柴春曉,江 帆,鄭 軻,張予東,丁 濤,崔元臣,張 磊

(河南大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，河南 開(kāi)封 475004)

4-乙基苯酚低聚物的酶催化合成及抗氧化性能研究

柴春曉,江 帆,鄭 軻,張予東,丁 濤,崔元臣,張 磊*

(河南大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，河南 開(kāi)封 475004)

以辣根過(guò)氧化物酶為催化劑制備了4-乙基苯酚低聚物，利用紅外光譜、凝膠滲透色譜、熱重對(duì)其進(jìn)行了表征. 4-乙基苯酚低聚物具有良好的清除1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(DPPH)自由基和2,2-聯(lián)氮雙(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)二銨鹽(ABTS)陽(yáng)離子自由基的性能. 4-乙基苯酚低聚物作為添加劑與聚丙烯復(fù)合后，可明顯提高聚丙烯的抗熱氧性能，與聚丙烯相比，4-乙基苯酚低聚物(0.5%)/聚丙烯復(fù)合物的氧化誘導(dǎo)溫度提高了41 ℃，氧化誘導(dǎo)時(shí)間提高了11.5 min，抗氧化能力不僅大大高于4-乙基苯酚單體，而且優(yōu)于市售抗氧劑2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚(BHT)和丁基羥基茴香醚(BHA). 加速老化試驗(yàn)表明，添加4-乙基苯酚低聚物的聚丙烯在120 ℃的空氣氛圍中老化72 h后，其化學(xué)組成沒(méi)有明顯變化. 因此，酚類化合物的酶催化聚合在新型抗氧劑的合成方面有潛在的應(yīng)用前景.

4-乙基苯酚; 酶催化; 抗氧劑; 聚丙烯

酚類化合物的酶催化聚合是一種合成酚聚合物的新方法，由于酶催化反應(yīng)條件溫和、效率高、專一性好，因此受到研究人員的廣泛關(guān)注[1-2]. TONAMI等利用辣根過(guò)氧化物酶為催化劑，制備了間乙炔基苯酚的聚合物[3]，該聚合物在氮?dú)夥諊小? 000 ℃下的質(zhì)量殘余率在60%以上，高于苯酚和烷基取代苯酚聚合物的殘余率，適合作為碳材料的前驅(qū)物. KIM等用灰蓋鬼傘菌過(guò)氧化物酶為催化劑研究了雙酚A的聚合，在異丙醇和緩沖溶液體系中，得到了數(shù)均分子量為1.9×104的聚合物. 雙酚A聚合物可用作光致抗蝕劑，分子量和聚合物中酚羥基的含量對(duì)所制備的光致抗蝕劑的感光性有很大的影響[4]. Kim課題組還報(bào)道了鄰苯二酚在漆酶催化下的聚合反應(yīng)，并考察了聚合產(chǎn)物在亞麻織物染色中的應(yīng)用性能[5]. 最近，KUMBUL等還報(bào)道了對(duì)位含亞胺基團(tuán)的酚化合物的酶催化聚合[6]. 總之，人們已經(jīng)利用酶催化反應(yīng)制備了多種酚聚合物，并對(duì)這些酚聚合物的應(yīng)用性能開(kāi)展了初步的研究.

近年來(lái)，本課題組在水相膠束或有機(jī)溶劑/緩沖溶液體系中，研究了苯酚[7]、4-甲氧基苯酚[8]、鄰苯三酚[9]等化合物的酶催化聚合，發(fā)現(xiàn)這些酚聚合產(chǎn)物中含有大量的酚羥基，同時(shí)由于分子量的提高，它們具有比小分子酚化合物更好的穩(wěn)定性，作為抗氧劑具有良好的應(yīng)用前景. AMBROGI報(bào)道了咖啡酸甲酯的酶催化聚合，并對(duì)聚合產(chǎn)物的抗氧化性能進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)咖啡酸甲酯聚合物可明顯提高聚乙烯的穩(wěn)定性[10]. 本課題組對(duì)4-甲氧基苯酚及鄰苯三酚低聚物的抗氧化性能進(jìn)行了研究[8-9]，發(fā)現(xiàn)它們均有良好的抗自由基性能.

4-乙基苯酚是一種常見(jiàn)的小分子酚化合物，由于穩(wěn)定性不佳，抗氧化性能有限，本文采用乙醇-緩沖溶液的混合物為反應(yīng)介質(zhì)，利用辣根過(guò)氧化物酶為催化劑，制備了4-乙基苯酚的低聚物，首次考察了該低聚物的抗自由基性能，并研究了該低聚物作為抗氧劑對(duì)聚丙烯抗熱氧性能的影響.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

VERTEX 70型紅外光譜儀(德國(guó)，Bruker公司)；TGA/SDTA851e型熱重分析儀(瑞士，Mettler-Toledo公司)；XSTAR6000型差示掃描量熱儀(日本，Seiko公司)；AK22型同向雙螺桿擠出機(jī)(南京科亞化工成套裝備公司)；401B型老化試驗(yàn)箱(上海試驗(yàn)儀器總廠)；WDW-20E型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(濟(jì)南恒思盛大儀器有限公司)；FYJ-25I型壓片機(jī)(廣東金方圓機(jī)械制造有限公司).

辣根過(guò)氧化氫酶(HRP)(RZ=2.6，上海國(guó)源生物技術(shù)有限公司)；粉狀聚丙烯(中國(guó)石油獨(dú)山子石化公司)；4-乙基苯酚(分析純，Alfa Aesar天津化學(xué)有限公司)；過(guò)氧化氫(分析純，天津市光復(fù)科技發(fā)展有限公司)；2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚(BHT)和丁基羥基茴香醚(BHA)(分析純，百靈威科技有限公司)，其他試劑均為市售分析純?cè)噭?

1.2 4-乙基苯酚的酶催化聚合

在100 mL圓底燒瓶中加入5 mmol 4-乙基苯酚，并加入20 mL pH=7的磷酸鹽緩沖溶液和25 mL 無(wú)水乙醇，于25℃水浴鍋中恒溫?cái)嚢柚寥芙?，然后加? mL溶有1 mg辣根過(guò)氧化酶的磷酸鹽緩沖溶液. 攪拌1 min后，加入0.25 mL濃度為5%的過(guò)氧化氫溶液，以后每隔5 min次加入相同體積的過(guò)氧化氫溶液，共滴加14次. 過(guò)氧化氫滴加完畢，繼續(xù)在25 ℃下攪拌10 min，隨后真空抽濾，并用蒸餾水洗滌，濾餅在60 ℃真空烘箱中烘干，得到淡黃色粉末狀產(chǎn)物.

1.3 聚丙烯試樣的制備

取0.5質(zhì)量份的添加劑(4-乙基苯酚、BHT、BHA或4-乙基苯酚低聚物)和100質(zhì)量份的聚丙烯在共混機(jī)中混合均勻，利用雙螺桿擠出機(jī)擠出并造粒. 擠出機(jī)加熱部分的溫度從料斗端到口模端依次設(shè)定為165、175、175、180 ℃，螺桿的轉(zhuǎn)速設(shè)定為140 r/min.

1.4 4-乙基苯酚低聚物的抗自由基性能檢測(cè)

用1,1-二苯基-2-三硝基苯肼自由基和2,2′-聯(lián)氮雙(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)二銨鹽陽(yáng)離子自由基檢測(cè)4-溴苯酚聚合物的抗自由基性能，檢測(cè)方法和實(shí)驗(yàn)步驟參照文獻(xiàn)[11]和[12].

2 結(jié)果與討論

2.1 4-乙基苯酚低聚物的表征

圖1 4-乙基苯酚的酶催化聚合反應(yīng)路線Fig.1 Synthetic route of enzymatic polymerization of 4-ethylphenol

圖2 4-乙基苯酚低聚物的紅外光譜Fig.2 IR spectrum of 4-ethylphenol oligomer

圖3為4-乙基苯酚單體、4-乙基苯酚低聚物、工業(yè)抗氧劑BHT和BHA在空氣氛圍中的熱失重曲線，可以看出，4-乙基苯酚單體熱穩(wěn)定性很差，150 ℃即完全分解. 而4-乙基苯酚低聚物失重5%時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度為215 ℃，在600 ℃完全分解，其熱穩(wěn)定性與4-乙基苯酚單體相比得到了很大的提高，且明顯好于工業(yè)抗氧劑BHT和BHA，這是4-乙基苯酚低聚物具有良好抗氧化性能的重要基礎(chǔ).

圖3 4-乙基苯酚(a)、BHT(b)、BHA(c)、4-乙基苯酚低聚物(d)在空氣氛圍中的熱重曲線Fig.3 TG curves of 4-ethylphenol (a), BHT (b), BHA (c) and 4-ethylphenol oligomer (d) under air atmosphere

2.2 4-乙基苯酚低聚物的抗自由基性能

對(duì)DPPH自由基和ABTS陽(yáng)離子自由基的清除率常被用來(lái)評(píng)價(jià)物質(zhì)的抗氧化能力, 我們利用這兩種自由基初步評(píng)價(jià)了4-乙基苯酚低聚物的抗氧化性能，結(jié)果見(jiàn)圖4．從圖4(a)可以看出，4-乙基苯酚低聚物具有明顯的清除DPPH自由基的能力，隨4-乙基苯酚低聚物濃度的增加，對(duì)DPPH自由基的清除率逐漸增加.Ic50為清除率達(dá)到50%時(shí)對(duì)應(yīng)的抗氧劑的濃度，從圖中可以求得4-乙基苯酚低聚物清除DPPH自由基的Ic50為47.8 mg/L. 圖4(b)表明4-乙基苯酚低聚物也具有良好的清除ABTS陽(yáng)離子自由基能力，其Ic50為5.3 mg/L. 與我們之前報(bào)道的4-溴苯酚聚合物相比[15]，4-乙基苯酚低聚物具有更好的抗自由基性能.

圖4 乙基苯酚低聚物對(duì)DPPH(a)和ABTS陽(yáng)離子(b)自由基的抑制效果Fig.4 Inhibition efficiency of 4-ethylphenol oligomer to DPPH (a) and ABTS cation (b) free radical

2.3 4-乙基苯酚低聚物對(duì)聚丙烯抗熱氧性能的影響

聚丙烯材料廣泛應(yīng)用于管材、家電、汽車、包裝等領(lǐng)域，但是在熱氧環(huán)境中，聚丙烯材料很容易發(fā)生氧化降解，主要原因是分子鏈中的叔碳原子易形成自由基，并進(jìn)一步生成烷氧自由基和過(guò)氧自由基，從而造成聚丙烯分子鏈的氧化斷裂[16-17]，添加抗氧化劑是防止聚丙烯熱氧降解的有效方法. 我們將4-乙基苯酚低聚物添加到聚丙烯樣品中，考察了這種低聚物對(duì)聚丙烯抗熱氧性能的影響. 氧化誘導(dǎo)溫度和氧化誘導(dǎo)時(shí)間檢測(cè)是兩種快速評(píng)價(jià)抗氧劑性能的方法，氧化誘導(dǎo)溫度是樣品的DSC曲線上出現(xiàn)熔融峰之后，急劇向放熱方向轉(zhuǎn)折時(shí)的溫度，本文按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)(ISO 11357-6:2008)進(jìn)行測(cè)試. 圖5為純聚丙烯、4-乙基苯酚/聚丙烯、BHT/聚丙烯、BHA/聚丙烯、4-乙基苯酚低聚物/聚丙烯復(fù)合物在空氣氛圍中的DSC曲線，根據(jù)這些曲線得到的上述5種聚丙烯樣品的氧化誘導(dǎo)溫度列于表1中. 可以看出，添加4-乙基苯酚低聚物后，聚丙烯的氧化誘導(dǎo)溫度提高了41 ℃，而4-乙基苯酚單體的加入，只能使聚丙烯的氧化誘導(dǎo)溫度提高12 ℃. 市售抗氧劑BHT和BHA也可明顯提高聚丙烯的起始氧化溫度，但效果不及4-乙基苯酚低聚物.

圖5 聚丙烯(a)、4-乙基苯酚/聚丙烯(b)、BHT/聚丙烯(c)BHA/聚丙烯(d)和4-乙基苯酚低聚物/聚丙烯(e)的氧化誘導(dǎo)溫度檢測(cè)曲線Fig.5 Oxidation induction temperature curves of virgin PP (a), 4-ethylphenol/PP (b), BHT/PP (c), BHA/PP (d) and 4-ethylphenol oligomer/PP (e)

圖6 聚丙烯(a)、4-乙基苯酚/聚丙烯(b)、BHT/聚丙烯(c)BHA/聚丙烯(d)和4-乙基苯酚低聚物/聚丙烯(e)的氧化誘導(dǎo)時(shí)間檢測(cè)曲線Fig.6 Oxidation induction time curves of virgin PP (a), 4-ethylphenol /PP (b), BHT/PP (c), BHA/PP (d) and 4-ethylphenol oligomer/PP (e)

氧化誘導(dǎo)時(shí)間也按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)(ISO 11357-6:2008)進(jìn)行檢測(cè). 首先，聚丙烯復(fù)合物在50 mL/min的氮?dú)鈿饬髦校?0 ℃/min的升溫速率升溫至190 ℃，保溫5 min后迅速把氮?dú)饬髑袚Q成50 mL/min的氧氣流. 氧化誘導(dǎo)時(shí)間是從切換氣流開(kāi)始，到樣品DSC曲線開(kāi)始急劇向放熱方向轉(zhuǎn)折時(shí)的時(shí)間. 圖 6為純聚丙烯、4-乙基苯酚/聚丙烯、BHT/聚丙烯、BHA/聚丙烯、4-乙基苯酚低聚物/聚丙烯復(fù)合物的氧化誘導(dǎo)時(shí)間檢測(cè)曲線，當(dāng)檢測(cè)環(huán)境的氣流由氮?dú)馇袚Q為氧氣后，聚丙烯和4-乙基苯酚/聚丙烯復(fù)合物很快出現(xiàn)放熱峰，說(shuō)明4-乙基苯酚單體不能明顯提高聚丙烯的抗熱氧性能，這與氧化誘導(dǎo)溫度的研究結(jié)果一致. 添加BHT和BHA的聚丙烯樣品的氧化誘導(dǎo)時(shí)間明顯提高，且BHA效果好于BHT. 但是4-乙基苯酚低聚物的加入使聚丙烯復(fù)合物具有更長(zhǎng)的氧化誘導(dǎo)時(shí)間，達(dá)到12.5 min(表1). 4-乙基苯酚低聚物較好的抗氧化性能與其分子鏈中的酚羥基結(jié)構(gòu)有關(guān)，酚羥基提供的氫原子與活潑自由基反應(yīng)生成穩(wěn)定自由基，可以阻止聚丙烯分子鏈的進(jìn)一步氧化斷裂. 同時(shí)，4-乙基苯酚雖然為低聚物，但分子量仍高于BHT和BHA等小分子抗氧劑，相對(duì)較高的分子量使其具有良好的熱穩(wěn)定性，這也是4-乙基苯酚低聚物具有良好抗氧化性能的重要原因.

表1 PP試樣的氧化誘導(dǎo)溫度和氧化誘導(dǎo)時(shí)間

加速老化實(shí)驗(yàn)是模擬并且強(qiáng)化外界氣候?qū)Φ途畚锏钠茐淖饔玫膶?shí)驗(yàn)，相對(duì)于氧化誘導(dǎo)時(shí)間和氧化誘導(dǎo)溫度，加速老化更加符合低聚物在自然環(huán)境下的老化情況. 分別取適量聚丙烯、4-乙基苯酚低聚物/聚丙烯復(fù)合物粒料壓片后，剪取薄厚均勻、完好，大小在1 cm×1 cm左右的聚丙烯薄片，在120 ℃烘箱中加速老化，并分別在0、24、72 h時(shí)進(jìn)行紅外光譜檢測(cè)，考察聚丙烯和4-乙基苯酚低聚物/聚丙烯復(fù)合物紅外光譜的變化. 由圖7(a)的紅外光譜圖可以看出，當(dāng)老化時(shí)間增加至72 h后，聚丙烯在3 500～3 700 cm-1處和1 570～1 800 cm-1處出現(xiàn)明顯的吸收峰，這是由聚丙烯老化分解產(chǎn)生的羥基、羰基等基團(tuán)造成的. 由于4-乙基苯酚低聚物的加入，在相同的老化時(shí)間內(nèi)，聚丙烯復(fù)合物的紅外光譜圖7(b)并沒(méi)有明顯的變化，所以，4-乙基苯酚低聚物具有明顯的提高聚丙烯抗熱氧性能的作用.

圖7 聚丙烯(a)、4-乙基苯酚低聚物/聚丙烯復(fù)合物(b)在不同老化時(shí)間時(shí)的紅外光譜Fig.7 IR spectra of virgin PP (a) and 4-ethylphenol oligomer/PP (b) with different aging time

3 結(jié)論

在乙醇/緩沖溶液混合體系中，利用辣根過(guò)氧化物酶為催化劑合成了4-乙基苯酚低聚物，該低聚物具有良好的抗自由基能力，同時(shí)，作為添加劑，可明顯提高聚丙烯的氧化誘導(dǎo)溫度和氧化誘導(dǎo)時(shí)間，老化試驗(yàn)也表明4-乙基苯酚低聚物的加入使聚丙烯的抗熱氧性能得到了提升. 由于酶催化聚合反應(yīng)條件溫和、效率高，可在較短時(shí)間內(nèi)完成，因此，酚化合物的酶催化聚合在新型抗氧劑的合成方面具有潛在的應(yīng)用前景.

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[責(zé)任編輯：張普玉]

Enzymatic synthesis of 4-ethylphenol oligomer and investigation of its antioxidant performance

CHAI Chunxiao, JIANG Fan, ZHENG Ke, ZHANG Yudong, DING Tao, CUI Yuanchen, ZHANG Lei*

(CollegeofChemistryandChemicalEngineering,HenanUniversity,Kaifeng475004,Henan,China)

4-Ethylphenol oligomer was synthesized by enzymatic polymerization and was characterized by IR, GPC and TGA analysises. Data from free radical scavenging activity tests suggest that 4-ethylphenol oligomer can efficiently quench 1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl (DPPH) and 2, 2-azino-di-(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid) diammonium salt (ABTS) cation free radical due to its good H-atom donor capacity. Thermal-oxidative resistance of PP is improved remarkably after blending with 4-ethylphenol oligomer. In contrast with virgin PP, oxidation induction temperature of PP stabilized with 4-ethylphenol oligomer (0.5%) increases to 41 ℃ and oxidation induction time increases to 11.5 min. The antioxidant capacity of 4-ethylphenol oligomer are not only higher than 4-ethylphenol monomer, but also higher than two other widely used commercial antioxidants, 2,6-di-tert-butyl-4-methylphenol (BHT) and butylated hydroxyanisol (BHA). Chemical composition of PP stabilized with 4-ethylphenol oligomer was almost unchanged after thermal aging at 120 ℃ in air atmosphere for 72 h. As a result, enzymatic polymerization of phenolic compound shows potential application prospect for synthesizing new phenolic antioxidant.

4-ethylphenol; enzymatic catalysis; antioxidant; polypropylene

2017-01-17.

河南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(152300410059)．

柴春曉(1993-)，女，碩士生，研究方向?yàn)楣δ芨叻肿又苽浼皯?yīng)用．

，E-mail:zhangl@henu.edu.cn.

O63

A

1008-1011(2017)04-0487-06