（高分子化学与物理专业论文）脂肪酶n435催化合成pbs.pdf

z 露 譬 拿 v e n z y m en 4 3 5l i p a s e c a t a l y z e d s y n t h e s i s0 fp b s at h e s i ss u b m i t t e dt o s h a a n x iu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y l i i ll l ii l lll li lll lil ll 17 9 9 0 91 i 1 1p a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n tf o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro fs c i e n c e t h e s i ss u p e p r o f zhan91l l e s l se r v l s o r ：e r o tm i n 一旦迢曼n m a y , 2 0 1 0 i奠枣堪逼_确ii 脂肪酶n 4 3 5 催化合成p b s 摘要 脂肪族聚酯是一种重要的可进行多种形式生物降解的高聚物。传统的脂 肪族聚酯生产采用的高温金属催化剂法存在高耗能、有金属残留等缺点。酶 催化法是一种新型的环境友好绿色化学技术，这种方法可以在温和条件下高 效地合成脂肪族聚酯，有着传统聚合方法难以比拟的优势，成为代替金属催 化法的有效途径。酶尤其是脂肪酶的应用，为聚酯合成技术开辟了一条新的 合成途径。 聚丁二酸丁二醇酯( p o l yb u t y l e n e ss u c c i n a t e ，p b s ) 具有良好的生物降解 性，可以有效缓解传统塑料废弃后带来的环境负荷，是一类具有广阔应用前 景的可生物降解材料。本文提出了一种基于酶催化反应的设计方法来合成 p b s ，可以在温和条件下有效地合成脂肪族聚酯p b s 。实验设计了脂肪酶 n 4 3 5 催化合成p b s 的多级催化法。采用脂肪酶n 4 3 5 对丁二酸二乙酯与1 ，4 一 丁二醇在无溶剂和选定的高沸点、低沸点的有机溶剂中均具有良好的催化效 果。 ( 1 ) 在无溶剂微水体系中采用多级催化法成功地用脂肪酶n 4 3 5 催化 合成了重均相对分子量( m o l e c u l a rw e i g h t ，m w ) 达2 5 5 6 的p b s 。同时，采用 两步升温合成法合成出了m w 、m w m n 分别为3 2 6 8 、1 3 9 的p b s 产物。研 究结果表明，8 0 。c 是所选温度中脂肪酶n 4 3 5 催化丁二酸二乙酯和1 ，4 丁二 醇聚合的最佳温度，而在7 0 时可以得到最佳的分子量分布( m w m n ) 值。 m w 随催化温度升高先增大后减小，随时问的增长而增大，到1 8 h 后m w 趋 于平稳。m w m n 基本呈现随反应温度增加而增大的趋势，随反应时间的延 长而变小。在反应体系中水含量主要影响m w ，酶浓度对m w m n 的影响相 对较为显著。 ( 2 ) 在二苯醚微水反应体系中，脂肪酶n 4 3 5 在8 0 时对丁二酸二乙 酯和丁二醇的反应具有最好的催化活性。m w 随着反应时间的增加而先增加 后减小；当反应时间达到4 8 h 时，m w 随反应时间的变化趋于平稳；6 0 h 后 。m w 开始减小，并在二苯醚微水体系的反应过程中伴有降解反应发生。正交 实验结果表明，8 0 下在二苯醚微水体系中脂肪酶n 4 3 5 催化合成p b s ，水 含量、酶浓度是影响m w 大小的主要因素；反应物浓度是影响m w m n 的主 l 要因素；酶浓度是影响产率的主要因素。m w 随水含量的增加先增大后减小， 随酶浓度的增大而增大。m w m n 随反应物浓度先增大后减小，产率随酶浓 度增大而增大。 ( 3 ) 脂肪酶n 4 3 5 在低沸点溶剂乙腈、甲苯、正己烷、四氢呋喃的微 水体系中，采用溶剂蒸出的多级催化法能够成功地合成出p b s 。其中，在低 沸点溶剂中甲苯和乙腈是脂肪酶n 4 3 5 催化获得高m w 和低m w m n 值p b s 产物的优良溶剂。在正己烷、四氢呋喃的微水体系中脂肪酶n 4 3 5 催化丁二 酸二乙酯和1 ，4 一丁二醇反应较困难。在低沸点溶剂的微水体系中，温度、时 间、水含量和酶浓度对m w 影响较大，m w 随温度、水含量增大先增大后减 小，随酶浓度、时间增大而增大。温度、反应时间、反应物浓度是影响m w m n 值的主要因素。产率随酶浓度的增大而增大。 ( 4 ) 在无溶剂和二苯醚的微水体系中，主要研究了对脂肪酶n 4 3 5 催 化其他脂肪族二酯和二醇的反应。分别合成出了聚丁二酸丙二醇酯、聚丁二 酸己二醇酯、聚己二酸乙二醇酯。其中，在二苯醚的微水体系中，合成出的 聚丁二酸丙二醇酯、聚丁二酸己二醇酯、聚己二酸乙二醇酯m w ( m w m n ) 分别为3 2 8 7 ( 1 5 8 ) 、1 6 8 0 7 ( 1 4 2 ) 、2 4 8 1 6 ( 1 0 9 ) 研究结果表明长链的 二醇和长链的二酯均比短链的二醇和二酯容易被脂肪酶催化反应合成得到 相应的聚酯。 ( 5 ) 在无溶剂和二苯醚的微水体系中，采用脂肪酶n 4 3 5 催化1 ，4 丁二 醇、丁二酸二乙酯与甘油共聚可获得m w 为1 8 8 9 6 ，m w m n 为1 3 7 的p b s 共聚物。研究结果表明，p b s 共聚物随甘油摩尔比的增加，m w 先增加后减 小，m w m n 先减小后增大，而产率随甘油摩尔比的增加而减小。 ( 6 ) 通过对无溶剂和各有机溶剂微水体系下对脂肪酶n 4 3 5 催化丁二 酸和1 ，4 丁二醇聚合反应的研究，结果表明二苯醚是脂肪酶n 4 3 5 催化聚合 丁二酸和l ，4 一丁二醇获得高m w 和低m w m n 值p b s 产物的优良溶剂。 关键词：脂肪族聚酯p b s ，酶催化反应，微水体系，脂肪酶n 4 3 5 ，多级催 化法，两步升温法 e n z y m en 4 35l i p a s e c a t a l y z e d s y n t h e s i so fp b s a b s t r a c t a c y c l i cp o l y e s t e r i sa n i m p o r t a n tb i o d e g r a d a b l ep o l y m e r , w h i c h i s t r a d i t i o n a l l ym a n u f a c t u r e db ym e t a l c a t a l y z e dm e t h o d b u tm e t a l l i cc a t a l y z e ra t h i g ht e m p e r a t u r ee x h i b i t ss o m ed i s a d v a n t a g e si nm a n u f a c t u r es u c ha sh i g h e n e r g yc o n s u m p t i o na n dm e t a lr e s i d u e a sas u b s t i t u t ef o rm e t a l l i cc a t a l y z e r ， e n z y m e c a t a l y z e dm e t h o di san e wk i n do fe n v i r o n m e n t f r i e n d l yg r e e nc h e m i c a l t e c h n o l o g yw h i c hc a nb eu s e dt os y n t h e s i z ep o l y e s t e ru n d e rm i l dc o n d i t i o n s e f f e c t i v e l ya n dr e l i a b l y m o r e o v e r , t h ea p p l i c a t i o n so fs p e c i a le n z y m e ，b r e a k sa n e ww a yf o rt h ed e v e l o p m e n to f p o l y r e s t e rs y n t h e s i z e dt e c h n o l o g y p o l yb u t y l e n e ss u c c i n a t e ( p b s ) s h o w se x c e l l e n tp r o s p e c t so fa p p l i c a t i o nf o r i t sg o o db i o d e g r a d a b i l i t ys oa st oe f f e c t i v e l yl i g h t e nt h ee n v i r o n m e n t a lb u r d e n s p r o d u c e db yt r a d i t i o n a lw a s t ep l a s t i c s i nt h i sp a p e r , an o v e ls y n t h e s i z e dp b s m e t h o db a s e do ne n z y m e - c a t a l y z e dr e a c t i o ni s p r o p o s e d i tc a ns y n t h e s i z e p o l y e s t e ru n d e rm i l dc o n d i t i o n se f f e c t i v e l ya n ds o l v et h el i m i t a t i o no ft r a d i t i o n a l s y n t h e s i z e dm e t h o d s c i r c u l a t o r yv a c u u mm e t h o di sf i r s t l yd e s i g n e dt oc a t a l y z e t h ep b sw i t hl i p a s en 4 3 5 u n d e rs o l v e n t - f r e ec o n d i t i o n sa n dh i g h l o wb o i l i n g o r g a n i cs o l v e n t s ，l i p a s en 4 3 5h a sg o o dc a t a l y z e dp e r f o r m a n c e sw h e n c a t a l y z i n g s u c c i n i ca c i dd i e t h y le s t e ra n d1 , g b u t a n e d i 0 1 ( 1 ) u n d e rt h e s o l v e n t - f r e ec o n d i t i o no fm i c r o w a t e r s y s t e m ，p b si s c a t a l y z e db yl i p a s en 4 3 5u s i n gc i r c u l a t o r yv a c u u m m e t h o d ，a n dm w o fp b sc a n r e a c h2 5 5 6 a tt h es a m et i m e ，p b sp r o d u c t sc a nb ep o l y m e r i z e du s i n g2 - s t e p h e a t i n gs y n t h e s i z e dm e t h o d t h em w a n dm w m no ft h ep r o d u c t sa r e3 2 6 8a n d 1 3 9r e s p e c t i v e l y i nt h ee x p e r i m e n t s ，n 4 3 5s h o w sb e s tc a t a l y t i ca c t i v i t yi nt h e p r o c e s so fp o l y m e r i z i n gs u c c i n i ca c i da n d1 , 4 一b u t a n e d i o la t8 0 a n da t7 0 ， t h em o l e c u l a rw e i g h td i s t r i b u t i o nw a so p t i m u m m wi n c r e a s e sa t f i r s t ，t h e n d e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo ft e m p e r a t u r e ，w h i l ei n c r e a s e sw i t ht i m e m ww i l l b e c o m es t e a d yi n18h o u r s s i m u l t a n e i t y , m w m ni n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo f t e m p e r a t u r e o t h e r w i s e ，i td e c r e a s e sw i mt h ei n c r e a s i n gr e a c t i o nt i m ed e l a y 1 1 1 e w a t e rc o n t e n ta n d e n z y m ec o n c e n t r a t i o ni n f l u e n c em w a n dm w m nr e s p e c t i v e l y ( 2 ) f o rr e a c t i o ns y s t e mo fd i p h e n y le t h e r , l i p a s en 4 3 5h a sb e s tc a t a l y t i c a c t i v i t yi nt h ep o l y m e r i z i n gr e a c t i o no fs u c c i n i ca c i dd i e t h y le s t e ra n db u t a n e d i o l a t8 0 m wi n c r e a s e sa tf i r s t 协e nd e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo ft i m e t h e c h a n g eo fm w t e n d st ob es m o o t h l yw h e nr e a c t e d4 8 h ，w h i l ed e c r e a s e sa f t e r r e a c t e d6 0 h m o r e o v e r , d e g r a d a t i o nw i l lr e a c ti nt h ep r o c e s so fo r g a n i cs o l v e n t s y s t e mr e a c t i o n o r t h o g o n a le x p e r i m e n ts h o w st h a tp b sc a nb es u c c e s s f u l l y s y n t h e s i z e da n dc a t a l y z e db yn 4 3 5a t8 0 i nt h ed i p h e n y le t h e r n ew a t e r c o n t e n ta n de n z y m ec o n c e n t r a t i o na r et h em a i ni n f l u e n c i n gf a c t o r st o t h e r e a c t a n tc o n c e n t r a t i o nc a na f f e c tt h em o l e c u l a rw e i g h td i s t r i b u t i o na n dt h e e n z y m ec o n c e n t r a t i o nw a st h em a i nf a c t o rt oy i e l d m wi n c r e a s e sa tf i r s t ，t h e n d e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo fw a t e rc o n t e n t ，w h i l ec h a n g e ss i m i l a r l yw i t ht h e e n z y m ec o n c e n t r a t i o n r e l a t i o nb e t w e e np o l y d i s p e r s i t yi n d e xa n dr e a c t a n t c o n c e n t r a t i o nh a ss i m i l a rb e h a v i o rt ot h ec h a n g e so fm o l e c u l a rw e i g h tw i t hw a t e r c o n t e n t m i l et h ey i e l dc h a n g e sw i t ht h ev a r i e t yo fe n z y m ec o n c e n t r a t i o n ( 3 ) p b sc a nb es u c c e s s f u l l ys y n t h e s i z e dw i t hl i p a s en 4 3 5u s i n gc i r c u l a t o r y v a c u u mm e t h o di nt h el o w b o i l i n gp o i n t s o l v e n t ss u c ha sn h e x a n e t e t r a h y d r o f u r a n ，t o l u o la n da c e t o n i t r i l e f o r1 i p a s en 4 3 5 t o l u o la n da c e t o n i t r i l e a r ee x c e l l e n ts o l v e n t st og e tp r o d u c t sw i t hh i g h e rm wa n dl o w e rm w m n i ti s d i 衔c u l tf o rl i p a s en 4 35t oc a t a l y z es u c c i n i ca c i de s t e ra n d1 , 4 一b u t a n e d i o l i nt h e n - h e x a n ea n dt e t r a h y d r o f u r a n t h ei n c r e a s eo fc h a i nd e c r e a s e sw h e nr e a c ti n4 8 h u s i n gn 4 3 5p o l y m e r i z e sp bsc a na l s og e tl o w e rm w m n m wi ss e n s i t i v et o t e m p e r a t u r e ，t i m e ，w a t e rc o n t e n ta n de n z y m ec o n c e n t r a t i o ni nt h em i c r o w a t e r s y s t e mw i t hl o wb o i l i n gp o i n ts t u d e n t i ti n c r e a s e sa tf i r s t t h e nd e c r e a s e sw i t l l t h ei n c r e a s eo ft e m p e r a t u r ea n dw a t e rc o n t e n t s i m u l t a n e i t y , i tc h a n g e ss i m i l a r l y w i t ht h ee n z y m ec o n c e n t r a t i o na n dt i m e t h et e m p e r a t u r e ，r e a c t i o nt i m ea n d r e a c t a n tc o n c e n t r a t i o na r et h em a i ni n f l u e n c i n gf a c t o r st om w m n t h ey i e l d i n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo fe n z y m ec o n c e n t r a t i o n ( 4 ) u n d e rt h es o l v e n t - f r e ec o n d i t i o na n dd i p h e n y le t h e rs y s t e m ，t h i sp a p e r s t u d i e sr e a c t i o n so fo t h e rk i n do fa l i p h a t i cd i a c i da n dd i e s t e rw h i c hc a t a l y z e db y l i p a s en 4 35 p l o ys u c c i n i ca c i dt r i m e t h y l e n eg l y c o le s t e r , p l o ys u c c i n i ca c i d h e x a n e d i o la n dp o l y e t h y l e n ea d i p a t ea r ep o l y m e r i z e d f u r t h e r m o r e ，i nd i p h e n y l e t h e rs y s t e m ，m w ( m w m n ) o ft h ep l o ys u c c i n i ca c i dt r i m e t h y l e n eg l y c o le s t e r , p l o ys u c c i n i c a c i dh e x a n e d i o la n d p o l y e t h y l e n ea d i p a t e a r e 3 2 8 7 ( 1 5 8 ) ， i v 16 8 0 7 ( 1 4 2 ) a n d2 4 816 ( 1 0 9 ) r e s p e c t i v e l y e x p e r i m e n t ss h o wt h a tl o n gc h a i n a l i p h a t i cd i a c i da n dd i e s t e ra r eb o t hc a t a l y z e dm o r ee a s i l yb yl i p a s et h a ns h o r t c h a i n a l i p h a t i cd i a c i da n dd i e s t e r ( 5 ) u n d e r t h es o l v e n t - f r e ec o n d i t i o na n d d i p h e n y l e t h e r s y s t e m ， p o l y m e r i z i n g1 , 4b u t a n e d i o l ，s u c c i n i ca c i d e s t e ra n dg l y c e r o lw h i c hc a t a l y z e db y 1 i p a s en 4 3 5c a np r o d u c ep b sp o l y m e rs u c c e s s f u l l y m wa n dm w m no ft h ep b s p o l y m e ra r e18 8 9 6a n d1 3 7r e s p e c t i v e l y e x p e r i m e n t ss h o wt h a tm w o fp b s p o l y m e ri n c r e a s e sa tf i r s t ，t h e nd e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo fg l y c e r o lm o l a r r a t i o c o m p a r e dw i t hm wt h ec h a n g eo fm w m ni sq u i t ec o n t r a r y m e a n w h i l e ， t h ey i e l dd e c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo f9 1 ) 7 c e r o lm o l a rr a t i o ( 6 ) t h i sp a p e rs t u d i e st h ep o l y m e r i z a t i o nr e a c t i o no f s u c c i n i ca c i de s t e ra n d 1 4b u t a n e d i o lw h i c hc a t a l y z e db yt h el i p a s en 4 35u n d e rt h ec o n d i t i o no f s o l v e n t f r e ea n da l lk i n d so fo r g a n i cs o l v e n ts y s t e m e x p e r i m e n t ss h o wt h a t d i p h e n y le t h e ri sa ne x c e l l e n ts o l v e n tw h i c h c a ng e tp b sp r o d u c t sw i t hh i g hm w a n d l o wm w m nc a t a l y z e db yn 4 35 k e yw o r d s ：a l i p h a t i cp o l y e s t e r s p b s ，e n z y m e c a t a l y z e dr e a c t i o n ， m i c r o w a t e rs y s t e m ，v a c u u mc y c l em e t h o d ，t w o s t e ph e a t i n gm e t h o d ，l i p a s e n 4 3 5 v 目录 摘要i a b s t ra c t i 1 前言1 1 1 研究背景1 1 2 酶催化合成脂肪族聚酯的反应类型2 1 2 1 酶催化缩聚反应3 1 2 2 酶催化酯交换反应3 1 2 3 脂肪酶催化内酯的开环聚合4 1 2 4 脂肪酶催化的共聚5 1 3 反应参数对酶催化合成聚酯的影响一5 1 3 1 水的影响5 1 3 2 酶浓度的影响一6 1 3 3 底物浓度的影响。6 1 3 4 溶剂的影响6 1 3 5 反应温度的影响。7 1 - 3 6p h 的影响7 1 3 7 引发剂的影响。8 1 3 8 其他影响因素8 1 4 脂肪酶催化合成脂肪族聚酯的作用机理8 1 4 1 脂肪酶催化反应的一般作用机理8 1 4 2 脂肪酶催化环状内酯开环聚合的机理9 1 4 3 脂肪酶催化二羧酸酯与二醇合成脂肪族聚酯的机理9 1 5 脂肪酶催化合成聚酯的应用一1 0 1 5 1 脂肪酶催化合成聚酯在化学循环中的作用1 0 1 5 2 其他应用1 1 1 6 本课题的意义和主要工作一1 1 2 材料与方法1 3 2 1 实验材料与仪器设备1 3 2 1 1 实验材料一1 3 2 1 2 主要仪器设备l3 2 2 实验方法13 2 2 1 脂肪酶的前处理1 3 2 2 2 脂肪酶催化合成的一般步骤一1 4 2 2 3 脂肪酶催化合成p b s 的多级催化法1 4 2 2 4p b s 的纯化1 4 2 2 5 正交实验的应用1 4 2 3 分析与表征一1 5 2 3 1f t - _ m 恹的应用1 5 2 3 2f t - i r 的应用l5 2 3 3g p c 的应用1 5 3 脂肪酶n 4 3 5 合成p b s 多级催化法的设计1 6 3 1 单体和合成因素的选择1 6 3 2 无溶剂下合成方法的设计1 6 3 2 1 脂肪酶n 4 3 5 催化丁二酸和1 ，4 丁二醇反应1 6 3 2 2 脂肪酶n 4 3 5 催化丁二酸二乙酯和1 ，4 丁二醇反应1 7 3 3 高沸点有机溶剂中酶催化合成p b s 合成的设计1 8 3 3 1 脂肪酶n 4 3 5 催化丁二酸和1 ，4 丁二醇反应1 8 3 3 2 脂肪酶n 4 3 5 催化丁二酸二乙酯和1 ，4 一丁二醇反应1 9 3 4 低沸点有机溶剂中酶催化合成p b s 合成方法的设计2 0 3 5 产物的分析表征。2 0 3 6 小结2 1 4 无溶剂状态下脂肪酶n 4 3 5 催化合成p b s 2 3 4 1 温度对酶促丁二酸二乙酯和l ，4 - 丁二醇聚合的影响2 3 4 2 时间对酶催化丁二酸二乙酯和l ，4 一丁二醇聚合的影响2 4 4 - 3 水含量、酶浓度对酶催化丁二酸二乙酯和1 ，4 一丁二醇聚合的影响2 6 4 3 1 正交实验一2 6 4 3 1 水含量、酶浓度对m w 的影响2 6 4 3 2 水含量、酶浓度对m w m n 的影响2 7 4 3 2 最佳实验方案确定及验证实验2 9 4 4 无溶剂条件下，脂肪酶催化合成p b s 的两步法一2 9 4 5 小结3 0 5 高沸点有机溶剂中脂肪酶n 4 3 5 催化合成p b s 3 2 5 1 酶n 4 3 5 在二苯醚中催化丁二酸二乙酯和1 ，4 一丁二醇反应。3 2 5 1 1 正交实验3 2 5 1 2 水含量、酶浓度、反应物浓度对m w 的影响3 3 u 5 1 2 水含量、酶浓度、反应物浓度对m w 的影响3 3 5 1 3 水含量、酶浓度、反应物浓度对m w m n 的影响3 4 5 1 4 水含量、酶浓度、反应物浓度对产率的影响3 5 5 1 5 最佳方案确定及验证3 6 5 1 6 二苯醚中合成p b s 时，反应时间对产物的影响3 6 5 1 7 二苯醚中合成p b s 时，反应温度对产物的影响3 9 5 1 8 二苯醚中合成p b s 时，水的p h 对产物的影响3 9 5 2 脂肪酶n 4 3 5 在其他高沸点溶剂中催化丁二酸二乙酯和l ，4 一丁二醇反应4 0 5 3 小结4 l 6 低沸点有机溶剂中脂肪酶n 4 3 5 催化合成p b s 。4 2 6 1 脂肪酶n 4 3 5 在低沸点溶剂下催化丁二酸二乙酯和1 ，4 丁二醇反应的多级催化法 4 2 6 2 温度对酶n 4 3 5 催化合成p b s 的影响。4 3 6 3 乙腈中反应时间对酶n 4 3 5 催化合成p b s 的影响4 4 6 4 乙腈中水含量酶n 4 3 5 催化合成p b s 时的影响4 5 6 5 乙腈中酶浓度对脂肪酶n 4 3 5 催化合成p b s 的影响一4 6 6 6 乙腈中反应物浓度对脂肪酶n 4 3 5 催化合成p b s 的影响4 7 6 7d 、结4 8 7 脂肪酶n 4 3 5 催化合成其他脂肪族聚酯4 9 7 1 脂肪酶n 4 3 5 催化丁二酸二乙酯与其他二醇反应4 9 7 1 1 无溶剂条件下脂肪酶催化丁二酸二乙酯与其他二醇反应4 9 7 1 2 二苯醚中脂肪酶催化丁二酸二乙酯与其他二醇反应5 0 7 2 脂肪酶n 4 3 5 催化1 ，4 丁二醇与其他二酯反应51 7 2 1 无溶剂条件下脂肪酶催化1 , 4 丁二醇与其他二酯反应5 l 7 2 2 二苯醚中脂肪酶催化1 ，4 丁二醇与其他二酯反应5 2 7 3 脂肪酶n 4 3 5 催化l ，4 丁二醇、丁二酸二乙酯与甘油共聚5 3 7 3 1 无溶剂条件下脂肪酶催化1 ，4 丁二醇、丁二酸二乙酯与甘油共聚5 3 7 3 2 二苯醚中脂肪酶脂肪酶催化1 ，4 丁二醇、丁二酸二乙酯与甘油共聚5 4 7 4 小结。5 5 8 结论5 7 参考文献一6 0 j 目【谢6 7 攻读硕士学位期间发表的学术论文目录6 8 i 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明6 9 i v 脂肪酶n 4 3 5 催化合成p b s 1 前言 1 1 研究背景 近年来“绿色化学 1 1 1 这个新研究领域被认为是新世纪持续发展的重要目标。化学 的“绿色化 要求通过选择给料、反应条件、催化剂而具有选择性、节能性、生物和环 境亲和性来研究和发展新的合成方法。酶催化剂法是一种环境友好新型的绿色化学技术， 在温和条件下可以高效地合成聚酯，有着传统聚合方法难以比拟的优势。在节约有限的 碳资源和减少能量消耗的角度来看，低温下高分子材料的酶催化合成无疑是一个很有前 景的方法1 2 l 。 脂肪族聚酯是重要的可多种形式生物降解的高聚物，具有良好的生物相容性和生物 降解性，因为具有好的机械强度和多样的熔点他们适合代替许多通用热塑性塑料。商用 脂肪族聚酯主要通过脂肪族二酸和二醇缩合反应、双酯类二醇的酯交换反应、羟基烃酸 的聚合反应、内酯开环聚合反应等方法生产 3 1 。 脂肪族聚酯的合成，一般采用生物发酵或化学合成的方法。在高的反应温度( 1 9 0 ) 下通过有机金属催化剂合成高m w 的脂肪族聚酯材料商业产品。残余的金属由于金 属和酯的强交互作用很难除去。这些金属可以导致对环境和材料处理不理想的效果，这 就限制了高分子材料的应用范围例如电子学。此外，高温反应合成和有机金属催化可能 导致单体和聚合物发生分解反应并且因此脱色和降低产物m w 4 i 。因此新的低温聚合方法 的研究与应用迫在眉睫。 近来，脂肪酶催化合成聚酯的方法，开始成为各国科学家研究的重要课题。脂肪酶 催化聚合具有突出的优点 6 1 1 ：脂肪酶催化反应一般是在常温常压条件下进行、反应条件 温和、节约能源、酶促反应的特异性高、副产物少、产品品质高等，而且有机相体系中 反应的热力学平衡取向与酯合成方向一致 s l 、反应转化率高、酶不溶于有机相体系中而 有利于脂肪酶的回收再利用1 6 1 。 脂肪酶是一类特殊酯键水解酶，来源不同的脂肪酶，其分子结构，特别是活性中心 结构不同；而分子结构是脂肪酶催化剂研究的基础，脂肪酶基本酶学性质也因分子结构 差异而不同。微生物脂肪酶随来源的不同其氨基酸组成不同，相对分子量大多数在2 0 ，0 0 0 - - - 6 0 ，0 0 0 之间。尽管脂肪酶由不同氨基酸组成，但由于生物同源性和进化过程保守性， 其活性中心具有相同或相似的结构 7 1 。多数脂肪酶活性中心是由丝氨酸、天冬氨酸、组 氨酸组成三联体。构成脂肪酶活性中心的三元组之间，丝氨酸通过氢键与组氨酸相连嘲。 天冬氨酸或谷氨酸也通过羟基形成氢键与组氨酸相连。在反应过程中，三者通过与底物 形成四面体中间复合物完成催化过程【9 】。 陕西科技人学硕+ 学位论文 脂肪酶是通过油水界面催化的。多数脂肪酶是糖蛋白，其糖基部分约占相对分子量 2 - - 1 5 ，以甘露糖为主，整个分子由亲水部分和疏水部分组成，活性中心靠近分子疏 水端1 1 0 。在水体系中，大多数脂肪酶活性很低或没有活性。当酶接触油水界面时，q 螺 旋盖子折叠起来，酶的活性中心暴露出来，酶就处于激活状态了【1 1 1 。 聚丁二酸丁二醇酯( p b s ) 自上个世纪三十年代被c a r o t h e r s 等人合成以来，现在已 被广泛的研究和开发。其物理机械性能可采用共聚法改性，乙烯与其他单体共聚制成的 生物降解高分子材料，具有良好的生物降解性和优良的力学性能，是一种有潜力的降解 性高分子材料【2 1 。大多脂肪族聚酯的熔点较低，不能单独作为塑料使用，而脂肪族聚酯 中的p b s 却具有良好的生物降解性和机械加工性。p b s 还是一种典型的半晶质的热塑性 塑料，比起低密度的聚乙烯，它拥有良好的弹性、强度和加工性能。因此它的共聚物和 共混物正越来越多地被开发研究。 在9 0 及其以下的脂肪酶催化缩合反应已经被大量研究。先前对脂肪酶催化的研究 主要集中在二醇和活性双酯间的反应上，例如2 ，2 ，2 三氯乙烷和乙烯酯类。例如拉塞尔1 1 3 认为通过使用