

De bisguaiacols die de groep heeft ontwikkeld zijn dus zeer veelbelovend, vervolgt de postdoc. ‘We hebben er materialen van gemaakt en de eigenschappen zijn zeer vergelijkbaar met BPA. Zo ligt de glastransitietemperatuur boven de honderd graden Celsius. Dat is iets lager dan bij BPA, maar nog steeds zeer goed.’  Om de duurzaamheid van deze alternatieven extra te onderstrepen, bereidde Trullemans en collega’s de guaiacols direct uit hout. ‘Een collega van mij is gespecialiseerd in het omzetten van hout in olie. Uit die olie heb ik simpele extracties gedaan en de alkenylguaiacols daaruit gewonnen. Nadien hebben we dit extract gebruikt in onze bisguaiacol synthese.’ 

De grootste uitdaging nu is het opschalen en het naar de markt brengen. Trullemans: ‘Op laboschaal maken we nu tien tot dertig gram en ik wil graag naar honderd gram. We hebben in onze groep nu ook een reactor van tweehonderd liter staan waarmee we, op termijn, graag de synthese van de substraten voor bisfenolalternatieven uit olie gaan demonstreren.’ De groep zal initieel focussen op nichemarkten, of markten waar de regulatiedruk groot is. ‘Op korte termijn is de commoditymarkt niet direct haalbaar. Maar op de lange termijn geloof ik daar wel heel hard in. Het is nu al een veiliger alternatief en de stap naar de duurzame circulaire economie zal toch ooit gezet moeten worden.’  

Laura Trullemans, Steven-Friso Koelewijn, et al., Renewable and safer bisphenol A subsitutes enabled by selective zeolite alkylation, Nature Sustainability (2023)

Bert Weckhuysen, A sustainable alternative to bisphenol A, News&Views, Nature Sustainability (2023)