楊金明，張 敏

（1. 陜西省輕工業(yè)研究設(shè)計(jì)院，陜西省西安市 710054；2. 陜西科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，陜西省西安市 710021）

脂肪族聚酯是一種可進(jìn)行多種形式生物降解的高聚物。傳統(tǒng)的脂肪族聚酯生產(chǎn)采用的高溫金屬催化劑法存在耗能高、有金屬殘留等缺點(diǎn)[1]。酶催化法是一種新型的環(huán)境友好綠色化學(xué)技術(shù)，這種方法可以在溫和條件下高效地合成脂肪族聚酯，有著傳統(tǒng)聚合方法難以比擬的優(yōu)勢(shì)，成為代替金屬催化法的有效途徑。酶尤其是脂肪酶的應(yīng)用為聚酯合成技術(shù)開辟了一條新途徑。酶催化合成聚酯具有許多突出的優(yōu)點(diǎn)：可在多種不同的介質(zhì)中反應(yīng)；酶本身來源于可循環(huán)資源，無毒無害；可使反應(yīng)在溫和的條件下進(jìn)行[2]。

作者已系統(tǒng)地報(bào)道了采用脂肪酶N435催化丁二酸二乙酯和1,4-丁二醇的聚合，獲得了較高相對(duì)分子質(zhì)量的聚丁二酸丁二酯（PBS）[3-4]。本工作研究了脂肪酶催化不同碳數(shù)的直鏈型二醇與二酯的合成以及與甘油的共聚合[丁二酸二乙酯與1,4-丁二醇的反應(yīng)式見式（1）]，分析了單體碳數(shù)與甘油對(duì)脂肪酶催化合成聚酯的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料

乙二酸二乙酯，丁二酸二乙酯，己二酸二乙酯，甘油，1,4-丁二醇，己二醇，二苯醚，均為化學(xué)純，未經(jīng)處理直接使用，陜西化玻有限公司生產(chǎn)。固定化南極假絲酵母脂肪酶，N345（有效活性為每克脂肪酶中含有7 000個(gè)1-丙基月桂酸基團(tuán)），日本協(xié)和醫(yī)藥株式會(huì)社生產(chǎn)。離子交換樹脂，VPOC1600，表面積為110～150 m2/g，平均孔徑為100 nm，德國朗盛公司生產(chǎn)。

1.2 測(cè)試與表征

核磁共振碳譜（13C-NMR）用德國布魯克公司生產(chǎn)的Bruker DPX 300 NMR型核磁共振波譜儀記錄。聚合物的重均分子量（Mw）用美國Waters公司生產(chǎn)的1515型凝膠滲透色譜儀測(cè)定，三氯甲烷為洗脫液，流速為1.0 mL/min，試樣濃縮至2 mg/mL，注入量為100 μL[3]。

1.3 固定化脂肪酶N345負(fù)載的實(shí)驗(yàn)方法和負(fù)載條件

固定化南極假絲酵母脂肪酶N345的制備采用物理吸附方法，載體選用大孔離子交換樹脂VPOC1600[4]。取1～2 g的VPOC1600，加入三角燒瓶中，加入10 mL濃度為0.05 mol/L，pH=7的磷酸鹽緩沖溶液，再加入2～4 mL脂肪酶N345溶液，在35 ℃下水浴振蕩2～6 h，取出三角燒瓶，將得到的樹脂在35 ℃下真空干燥6～12 h，即可得到固定化脂肪酶N345[5]。

1.4 脂肪酶催化合成聚酯的多級(jí)催化法

將1.0 g脂肪酶N435（100 Pa，25 ℃，真空干燥24 h)，17.0 g丁二酸二乙酯，8.0 g的1,4-丁二醇和0.1 g水加入到溶劑中，攪拌反應(yīng)2 h。然后減壓蒸餾，將溶劑全部蒸出（溶劑回收待處理再利用），在真空下攪拌反應(yīng)1 h，恢復(fù)常壓，再加入0.1 g水，同樣量的溶劑，常壓反應(yīng)2 h，重復(fù)此過程24 h[6]。反應(yīng)結(jié)束后，得到的白色固體加入三氯甲烷溶解后過濾，濾液加入甲醇純化，得到PBS。濾渣為脂肪酶345，可重復(fù)使用[7]。

2 結(jié)果與討論

2.1 二醇碳數(shù)對(duì)脂肪酶N435催化丁二酸二乙酯與二醇反應(yīng)的影響

在80 ℃，水、酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.1%，0.5%的無溶劑體系下[8]，用脂肪酶N435催化丁二酸二乙酯和不同二醇反應(yīng)合成脂肪族聚酯。結(jié)果表明：乙二醇難以被催化與二酯進(jìn)行酯交換反應(yīng)，而1,2-丙二醇相對(duì)較易被脂肪酶N435催化與二酯進(jìn)行酯交換反應(yīng)，二醇碳鏈越長(zhǎng)，獲得產(chǎn)物的Mw越大、相對(duì)分子質(zhì)量分布（Mw/Mn）越窄（見表1）。這說明碳鏈越長(zhǎng)的二醇更易于被脂肪酶N435催化與二酯進(jìn)行酯交換反應(yīng)。

表1 無溶劑下丁二酸二乙酯與不同二醇反應(yīng)的產(chǎn)率和產(chǎn)物性能Tab.1 Yield and properties of the polyesters synthesized from diethyl succinate and different diols under solvent-free conditions

在80 ℃，水、酶、反應(yīng)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.1%，5.0%，25.0%的二苯醚體系中[8]，用脂肪酶N435催化丁二酸二乙酯和不同二醇反應(yīng)48 h，合成脂肪族聚酯。由表2可知：在二苯醚中催化二醇和丁二酸二乙酯反應(yīng)均得到了比在無溶劑下Mw更高、Mw/Mn更窄的產(chǎn)物。在二苯醚中產(chǎn)率相對(duì)較低是因?yàn)楫a(chǎn)物后期處理，洗脫二苯醚過程中產(chǎn)物損失造成的。

脂肪酶N435催化二酯和二醇反應(yīng)，Mw隨著二醇碳鏈的增長(zhǎng)而增大，Mw/Mn隨著二醇碳鏈的增長(zhǎng)而變窄。這說明碳鏈長(zhǎng)的二醇更容易被催化與二酯反應(yīng)。這是因?yàn)樘兼溤介L(zhǎng)，兩端羥基極性作用越弱，越容易被脂肪酶活性點(diǎn)捕獲，使其脫除質(zhì)子形成活性中間體[9]。

表2 二苯醚中丁二酸二乙酯與不同二醇反應(yīng)的產(chǎn)率和產(chǎn)物性能Tab.2 Yield and properties of the polyesters synthesized from diethyl succinate and different diols in diphenyl ether

無論是無溶劑體系還是二苯醚溶劑體系中，乙二醇均難以被催化與二酯進(jìn)行酯交換反應(yīng)，而1,2-丙二醇相對(duì)較易被脂肪酶N435催化與二酯進(jìn)行酯交換反應(yīng)，說明對(duì)于帶有非極性側(cè)鏈的二醇比主鏈同碳數(shù)的直鏈型二醇更易被脂肪酶N435催化與二酯進(jìn)行酯交換反應(yīng)。這是因?yàn)榉菢O性側(cè)鏈弱化了兩端羥基的極性作用，使其容易被脂肪酶N435活性點(diǎn)捕獲并剝奪羥基上的質(zhì)子，形成活性中間體[5]。

2.2 二酯碳數(shù)對(duì)脂肪酶N435催化1,4-丁二醇與二酯反應(yīng)的影響

在80 ℃，水、酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.1%，0.5%的無溶劑體系下，用脂肪酶N435催化1,4-丁二醇和不同二酯反應(yīng)合成脂肪族聚酯。結(jié)果表明：乙二酸二乙酯難以被催化與1,4-丁二醇進(jìn)行酯交換反應(yīng)，而二酯的碳鏈越長(zhǎng)獲得產(chǎn)物的Mw越大，Mw/Mn越窄（見表3）。這說明碳鏈越長(zhǎng)的二酯越容易被脂肪酶N435催化與1,4-丁二醇進(jìn)行酯交換反應(yīng)。

表3 無溶劑下1,4-丁二醇與不同二酯反應(yīng)的產(chǎn)率和產(chǎn)物性能Tab.3 Yield and properties of the polyesters synthesized from 1,4-butanediol and different diesters under solventfree conditions

在80 ℃，水、酶、反應(yīng)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.1%，5.0%，25.0%的二苯醚體系中，用脂肪酶N435催化1,4-丁二醇和不同二酯反應(yīng)48 h，合成脂肪族聚酯。由表4可知：在二苯醚中催化二酯和1,4-丁二醇反應(yīng)均得到了比在無溶劑條件下相應(yīng)Mw更高的產(chǎn)物，己二酸二乙酯與1,4-丁二醇反應(yīng)可以獲得Mw為24 816，Mw/Mn為1.09的聚酯。但在二苯醚中乙二酸二乙酯同樣難以被催化與1,4-丁二醇進(jìn)行酯交換反應(yīng)。在二苯醚中產(chǎn)率相對(duì)降低是因?yàn)楫a(chǎn)物后期處理，洗脫二苯醚過程中產(chǎn)物損失造成的。

表4 二苯醚中1,4-丁二醇與不同二酯反應(yīng)的產(chǎn)率和產(chǎn)物性能Tab.4 Yield and properties of the polyesters synthesized from 1,4-butanediol and different diesters in diphenyl ether

對(duì)比表1與表3、表2和表4可知：碳數(shù)相同的二酯比二醇容易被脂肪酶N435催化獲得Mw較高的聚酯。這可能是短鏈二酯的端基比二醇除了具有極性效應(yīng)外還具有共軛效應(yīng)，對(duì)脂肪酶N435的催化反應(yīng)影響更明顯。

由表4還可知：脂肪酶N435催化二酯和1,4-丁二醇反應(yīng)，Mw隨著二酯碳鏈的增長(zhǎng)而增大，Mw/Mn隨著二酯碳鏈的增長(zhǎng)而變窄。這說明碳鏈長(zhǎng)的二酯更容易被催化與1,4-丁二醇反應(yīng)。這可能是碳鏈越長(zhǎng)，兩端酯基共軛作用和極性作用均減弱，酯鍵的穩(wěn)定性就相對(duì)碳鏈短的二酯減弱，被脂肪酶活性點(diǎn)捕獲，使其越容易質(zhì)子化或者離子化形成活性中間體[10]。

2.3 甘油對(duì)脂肪酶N435催化1,4-丁二醇與丁二酸二乙酯聚合的影響

甘油特有的星形結(jié)構(gòu)可以使聚酯支化或交聯(lián)，加入甘油可以獲得較高M(jìn)w的聚酯。在80 ℃，水、酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.1%，0.5%的無溶劑體系下，用脂肪酶N435催化1,4-丁二醇、丁二酸二乙酯與甘油共聚合24 h，合成PBS。由表5可知：所得的PBS隨甘油摩爾分?jǐn)?shù)的增加，Mw先增加后減小，Mw/Mn先變窄后變寬，而產(chǎn)率隨甘油摩爾分?jǐn)?shù)的增加而減小。這是因?yàn)殡S著甘油的加入，活性端與甘油反應(yīng)形成交聯(lián)結(jié)構(gòu)，從而使Mw增大；但是當(dāng)甘油加入量達(dá)一定程度后，特別是甘油的羥基數(shù)量超過活性點(diǎn)數(shù)量時(shí)，甘油在反應(yīng)前期就會(huì)將活性點(diǎn)結(jié)合完，造成縮聚合終止，從而使Mw降低。Mw/Mn隨甘油加入先變窄后變寬，這是由于隨甘油加入，低Mw的PBS鏈段容易先被交聯(lián)，使Mw/Mn降低；當(dāng)甘油加入量達(dá)一定程度后，甘油在反應(yīng)前期就會(huì)將活性點(diǎn)結(jié)合完，造成縮聚合終止，使反應(yīng)不均一，從而Mw/Mn變寬。由于加入甘油過多，Mw降低，Mw/Mn變寬，產(chǎn)物中的低聚物成分變多，因此，在用三氯甲烷純化時(shí)，低Mw的產(chǎn)物易被洗脫，造成產(chǎn)率降低。

表5 無溶劑下丁二酸二乙酯、1,4-丁二醇、甘油的摩爾比對(duì)產(chǎn)物的影響Tab.5 Effect of molar ratio of diethyl succinate, 1,4-butanediol and glycerol on the polyesters under solvent-free conditions

在80 ℃，水、酶、反應(yīng)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.1%，5.0%，25.0%的二苯醚體系中，用脂肪酶N435催化1,4-丁二醇、丁二酸二乙酯、甘油共聚合48 h，合成PBS。由表6可知：所得PBS隨甘油摩爾分?jǐn)?shù)的增加，Mw先增加后減小，Mw/Mn先變窄后變寬，而產(chǎn)率隨甘油摩爾分?jǐn)?shù)的增加而減小。這與在無溶劑體系下反應(yīng)的結(jié)果相同，影響原因也一致。

表6 二苯醚中丁二酸二乙酯、1,4-丁二醇與甘油的摩爾比對(duì)產(chǎn)物的影響Tab.6 Effect of molar ratio of diethyl succinate, 1,4-butanediol and glycerol on the polyesters in diphenyl ether

3 結(jié)論

a）無論在無溶劑狀態(tài)下還是在有機(jī)溶劑中，長(zhǎng)鏈的二醇和長(zhǎng)鏈的二酯均比短鏈的二醇和二酯容易被脂肪酶催化合成相應(yīng)的聚酯。其中，采用脂肪酶N435催化己二酸二乙酯與1,4-丁二醇反應(yīng)可以獲得Mw為24 816，Mw/Mn為1.09的聚酯。

b）用脂肪酶N435催化1,4-丁二醇、丁二酸二乙酯與甘油共聚合可以獲得較高M(jìn)w，低Mw/Mn的PBS。在無溶劑和二苯醚中獲得的PBS均隨甘油摩爾分?jǐn)?shù)的增加，Mw先增加后減小，Mw/Mn先變窄后變寬，而產(chǎn)率隨甘油摩爾分?jǐn)?shù)的增加而減小。

[1] 張敏,楊金明,宋潔，等. 脂肪酶在催化合成脂肪族聚酯中的應(yīng)用[J]. 塑料， 2009, 38（2）: 54-56.

[2] 楊金明,張敏. PBS結(jié)晶影響因素的研究[J]. 膠體與聚合物，2010, 28(3): 116-119.

[3] 張敏,楊金明,宋潔，等. 脂肪酶N435催化合成PBS[J]. 塑料，2010, 39(4): 73-76.

[4] 楊金明,湯粵豫,張敏. 脂肪酶N435在低沸點(diǎn)溶劑中催化合成PBS[J]. 工業(yè)催化，2011, 19(1): 62-67.

[5] Andreas S Bommarius, Bettina R Riebel. 生物催化——基礎(chǔ)與應(yīng)用[M]. 孫志浩,許建和，譯. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006:205-206.

[6] Sachiko Okajima, Reiko Kondo, Kazunobu Toshima, et al.Lipase-catalyzed transformation of poly(butylene adipate)and poly(butylene succinate) into repolymerizable cyclic oligomers[J]. Biomacromolecules, 2003, 236(4): 1514-1519.

[7] Uyama H, Kobayashi S. Enzyme-catalyzed polymerization to functional polymers[J]. J Mol Catal B Enzyme, 2002, 785(7):1-11.

[8] Deng F, Gross R A. Ring-opening bulk polymerization of ε-caprolactone and trimethylene carbonate catalyzed by lipase Novozym 435[J]. Int J Biomol, 1999, 25（1/2/3）: 153-159.

[9] Bisht K S, Henderson L A, Gross R A, et al. Enzyme-catalyzed ring-opening polymerization of ω-pentadecalactone[J]. Macromolecules, 1997, 30(8): 2705-2711.

[10] Lanne C, Boeren S, Vos K, et al. Rules for optimization of biocatalysis in organic solvents[J]. Biotechnology Bioengineering,1987, 30(10): 81- 87.