酶催化乙烯基單體聚合研究進展

李增昌,張桐瑋

(百色學院 化學與環境工程學院,廣西城市水環境重點實驗室,廣西 百色 533000 )

不論是天然的高分子材料還是人工合成的高分子材料都與現代社會密不可分。高分子材料廣泛應用于電子、機械、通信、運輸、制藥和醫療等領域。各種高分子材料的發展歸功于歷史上很多劃時代的創新工作,典型的例子就是齊格勒-納塔催化劑的發現。此外還有活性聚合的概念、導電高分子的發現和復分解催化劑的發現。新的高分子材料通常由新生產方法產生,也包括合成新的催化劑。自20世紀20年代以來,聚合反應催化劑使用了酸(Bronsted酸、路易斯酸和各種陽離子)、堿(路易斯堿和各種陰離子)和在一定條件下可以生成自由基的化合物。隨后,從20世紀50年代開始,在齊格勒-納塔催化劑中開始使用過渡金屬,這些傳統的催化劑在高分子合成中仍占據主導作用。然而,本世紀初,人們已經開發了一種新的高分子合成方法——使用酶作為催化劑進行聚合反應[1],盡管在有機合成領域,酶催化已作為一種強大的工具而被廣泛使用,然而在高分子材料制備領域,這被視作是具有革命意義的。在近二十年中,人們已經開發了許多酶促聚合反應,并通過酶促聚合產生了多種新的高分子。體外酶催化高分子的合成具有體內酶催化的特點,特別是反應具有高度選擇性。幾乎所有的反應都以選擇性的方式進行,并具有精確的結構控制。因此,酶催化高分子合成為“綠色高分子化學”提供了機會[2]。自首次發現淀粉酶以來,酶對許多領域的科學家都很有吸引力。尋找新酶和新的酶反應機理的研究一直是生物化學、有機化學、醫藥化學、藥物化學和高分子化學等領域中最熱門的課題[3]。如今,已經有上千種的酶實現了市場化供應,其中一些酶已經大規模地工業應用。在這些酶中,氧化還原酶、水解酶和異構酶是相對穩定的,可以方便地用作催化劑。而水解酶和氧化還原酶已經有很多被高分子化學家用來合成高分子。

雖然酶催化聚合反應的主要目標是多糖,聚酯、聚碳酸酯、聚酰胺和聚酰胺等在主鏈中含有碳氧鍵和碳氮鍵等的聚合物。但是有一些酶,像過氧化物酶和漆酶在多芳烴合成中也產生可以導致多種聚合反應的自由基中間體。而這些自由基也可以使乙烯基單體在水相、有機相或是在油水界面上進行自由基聚合反應[4]。早在1992年,就有人報道懸浮在甲基丙烯酸甲酯(MMA)中的大腸桿菌與可導致其發生聚合,并得到了低分子量的聚合物[5]。與聚芳烴相比,乙烯基單體的聚合可以通過對三元體系即酶、氧化劑和引發劑的組成的調整來更好地實現對聚合過程的控制。目前,研究較多的乙烯基單體有(甲基)丙烯酸系列,包括(甲基)丙烯酸酯和丙烯酰胺(Am)和苯乙烯系列。

1 (甲基)丙烯酸單體的聚合

在室溫下,辣根過氧化物酶(HRP)可以使2,4-戊二酮產生自由基,從而使丙烯酰胺進行聚合(圖1)。得到的聚丙烯酰胺的數均分子重量的范圍為1.5×105～4.6×105,分子量分布指數在2～2.4之間。 對于這些聚合反應,酶、過氧化氫和還原底物如2,4-戊二酮都是必需的。2,4-戊二酮的烯醇式異構體是這種聚合反應的關鍵中間體。而一種來自球孢囊藻的漆酶在50～80 ℃的條件下,在沒有添加任何其他物質的情況下,即可引發丙烯酰胺進行聚合。由此法獲得了高分子量聚丙烯酰胺[6]。其分子量高達1×106,Mw/Mn≈2,在24 h內單體轉化率達到81%。用漆酶作為引發體系,在65 ℃條件下還使N,N-二甲基丙烯酰胺實現了聚合,得到的聚合物數均分子量為7.3×105,Mw/Mn=2.4,反應24 h轉化率達70%。他們研究揭示此聚合反應是自由基機理,引發物種的產生和體系里少量的氧有關。

圖1 酶催化Am聚合反應方程式

Teixeira等人對由HRP和β-二酮和H2O2體系引發Am的聚合反應進行了深入的研究[7]。他們考察了十種作為還原底物即十種β-二酮的穩定性對聚合反應的影響。研究表明β-二酮和雙氧水在引發聚合過程中都是必要的。在此體系中,酮-烯醇平衡對引發活性很重要,并且要求β-二酮在α和γ兩個位置都沒有位阻。Singh等人對HRP與β-二酮反應生成的中間體引發的Am聚合的反應機理研究表明, HRP的催化循環包括一個中間復合物E,這種活性中間復合物氧化1,3-β-二酮產生兩個自由基,進一步引發丙烯酰胺進行聚合見圖2。

圖2 HRP與β-二酮引發的Am聚合的反應機理

HRP/H2O2催化劑體系也可以引發甲基丙烯酸2-(4-羥基苯基)乙酯和甲基丙烯酸2-苯基乙酯的選擇性聚合。前一種單體是通過對分子中苯酚基團的氧化而進行的聚合,而后者的聚合是通過乙烯基的自由基聚合來完成的。在此體系中,AIBN引發劑引發前一單體的乙烯基聚合時,苯酚對這一自由基聚合反應有抑制作用[8]。作者對三元體系引發的甲基丙烯酸甲酯(MMA)聚合反應在不同的溶劑中的聚合進行了研究,如二甲基甲酰胺(DMF)、丙酮、二氧六環和四氫呋喃(THF)等。在水溶液中,用大豆過氧化物酶和HRP II的混合物作為引發體系時聚甲基丙烯酸酯(PMMA)的產率為45%。Mn為9.3×105,Mw/Mn=3.0。當使用水和二氧六環或HF時,PMMA的轉化率有所增加。這個酶系統在催化水溶性單體的聚合時,需要使用表面活性劑。在含水介質中,Am的完全聚合需要3 h。使用這兩種表面活性劑得到的聚丙烯酰胺的分子量和分布寬度分別是1.4×104(3.2)和1.3×104(3.2)。在油含量比較高的乳液中進行反向乳液聚合時,HRP引發的Am聚合在75 min內完成,得到聚丙烯酰胺分子量和分布寬度分別是1.1×105和4.2[9]。HRP引發在超臨界二氧化碳(scCO2)和水混合物中的反向乳液聚合成功合成了聚丙烯酰胺。在此體系中,最常使用的表面活性劑是全氟聚醚(PEPE)。在這個PEPE/H2O/scCO2系統中,得到的聚丙烯酰胺其Mn值和Mw/Mn值分別為4.1×105和3.0,聚合轉化率為85%。HRP、H2O2和2.4-戊二酮的混合物合在沒有表面活性劑時也可以作為引發劑使用,并且還獲得了具有高Mn的硬質材料。其Mn為9.1×105,Mw/Mn為2.2。通過HRP引發在scCO2和水的混合物中的反向乳液聚合成了PAm。HRP、H2O2和2.4-戊二酮的混合物引發聚合在沒有表面活性劑時也可以進行,也得到了具有高的硬質材料。Mn為9.1×105,Mw/Mn的值為2.2。在這個聚合過程中,通過高剪切力,使水分散在scCO2中形成很小的液滴。反相微乳液的形成有助于在不含表面活性劑條件下進行高效的聚合反應[10]。

在室溫下,水相中的聚合反應使用的HRP酶一般是固定在熱敏水凝膠材料上的,這個水凝膠一般是由聚N-異丙基丙烯酰胺和殼聚糖水凝膠在戊二醛作為橋聯劑而形成的半互穿網絡。這個固定化酶第一次使用時,獲得的聚丙烯酰胺有很好的產率。聚合物Mn=1.74×105。固定化HRP酶重復使用后活性逐漸降低[11]。

HRP引發的乙烯基單體的自由基聚合,需要使用H2O2和β-二酮產生的自由基。而其他的氧化還原酶如漆酶、脂氧化酶和肌氨酸氧化酶作為催化劑時,產生自由基并引發Am聚合的過程并不需要過氧化物。例如,來自Mycelioph taora(ML)的漆酶可以引發丙烯酰胺聚合得到分子量為2.5×105聚丙烯酰胺,產率高達93%～98%。漆酶催化MMA的聚合不論有沒有2,4-戊二酮,在60 ℃時都得到了Mn為2.4×105Mw/Mn為1.4的PMMA,產率為90%。由于漆酶這個體系引發的乙烯基單體的自由基聚合是一種環境友好的聚合反應,人們嘗試了利用氧作為氧化劑在各種條件下對丙烯酰胺的聚合反應。最佳反應條件為弱酸性、反應溫度約為50 ℃。在此條件下,可以通過控制單體與酶的比率來獲得各種分子量的PAm。分子量變化范圍6×104～28×104,Mw/Mn為2.5～3.2[12]。

鑒于HRP是一種含鐵血紅素的酶,與H2O2作用形成活性物種,一種仿生催化劑——羥基鐵原卟啉能催化苯酚的聚合,含鐵血紅素的作用類似于HRP在H2O2存在下的氧化還原循環。用此催化劑使MMA在DMF中進行的聚合反應,可得到Mn=1.6×104～1.8×104,Mw/Mn=2.0～2.7的PMA,Am在NaHCO3-Na2CO3緩沖液中進行聚合,可得到Mn=1.7×105～3.7×105,Mw/Mn=1.6～2.3的Pam[13]。

最近報道的一種新的催化聚合方法實現了丙烯酸乙酯(EA)的聚合。作者通過固定化南極假絲酵母脂肪酶B(CALB),使用不同量的乙醇胺。脂肪酶不僅催化EA的聚合反應,同時也催化了以乙醇胺為親核試劑的氨解反應。結果得到了PEA和聚(N-(2-羥乙基)丙烯酰胺的共聚物[14],見圖3。所得高分子的分子量相對較低,在乙醇胺和EA的投料比為0.5時,Mn最高只有1.9×103。圖3中給出了共聚物的形成較為合理的路線。

圖3 聚(N-(2-羥乙基)丙烯酰胺的共聚物合成路線

淀粉存在乙酸鈉-乙酸緩沖溶液中,由HRP、2,4-戊二酮和H2O2引發的丙烯酰胺的聚合反應,由于自由基產生在淀粉的主鏈上,從而得到了在淀粉鏈上接枝的聚丙烯酰胺。支鏈中PAm的分子量和分子量為9.9×104～30.8×104,共聚物中PAm的含量為5.9%～23.6%[15]。

2 苯乙烯基單體的聚合

Singh等報道了在室溫下由HRP引發的疏水性單體苯乙烯(St)及其衍生物如4-甲基苯乙烯和 2-乙烯基萘的聚合反應[16]。為提高自由基聚合的效率,選擇一個均相體系非常重要。作者選擇了H2O、THF體積比為3∶1的混合溶劑,以使自由基高效地產生,最終生成21%的聚苯乙烯(PS),Mn和Mw/Mn分別為3.2×104和3.1。作者選用了五種β-二酮,分別是2,4-戊二酮、二苯甲酰基甲烷、苯甲酰基丙酮、四氯乙烯酸和1,3-環戊烷二酮,以及4-羥基香豆素作為引發劑引發St進行聚合。結果表明,高分子產率、Mn和Mw/Mn與這些引發劑種類高度相關。使用四硼酸和1,3-環戊烷二酮作引發劑時,PS的產率分別提高到41%和59%。用分子量更大的引發體系得到了分子量更高的聚合物,如用二苯甲酰甲烷得到的PS(Mn)9.7×104,用苯甲酰基丙酮得到的PS其Mn為8.0×104。4-甲基苯乙烯的聚合和2-乙烯基萘的聚合反應也與St的聚合類似。

HRP引發St聚合的主要困難在于St和PS的疏水性。在水介質中,St單體的疏水性會導致相分離,通常在分子量還比較低時即形成沉淀。而用同樣的方法,水溶性基單體如苯乙烯基磺酸鈉則可以聚合并得到Mn=1.6×105和Mw/Mn=3.4的聚苯乙烯磺酸鈉,產率為83%[17]。由于中性時,血紅素的溶解度比較小,聚苯乙烯磺酸鈉也可以由血紅素、H2O2和2,4-戊二酮在pH值為11的堿性溶液中聚合得到。如果用可溶性聚乙二醇改性血紅素,聚合反應則可在pH值為7.0的中性環境下進行,得到聚苯乙烯磺酸鈉的Mn=2.2×105,產率為78%。血紅素、2,4-戊二酮體系可在像DMF中引發聚合,St在40～60 ℃下聚合,得到的PS,其Mn=3.0×103～3.7×103,Mw/Mn=1.9～2.4。

Jones等用HRP、H2O2和2,4-戊二酮氧化還原催化劑體系作引發劑,十二烷基鈉作表面活性劑,在室下苯乙烯的微乳液聚合得到了穩定的聚苯乙烯膠乳顆粒,尺寸接近50 nm。研究表明,HRP、H2O2和2,4-戊二酮的比例決定單體的轉化率[18]。維生素C是一種必需的營養物質,可清除有害的自由基,羥基和單線態氧。Jones等設計了一個合成及聚合路線,先使用一種高選擇性的脂肪酶酶使抗壞血酸的伯羥基與乙烯基單體共價耦聯,然后使用HRP催化體系使乙烯基單體聚合反應得到含抗壞血酸官能化的聚苯乙烯類高分子(圖4)。聚合完成后,抗壞血酸為作為PS的修飾基團。這樣,他們得到了分子量7 000的聚合物。在端基修飾過的高分子中,抗壞血酸基團保留自由基清除能力,和抗2,2-二苯基-1-苦基肼(DPPH)自由基的能力,當濃度達到238 μmol/L時即可徹底清除全部DPPH自由基。

圖4 含抗壞血酸官能化的聚苯乙烯類高分子合成路線