（化学工程专业论文）酶催化内酯聚合及表征.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t i i i nt h i s p a p e rp p lw e r es e l e c t e d a s c a t a l y s ta f t e rt h es i e v eo fe n z y m e sa n d d i f f e r e n tk i n d so fb i o d e g r a d a b l ep o l y l a c t o n e sw e r es u c c e s s f u l l ys y n t h e s i z e dw i t l li t t h em e c h a n i s mo f e n z y m e c a t a l y z e dp o l y m e r i z a t i o n w a s i n v e s t i g a t e d a n dt h e r e a c t i o nc o n d i t i o n sw e r eo p t i m i z e d t h ec o p o l y m e r i z a t i o no f c a p r o l a c t o n ew i t ho t h e r m o n o m e r sw a sa l s os t u d i e d i nt h es t u d yo f p o l y m e r i z a t i o no fc a p r o l a c t o n e ，e f f e c t so fp o l y m e r i z a t i o nt i m e ， t e m p e r a t u r e ，s o l v e n ta n d a m o u n t so f e n z y m e s w e r e i n v e s t i g a t e d t h er e s u l t si n d i c a t e d t h a tu n d e rg i v e np o l y m e r i z a t i o nt e m p e r a t u r ea n da m o u n t so f e n z y m e s ，t h em o l e c u l a r w e i g h to fp o l y c a p r o l a c t o n ew o u l de n h a n c ew i t l li n c r e a s i n gp o l y m e r i z a t i o nt i m ea n d f i n a l l yr e a c h e daf i x e dv a l u e h o w e v e r , t h em o l e c u l a rw e i g h to fp o l y c a p r o l a c t o n e m i g h td e c r e a s es l i g h t l y i fp o l y m e r i z a t i o nt i m ew a st o ol o n g t h ec o n v e r s i o no f c a p r o l a c t o n ew a si n c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n gp o l y m e r i z a t i o nt i m ea n di n t e r e s t i n g l y , t h e r es e e mt ob ea n a c c e l e r a t i n gp e r i o d o f p o l y m e r i z a t i o n u n d e rg i v e n p o l y m e r i z a t i o n t i m ea n da m o u n t so f e n z y m e s ，t h em o l e c u l a rw e i g h ta n dc o n v e r s i o no f p o l y c a p r o l a c t o n e w e r ei n c r e a s e dw i t hh i g h e rp o l y m e r i z a t i o n t e m p e r a t u r e u n d e r g i v e np o l y m e r i z a t i o nt i m ea n dt e m p e r a t u r e ，t h em o r ee n z y m eu s e d ，t h eh i g h e rt h e m o l e c u l a rw e i g h to f p o l y c a p r o l a c t o n ew a s t h es o l v e n tw a s o n ei m p o r t a n tf a c t o ro f p o l y m e r i z a t i o n w h o s ee f f e c t sw e r e c o m p l i c a t e d t h em e c h a n i s mo fe n z y m e c a t a l y z e d p o l y m e r i z a t i o nw a s a l s op u tf o r w a r d i nt h es t u d yo f p o l y m e r i z a t i o no fb u t y r o l a c t o n e ，e f f e c t so fp o l y m e r i z a t i o nt i m e a n da m o u n t so fe n z y m e sw e r ei n v e s t i g a t e d t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tu n d e rg i v e n p o l y m e r i z a t i o nt e m p e r a t u r ea n d a m o u n t so f e n z y m e s ，t h ec o n v e r s i o no f b u t y r o l a c t o n e w a si n c r e a s e dw i t l li n c r e a s i n gp o l y m e r i z a t i o nt i m e u n d e rg i v e np o l y m e r i z a t i o nt i m e a n d t e m p e r a t u r e ，t h e m o r ee n z y m eu s e d ，t h e h i g h e r t h em o l e c u l a rw e i g h to f p o l y b u t y r o l a c t o n e w a s i nt h es t u d yo f c o p o l y m e r i z a t i o no f l a c t o n e s ，t h ep o s s i b i l i t yo fc o p o l y m e r i z a t i o n o fc a p r o l a c t o n ea n do t h e rm o n o m e r sw a se x p l o r e da n ds e v e r a lc o p o l y m e r sw e r e s y n t h e s i z e d e f f e c t s o fp o l y m e r i z a t i o nt i m ea n dc o m p o s i t i o no fm o n o m e r sw e r e i n v e s t i g a t e d t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tu n d e rg i v e np o l y m e r i z a t i o nt e m p e r a t u r ea n d a m o u n t so fe n z y m e s ，t h ec o n v e r s i o n so fc a p r o l a c t o n ea n ds u c c i n i ca n h y d r i d ew e r e 浙江大学硕士学位论文 i l l e n h a n c e dw i t h i n c r e a s i n gp o l y m e r i z a t i o n t i m ea n dt h ec o n v e r s i o no fs u c c i n i c a n h y d r i d ew a sm u c hh i g h e rt h a nt h a to fc a p r o l a c t o n e w i t hm o r es u c c i n i ca n h y d r i d e m o n o m e ru s e d ，t h ec o n t e n to fs u c c i n i ca n h y d r i d eu n i ti nt h ec o p o l y m e ri n c r e a s e d ， w h i c hw a s h i g h e r t h a nt h a to fs u c c i n i ca n h y d r i d ei nm o n o m e r t h ep a p e rp r o v i d e sn e c e s s a r ye x p e r i m e n t a la n dt h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rt h e f u r t h e rs t u d i e so f e n z y m e - c a t a l y z e dl a c t o n er i n g - o p e n i n g p o l y m e r i z a t i o n k e y w o r d s ：c a p r o l a c t o n e ，b u t y r o l a c t o n e ，s u c c i n i ca n h y d r i d e ，m a l i ca n h y d r i d e ， g l y c o l i d e ，p o r c i n ep a n c r e a sl i p a s e ，e n z y m e c a t a l y z e dp o l y m e r i z a t i o n 浙江大学硕士学位论文 1 上 j 一 日l 舌 酶是一种生物催化剂，是由活细胞产生的具有催化功能，活性可调的蛋白质。 酶催化反应就是以酶为催化剂的化学反应。作为一种特殊的催化剂，酶除了具有 一般催化剂的共性外，如反应前后酶本身没有量的变化，只加速反应而不改变反 应平衡外，还具有以下特性：极高的催化效率；高度的专一性；反应条件温和； 酶的活性可调。 基于上述优点，近年来酶催化反应的研究十分活跃，但这些研究侧重于酶促 小分子反应：水解反应，包括羧酸酯、磷酸酯水解、酰胺水解、腈水解反应等； 酰胺的酯化，酯交换反应；氧化还原反应，如n ，b 不饱和羰基化合物的还原反 应、醇的氧化反应；碳一碳键形成反应，如羟醛反应、偶姻反应等。 相对而言，作为一类特殊的酶催化反应，酶催化聚合反应的研究则很少，目 前尚处于起步阶段。酶催化聚合的研究是生物技术与高分子科学的交叉点。酶催 化聚合反应可以在温和的条件下高效专一合成大分子，特别是一些普通方法难以 合成的功能高分子乃至自然界所没有的高分子，且对环境无不良影响，有着其他 合成方法无可比拟的优越性。因此，酶催化聚合反应成为当前研究热点之一。 聚己内酯作为一种重要的生物相容性材料，有着广泛的用途，特别是在医疗、 环保方面的应用。本文结合前人酶催化聚合的研究，采用己内酯作为单体，脂肪 酶p p l 作为催化剂，在无外加引发剂和溶剂条件下成功的合成了聚己内酯。本文 对包括p p l 在内的几种类型的酶进行了筛选，考察了不同酶量、溶剂对聚合物分 子量的影响，己内酯的转化率和聚合物的分子量随聚合时间、聚合温度等的变化 情况。通过这些研究，综合前人的研究结果，提出了无外加引发剂和溶剂条件下 p p l 酶促内酯聚合的机理，并根据试验研究结论和所提出的机理，对酶促内酯聚 合的试验条件进行了优化。 本文还探索了己内酯与其他单体酶催化共聚的可能性，成功的合成了己内酯 与丁二酸酐、己内酯与马来酸酐及己内酯与乙交酯的共聚物。通过己内酯与这些 单体的酶催化共聚，能改善聚己内酯的降解性能，拓宽聚己内酯在医药、环保等 浙江大学硕士学位论文 方面的应用。本文的研究为进一步深入研究酶催化内酯类开环聚合掇供了必黉的 实骏帮理论旗础； 浙江大学硕士学位论文 二、文献综述 2 1 酶催化反应研究概况 酶是一种生物催化剂，是由活细胞产生的具有催化功能、活性可调的蛋白质。 酶催化反应就是以酶为催化剂的化学反应。作为一种特殊的催化剂，酶除了具有 一般催化剂的共性外，如反应前后酶本身没有量的变化，只加速反应而不改变反 应平衡外，还具有以下特性：( 1 ) 有极高的催化效率；( 2 ) 有高度的专一性；( 3 ) 反应条件温和：( 4 ) 酶的活性可调。 基于上述优点，近年来酶催化反应的研究十分活跃，但这些研究侧重于酶促 小分子反应：( 1 ) 水解反应。包括羧酸酯、磷酸酯水解，酰胺水解，腈水解反应 等；( 2 ) 酰胺的酯化，酯交换反应：( 3 ) 氧化还原反应。如ab 不饱和羰基化合 物的还原反应，醇的氧化反应；( 4 ) 碳碳键形成反应。如羟醛反应，偶姻反应等。 以上这些方面的研究报道占到了酶催化反应研究报道总量的9 5 以上。相对而 言，作为一类特殊的酶催化反应，酶催化聚合反应的研究则很少，目前尚处于起 步阶段。然而，酶催化聚合反应可以在温和的条件下高效专一的合成大分子，特 别是一些普通方法难以合成的功能高分子乃至自然界所没有的高分子且对环境 无不良影响，有着其它合成方法无可比拟的优越性。因此，酶催化聚合反应是一 个极具意义的研究课题，它必将对未来工业聚合方式产生深远影响。以下本文就 对近年来酶催化聚合反应的研究发展作一较为详细的综述。 综合前人报道，酶催化聚合研究主要集中在以下两个方面：缩聚反应和开环 聚合。 2 2 缩聚反应 2 2 1 多糖的合成 1 9 9 1 年，k o b a y a s h i 等首次报道了纤维素合成的一种全新方法口1 。反应以1 3 浙江大学硕士学位论文 二、文献综述 2 1 酶催化反应研究概况 酶是一种生物催化剂，是由活细胞产生的具有催化功能、活性可调的蛋白质。 酶催化反应就是以酶为催化剂的化学反应。作为一种特殊的催化剂，酶除了具有 一般催化剂的共性外，如反应前后酶本身没有量的变化，只加速反应而不改变反 应平衡外，还具有以下特性：( 1 ) 有极高的催化效率；( 2 ) 有高度的专一性；( 3 ) 反应条件温和：( 4 ) 酶的活性可调。 基于上述优点，近年来酶催化反应的研究十分活跃，但这些研究侧重于酶促 小分子反应：( 1 ) 水解反应。包括羧酸酯、磷酸酯水解，酰胺水解，腈水解反应 等；( 2 ) 酰胺的酯化，酯交换反应：( 3 ) 氧化还原反应。如ab 不饱和羰基化合 物的还原反应，醇的氧化反应；( 4 ) 碳碳键形成反应。如羟醛反应，偶姻反应等。 以上这些方面的研究报道占到了酶催化反应研究报道总量的9 5 以上。相对而 言，作为一类特殊的酶催化反应，酶催化聚合反应的研究则很少，目前尚处于起 步阶段。然而，酶催化聚合反应可以在温和的条件下高效专一的合成大分子，特 别是一些普通方法难以合成的功能高分子乃至自然界所没有的高分子且对环境 无不良影响，有着其它合成方法无可比拟的优越性。因此，酶催化聚合反应是一 个极具意义的研究课题，它必将对未来工业聚合方式产生深远影响。以下本文就 对近年来酶催化聚合反应的研究发展作一较为详细的综述。 综合前人报道，酶催化聚合研究主要集中在以下两个方面：缩聚反应和开环 聚合。 2 2 缩聚反应 2 2 1 多糖的合成 1 9 9 1 年，k o b a y a s h i 等首次报道了纤维素合成的一种全新方法口1 。反应以1 3 浙江大学硕士学位论文 4 纤维素二糖氟化物为糖基给体，利用纤维素酶的转糖苷作用合成纤维素。在盛有 乙腈一乙酸缓冲溶液( p h = 5 ，5 ：1 ) 试管中，b 一纤维素二糖氟化物在纤维素酶的 作用下发生缩聚反应( 图2 1 ) 。运用”cn m r 和i r 光谱与天然纤维素比较，证 明产物不溶于水的部分为纤维素。人造纤维素可以转化为相应的三乙酸酯，数均 分子量大于6 3 x1 0 3 。 c h 2 0 h 毒露一“ 图2 ib 一纤维素二糖氟化物绢聚 f i g21p o i y c o n d e n s a t i o no fb - c e l l o b i o s y l f l u o r i d e 以n 一淀粉酶为催化剂，在甲醇一磷酸缓冲溶液( p h = 7 ) 中，a d 麦芽糖氟化 物发生缩聚反应生成麦芽糖低聚物【3 1 。聚合过程中区域选择性和立构选择性形成 1 , 4 a 配糖键。然而，其它底物如d 麦芽糖，1 3 - d - 麦芽糖氟化物和- d - 葡糖基 氟化物都未得到缩聚产品。 以1 3 一木二糖氟化物为底物单体，木聚糖酶为催化剂，通过转糖苷作用首次合 成了人造木聚糖 4 1 。底物单体平稳的聚合生成相应的缩聚产物，运用c p m a s 固 体1 3 cn m r 谱，比较天然木聚糖结构及木聚糖酶对其的作用，表明氟化物单体聚 合区域选择性、立构选择性的在木二糖单元间进行，生成1 , 4 一b 键立构规整的人 造木聚糖( 图2 2 ) ，分子量大于6 7 1 0 3 。 瓯唰彳嘲o h o h 图2 28 - 木二糖氟化物绢聚 f i g2 2p o l y c o n d e n s a t i o no fb - x y l o b i o s y lf l u o r i d e 1 9 9 9 年，h i c k e 等f 5 1 报道了以蔗糖为底物，通过酶膜反应器合成多糖的方法。 他们采用偶合有果糖转移酶的聚( 2 - 氨基乙基甲基异丁烯酸酯) 膜将蔗糖转化为 ( 1 2 ) 一1 3 一果聚糖，菊粉( 图2 3 ) 。产物具有较大的分子量而分子量分布较窄。 催化反应涉及蔗糖断键为葡萄糖和果糖，果糖再通过卜2 1 3 一键偶联生成菊粉。 浙江大学硕士学位论文 魁2 3 菊粉的酶催化台成 f i g 2 + 3t h e s y n t h e s i so f i n u l i nw i t hs t r e p t o c o c c u sm t , t a p s 此外，利用酶催化反应还能够合成一蝗非天然的多糖。如6 一o 一甲基1 3 一纤维 索二糖氟化物能被区域选择性、立构选择性的襁化生成6 一。一甲基化纤维素衍生 物( 图2 4 ) 6 1 。 圜2 4 6 - 0 ，甲基1 3 - 纤维素二糖氟化物缩聚 f i g 2 4p o l y c o n d e n s a t i o no f 6 一o wm e t h y l 日* c e l l o b i o s y lf l u o r i d e 通过本聚糖酶，1 3 啦哺木糖- p i t 嚏麓萄糖氟化物发生缩聚反应生成纤维素一 术聚糖杂聚物，熟聚合成可达2 4 ( 图2 5 ) 。通过1 3 c - n m r 和m a l d i t o f 质谱 分摄证明，聚合躲蘸莺耱单元帮本糖单元交鸷出现，敷( 1 4 ) 键楣联”。 型! ! 堡 鹫2 , 5b 毗喃术糖一毗螭帮萄糖氟化物发生缩聚 f i g 2 5p o l y c o n d e n s a t i o no f 1 3 p y r a t ”x y l o s y l w p y r a n g l u c o s y lf l u o r i d e 啦 浙江大学硕士学位论文 2 2 2 聚苯胺及其衍生物的合成 聚苯胺及其衍生物是一类重要的导电材料，由于拥有极佳的热稳定性和极具 开发潜力的电子特性，其合成、应用研究受到了广泛关注。普通化学聚合方法由 于用到甲醛等物质，因此毒性大，有害环境。而酶催化聚合恰恰克服了这些缺点。 聚苯胺及其衍生物的酶催化聚合通常以辣根过氧化氢酶( h r p ) 为催化剂。 在h 2 0 2 存在下，辣根过氧化氢酶能催化氧化一系列芳胺和酚。一般的，催化机 理可以简述为【8 】： h r p + h 2 0 2 一h r p i h r p i + r h r + + h r p i i h r p + r h - r + + h r p h r p 由h 2 0 2 氧化成二价的中间体h r pi ，h r pi 既而氧化底物r h ，得到部 分氧化的中间体h r p i i ，h r pi i 再次氧化底物r h 。经过两步单电子反应h r p 酶 回到初始形态。反应中得到的由胺形成的自由基r 形成二聚体，继续发生氧化 偶联反应最终得到聚合物。 酶催化聚合苯胺及其衍生物的主要缺点是，当在水溶液形成聚合物时会立即 发生沉淀，因此只能得到分子量较低的聚合物或低聚物【9 1 。为了改善加工性能， a l v a 等采用经修饰的苯胺即2 ，5 - 二胺苯磺酸聚合。由于磺酸基的存在，使聚 苯胺产物在任何p h 值下都可溶，且重均分子量大于1 8 0 0 0 。另外，还有一些学 者尝试了其它方法如在气一水相界面聚合【n 】也取得了一定成效。 尽管通过改进，获得了分子量较高，规整性、加工性较好的聚苯胺，然而产 物通常是由以下a 、b 两种形态聚苯胺的混合物1 2 】【1 3 】 a 斗 w g w _ b k b 由于a 的存在，严重削弱了共轭作用，限制了聚合物的光学、电学性能。对此 l i u 等采用苯胺模板聚合的方法进行了改进。在室温于磷酸钠缓冲溶液 浙江大学硕士学位论文 ( p h = 4 3 ) 中投入等摩尔的聚( 4 苯乙烯磺酸钠) ( 模板) 和苯胺，再加入h r p 、 h 2 0 2 聚合，聚苯胺( p a n i ) 产率达到9 0 。改变模板和苯胺的浓度比，可以调 节产物的导电性。通过模板聚合，支化聚合物受到抑制，头尾偶联的聚苯胺占到 了优势。随后，l i u 等【1 5 】在h r p 催化下研究了不同模板在合成导体聚苯胺中的作 用。通过研究比较不同聚电解质和胶束模板聚合系统，结果发现所生成聚苯胺的 类型和模板的结构直接相关。高效的模板提供了一些有利于反应的关键局域环 境。在局域环境中较低的p h 值提高了苯胺的质子化程度，不但增强了苯胺单体 与模板的静电作用，而且有利于单体头尾偶联反应的进行。此外模板也提供了憎 水区，起到了在反应前对单体溶解、规整的作用。此外，n a g a r a j a n 等【1 q 报道了 采用另一类模板聚乙烯膦酸( p v p ) 合成聚苯胺、聚乙烯膦酸络合物。与以前报 道的s p s 模板相似，p v p 模板促进了对位方向的聚合，并为翠绿亚胺盐型聚苯胺 提供了必要的掺杂补偿离子。 2 0 0 1 年，j i n 等【i7 j 报道了固定化h r p 催化聚合苯胺。将h r p 固定在脱乙酰 壳多糖上，以聚( 4 - 苯乙烯磺酸钠) ( m w = 7 0 0 0 0 ) 为模板，苯胺发生聚合，获得 了与以酶溶液为催化剂相似的产物。实验还考察了溶液p h ，h 2 0 2 浓度，苯胺浓 度，固定化酶量等对产物的影响。 2 2 3 脂肪族聚酯的合成 脂肪族聚酯的合成一般是通过羧酸酯单体缩聚而成。采用活化羧酸酯为单体 进行聚合比较容易，通常活化基团是2 , 2 ，2 三氯乙基和2 , 2 ，2 三氟乙基【增1 1 ”】。有 报道，在酶p p l 催化下手性环氧化物取代的二酯与1 , 4 丁二醇反应，可获得对映 体选择性很高的产物 1 9 】。 也有不采用活化羧酸酯单体而直接缩聚的。k n a n i 等【2 0 】曾用6 羟基己酸甲酯 和5 羟基戊酸甲酯在p p l 催化下缩聚，得到分子量数千的聚合物。 通过羟基和羧基酶催化脱水聚合虽比活性羧酸酯缩聚困难，但因该法简单、 易被想到而最早采用 2 1 l 。聚酯产物分子量通常在6 0 0 1 3 0 0 之间。尽管脱水反应 一般在无水介质中进行，但最近也有以脂肪酶为催化剂，在水中脱水聚合的报道 ( 图2 6 ) 2 2 1 。 浙江大学硕士学位论文 ( p h = 4 3 ) 中投入等摩尔的聚( 4 苯乙烯磺酸钠) ( 模板) 和苯胺，再加入h r p 、 h 2 0 2 聚合，聚苯胺( p a n i ) 产率达到9 0 。改变模板和苯胺的浓度比，可以调 节产物的导电性。通过模板聚合，支化聚合物受到抑制，头尾偶联的聚苯胺占到 了优势。随后，l i u 等【1 5 】在h r p 催化下研究了不同模板在合成导体聚苯胺中的作 用。通过研究比较不同聚电解质和胶束模板聚合系统，结果发现所生成聚苯胺的 类型和模板的结构直接相关。高效的模板提供了一些有利于反应的关键局域环 境。在局域环境中较低的p h 值提高了苯胺的质子化程度，不但增强了苯胺单体 与模板的静电作用，而且有利于单体头尾偶联反应的进行。此外模板也提供了憎 水区，起到了在反应前对单体溶解、规整的作用。此外，n a g a r a j a n 等【1 q 报道了 采用另一类模板聚乙烯膦酸( p v p ) 合成聚苯胺、聚乙烯膦酸络合物。与以前报 道的s p s 模板相似，p v p 模板促进了对位方向的聚合，并为翠绿亚胺盐型聚苯胺 提供了必要的掺杂补偿离子。 2 0 0 1 年，j i n 等【i7 j 报道了固定化h r p 催化聚合苯胺。将h r p 固定在脱乙酰 壳多糖上，以聚( 4 - 苯乙烯磺酸钠) ( m w = 7 0 0 0 0 ) 为模板，苯胺发生聚合，获得 了与以酶溶液为催化剂相似的产物。实验还考察了溶液p h ，h 2 0 2 浓度，苯胺浓 度，固定化酶量等对产物的影响。 2 2 3 脂肪族聚酯的合成 脂肪族聚酯的合成一般是通过羧酸酯单体缩聚而成。采用活化羧酸酯为单体 进行聚合比较容易，通常活化基团是2 , 2 ，2 三氯乙基和2 , 2 ，2 三氟乙基【增1 1 ”】。有 报道，在酶p p l 催化下手性环氧化物取代的二酯与1 , 4 丁二醇反应，可获得对映 体选择性很高的产物 1 9 】。 也有不采用活化羧酸酯单体而直接缩聚的。k n a n i 等【2 0 】曾用6 羟基己酸甲酯 和5 羟基戊酸甲酯在p p l 催化下缩聚，得到分子量数千的聚合物。 通过羟基和羧基酶催化脱水聚合虽比活性羧酸酯缩聚困难，但因该法简单、 易被想到而最早采用 2 1 l 。聚酯产物分子量通常在6 0 0 1 3 0 0 之间。尽管脱水反应 一般在无水介质中进行，但最近也有以脂肪酶为催化剂，在水中脱水聚合的报道 ( 图2 6 ) 2 2 1 。 浙江大学硕士学位论文 m 叶啪吲h 帑一1 引驴 咖c 。h 兽劳嘲渐专 图26 酶催化聚酯的合成 f i g 2 6s y n t h e s i so f p o l y e s t e rb y e n z y m a t i cp o l y c o n d e n s a l i o n 由于酶催化聚酯是可逆反应，因此反应大多较慢，分子量不高。但采用乙烯 基酯与二醇缩聚则例外，可获得较高分子量的聚合物。这是由于被消去的烯醇会 变为醛或酮而使逆反应无法进行。如脂肪酶催化己二酸- 7 , 烯酯和二醇聚合，可 得到分子量6 7 0 0 的聚酯【2 3 】。这类反应可用以聚酯的单步合成。 2 2 4 聚苯醚及其衍生物的合成 聚苯醚( p p o ) 作为一类高性能的工程塑料，有着优良的热稳定性和化学惰 性。1 9 9 6 年，实验首次发现氧化还原酶室温下能引发3 ，5 一二甲氧基4 一羟基苯甲 酸，在水溶性有机溶剂中生成p p o ，且有较高产掣2 4 1 ( 图2 7 ) 。室温下在丙酮 乙酸缓冲溶液中( p h = 5 ) ，以漆酶催化聚合反应。聚合过程中有粉末状物质生成， 2 4 h 后最终得到分子量为4 2 0 0 的聚合物。 啪c 弋彳广o c 。h h 3 嚣( 麟 o c h 3 o c h 3 图2 7 酶催化聚合3 , 5 一二甲氧基- 4 羟基苯甲酸 f i g2 7e n z y m a t i cp o l y m e r i z a t i o no f 2 6 - d i m e t h o x y - 1 ，4 - o x y p h e n y l e n e 在与水可混溶的有机溶剂和缓冲溶液的混合液中，2 ，6 _ - - i 甲基苯酚可发生酶 催化聚合，可得到分子量几千的聚合物( 图2 8 ) 2 5 1 。尽管分子量不高，但所得 的聚合物可溶于常见的有机溶剂，因此会有多种应用，如制各p p o 端基封闭的大 分子及嵌段共聚物。实验发现，漆酶、h r p 、大豆过氧化氢酶( s b p ) 都有较好 的催化作用，聚合行为取决于溶剂组成、酶的类型。在漆酶催化聚合中，使用酸 性缓冲溶液( p h = 4 5 ) ，聚合产率较高。 浙江大学硕士学位论文 m 叶啪吲h 帑一1 引驴 咖c 。h 兽劳嘲渐专 图26 酶催化聚酯的合成 f i g 2 6s y n t h e s i so f p o l y e s t e rb y e n z y m a t i cp o l y c o n d e n s a l i o n 由于酶催化聚酯是可逆反应，因此反应大多较慢，分子量不高。但采用乙烯 基酯与二醇缩聚则例外，可获得较高分子量的聚合物。这是由于被消去的烯醇会 变为醛或酮而使逆反应无法进行。如脂肪酶催化己二酸- 7 , 烯酯和二醇聚合，可 得到分子量6 7 0 0 的聚酯【2 3 】。这类反应可用以聚酯的单步合成。 2 2 4 聚苯醚及其衍生物的合成 聚苯醚( p p o ) 作为一类高性能的工程塑料，有着优良的热稳定性和化学惰 性。1 9 9 6 年，实验首次发现氧化还原酶室温下能引发3 ，5 一二甲氧基4 一羟基苯甲 酸，在水溶性有机溶剂中生成p p o ，且有较高产掣2 4 1 ( 图2 7 ) 。室温下在丙酮 乙酸缓冲溶液中( p h = 5 ) ，以漆酶催化聚合反应。聚合过程中有粉末状物质生成， 2 4 h 后最终得到分子量为4 2 0 0 的聚合物。 啪c 弋彳广o c 。h h 3 嚣( 麟 o c h 3 o c h 3 图2 7 酶催化聚合3 , 5 一二甲氧基- 4 羟基苯甲酸 f i g2 7e n z y m a t i cp o l y m e r i z a t i o no f 2 6 - d i m e t h o x y - 1 ，4 - o x y p h e n y l e n e 在与水可混溶的有机溶剂和缓冲溶液的混合液中，2 ，6 _ - - i 甲基苯酚可发生酶 催化聚合，可得到分子量几千的聚合物( 图2 8 ) 2 5 1 。尽管分子量不高，但所得 的聚合物可溶于常见的有机溶剂，因此会有多种应用，如制各p p o 端基封闭的大 分子及嵌段共聚物。实验发现，漆酶、h r p 、大豆过氧化氢酶( s b p ) 都有较好 的催化作用，聚合行为取决于溶剂组成、酶的类型。在漆酶催化聚合中，使用酸 性缓冲溶液( p h = 4 5 ) ，聚合产率较高。 浙江大学硕士学位论文 图2 8 酶催化缩聚2 , 6 二甲基苯酚 h 9 f i g2 8e n z y m a t i cp o l y m e r i z a t i o no f 2 , 6 d i m c t h y l - p h c n o l 1 9 9 8 年，w a n g 等1 2 6 j 报道了双酶反应合成含胸苷悬挂基团的新型聚苯酚衍生 物( 图2 9 ) 。亲核底物确定了功能结构和化学多样性，酚底物则规定了聚合物骨 架结构和稳定性。实验所得聚合物据信具有很大的分析、医疗应用前景。w a n g 等在实验中采用的合成方法有一定的通用性，不仅适用于实验中采用的核苷、酚， 其它天然、非天然的核苷、酚类也能适用。 ! ! ! ! ：! ! ! ! h 2 0 2 _ 0 飞叫 o hh 图2 9 含胸苷悬挂基团聚苯酚的合成 f i g2 9s y n t h e s i so f t h y m i d i n c c o n t a i n i n gp o l y p h e n o l 2 0 0 0 年，f u k u o k a 等口7 1 在甲醇、磷酸盐缓冲溶液的混合液中，以4 , 4 二羟二 酚醚为单体，h r p 为催化剂，成功的合成了寡( 1 , 4 亚苯基氧化物) 。基于实验数 据，反应中醌缩酮中间体发生重排生成低聚物和氢醌。该反应据称是迄今首例涉 及消去氢醌的氧化还原反应。 含有多个可聚基团的单体，其化学选择性聚合较为困难。因为当一个可聚基 人y f 卜 c l 4 2 i n h 墅c c 旦乇 o u x 篓一 审 h b a删器 审 浙江大学硕士学位论文 团发生聚合时，其它可聚基团往往也会发生聚合。酶催化聚合则提供了一条很好 的化学选择性聚合途径。2 - ( 4 羟苯基) 乙基异丁烯酸酯在h r p 催化下能化学选 择性聚合，得到可溶于氯仿等溶剂的粉末状聚合物( 图2 1 0 ) 。由于侧链带异丁 烯基，该聚合物很可能成为一种新型感光性材料口8 1 。 2 3 开环聚合 图2 1 0 含悬挂双键聚酚的合成 f i g2 1 0s y n t h e s i so f p o l y p h e n o lw i t hp e n d a n td o u b l eb a n d 2 3 1 聚碳酸酯的合成 六元七元内环酯的酶催化开环聚合最早是以脂肪酶作催化剂的。1 9 9 7 年， m a t s u m u r a 等【2 9 1 首先报道了脂肪酶催化聚合环碳酸酯的反应( 图2 i i ) 。实验采 用了多种酶在不同条件下进行反应。结果发现，在6 0 1 0 0 * c 时，环碳酸酯容易聚 合，聚合物分子量最高可达1 6 9 0 0 0 。运用1 h - n m r 并未在3 4 p p m 处发现醚基 ( 一c h 2 - o - c h z 一) 特征三重峰，可见实验中没有发生c 0 2 消去反应。无酶空白样 在2 4 h 后，t m c 没有变化，从而证明聚合是由酶引起的。 6 1 一a c眦 图2 1 l 酶催化开环聚合t m c f i g211e n z y m a t i cr i n g - o p e n i n gp o l y m e r i z a t i o no f t m c l i i j l f _ l 三 一 番 咄l，毗眦)叫p丫，奉 舞 浙江大学硕士学位论文 团发生聚合时，其它可聚基团往往也会发生聚合。酶催化聚合则提供了一条很好 的化学选择性聚合途径。2 - ( 4 羟苯基) 乙基异丁烯酸酯在h r p 催化下能化学选 择性聚合，得到可溶于氯仿等溶剂的粉末状聚合物( 图2 1 0 ) 。由于侧链带异丁 烯基，该聚合物很可能成为一种新型感光性材料口8 1 。 2 3 开环聚合 图2 1 0 含悬挂双键聚酚的合成 f i g2 1 0s y n t h e s i so f p o l y p h e n o lw i t hp e n d a n td o u b l eb a n d 2 3 1 聚碳酸酯的合成 六元七元内环酯的酶催化开环聚合最早是以脂肪酶作催化剂的。1 9 9 7 年， m a t s u m u r a 等【2 9 1 首先报道了脂肪酶催化聚合环碳酸酯的反应( 图2 i i ) 。实验采 用了多种酶在不同条件下进行反应。结果发现，在6 0 1 0 0 * c 时，环碳酸酯容易聚 合，聚合物分子量最高可达1 6 9 0 0 0 。运用1 h - n m r 并未在3 4 p p m 处发现醚基 ( 一c h 2 - o - c h z 一) 特征三重峰，可见实验中没有发生c 0 2 消去反应。无酶空白样 在2 4 h 后，t m c 没有变化，从而证明聚合是由酶引起的。 6 1 一a c眦 图2 1 l 酶催化开环聚合t m c f i g211e n z y m a t i cr i n g - o p e n i n gp o l y m e r i z a t i o no f t m c l i i j l f _ l 三 一 番 咄l，毗眦)叫p丫，奉 舞 浙江大学硕士学位论文 团发生聚合时，其它可聚基团往往也会发生聚合。酶催化聚合则提供了一条很好 的化学选择性聚合途径。2 - ( 4 羟苯基) 乙基异丁烯酸酯在h r p 催化下能化学选 择性聚合，得到可溶于氯仿等溶剂的粉末状聚合物( 图2 1 0 ) 。由于侧链带异丁 烯基，该聚合物很可能成为一种新型感光性材料口8 1 。 2 3 开环聚合 图2 1 0 含悬挂双键聚酚的合成 f i g2 1 0s y n t h e s i so f p o l y p h e n o lw i t hp e n d a n td o u b l eb a n d 2 3 1 聚碳酸酯的合成 六元七元内环酯的酶催化开环聚合最早是以脂肪酶作催化剂的。1 9 9 7 年， m a t s u m u r a 等【2 9 1 首先报道了脂肪酶催化聚合环碳酸酯的反应( 图2 i i ) 。实验采 用了多种酶在不同条件下进行反应。结果发现，在6 0 1 0 0 * c 时，环碳酸酯容易聚 合，聚合物分子量最高可达1 6 9 0 0 0 。运用1 h - n m r 并未在3 4 p p m 处发现醚基 ( 一c h 2 - o - c h z 一) 特征三重峰，可见实验中没有发生c 0 2 消去反应。无酶空白样 在2 4 h 后，t m c 没有变化，从而证明聚合是由酶引起的。 6 1 一a c眦 图2 1 l 酶催化开环聚合t m c f i g211e n z y m a t i cr i n g - o p e n i n gp o l y m e r i z a t i o no f t m c l i i j l f _ l 三 一 番 咄l，毗眦)叫p丫，奉 舞 浙江大学硕士学位论文 b i s h t 等也进行了相似实验3 0 1 。他们用n o v o z y m 一4 3 5 为催化剂，获得了数均 分子量达1 5 0 0 0 的p t m c 。同时他们发现，随温度上升( 5 5 8 5 。c ) ，转化率近似 不变而聚合物分子量下降。水含量减少，聚合速率下降但分子量上升。通过分析 小分子产物，他们等提出了脂肪酶催化t m c 开环聚合机理： 引发： e - o h + t m c i = = = 三e - o c o o c h 2 c h 2 c h 2 0 h ( e a m ) 堑垒旨h o c h 2 c h 2 c h 2 0 哥c 0 2 + e - o h 增长： 二聚体： e a m + h 。h 。h 。h 。，；一h 。c ，也，。l 。c ，。h + 。一。h d t m c 聚合： h 。，。凛。盹b 。毒。h 。h ；墨丛坌h 。盹，。凛。b 弗。，h 2 0 0 0 年，n i s h i d a 等首次报道了酶催化开环聚合以合成无金属离子p p d o ( 图2 1 2 ) 。实验对多种酶进行了筛选，发现酶c a 催化效果最佳( 图2 1 5 ) 。6 0 在5 w t c a 催化下反应1 5 h ，p p d o 重均分子量可达4 1 0 0 0 。在研究酶负载量 影响时，发现c a 酶负载量增大( o 5 1 0 w t ) ，转化率、分子量随之增大，这表 明c a 酶在反应中为催化剂而非引发剂。在c a 酶催化聚合c l 3 2 】和p p l 催化 d d l 时也有相似结果。对水含量影响研究发现，有微量水加入时，转化率、 分子量都有增加，但随着水含量的增加，转化率、分子量又会下降，原因可能是 由于水引起p p d o p d o 的酶、非酶水解造成的。基于上述结果，水分不仅起引 发作用，也是链断裂剂。然而在c a 催化聚合t m c 时，即使水含量达2 5 时， 转化率仍会增大，这可能是由于p p d o p d o 和p t m c t m c 的水解稳定性差异造 成的。 一l i p a s e 扩j ，以， p d o p p d o 图2 1 2 酶催化开环聚合p d o f i g21 2e n z y m a t i cr i n g - o p e n i n gp o l y m e r i z a t i o no f p d o 浙江大学硕士学位论文 在碳主链上具有悬挂羧基取代基的聚碳酸酯的酶催化聚合也有报道。1 9 9 9 年，a z e m i 等【3 4 j 合成了5 - 甲基5 - 苄氧基1 ，3 - 二嗯烷2 酮( 图2 1 3 ) 。当用酶a k 聚合( 1 ) 时，可得到重均分子量为5 9 0 0 9 m o l 的大分子，但聚合分散指数高达 7 5 ，他们认为这可能是由于体系扩散限制增大和