單體結(jié)構(gòu)對酶促合成脂肪族聚酯聚合度的影響

李成濤， 張 敏,， 趙 瑩

(1.陜西科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 陜西 西安 710021； 2.陜西科技大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院， 陜西 西安 710021)

單體結(jié)構(gòu)對酶促合成脂肪族聚酯聚合度的影響

李成濤1， 張 敏1,2， 趙 瑩2

(1.陜西科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 陜西 西安 710021； 2.陜西科技大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院， 陜西 西安 710021)

選擇具有不同碳鏈長度、其它官能團(tuán)和空間效應(yīng)的單體，在80 ℃的二苯醚體系中，采用固定化南極假絲酵母脂肪酶N435催化縮聚，得到一系列的脂肪族聚酯.利用核磁共振氫譜1H NMR表征了所得產(chǎn)物的化學(xué)結(jié)構(gòu)，凝膠滲透色譜GPC分析了相對分子質(zhì)量及分布，并計算了聚合度.研究表明：單體中等鏈長的1,5-戊二醇PeDO得到的聚合物的聚合度最高，短碳鏈的二醇難聚合，長碳鏈的己二酸二乙酯DEA反應(yīng)活性高于丁二酸二乙酯DES；單體中官能團(tuán)的位置、側(cè)基的誘導(dǎo)效應(yīng)與空間效應(yīng)都會影響聚合度；單體與酶分子的氫鍵作用也對聚合度有一定的影響.

脂肪酶N435； 脂肪族聚酯； 單體結(jié)構(gòu)； 聚合度

Keywords:lipase N435; aliphatic polyesters; monomer structure; degree of polymerization

0 引言

脂肪族聚酯為一類環(huán)境友好高分子材料，因其主鏈結(jié)構(gòu)中含有易水解的酯鍵，能夠在環(huán)境中被微生物降解，成為世界關(guān)注的研究之一[1-5].但是，傳統(tǒng)的脂肪族聚酯的合成多為化學(xué)合成，且合成所用的催化劑一般為有機(jī)金屬催化劑，化學(xué)合成方法存在有毒金屬催化劑殘留、高溫高壓、多伴有副反應(yīng)發(fā)生等缺點，尤其是所用的金屬催化劑大多數(shù)具有毒性，且無法從合成產(chǎn)物中分離[6].合成產(chǎn)物的金屬殘留問題，一定程度上限制了脂肪族聚酯在食品包裝、醫(yī)用衛(wèi)生等領(lǐng)域的應(yīng)用.脂肪酶作為一種綠色環(huán)保的生物催化劑，具有催化條件溫和、選擇性高、反應(yīng)條件溫和，很少或幾乎沒有副反應(yīng)，能耗低、可控性好、可回收再利用等優(yōu)點[7-9].隨著對生物酶制劑的開發(fā)和應(yīng)用，酶催化合成脂肪族聚酯為合成方法開辟了一條新的途徑[9].酶催化合成脂肪族聚酯是利用生物酶對酯鍵的識別與催化，通過酶的酰化-釋放過程，將小分子單體的末端羰基與羥基相互鏈接，不斷增長成高分子鏈的聚酯[10,11].

最初，酶催化反應(yīng)在開環(huán)聚合中成功應(yīng)用，且開環(huán)聚合不會產(chǎn)生小分子副產(chǎn)物，所得產(chǎn)物分子量較高[12].隨后，在縮聚反應(yīng)中的研究也逐漸增多.研究發(fā)現(xiàn)，在縮聚反應(yīng)中采用二元酸酯代替二元酸，進(jìn)行酯交換反應(yīng)，酶催化活性高，反應(yīng)過程中生成的小分子為醇，比水更容易從體系中逸出，產(chǎn)物的分子量也有所提高.Indra K.Varma等[13]用二元酸乙烯酯與二元醇進(jìn)行酶催化酯交換反應(yīng)合成脂肪族聚酯，生成的乙烯醇重排成不溶于體系的酮，更易脫除且不發(fā)生逆反應(yīng).國內(nèi)對脂肪族聚酯的酶催化研究起步較晚.楊金明等[14]采用多級循環(huán)真空法在無溶劑和二苯醚體系下利用N435催化合成PBS，重均分子量可達(dá)5 259 g·mol-1.任立偉等[10]報道了液-固體系下脂肪酶N435催化合成PBS，分子量有所突破，數(shù)均分子質(zhì)量最大可達(dá)50 800 g·mol-1.Guangji Li等[11]在脂肪酶N435催化1,8-辛二醇和己二酸直接縮聚反應(yīng)中，加入了含有羥基的L-蘋果酸進(jìn)行共聚，得到Mw=7 400 g·mol-1的共聚酯.

目前，對酶促合成脂肪族聚酯的研究主要集中在酶的種類[15]、反應(yīng)體系[16-18]、聚合方法[19]等方面.雖然酶催化合成仍存在如產(chǎn)物分子量低、反應(yīng)時間長等缺點，但是，綠色環(huán)保的方法是今后的發(fā)展趨勢，相信隨著研究的深入，越來越多的難題將會被攻克，酶催化合成脂肪族聚酯的工業(yè)化發(fā)展指日可待.本文針對不同單體結(jié)構(gòu)對酶促合成聚酯聚合度的影響進(jìn)行了研究，詳細(xì)探討了單體的碳鏈長度、官能團(tuán)的位置、側(cè)基的誘導(dǎo)效應(yīng)及空間效應(yīng)對產(chǎn)物聚合度的影響，為酶促合成脂肪族聚酯的產(chǎn)業(yè)化提供理論指導(dǎo)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

(1)主要試劑：固定化南極假絲酵母脂肪酶CA(Novozym435，簡稱N435)，物理吸附于大孔樹脂VPOC1600，酶活力10 000 plu/g，最佳作用溫度為80 ℃，日本諾維信公司；丁二酸二乙酯(DES)，己二酸二乙酯(DEA)，乙二醇(EG)，1,2-丙二醇(PG)，1,3-丙二醇(PrDO)，丙三醇(GLY)，新戊二醇(NPG)，1,4-丁二醇(BDO)，1,4-環(huán)己烷二甲醇(CHDM)，1,5-戊二醇(PeDO)，1,6-己二醇(HDO)，1,8-辛二醇(ODO)，1,9-壬二醇(NDO)，1,10-癸二醇(DDO)，二甘醇(DEG)，二乙醇胺(DEA′),聚乙二醇-200(PEG-200)，二苯醚，無水乙醇，均為化學(xué)純，未經(jīng)處理直接使用，西安化學(xué)試劑有限公司；三氯甲烷，HPLC級，天津科密歐化學(xué)試劑有限公司.

在互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展下，數(shù)據(jù)在生活之中所扮演的角色也變得十分重要，爬蟲系統(tǒng)也逐漸成為數(shù)據(jù)獲取的主要方式，通過本文所實現(xiàn)的票務(wù)查詢系統(tǒng)可以對爬蟲系統(tǒng)進(jìn)行一個初步的了解。

(2)主要儀器：Bruker DPX 300 NMR核磁共振儀(德國Bruker公司)；P230型凝膠滲透色譜儀(大連依利特分析儀器有限公司).

1.2 實驗步驟

以脂肪酶N435為催化劑，在二苯醚體系中，選擇具有不同鏈長、官能團(tuán)和立體結(jié)構(gòu)的單體進(jìn)行酶促酯交換反應(yīng)，反應(yīng)方程式如圖1所示.

圖1 N435催化合成聚合物的反應(yīng)式

具體步驟為：將二元醇和二酯以摩爾比1∶1加入三口燒瓶，再加入溶劑二苯醚(200 wt%，以底物質(zhì)量計算)、水(0.1 wt%)和N435(5 wt%)，加熱攪拌，控制反應(yīng)溫度為80 ℃，反應(yīng)3 h；減壓并調(diào)節(jié)真空度至-725 mmHg，反應(yīng)1 h；恢復(fù)常壓，反應(yīng)2 h；重復(fù)上述操作至反應(yīng)24 h，終止反應(yīng).將反應(yīng)混合物倒入無水乙醇，過濾；濾餅用三氯甲烷溶解，過濾，回收N435；濾液緩慢倒入無水乙醇，攪拌，待生成白色沉淀后抽濾，白色濾餅即為目標(biāo)產(chǎn)物；將濾餅放在真空干燥箱，40 ℃真空干燥24 h.

1.3 聚合物的平均聚合度計算方法

(1)

式(1)中：n為聚合物重復(fù)單元數(shù)；M為聚合物相對分子質(zhì)量；Mo為聚合物重復(fù)單元分子質(zhì)量.

1.4 測試表征方法

將聚酯樣品用含四甲基硅烷(TMS)的氘代氯仿(CDCl3)溶解，進(jìn)行1H NMR測試.采用 GPC對產(chǎn)物相對分子質(zhì)量及分布進(jìn)行測定，以三氯甲烷(HPLC級)為流動相，流速1.0 mL·min-1，樣品濃度為3 mg·mL-1，以Shodex窄分布的聚苯乙烯標(biāo)準(zhǔn)樣品繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線.

2 結(jié)果與討論

2.1 單體結(jié)構(gòu)對脂肪族聚酯聚合度的影響

在相同的反應(yīng)條件下，分別以二元醇碳原子數(shù)為2～10的EG、PrDO、BDO、PeDO、HDO、ODO、NDO和DDO為單體，與DES進(jìn)行反應(yīng)，合成一系列脂肪族聚酯，研究二元醇鏈長對聚合度的影響；隨后，以碳鏈更長的DEA與不同二元醇進(jìn)行反應(yīng)，對比研究二元酸單元的分子鏈長對聚合度的影響.

圖2與圖3分別為聚丁二酸戊二醇酯(PPeS)和聚己二酸癸二醇酯(PDA)的1H NMR圖，由于不同單體鏈長脂肪族聚酯的1H NMR圖出峰情況相似，僅化學(xué)位移(δ)有微小差別，將聚丁二酸丁二醇酯(PBS)、聚丁二酸己二醇酯(PHS)、聚丁二酸辛二醇酯(POS)、聚丁二酸壬二醇酯(PNS)、聚丁二酸癸二醇酯(PDS)、聚己二酸丙二醇酯(PPrS)、聚己二酸丁二醇酯(PBA)、聚己二酸戊二醇酯(PPeA)、聚己二酸己二醇酯(PHA)、聚己二酸辛二醇酯(POA)和聚己二酸壬二醇酯(PNA)的1H NMR數(shù)據(jù)以表格形式列出，如表1所示.

圖2 PPeS的1HNMR圖譜

圖3 PDA的1HNMR圖譜

Polyesterδ/ppm-CH2--COCH2-(4H)-CH2O-(4H)PBS1.71(4H)2.634.12PPeS1.39(2H),1.69(4H)2.624.09PHS1.38(4H),1.63(4H)2.624.08POS1.32(8H),1.62(4H)2.624.08PNS1.30(10H),1.62(4H)2.624.08PDS1.30(12H),1.62(4H)2.624.10PPrS1.66(4H),1.97(2H)2.344.15PBA1.71(8H)2.344.10PPeA1.43(2H),1.66(8H)2.334.07PHA1.38(4H),1.66(8H)2.324.06POA1.33(8H),1.66(8H)2.324.08PNA1.31(10H),1.66(8H)2.324.06PDA1.30(12H),1.66(10H)2.324.05

DEA能夠與短碳鏈的PrDO反應(yīng)；與BDO反應(yīng)的聚合度比DES高；與長碳鏈的二元醇反應(yīng)的聚合度與DES相差不大.這與二元酸二酯的分子鏈柔順性有關(guān).脂肪酶的催化位點分為ML區(qū)、疏水腔和隧道區(qū)三個區(qū)域，催化過程中，酸結(jié)合于疏水腔和隧道區(qū)，而酸分子鏈的柔順性會影響其與催化區(qū)域的結(jié)合和反應(yīng)活性，從而影響聚合度.DES的分子鏈短，柔順性差，不易結(jié)合，所以聚合度低.

表2 含有不同長度單體的脂肪族聚酯

圖4 單體主鏈C原子數(shù)對聚合物 聚合度的影響

2.2 單體主鏈官能團(tuán)位置對酶促合成脂肪族聚酯聚合度的影響

以分子主鏈中具有醚鍵(-O-)的DEG、PEG-200和具有亞氨基(-NH-)的DEA′三種二元醇(如圖5所示)，分別與DES、DEA反應(yīng)，研究單體主鏈中雜原子對酶促合成聚酯聚合度的影響.

圖5 主鏈中二元醇和其它功能基團(tuán)化學(xué)結(jié)構(gòu)

圖6為聚己二酸二甘醇酯(PDEGA)的1HNMR圖.與之相比，聚丁二酸二甘醇酯(PDEGS)無-CH2-的質(zhì)子峰，聚己二酸二甘醇酯(PDEGA)、聚丁二酸二甘醇酯(PDEGS)和聚己二酸聚乙二醇酯(PPEGA)數(shù)據(jù)如表3所示.

圖6 PDEGA的1HNMR圖譜

Polyesterδ/ppmCH2-(4H)-COCH2-(4H)-CH2OCH2--CH2OCO-PDEGS-2.703.72(4H)4.27(4H)PDEGA1.682.383.71(4H)4.25(4H)PPEGA1.662.363.66(m×4H)4.23(m×4H)

表4 分子主鏈中含有不同功能基團(tuán)脂肪族聚酯

* Reaction condition: 80 ℃,24 h,solvent-free condition.

2.3 單體立體結(jié)構(gòu)對酶促合成脂肪族聚酯聚合度的影響

以具有不同側(cè)基、環(huán)狀結(jié)構(gòu)的二元醇(如圖7所示)與DES或DEA反應(yīng)，研究二元醇立體結(jié)構(gòu)對聚合度的影響.

圖7 具有不同空間結(jié)構(gòu)二元醇的化學(xué)結(jié)構(gòu)

圖8、9、10分別為聚丁二酸1,2-丙二醇酯(PPGS)、聚己二酸新戊二醇酯(PNPGS)和聚己二酸環(huán)己烷二甲醇酯(PCHDMA)的1H NMR圖，PPGS、PNPGS、PCHDMA和聚丁二酸環(huán)己烷二甲醇酯(PCHDMS)數(shù)據(jù)如表5所示.其中，PCHDMA分別在1.01～1.81之間和3.93～4.02之間出現(xiàn)峰的裂分，這是由于CHDM具有船式和椅式兩種構(gòu)型.

圖8 PPGS的1HNMR圖譜

圖9 PNPGS的1HNMR圖譜

圖10 PCHDMA的1HNMR圖譜

Polyesterδ/ppm-CH3/-CH2-/-CH--COCH2-(4H)-CH2O-(4H)PPGS1.27(3H),5.17(1H)2.654.13,4.18PNPGS0.98(6H),1.68(4H)2.373.90PCHDMS1.00-1.82(10H,t,c)2.623.93-4.02(t,c)PCHDMA1.01-1.81(16H,t,c)2.333.91-4.01(t,c)

具有六元環(huán)結(jié)構(gòu)的CHDM反應(yīng)活性較高，研究發(fā)現(xiàn)在反應(yīng)初期CHDM的反應(yīng)速率較快.相比于線性結(jié)構(gòu)的HDO和ODO，無論是與DES還是DEA聚合，其聚合度略低，但其反應(yīng)活性遠(yuǎn)高于短碳鏈二元醇.PCHDMS和PCHDMA的1H NMR表明，其環(huán)狀結(jié)構(gòu)具有船式和椅式兩種構(gòu)型.雖然，其環(huán)狀結(jié)構(gòu)具有一定的空間位阻，但其分子鏈并未有明顯的剛性，故與酶催化區(qū)域的結(jié)合受到的影響不大.

表6 含有不同空間結(jié)構(gòu)單體脂肪族聚酯的

* Reaction condition:80 ℃,24 h,solvent-free condition.

3 結(jié)論

對二元醇而言，碳原子數(shù)為5的二元醇PeDO反應(yīng)得到的產(chǎn)物聚合度最高，短碳鏈二醇難聚合；對二元酸二酯而言，長鏈的DEA反應(yīng)活性高于短鏈的DES.單體主鏈官能團(tuán)的誘導(dǎo)效應(yīng)和氫鍵作用能夠影響酶促縮聚反應(yīng)的聚合度.單體側(cè)基的誘導(dǎo)效應(yīng)和空間效應(yīng)也會影響反應(yīng)產(chǎn)物的聚合度.

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【責(zé)任編輯：陳佳】

Effectsofmonomerstructureonthepolymerizationdegreeofenzymaticcatalysissynthesisaliphaticpolyesters

LI Cheng-tao1, ZHANG Min1,2, ZHAO Ying2

(1.School of Environmental Science and Engineering, Shaanxi University of Science & Technology, Xi′an 710021, China; 2.College of Chemistry and Chemical Engineering, Shaanxi University of Science & Technology, Xi′an 710021, China)

2017-04-16

陜西省技術(shù)轉(zhuǎn)移與重點科技成果推廣計劃項目(2016CG-10)； 陜西科技大學(xué)博士科研啟動基金項目(BJ15-21)

李成濤(1981-)，男，安徽阜陽人，講師，博士，研究方向：生物降解材料

2096-398X(2017)05-0117-05

O631.5

A