楊金明，張 敏

（1. 陜西省輕工業(yè)研究設(shè)計院，陜西省西安市 710054；2. 陜西科技大學化學與化工學院，陜西省西安市 710021）

脂肪族聚酯是一種可進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[1]。酶催化法是一種新型的環(huán)境友好綠色化學技術(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，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：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)在溫和的條件下進行[2]。

作者已系統(tǒng)地報道了采用脂肪酶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)與甘油對脂肪酶催化合成聚酯的影響。

1 實驗部分

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1-丙基月桂酸基團），日本協(xié)和醫(yī)藥株式會社生產(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負載的實驗方法和負載條件

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，恢復常壓，再加入0.1 g水，同樣量的溶劑，常壓反應(yīng)2 h，重復此過程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，可重復使用[7]。

2 結(jié)果與討論

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

在80 ℃，水、酶質(zhì)量分數(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行酯交換反應(yīng)，而1,2-丙二醇相對較易被脂肪酶N435催化與二酯進行酯交換反應(yīng)，二醇碳鏈越長，獲得產(chǎn)物的Mw越大、相對分子質(zhì)量分布（Mw/Mn）越窄（見表1）。這說明碳鏈越長的二醇更易于被脂肪酶N435催化與二酯進行酯交換反應(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)量分數(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)率相對較低是因為產(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而增大，Mw/Mn隨著二醇碳鏈的增長而變窄。這說明碳鏈長的二醇更容易被催化與二酯反應(yīng)。這是因為碳鏈越長，兩端羥基極性作用越弱，越容易被脂肪酶活性點捕獲，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行酯交換反應(yīng)，而1,2-丙二醇相對較易被脂肪酶N435催化與二酯進行酯交換反應(yīng)，說明對于帶有非極性側(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催化與二酯進行酯交換反應(yīng)。這是因為非極性側(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)量分數(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-丁二醇進行酯交換反應(yīng)，而二酯的碳鏈越長獲得產(chǎn)物的Mw越大，Mw/Mn越窄（見表3）。這說明碳鏈越長的二酯越容易被脂肪酶N435催化與1,4-丁二醇進行酯交換反應(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)量分數(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-丁二醇進行酯交換反應(yīng)。在二苯醚中產(chǎn)率相對降低是因為產(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而增大，Mw/Mn隨著二酯碳鏈的增長而變窄。這說明碳鏈長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，兩端酯基共軛作用和極性作用均減弱，酯鍵的穩(wěn)定性就相對碳鏈短的二酯減弱，被脂肪酶活性點捕獲，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Mw的聚酯。在80 ℃，水、酶質(zhì)量分數(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隨甘油摩爾分數(shù)的增加，Mw先增加后減小，Mw/Mn先變窄后變寬，而產(chǎn)率隨甘油摩爾分數(shù)的增加而減小。這是因為隨著甘油的加入，活性端與甘油反應(yīng)形成交聯(lián)結(jié)構(gòu)，從而使Mw增大；但是當甘油加入量達一定程度后，特別是甘油的羥基數(shù)量超過活性點數(shù)量時，甘油在反應(yīng)前期就會將活性點結(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；當甘油加入量達一定程度后，甘油在反應(yīng)前期就會將活性點結(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，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)量分數(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隨甘油摩爾分數(shù)的增加，Mw先增加后減小，Mw/Mn先變窄后變寬，而產(chǎn)率隨甘油摩爾分數(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)下還是在有機溶劑中，長鏈的二醇和長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Mw，低Mw/Mn的PBS。在無溶劑和二苯醚中獲得的PBS均隨甘油摩爾分數(shù)的增加，Mw先增加后減小，Mw/Mn先變窄后變寬，而產(chǎn)率隨甘油摩爾分數(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.