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北京化工大学博士学位论文 支化、梳形、星形结构聚己内酯共聚物合成 摘要 本论文以脂肪酶催化s 一己内酯开环聚合为基础，结合原子转移自由基聚合( a 豫p ) 等活性自由基聚合的方法，利用大分子引发剂和大分子单体等技术制各了支化聚己内 酯、支化聚己内酯一厶_ 聚苯乙烯嵌段共聚物、梳形( 又称密按枝) 聚乙二醇单甲醚一沪 聚己内酯两亲性嵌段共聚物和星形聚己内酯一护聚苯乙烯嵌段共聚物。并通过1 hn 躲、 g p c 等手段验证了各种聚合物的分子结构。 支化聚己内酯的制备经过三步反应，即首先以丙烯酸廿羟乙酯为引发剂，聚丙烯 酸树脂固定化的脂肪酶n o v o z y m e 一4 3 5 为催化荆催化r 己内酯开环聚合，制备了分子 量分布较窄的昏丙烯酰氧乙氧基删羟基聚己内酯大分子单体( a p c l - o h ) ；然后用 2 溴丙酰溴与a p c l 广o h 反应，形成口丙烯酰氧乙氧基( 2 溴) 丙酰氧基聚己内酯 ( a p c l b r ) ，这种大分子单体在结构上类似于可进行自缩合乙烯基聚合的a b 型单 体，因此称其为a b + 遥爪型大分子单体( 也记为m a c r o i m l n 曲；最后进行a p c l b r 的 a t r p ，得到了支化聚己内酯。经过a b 遥爪型大分子单体的自缩合聚合制备的支化 聚合物比a b + 型单体与乙烯基单体共聚所得支化聚合物的分子量分布窄，且通常可得 到单峰分布的支化结构。 支化聚己内酯一沪聚苯乙烯嵌段共聚物的制备也经过三步反应得到：( 1 ) 以溴异 丁酸芦一羟乙酯为引发剂，溴化亚铜2 ，2 一联毗啶体系( c l l b 曲i p y ) 为催化剂进行 苯乙烯的a t r p ，获得窄分布的端羟基聚苯乙烯( b f - p s 0 h ) ；( 2 ) b r - p s o h 为引发 剂， n o v o z y m e 一4 3 5 为催化剂催化r 己内酯开环聚合，再以丙烯酸乙烯酯为封端剂进 行酶催化封端，“一锅端”制各出a 一丙烯酰氧基聚己内酯一沪( 一溴) 聚苯乙烯嵌段 a b + 遥爪型大分子单体( a p c l 广6 p s - b r ) ；( 3 ) a p c l 6 - p s b r 为大分子单体，进行删 得到支化聚己内酯一沪聚苯乙烯嵌段共聚物。通过g p c 、1 hn m r 测定验证各步产物。 梳形聚乙二醇一沪聚己内酯的两亲性嵌段共聚物，是由聚乙二醇单甲醚( m p e g ) 为引发荆，在n o v o z y 田e 一4 3 5 的催化作用下引发旷己内醣开环聚合，然后在同一反应 体系中再加入丙烯酸乙烯酯，经酶催化封端，“一锅端”得到聚乙二醇一6 一聚己内酯 的两亲性嵌段共聚物大分子单体( m p e g - 乱a p c l ) 。这种大分子单体经a t r _ p 或可逆 加成一碎裂链转移剂自由基聚合( r 朋珂) 等自由基聚合方法得到了分子量分布较窄的 梳形聚乙二醇一沪聚己内酯的两亲性嵌段共聚物。 用溴异丁酸卢羟乙酯在n o v o z y m e 一4 3 5 的催化作用下直接引发r 己内酯开环聚 合可得到窄分布的聚己内酯大分子引发剂( p c l b r ) ；以这种引发剂引发苯乙烯的 a t r p ，获得聚己内酯一沪聚苯乙烯嵌段共聚物大分子引发剂链( p c l 6 p s b r ) ；此嵌 段共聚物大分子引发剂再引发二乙烯基苯( d ) 的a t r p ，即可获得星形聚己内酯 一争聚苯乙烯嵌段共聚物 关键词酶催化开环聚合，聚己内酯，活性自由基聚合，支化聚合物，梳形聚 合物，星形聚合物，嵌段共聚物 北京化工大学博士学位论文 s y t h e s i so fb r a n c h e d c o n i b i i k ea n ds t a r 二s h a p e d p o l “一c a p m i a c t o n e ) c o p o l y m e r s a b s t r a c t 1 1 1l h i sd i s s 柏t i o n ，璐i 1 1 9m a a 绷啪伽e r 锄dm a c r o i n i m 盯s “a t e 舀e s ，b r 觚c h e d p o l “凸c a p r 0 1 a c t o n e ) ， b r 柚c h c d p o l y 妊c a p r o l a c t o n e ) - 6 ，o 蔬_ p o l y s t y r 舶e， c o m b l m e 砌y ( e m y l 曲e酉y c 0 1 )m o n o m e 也y le i h 盯- b f d 战州弧e c a 则a c t o n e ) 趾珥曲p 撤l i c c o p o l y m e r a n ds t a r 。s h a p e dp o l y p c a p m h c o n e ) 一甜诚一p o l y s t y 陀n eb l o c kc o p o l y m e 格w e p 研雌e db y l h ec o m b i n a t i o no fl i p 勰e _ c a t a l y z e d 血争叩锄i n gp o l 舯鲥z a t i o no f 乒c a p r o l a c t o n e a n d 1 i v i n g r a d i c a l p o i 珊积z a t i o n ， u c h鹊a t a m 姐m s f 打r a d i c a l p o l ”n 盯i z d t i o n t h e i rm o l e c t l l a rw e i g h 奴m o l e c u l a rw e i 曲td i s 倒b u t i o n sa n ds t n l c m 托s w e r ec h a r a c t e f i z 。db yg p c 髓d1 hn 蛐t b r 锄c h c dp o l y g c a p r o l a 鼬d n e ) w 鸽s y l l t h e s i z e di nt l l r e er e a c t i o ns t e p s 1 1 1t h e6 r s ts t e p ， a a c r y l o y o x y c m y l o x y - - h y d m x y l p 0 1 y ( 一c a p r 0 1 a c t o n e ) ( a p c l o h ) w i t l ln a r m w m o l e c u l a r w e i 曲f d i s 城b u t i o nw a s p r e p a f e db yh p a s e c a t a l y z e dr i n g o p 觚n g p 0 1 y i n 赫z a t i o no f 一c a p r 0 1 碱o n e 谢吐l2 - h y d r o x y l e l 】1 ya c r y l a t e 嬲t h ei m t i a t o ra l l d n o v o z y i n e - 4 3 5 ( i i p 鹤eb 的mc a n d i d aa n 协谢c a 矗】c e db yp 0 1 y a a r y l a c e ) a sm ec a 衄l y s t i i l 娃l es e c o n ds t e p ，戊- a c f y l o y o x y - 一2 - b m o p f o 西o n y l o x yp o l y g c 印r o l a c t o n e ) ( a p c b b r ) w 硒o b t a i n c db ye s t e f i f i c a t i o no f h y d f 似”g r o l l po fa p c l - o hw i n l2 小r o m o p r o p i o n y l b r 0 l i d e i l lt h el a s t s t 印，m e b m 岫c dp 0 1 y p c a p i a c t o n e ) w a so b t a i n c d 丘o m s e l f c o n d 瞰s i n ga t o m 打锄s f 打r a i i i c a lp o l y m 嘶z 撕o no fa p c l - b rw h o s es 虮l c t u r ew a s s i m i l a rw i mt h a to f a b 卓i n h 托 b m n c h c dp o l “s c a p r o l a c l o n e ) 一6 ，0 靠p o l y s t ”饥eb l o c kc o p o i y m e rw a ss y i l t l l e s i z e di n m ef o l l o w i n gw a yf i f s t ly ，h y d r o x y l 一脚d 。dp o i y s t y r e n e ( b r - p s o h ) w i 也n a r m wi n o l e c u l a r w 吣h td i s 汹u t i o n w a s p r e p 甜e d v i aa t r po f s t y r e n e w i t h 2 一h y d r o x y l e t t i l y b m l o i s o b u t y l a t ea st l l e b i f i l i l c t i o n a li 窳i a t o ra n dc u b 曲i p yc o m p l e xa sm ec a t a l y s t s e c o n d l y u 8 i n gb r - p s 一0 ha sm em a c i l l i t i a t o ra r l ds e q u e n t i a iv i l l l ya c r y l a t e a st h e t e r i i l i n a c o r ，m a c r o - i n i m c r 伍一a c r y i o y o x yp o i y ( s c 印r o i a c t o n c ) 一6 ，o c 矗 b f o m o ) p o l y s t y r e n e i i i ( a p c l 6 - p s b r jb l o c kc o p o l y m e r w a sp r 印a r e db y1 i p 黜一c 删y z e d 血争o p 锄i n g p o l y r n 商蹦i o no f 争c a p r o l a c t o n e f i n a l 加r a n c h e dp o l y ( s c a p f o l 积o n e ) 1 6 f d 掂p o l y 孵r 铋e b l o c kc o p o l y m e rw 船s y n t h e s i z e db ys e l fc o n d e n s i n ga t o mt m n s 衔r a d i c a lp o l y m c r i z a t i o n o f a p c l 良p s b m 跏m o n o m e r 毋a c 叫o y o x yp o l y p c a p r o l a c t o 玎e ) - 6 如出- p o l y( e m 毋e l w誊y c 0 1 ) m o n o m e l t i y l 抽盯( a p c l 广6 一e g ) b l o c k _ c o p o l 肿盯w a sp r e p a r 耐b yl i p 船e _ c a t a l y z e d r i n 争o p e n i n gp o l 舯甜z 8 t i o no f - c a p r o l a c t o n ew i mm p e g 踮t h ei l l i d a i o r 锄dv i i l l y 卸删a t e 勰m c 缸i l i n a t o ri no n e - p o t a t o m 仃蛐s 钕t a d i c a lp o l 舯e f i z a t i o n ( a t r p ) o r 删郇m l ea d d i t i o n 觚驴吼t a t i o np o l 脚砸z 舶n o fa p c l - 6 - e gk dt o c o m b l i k e a m p b i p h i l i c b i o c k c o p o l y m 髓 o f p o l y ( e 1 y l e i l eg l y c 0 1 ) m o n o t n e l l l y l e m e 卜6 如c 卸o i y i 乒c a p m l a 曲o l l e ) s 阱s h a p e d 耐蚋啪p r o l a 曲咖) 一6 f o c 缸p o l y s t y 咖岬c l 广6 p s ) b l o c kc o p o l 邶啪 丽mac r o 鹳1 i n k e dm i c r o g e lc o r ew e r cs y i l t l l e s i z e db ya t i 冲o fp c l - b p si l lt h ep r e s c e 0 fd 、，b ，w k l ep c - p sw 船o b t 豳e db ys a 训a ll i p a 静c 词y z e d 血l 分o p c i l i n g p o l y l i l 眺撕o no f 和c 印r o l a c t o n ea n da t o mt r a 璐f 打m d i c a lp o l 脚丽z a t i o no fs t y r e l l ew i m 2 h y d f o x y l e 虹d yb r o n l o i s o b m y l a t e 勰t h ed o u b l e h e a di n i t i a t o r k e yw o r d s ： l i p 龉e c a l a l y z e dr i n 舯脚g嘲y m 喇z a t i o n ， l i v i 】唱m d i c a l p 0 1 y i t l 旆z a l i o n ，叫如- c 删a c t o n e ) b 姗c h e dp 0 1 舯e r s ，c o m b l 越叫瑚e r s ，s t 小s h a p e d p o l y m e 巧，b l o c k 唧o l y 1 e r s 北京化工大学位论文原创性声明 8 8 2 3 8 6 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 作者签名：捌趟雪 日期：2 q 笾= 至二2 垒 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的规 定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京化工大 学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可 以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用本授 权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名：割瑞雪日期： 2 q q 墨二二2 垒 导师签名：位盍蝰 日期：2 q q 墨二5 = 2 垒 北京化工大学博士学位论文 第一章聚醑的酶催化合成 1 1 前言 在活细胞内经生物合成路线有大量的酶催化代谢反应。聚糖、蛋白质、聚酯等天 然聚合物就是经酶催化自然合成。据保守估计每年由植物经自然过程合成的纤维索、 淀粉以及相关的生物材料超过1 0 。吨，而由石油衍生物得到的合成聚合物年产量仅是 这些天然聚合物的l ，扣l ，5 【“。天然聚合物的合成包括细胞内酶催化活性单体加成或缩 合聚合的复杂的代谢过程。这些天然聚台物的台成是于水相中、温和的温度，压力下完 成的，它们具有极好的结构控制性和性质，是可以生物降解的。在酶的家族中，有几 种酶不仅可利用天然底物而且可利用许多合成化台物催化合成一系列有用的材料，从 而使得酶的生物体外催化合成有机物的媸趣迅速增长。 近二十年来，许多高分子合成工作者对酶促细胞外合成聚合物进行了积极地探 索。实验发现，在细胞外酶催化聚合，经历了非生物合成路线 2 】，这种途径对合成纤 维素非常有用。对用其它合成方法很难合成的复杂结构的天然聚合物来说，细胞外酶 催化聚合是一种非常有效的方法，其中关于酶催化细胞外台成碳水化台物的文献和综 述有好几篇降“。这些聚台物不仅包括天然聚糖如纤维素、多糖、木聚糖f 9 和角质素l ， 而且也包括杂化型聚糖等非天然聚合物1 1 j 2 ) 。酶作为催化剂，为一些用传统化学方 法很难合成的聚合物提供了新的合成策略 1 3 l ，如聚芳香类聚合物1 “。 聚酯、聚碳酸醣和聚磷酸酯等可生物降解类聚合物常用于不同的生物医药领域 ( 外科整形材料、组织工程、支撑物及控制药物传送等) 。为满足其在生物医药领域的 迫切需要，许多高分子科学工作者对这些聚合物的酶催化聚合进行了积极地探索，包 括酶催化合成聚合物的反应动力学、反应机理、聚合物分子量和聚台物分子结构设计 等方面的研究。 脂肪酶不仅可催化内酯、丙交酯及环状碳酸酯聚合，制备出相应的聚酯或聚碳酸 酯，也可催化羟基酸、二酸或酸酐与二醇进行缩合聚合反应【1 4 t 1 7 ，1 “，所有这些反应均 为环境友好过程。 1 2 酶催化聚合与化学催化聚合比较 1 2 酶催化聚合与化学催化聚合比较 第一章聚醣的酶催化聚台 传统高分子量的聚酯的制备，常为二元醇和二元酸或羟基酸在强酸催化下经高温 ( 2 0 0 ) 脱水缩合好几小时而得。由于酯化反应为一可逆反应，因此反应过程中要 经减压或共沸或加分子筛等干燥剂除去反应生成的水，而在高温下，常发生如二醇的 脱水等副反应，且强酸也可致聚酯变色。与之相比，酶催化聚酯的聚合过程却是在低 温、常压、酸碱中性等温和条件下进行。 与传统的化学催化剂相比，酶催化聚合有如下优点：( a ) 酶催化反应具有较高的 立体和位置的选择性；反应条件温和；( c ) 酶可在本体、有机溶剂等介质中进行催 化聚合，反应在两相界面进行；( d ) 酶为可再生资源。酶是可再生的环境友好的无毒 资源，因此，无需对其严格地从聚合物中去除；( e ) 酶催化可得精确结构的聚合物； ( 0 对脂肪酶的催化反应，不必严格除去体系中的水和空气，而传统的合成聚酯地化 学催化剂需要严格的除水和空气；( 曲小环内酯( 4 _ 7 元环) 由于具有环的内张力易被有 机金属引发剂引发聚合，而对大环内酯却不易引发，仅可得到低分子量的齐聚物，如 化学催化剂对m 一十五内酯( p d l ) 具有极低的反应活性，而脂肪酶却极易催化其反 应，并得到高分子量的聚酯。6 一丁内酯因无内张力不能被有机铝引发聚合，但易被 酶催化聚合。 脂肪酶由于其适用底物广，且具有位置选择性或手性的认知能力，是有机合成中 最广泛应用的生物催化剂之一。脂肪酶的超常稳定结构可不受有机溶剂的影响，脂肪 酶在水中催化酯类物质的水解，在非极性介质中却转化为酯的合成或酯交换反应。 尽管脂肪酶在非极性介质中显示出相当的活性，但与在水中相比，活性仍降低了 不少。为增加脂肪酶在非极性介质中的催化活性，曾做了不少的工作。其中一种较成 功的方法是表面活性剂包覆脂肪酶或者脂肪酶与聚乙二醇的衍生物以共价键键合，增 加其在有机溶剂中的溶解性。将酶通过吸附或沉积到孔状支撑物上固定酶的方法也是 一种增进酶催化活性的有用方法，这种固定化的酶与酶粉相比，有更好的催化效率， 可回收循环利用。 脂肪族聚酯在水中可被水解酶催化水解，而在限制水的条件下又可重新键合解离 的部分。这种可逆的酶催化反应可用于生物降解聚酯的反复化学循环。最近报道了一 系列的聚乳酸如p d l l a 、p d l a 和p l l a ，在有机溶剂中，脂肪酶催化变为相应的环状 齐聚物【侈】，所得齐聚物可再聚合成聚乳酸，由此提供了一种塑料的可持续化学循环的 途径。反应过程中温度和溶剂影响聚乳酸的降解性。 北京化工大学博士学位论文 1 3 酶催化开环聚合( r o p ) 1 9 9 3 年，u y 锄a 和k o b a y a s h i 2 0 】报道了不同脂肪酶催化万。戊内酯和一己内酯 ( 扣c l ) 的开环聚合，本体反应l o 天后得到了分子量阮达7 7 0 0 的p c l ( 转化率9 2 ) ， 核磁验证p c l 的两端基分别为羧基和羟基。k n a n i 掣2 1 1 以甲醇为引发剂，正己烷为溶 剂，温度在2 5 - 4 0 的范围内，猪胰脂肪酶( p p l ) 催化以l 开环聚合，得到聚合度( d p ) 为3 5 的p c l 。g r o s s 等吲用二氧六环、甲苯和庚烷等为溶剂，丁醇为引发剂，研究了 p p l 催化s c l 的溶液聚合，得到了分子量= 2 7 0 0 的低聚物。在一系列脂肪酶催化 4 1 7 元环的未取代内酯开环聚合的研究种发现，固定化的源自南极假丝酵母的脂肪酶 ( 商品名为n o v o z y i n e - 4 3 5 ) 用孔状树脂固定后对内酯开环聚合的催化效率比较好l 。 1 3 1 单体 酶催化开环聚合适用的单体包括内酯、丙交酯、大环内酯、环状碳酸酯磷酸酯、 环状内醅酰胺及环氧乙烷衍生物等，它们经酶催化开环聚合得到相应的聚酯、聚碳酸 酯、聚磷酸酯、聚酯酰胺等。这些单体的结构如图1 1 所示： 心搿66 卜准。“ 酽只，辑率 s d e f p p l p u d z 导描d f i g u r el 1 m o n o m e f su s 。df o r l l l ee n 码j i i i a n cs y i l h e s i s0 f p o l y e s t e 璐a n dp o i y c a 小o n a l e s ， p o l y p h o s p h a 蛔蛐dp o l “e s t e r m i d e ) b yp 0 啪h o nr e t i o n 图卜1 酶催化聚合合成聚醣、聚碳酸酯、聚磷酸鸶等常用单体结构 1 3 2 开环聚合 脂肪酶催化开环聚合可用图l 之的形式来描述： 第一章聚醑的醇催化聚合 o 一+ 。一冉。“ m = 2 ，4 5 ，7 1 0 ，1 ，1 4 f i g l l r e1 2 “p 嬲e t a i y z 酣r i n g - o p i i l gp o l y m e r i z a c i o no f l a c i o 札e s 图卜2 酶催化内酯开环聚合 m 稚跚n u r a 等【划报道在8 0 _ 1 3 0 的反应温度下，脂肪酶p c 催化d ，o 丙交酯开环 聚合，得到了分子量超过1 2 ，6 0 0 的聚乳酸；而用脂肪酶c r 催化b 丙内酯也可得到高 分子量的聚合物【2 5 1 。 1 9 9 6 年，n o b e s 等l 硐首次报道了脂肪酶催化口丁内酯的开环聚合。聚合过程中用 了与单体等量的酶，经过好几周的反应后，得到了聚合度为3 1 2 的相应聚酯( 腻，为 2 5 6 一1 0 4 5 ) 。后来m a t s 砌啪等【2 刀以p p l 或脂肪酶c c 为催化剂，在6 0 1 0 0 的温度 范围内，反应1 2 2 0 小时，得到了分子量达7 3 0 0 的聚丁内酯，但由于聚合过程中伴随 着分子内的缩合反应，导致终产物含有相当量的环状齐聚物【2 7 8 1 。脂肪酶催化卢丁内 酯本体开环聚合产生环状、羟基或丁烯酸酯端基的聚合物【捌，三种类型的聚合物比例 取决于酶的含量及单体的转化率。环状结构聚合物的产生被认为是卢丁内酯酶催化聚 合的特征。甲苯溶液中，4 5 或6 0 的反应温度，脂肪酶c r ( 1 0 讯) 催化芦位取代的4 元内酯聚合，反应速率明显增加【2 9 1 。 尽管用p p l 或假单胞脂肪酶催化无内张力的j ，丁内酯【2 q 仅可得到重复单元为 l o 一1 1 的低分子量聚酯，但还是令人倍感兴奋，因为这种单体相当稳定，用普通化学催 化剂根本无法使其开环聚合。4 元内酯( 卢，丙内酯和卢丁内酯) 的环内张力能大约3 3 蛔l ，m o lf 2 6 1 ，5 元环的，一丁内酯为8 _ 8k c a l m o l ，而7 元环的s c l 的环内张力能约1 0 7 k c a l m o l 。实验结果发现，酶促内酯开环聚合过程中，聚合速率及聚合程度与环内张 力无关。 用5 叭的固定化脂肪酶c a 为催化剂，6 0 催化1 ，4 - 二氧2 酮反应1 5 小时，得到 了相应的聚合物 3 0 1 。反应过程中水含量在1 0 0p p m 以内，聚合速率随水含量的增加而 提高，但过量的水含量( 2 2 4p p m ) 却降低反应速率，在此反应中得到了分子量达 4 1 ，0 0 0 的聚合物。 对市售脂肪酶催化正戊内酯( 长v l ) 和c l 在有无有机溶剂下的聚合进行研究， 4 北京化工大学博士学位论文 发现一些酶( 如颗粒状的固定化的脂肪酶) 对6 c l 表现出极强的催化活性，仅1w t 的 酶就可有效地催化其聚合 3 l 】，而用其它的酶作催化剂，却需非常大量的酶来催化聚合 i 扭。脂肪酶也可催化相对稳定的子一戊内酯聚合，如脂肪酶p f 催化6 v 噪合比催化 争c l 聚合的速率还大删。6 0 本体中，脂肪酶c a 催化c l 聚合得到线性聚合物分子， 而在有机溶剂中反应却生成环状聚合物结构例，如在二氧六环中得到含2 3 个单体单元 的大环结构的聚合物分子。在7 5 、本体条件下，脂肪酶p f 催化正v l 和_ c l 开环聚 合，2 0 天得到分子量高达1 6 1 0 4 的p c l ，而p v l 的分子量要低得多【3 5 】。 k u m 盯等 3 6 1 研究了溶剂对n o v o z y m 争4 3 5 催化c l 开环聚合的影响，所选溶剂有 乙腈、二氧六环、四氢呋喃、氯仿、异丙醚、异辛烷和甲苯。结果发现，在甲苯和异 辛烷中所得分子量最大( 矗= “，8 0 0 ) ，反应速率最快。在甲苯中，n o v o z y i n e _ 4 3 5 表 现出很高的热稳定性，聚合反应迅速，9 0 ，2 小时内单体转化率高达9 0 。 酶催化的聚合和降解速率很大程度上取决于反应体系中水的含量，在最佳水含量 时，速率达最大值。增加酶的投料比会使聚合反应速率增加但同时会导致分子量降低。 g s s 等【3 刀考察了脂肪酶催化c l 的聚合反应速率、聚合物分子量与水含量( 0 6 2 8 ) 和反应温度( 2 0 一1 0 8 ) 的关系，得出：分子量是由酶的含水量决定，而不是由反应温 度决定。脂肪酶催化s c l 的聚合反应，在6 5 之前，反应速率随温度的升高而增大； 而在6 5 之后，再升高反应温度，反而降低反应速率，这可能是由于高温下酶发生变 性失活口8 1 。酶催化聚合反应过程中，同时发生聚合、降解和酶失活等反应。 最近有报道【3 9 1 ，在有机溶剂的替代品环境友好的超临界二氧化碳( s c c d 2 ) 中脂 肪酶催化- c l 开环聚合，n o v o z y m 4 3 5 颗粒分散硝e - e c l 的超临界流体溶液中，所 得聚合物p c l 沉淀而出，如此得到的p c l 分子量与在甲苯中催化聚合得到的相似 ( 4 3 ，o o o ) ，但单体转化率高( 9 s - 9 8 ) ，所得聚合物分子量分散系数低口d i = 1 4 1 6 ) 。 文献报道对6 1 7 元环内酯的脂肪酶催化开环聚合进行了广泛研究1 3 ”。脂肪酶 p c 或p f 催化大环内酯的开环聚合，初始反应速率随环尺度的增加而增加，这可能是由 于酶对大环内酯的认知能力更强。实际上，大环内酯无环内张力，其阴离子聚合速率 比s c l 要低得多。然而，对于脂肪酶催化聚合，大环内酯却表现出异常的反应活性， 温和反应条件下即可获得高分子量的聚合物。在普通的化学催化聚合过程中，环的张 力能在聚酯链增长的基元反应中被释放出来，导致张力大的内酯具有快的增长速率； 而在酶促聚合过程中，决速步为内酯一酶复合物的形成，这个反应由内酯单体的疏水 性控制，内酯的疏水性随环尺度的增大而增大【枷。g r o s s 等1 4 1 】曾用脂肪酶p s 3 0 、a k ， 第一章蒹酯的酶催化聚合 脂酶m f 和n o v o z y m e 4 3 5 研究了十五内酯( - p d l ) 的开环聚合。从6 0 到9 0 温 度范围内，聚合速率和聚合物分子量随温度的升高而升高，若再升高反应温度，分子 量反而降低；当脂肪酶p s 3 0 固定于乙酰塑料上时，聚合速率增加。水含量是控制反 应速率和分子量的重要因素，最佳水含量时，用脂肪酶p s 3 0 为催化剂，得到高分子 量的p p d l ( h 佃= 6 2 ，0 0 0 ) 。 聚合反应速率还取决于脂肪酶的类型，如脂肪酶c a 和p c 催化辛内酯的开环聚合， 其聚合速率比脂肪酶p f 催化聚合速率要大，最高分子量是以脂肪酶p c 为催化剂，7 0 ，反应2 4 0 小时后获得【4 2 】。引发速率随环尺度的增大而增加，1 3 元内酯( d d l ) 的酶 促聚合要比e l 快得多，且较高的反应温度( 7 5 ) 所得聚合物分子量大【4 3 】。n 0 d a 等 【删经过研究发现。用表面活性剂包覆的脂肪酶p s 催化p d l 的开环聚合比其酶粉催化 反应效率高1 0 0 倍，可得到高分子量、高转化率、的分散性的聚酯。 在内酯的昏位引入取代基，其聚合速率反而增加。如脂肪酶c a 催化舡甲基善v l 和甜甲基- f c l 本体聚合反应速率比未取代的p l 要快【4 孔。 a l b e n s n 等用不同的聚合方法对l ，5 二氧杂2 酮x o ) 进行了广泛研究。d x o 通常在高温下( 1 1 0 ) 经有机金属引发剂引发本体聚合，反应2 0 小时后单体转化完全。 最近，用n o v o z y m e 4 3 5 ( 1 0 叭) 催化d x 0 6 0 本体聚合【4 6 】，4 小时内单体转化率达 9 7 ，生成的p d x o 分子量高达5 6 ，0 0 0 ，聚合条件比化学方法要温和得多。 生物相容性，生物降解聚合物已作为包覆材料用于生物医药领域。如酶催化金表面 引发c l 用于修饰金的表面m f 图1 3 ) 。 旷州。吖飞 。材 f i g l l r e 卜3 s c h e m 越cd 嘶吐傩0 f p 0 蜘m 出a o f - c a p r o k t o g o l d “血c e 图l - 3 金表面酶催化犯l 开环聚合 1 3 2 1 功能聚酯 功能侧基( 如羧基、羟基) 的存在赋予聚酯包括增加亲水性在内的迷人特征，这 是未取代的同类聚合物所不具有的。水溶性和生物降解性结合，极大地开拓了聚酯的 应用潜能，包括控制释放，药物载体和其它生物医药应用。功能聚酯在工业和生物医 药应用上具有很大用途，功能基团可用来：( a ) 共价连接药物；彻制备梳形、接枝和 北京化工大学博士学位论文 网状聚合物：( c ) 改变聚合物的亲水能力。 以功能性醇为引发剂，脂肪酶c a 催化内酯开环聚合，从而可在聚合物末端引入 功能基团( 称为“引发方法”) 。如5 己烯1 醇或5 己炔1 醇可定量引发d d l 开环聚 合得到不饱和的大分子单体，但这种方法引发s c l 不能定量反应。如用甲基丙烯 酸够羟乙醣引发d d l 聚合，可定量获得甲基丙烯酰氧乙氧基聚酯大分子单体4 8 1 ( 图 1 4 、。 广、+ 删些霎l 。也洲。砧。 沁7 ，r ：嗍一 篇嚣掷h 脚惴h 矶 h 一= l 厂o c 邮岭一 5 ：8 。h 2 c 。c “i 厂o ( 。“2 ) 厂 o f i g l l r e1 4 s y l i t l l e s i so f 如t 蛔帆l i z e d 即挑印p e dp o l y 髂t e r sb ye n z y m e - c a 协l y z e di i n g 0 p e n i n g p o l y l n e f i 翻t i o no f l 锄e s 图l - 4 酶催化内酯开环聚合形成端基功能化聚酯 酶催化内酯开环聚合，用乙烯基醑类化合物作封端剂( 即“封端引入法”) ，可 得到聚酯大分子单体及遥爪聚合物【4 9 】，如用甲基丙烯酸乙烯酯为封端剂，脂肪酶p f 为催化剂催化d d l 开环聚合，可在聚合物末端定量引入甲基丙烯酸基团得到甲基丙烯 酸酯型大分子单体( 图卜5 ) ，若改用癸二酸二乙烯酯封端则可得到两端基为羧酸的遥 爪聚合物。 a ) n i n m “ r 卜o ) + 腑罂g 咐鲫。业啦嬖g q 。聃0 晷m n 。 h ( a 呦l l lh 伪t 盯m 咐m m “ 骨 ：) + 畔腿一啦业已盼黜_ 。，斟。 、自妨【1 7 l ”j 孑“ n g u 忡l - 5 s y n t h 嚣i so f m 鲥0 i n i m e rb y1 i p 如e - t a l y z e dp o l y m e r i z a b o n 图卜5 脂肪酶催化合成聚酯大分子单体 最近，g r o s s 等划以甲基丙烯酸僻乙酯和a 羟基甲基丙烯酸的p e g ( 矗= 3 6 0 ) 第一章聚醢的酶催化聚合 为引发剂，用不同的脂肪酶催化p d l 开环聚合比较，发现n o v o z y m e - 4 3 5 催化效果最 佳，7 0 甲苯中( 单体，甲苯= 1 ，2w v ) 反应4 8 小时后得到p p d l 大分子单体。进一步用 a m n 为引发剂，7 0 甲苯中反应，得到了聚酯共聚物刷( 图l 一6 ) 。 + ( ! ；： 号斗。吖妒2 啼 。 f慨n = 8 f i g u l _ 6 b l z y m a 6 cs y l h i so f m a c r o m o i i o m e r s 圈l _ 6 酶催化大分子单体合成 1 3 2 2 聚醋共聚物 n o v o z y m e _ 4 3 5 为催化剂，单，双羟基的聚乙二醇引发r c l 开环聚合，成功地制备 了二三嵌段共聚物，且甲苯为溶剂时，得到了分子量和反应速率均更高的聚合物1 5 ”。 尽管大环内酯的均聚合速率比r c l 大得多，但不同尺度的内酯共聚时，得到的却是无 规共聚物蜊。这可能是由于酶在催化内酯开环聚合的同时，也催化分子之间的酯交换 反应，从而导致了聚酯结构的无规序列分布。如在7 0 甲苯溶液中，n o v o z n e - 4 3 5 催化p d l 和p c l 共聚，获得了高度结晶的无规共聚p ( p d l c l ) ，熔点随p p d u 均聚 熔点9 7 ) 和p c u 均聚熔点5 9 ) 在共聚物中的摩尔组成呈线性变化【5 3 】。脂肪族聚酯存 在下，脂肪酶p f 催化内酯开环聚合生成分子量达几千的聚酯共聚物，终产物不是两种 聚酯的混合物，而是包含两种单体单元的无规共聚物，即酶催化内酯聚合的同时也催 化了酯交换反应 剐( 图卜7 ) 。 4 叫c 咐。8 上+ 4 。忙m 0 一善c 咐兽t p e l p 队：m = n 昌4 p b s ：m 蝌。n ：8 p g ：m 蚺n ：4 p o s ：m ；n 畸 竺竺l i 一。( c 呦8 一邮。帅一一8 ( c h 2 ) n 艮l i o c h 幽c 一，o c h 2 ) i - o 一，一c ( c h 2 ) n c l f g u m l 一7 却ec a t a l y z e d 咖s 姻t 嘶6 c 8 t i o no f p o l y e s t t oe s t c rc o p o l y m e r s 图l 一7 酶催化聚醑酯交换形成酯的共聚物 惜 北京化工大学博士学位论文 1 3 2 3 位置选择或手性选择聚合 位置选择性聚合是脂肪酶催化聚合的典型特征之一。酶的高度区域选择性使蔗糖 仅作为二元醇反应而不发生交联( 蜘。有机溶剂中，通过蔗糖一6 ，6 7 一o _ 二烯基己二酸酯 及海藻糖一6 ，6 ，- 0 二烯基己二酯与不同二醇缩聚得到主链中含糖的线状聚酯，分子量 高达2 2 ，0 0 0 。反应中仅糖酯的乙烯端基与二醇反应，而没有糖的其它羟基参与交联反 应 s q ( 图卜8 ) 。 g留 + q 1 2 毋h ) c 噌口玢一c h - 啦 f i g h 雌l 矗“p 弱e 协l y z e dr e 西o s d e c d v e 删y m e r i 朋矗o no f s u c f 0 3 e 图卜8 脂肪酶催化糖类物质的区域选择性反应 u y a i i i a 等报道1 5 7 1 ，脂肪酶催化癸二酸二乙烯醇酯和三醇的区域选择聚合生成可溶 性聚酯，其中以生成l ，3 一双甘油酯为主，仅含少量支化的聚酯( 三甘油酯单元) 。与之 相似，山梨醇糖和癸二酸二乙烯醇酯在乙腈溶液中，酶催化区域选择性1 ，6 一位酰化， 生成聚酯f 5 8 】。 以多功能基团的亲核试剂为引发剂，脂肪酶催化内酯开环聚合，可产生含多功能 基团的寡聚物或高聚物。c o r d o v a 等报道酶催化甲基呋晡葡糖苷引发c l 开环聚合， 位置选择酰化生成甲基一6 一o p c l 呋喃葡糖苷f 5 9 】。b i s h t 等也报道p p l 催化s c l 开 环聚合，与乙基呋喃糖营产生新型的两亲分子，得到含不同寡聚p c l ( 磊= 4 5 0 和2 2 0 0 ) 的两亲共聚物。用脂肪酶c a 催化t m c 也进行了相同的反应，得到和乙基吡喃共价 连接的寡聚p t m c 【删( 图卜9 ) 。 9 第一章浆酯的酶催化聚合 惭户 o，o 燃 臂锚+ 0 一臂黜 f i g u 托1 9 l j p a s e - c a t a l y z c d 垂o s e 慨6 v el a c t o n e 血g - o p e i n gr e 曲n 们t bn u c l e o p h i i 船 图l 呻脂肪酶催化亲核试剂的位置选择性引发内酯开环聚合 脂肪酶在羟基醇和硫醇间也表现出化学选择性。2 巯基乙醇为引发剂，脂肪酶b 催化s c l 本体聚合得到巯基功能化的p c l 【6 ”。 1 2 _ 1 7 元环的口- 亚甲基大环内酯及其含功能基团的衍生物提供了既可发生酶催化 聚合的酯基，又可发生阴离子或自由基聚合的乙烯基团。经酶催化内酯开环聚合可获 得重复单元上含有活泼的甲基丙烯酸酯类基团，若进一步催化甲基丙烯酸酯类基团聚 合，就可得到聚合物凝胶。如2 亚甲基- 4 氧1 2 十二元内酯( 1 ) 经化学选择聚合可生成 源于开环聚合的聚合物( i i ) 或源于乙烯基聚合的聚合物( i i i ) 等不同的聚合物形式 ( 图l lo ) 。对于聚合物( i d 由于侧基为高活性的甲基丙烯酸酯，因此可再聚合形成聚合 物网络；而聚合物( i i d 中的大环内酯只能固定在聚合物链上。 乏三 阜丫八州 ( ) ( f i g u r e 卜1 0 c h 锄刚f i cp o l 舯鲥翻d o no f 2 蚰曲y l e 4 0 x a - 1 2 - d o d 黜o l i d c 图卜l o2 亚甲基4 氧1 2 十二元内酯化学选择性聚合 脂肪酶催化的对映选择性聚合，是酶促聚合的另一特征。如k ) b a y a s l l i 等旧3 用 l i p 蠲ep c 为催化剂，6 0 温度下，催化( r ) 一和( s ) 一3 一甲基一4 一氧一6 一己内酯本体 开环聚合，( s ) 一异构体的初始反应速率是( r ) 的7 倍。若酶催化外消旋的内酯与非 手性的内酯如e c l 或d d l 共聚，共聚物的对映选择性明显提高，生成对映超量( e e ) 1 0 唑 v 撇 。b乱 曳一 旷帅 * 北京化工大学博士学位论文 达7 6 的富( s ) 光学活性聚酯。4 一位取代的外消旋的r c l 在酶催化下本体聚合， 得到了几乎纯( s ) 手性的p c l 6 4 1 ( 图卜1 1 ) 。 b 嚣三k o i + b ，i l 外4 棚虻。佛繁器：掣 ； ( i 固o m e c l t o u j 却 b 罾k k 审 ，j 忡b ，( 挑衄) ( 毋 值f h e 岍， 细 n 髑 f i g i l i 旧l 一1 1 e 哟恤a 诅l y 捌a 埘o l e c 6 v er o po f s u b s d t i l t 耐_ c l 圈卜1 1 酶催化取代的e c l 的对映选择性开环聚合 1 3 3 聚碳酸酯 m a t s u m u m 等嘲报道酶可催化l