李成涛， 张 敏,， 赵 莹

(1.陕西科技大学 环境科学与工程学院， 陕西 西安 710021； 2.陕西科技大学 化学与化工学院， 陕西 西安 710021)

单体结构对酶促合成脂肪族聚酯聚合度的影响

李成涛1， 张 敏1,2， 赵 莹2

(1.陕西科技大学 环境科学与工程学院， 陕西 西安 710021； 2.陕西科技大学 化学与化工学院， 陕西 西安 710021)

选择具有不同碳链长度、其它官能团和空间效应的单体，在80 ℃的二苯醚体系中，采用固定化南极假丝酵母脂肪酶N435催化缩聚，得到一系列的脂肪族聚酯.利用核磁共振氢谱1H NMR表征了所得产物的化学结构，凝胶渗透色谱GPC分析了相对分子质量及分布，并计算了聚合度.研究表明：单体中等链长的1,5-戊二醇PeDO得到的聚合物的聚合度最高，短碳链的二醇难聚合，长碳链的己二酸二乙酯DEA反应活性高于丁二酸二乙酯DES；单体中官能团的位置、侧基的诱导效应与空间效应都会影响聚合度；单体与酶分子的氢键作用也对聚合度有一定的影响.

脂肪酶N435； 脂肪族聚酯； 单体结构； 聚合度

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

0 引言

脂肪族聚酯为一类环境友好高分子材料，因其主链结构中含有易水解的酯键，能够在环境中被微生物降解，成为世界关注的研究之一[1-5].但是，传统的脂肪族聚酯的合成多为化学合成，且合成所用的催化剂一般为有机金属催化剂，化学合成方法存在有毒金属催化剂残留、高温高压、多伴有副反应发生等缺点，尤其是所用的金属催化剂大多数具有毒性，且无法从合成产物中分离[6].合成产物的金属残留问题，一定程度上限制了脂肪族聚酯在食品包装、医用卫生等领域的应用.脂肪酶作为一种绿色环保的生物催化剂，具有催化条件温和、选择性高、反应条件温和，很少或几乎没有副反应，能耗低、可控性好、可回收再利用等优点[7-9].随着对生物酶制剂的开发和应用，酶催化合成脂肪族聚酯为合成方法开辟了一条新的途径[9].酶催化合成脂肪族聚酯是利用生物酶对酯键的识别与催化，通过酶的酰化-释放过程，将小分子单体的末端羰基与羟基相互链接，不断增长成高分子链的聚酯[10,11].

最初，酶催化反应在开环聚合中成功应用，且开环聚合不会产生小分子副产物，所得产物分子量较高[12].随后，在缩聚反应中的研究也逐渐增多.研究发现，在缩聚反应中采用二元酸酯代替二元酸，进行酯交换反应，酶催化活性高，反应过程中生成的小分子为醇，比水更容易从体系中逸出，产物的分子量也有所提高.Indra K.Varma等[13]用二元酸乙烯酯与二元醇进行酶催化酯交换反应合成脂肪族聚酯，生成的乙烯醇重排成不溶于体系的酮，更易脱除且不发生逆反应.国内对脂肪族聚酯的酶催化研究起步较晚.杨金明等[14]采用多级循环真空法在无溶剂和二苯醚体系下利用N435催化合成PBS，重均分子量可达5 259 g·mol-1.任立伟等[10]报道了液-固体系下脂肪酶N435催化合成PBS，分子量有所突破，数均分子质量最大可达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缩聚反应中，加入了含有羟基的L-苹果酸进行共聚，得到Mw=7 400 g·mol-1的共聚酯.

目前，对酶促合成脂肪族聚酯的研究主要集中在酶的种类[15]、反应体系[16-18]、聚合方法[19]等方面.虽然酶催化合成仍存在如产物分子量低、反应时间长等缺点，但是，绿色环保的方法是今后的发展趋势，相信随着研究的深入，越来越多的难题将会被攻克，酶催化合成脂肪族聚酯的工业化发展指日可待.本文针对不同单体结构对酶促合成聚酯聚合度的影响进行了研究，详细探讨了单体的碳链长度、官能团的位置、侧基的诱导效应及空间效应对产物聚合度的影响，为酶促合成脂肪族聚酯的产业化提供理论指导和基础数据.

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

(1)主要试剂：固定化南极假丝酵母脂肪酶CA(Novozym435，简称N435)，物理吸附于大孔树脂VPOC1600，酶活力10 000 plu/g，最佳作用温度为80 ℃，日本诺维信公司；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-环己烷二甲醇(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，无水乙醇，均为化学纯，未经处理直接使用，西安化学试剂有限公司；三氯甲烷，HPLC级，天津科密欧化学试剂有限公司.

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(2)主要仪器：Bruker DPX 300 NMR核磁共振仪(德国Bruker公司)；P230型凝胶渗透色谱仪(大连依利特分析仪器有限公司).

1.2 实验步骤

以脂肪酶N435为催化剂，在二苯醚体系中，选择具有不同链长、官能团和立体结构的单体进行酶促酯交换反应，反应方程式如图1所示.

图1 N435催化合成聚合物的反应式

具体步骤为：将二元醇和二酯以摩尔比1∶1加入三口烧瓶，再加入溶剂二苯醚(200 wt%，以底物质量计算)、水(0.1 wt%)和N435(5 wt%)，加热搅拌，控制反应温度为80 ℃，反应3 h；减压并调节真空度至-725 mmHg，反应1 h；恢复常压，反应2 h；重复上述操作至反应24 h，终止反应.将反应混合物倒入无水乙醇，过滤；滤饼用三氯甲烷溶解，过滤，回收N435；滤液缓慢倒入无水乙醇，搅拌，待生成白色沉淀后抽滤，白色滤饼即为目标产物；将滤饼放在真空干燥箱，40 ℃真空干燥24 h.

1.3 聚合物的平均聚合度计算方法

(1)

式(1)中：n为聚合物重复单元数；M为聚合物相对分子质量；Mo为聚合物重复单元分子质量.

1.4 测试表征方法

将聚酯样品用含四甲基硅烷(TMS)的氘代氯仿(CDCl3)溶解，进行1H NMR测试.采用 GPC对产物相对分子质量及分布进行测定，以三氯甲烷(HPLC级)为流动相，流速1.0 mL·min-1，样品浓度为3 mg·mL-1，以Shodex窄分布的聚苯乙烯标准样品绘制标准曲线.

2 结果与讨论

2.1 单体结构对脂肪族聚酯聚合度的影响

在相同的反应条件下，分别以二元醇碳原子数为2～10的EG、PrDO、BDO、PeDO、HDO、ODO、NDO和DDO为单体，与DES进行反应，合成一系列脂肪族聚酯，研究二元醇链长对聚合度的影响；随后，以碳链更长的DEA与不同二元醇进行反应，对比研究二元酸单元的分子链长对聚合度的影响.

图2与图3分别为聚丁二酸戊二醇酯(PPeS)和聚己二酸癸二醇酯(PDA)的1H NMR图，由于不同单体链长脂肪族聚酯的1H NMR图出峰情况相似，仅化学位移(δ)有微小差别，将聚丁二酸丁二醇酯(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数据以表格形式列出，如表1所示.

图2 PPeS的1HNMR图谱

图3 PDA的1HNMR图谱

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能够与短碳链的PrDO反应；与BDO反应的聚合度比DES高；与长碳链的二元醇反应的聚合度与DES相差不大.这与二元酸二酯的分子链柔顺性有关.脂肪酶的催化位点分为ML区、疏水腔和隧道区三个区域，催化过程中，酸结合于疏水腔和隧道区，而酸分子链的柔顺性会影响其与催化区域的结合和反应活性，从而影响聚合度.DES的分子链短，柔顺性差，不易结合，所以聚合度低.

表2 含有不同长度单体的脂肪族聚酯

图4 单体主链C原子数对聚合物 聚合度的影响

2.2 单体主链官能团位置对酶促合成脂肪族聚酯聚合度的影响

以分子主链中具有醚键(-O-)的DEG、PEG-200和具有亚氨基(-NH-)的DEA′三种二元醇(如图5所示)，分别与DES、DEA反应，研究单体主链中杂原子对酶促合成聚酯聚合度的影响.

图5 主链中二元醇和其它功能基团化学结构

图6为聚己二酸二甘醇酯(PDEGA)的1HNMR图.与之相比，聚丁二酸二甘醇酯(PDEGS)无-CH2-的质子峰，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)数据如表3所示.

图6 PDEGA的1HNMR图谱

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 分子主链中含有不同功能基团脂肪族聚酯

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

2.3 单体立体结构对酶促合成脂肪族聚酯聚合度的影响

以具有不同侧基、环状结构的二元醇(如图7所示)与DES或DEA反应，研究二元醇立体结构对聚合度的影响.

图7 具有不同空间结构二元醇的化学结构

图8、9、10分别为聚丁二酸1,2-丙二醇酯(PPGS)、聚己二酸新戊二醇酯(PNPGS)和聚己二酸环己烷二甲醇酯(PCHDMA)的1H NMR图，PPGS、PNPGS、PCHDMA和聚丁二酸环己烷二甲醇酯(PCHDMS)数据如表5所示.其中，PCHDMA分别在1.01～1.81之间和3.93～4.02之间出现峰的裂分，这是由于CHDM具有船式和椅式两种构型.

图8 PPGS的1HNMR图谱

图9 PNPGS的1HNMR图谱

图10 PCHDMA的1HNMR图谱

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)

具有六元环结构的CHDM反应活性较高，研究发现在反应初期CHDM的反应速率较快.相比于线性结构的HDO和ODO，无论是与DES还是DEA聚合，其聚合度略低，但其反应活性远高于短碳链二元醇.PCHDMS和PCHDMA的1H NMR表明，其环状结构具有船式和椅式两种构型.虽然，其环状结构具有一定的空间位阻，但其分子链并未有明显的刚性，故与酶催化区域的结合受到的影响不大.

表6 含有不同空间结构单体脂肪族聚酯的

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

3 结论

对二元醇而言，碳原子数为5的二元醇PeDO反应得到的产物聚合度最高，短碳链二醇难聚合；对二元酸二酯而言，长链的DEA反应活性高于短链的DES.单体主链官能团的诱导效应和氢键作用能够影响酶促缩聚反应的聚合度.单体侧基的诱导效应和空间效应也会影响反应产物的聚合度.

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【责任编辑：陈佳】

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

陕西省技术转移与重点科技成果推广计划项目(2016CG-10)； 陕西科技大学博士科研启动基金项目(BJ15-21)

李成涛(1981-)，男，安徽阜阳人，讲师，博士，研究方向：生物降解材料

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

O631.5

A