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Effect of initiators on enzyme-catalyzed ring-opening polymerization of ε-caprolactone

引发剂对酶促开环聚合ε-己内酯的影响



全 文 :引发剂对酶促开环聚合!!己内酯的影响
马玖彤,李全顺,王元鸿,韩四平,冯 雁!
(吉林大学 分子酶学工程教育部重点实验室,长春 "#$$%#)
摘 要:通过脂肪酶 &’(’)*+ ,#- 催化的!!己内酯开环聚合反应,在无溶剂体系中研究了聚己内酯的合成及末端官
能化。以醇类为引发剂,研究了引发剂对聚合过程单体转化率、产物结构和相对分子质量的影响。结果表明,在引
发剂存在的条件下,反应速率提高,产物相对分子质量降低。无引发剂时单体转化率为 ./ 0#%1,乙醇和乙二醇为
引发剂时分别为 /. 0,#1和 2/ 0/$1。产物相对分子质量在无引发剂时为 - #/#,乙醇和乙二醇为引发剂时分别下降
到 % "%. 和 " 2-"。另外,产物的红外光谱和"3 &45谱图显示,引发剂的加入实现了聚合物的末端官能化。
关键词:脂肪酶;!!己内酯;开环聚合;引发剂;无溶剂条件
中图分类号:67#"8 9#," 文献标识码:: 文章编号:"8.% ; #8.2(%$$8)$, ; $$%8 ; $8
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聚己内酯(K’S*TDKQ’SDT?’@O,YXB)由于其良好的
生物相容性及可降解性,在生物医用材料和包装领
域有广泛的应用["]。低相对分子质量 YXB 被广泛
地用作合成聚氨酯的软段部分及药物载体;高相对
分子质量 YXB可以作为细胞外支架和人造器官等。
通常,聚己内酯的合成是通过金属催化剂催化开环
聚合反应来实现的。但是苛刻的反应条件(高温、高
压等)和较多副产物的生成给生产带来了困难。此
外,重金属催化剂的痕量残留和潜在毒性限制了其
在生物医用材料领域中的广泛应用["]。
近年来,酶促聚合由于反应条件温和、无毒、立
体和区位选择性高、催化效率高等优点,在环境友好
! 收稿日期:%$$8!$"!".
基金项目:吉林省科技厅高技术重点项目(%$$-$#"%)
作者简介:马玖彤("/8/!),吉林长春人,女,博士研究生,研究方向为生物催化合成功能高分子材料。
联系人:冯 雁,教授,博士生导师,M!+D=S:*RO@A[ +D=S 0 \S> 0 OV>0 T@
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·%8·
生 物 加 工 过 程
XF=@OEO <’>Q@DS ’R ]=’KQ’TOEE M@A=@OOQ=@A
第 , 卷第 , 期
%$$8 年 "" 月
万方数据
材料的合成方面具有重要的应用[!,"]。其中,脂肪
酶催化的开环聚合反应研究得最为广泛。#$$" 年,
%&’&([)]和 %*+’,’-.([/]最先报道了利用酶促开环聚
合反应合成聚己内酯,在无溶剂体系中聚合物相对
分子质量达到 0 011。其后,在无溶剂体系中探讨了
甲醇为引发剂的己内酯聚合反应,发现单体转化率
明显高于无引发剂体系[2];以正己醇为引发剂的己
内酯聚合反应,引发剂浓度对产物相对分子质量和
单体转化率有显著的影响,随着引发剂浓度的增加,
单体转化率提高,但聚合产物的相对分子质量降
低[0]。由于有机相酶学的发展,人们应用“溶剂工
程”、“分子印记”等技术手段对酶促聚合反应进行了
深入研究[3,$],并探讨了不同溶剂体系及不同引发
剂对产物相对分子质量和单体转化率的影响。在正
庚烷体系中进行己内酯的聚合反应,以微量水做引
发剂,单体转化率与相对分子质量存在负相关效应,
即单体转化率为 3/4时相对分子质量为 0 211,单体
转化率为 $34时相对分子质量降为 ) !11;同时研究
了丁醇和丁胺为引发剂对聚合产物相对分子质量的
影响,单体转化率为 !24时,丁胺完全消耗而只有
"04的丁醇参与了反应,单体转化率为 #114时,产
物相对分子质量分别为 # $11 和 # !11[#1]。
酶促聚合反应中引发剂的加入不仅可以提高单
体转化率,更重要的是能够建立高效和简便的末端
官能化途径,有利于合成不同种类的高分子聚合物。
通常在化学反应中,末端的官能化需要保护和去保
护步骤,而酶促聚合反应通常一步可以实现。目前
应用醇类和糖苷引发剂已成功合成多种功能高分
子[##5#"]。最近,将酶促合成法与化学方法联合使用
来合成具有特殊结构和功能的高分子材料成为研究
热点。6’&7先利用 8*9*:,; )"/ 为催化剂,以甲醇5
乙二醇为引发剂,催化合成末端官能化的聚己内酯,
然后利用化学催化剂 <=5>?>@ 进行原子转移自由基
聚合形成二元和三元共聚物[#)]。但是,醇类作为引
发剂对酶促聚合反应机制方面尚无深入研究。
研究了以 8*9*:,; )"/ 为催化剂的聚己内酯合
成反应,在无溶剂体系条件下,利用醇类为引发剂,
研究了其对反应过程单体转化率的影响;探讨了不
同链长醇类引发剂对聚合产物相对分子质量的影
响;并首次从机理上分析了单羟基与双羟基引发剂
对于单体转化率和产物相对分子质量的影响及实现
末端官能化的重要意义。利用醇类作为引发剂在酶
的催化作用下实现了高分子末端的一步官能化,为
聚合物的进一步修饰以及其他特殊结构和功能的聚
合物的合成奠定了基础。
! 材料与方法
# A# 试剂及仪器
!5己 内 酯( B@?C’ 公 司);8*9*:,; )"/( 8*9*
8*DE(-C公司),活力为 0 F G ;7(底物为月桂酸丙酯),
使用前在干燥器中过夜干燥;其余试剂均为国产分
析纯,使用前不作进一步处理。
H7(@I&= 23$18气相色谱仪(H7(@I&= 公司);8J>K5
LMN傅立叶变换红外光谱仪(N.ID;* M@IO=D*& 公司);
HPH8>M QRS/11 型核磁共振仪(TD?OCID 公司);
>LH<<5PU型凝胶渗透色谱系统(7I@ VID;I’=(*& O.D*5
;’=*7D’V.,,WU>)(<.(;’E? 公司);RI==@ID N*@IE* 万分
之一电子天平;XY5$2#!% 高温振荡培养箱;T(*Z?7I
台式冷冻离心机;QYB型真空干燥箱。
# A! 实验方法
# A! A# 酶促聚合反应
称取 / ;7 8*9*:,; )"/ 置于 ! ;L 旋塞反应瓶
中,加入 !11"L!5己内酯,再分别加入 1 A# ;;*L 引
发剂(甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、异戊醇、
乙二醇和正辛醇)。封口膜密封后在 )/ [恒温摇床
中,以 #31 D·;(& \ #进行震荡反应。反应结束后,用
二氯甲烷稀释反应液,过滤除酶并洗涤;滤液定容
#1 ;L,取其中 # A11 ;L 测单体转化率。其余滤液经
旋转蒸发去除有机溶剂后,加入 \ !1 [甲醇 #1 ;L,
并在 \ !1 [中过夜沉淀,经 3 111 D·;(& \ #离心 #1
;(&后,收集的沉淀真空干燥 #! .,得聚合产物,用
于相对分子质量测定及结构分析。
# A! A! 单体转化率的测定[#/]
采用气相色谱法进行单体转化率的测定。进样
量为 # A1"L。仪器配备 XU5/ 毛细管柱("1 A1 ; ]
"!1"; ] 1 A!/";)和氢火焰离子化检测器。测试条
件:进样池温度 !11 [;检测器温度 !31 [;起始柱
温 #)1 [,保持 ! ;(&,然后进行程序升温,升温速率
#1 [·;(& \ #,终温度 !11 [,保持 ! ;(&。样品测定
采用内标法,以乙酸丁酯为内标。单体转化率计算
公式:!"# ^ #11 !$
! %"&’"
%$&’$
] #11
!"#为单体转化率;!$,! 分别为内标物及试
样的质量(;7);’",’$ 分别为被测组分和内标物的
峰面积;%"&,%$&分别为被测组分和内标物的相对质
量校正因子。
!112 年 ## 月 马玖彤等:引发剂对酶促开环聚合!5己内酯的影响 ·!0·
万方数据
! "# "$ 相对分子质量及其分布的测定
采用 %&’ 对产物相对分子质量及分布进行测
定。配备 !()示差折光检测器及 *+,-./ 012(# 和 01
2(34 %&’柱。以四氢呋喃为流动相,流速为 ! "((
56·578 9 !。称取 $ 5: 聚合物样品,用 ! 56 四氢呋
喃溶解,经 ( "#3!5滤膜过滤,取滤液 #(!6进样,测
定相对分子质量及其分布。采用标准相对分子质量
的聚苯乙烯作为相对分子质量标准(相对分子质量
为 # !((,; <#(,< <#(,33 $=(,<3 (((,<=3 ((()。
! "# "; 聚合物结构的表征
以 ’>’?$ 为溶剂,进行!@ A4B 分析;聚己内酯
产物采用 0CD压片法进行红外光谱结构分析。
! 结果与分析
# "! 引发剂对聚合反应单体转化率和产物相对分
子质量的影响
为了考察引发剂对聚合速率的影响,对无引发
剂和醇类为引发剂条件下的单体转化率随时间的变
化进行了研究。单体转化率测定的气相色谱如图 !
所示,溶剂二氯甲烷、内标物乙酸丁酯和"1己内酯的
保留时间分别为 ! "2$<,# "((,$ "(2< 578。
图 ! "1己内酯气相色谱图
E7: F! G+. :HI J+D,5HK,:DHL+M IL.JKDN5 ,O"1JHLD,?HJK,8.
图 # 为无引发剂、乙醇和乙二醇为引发剂条件
下酶促聚合己内酯的时间进程曲线。从图 # 中可以
明显看出,乙醇和乙二醇对聚合反应有明显的促进
作用,极大地提高了反应速率。在反应 # + 时,无引
发剂、乙醇和乙二醇为引发剂时单体转化率分别为
$# ";#P、Q# "Q(P和 3Q "!=P。
当反应进行到 ;2 +,乙醇和乙二醇为引发剂时
单体转化率分别为 发剂时的 Q< "$#P。
—!—A, 787K7HK,D;—"—RK+H8,? HI 787K7HK,D;—#—%?MJ,? HI 787K7HK,D
图 # 聚合反应时间进程曲线
E7: F# G75. J,NDI. JNDS. ,O L,?M5.D7THK7,8
对其他醇类作为引发剂在 ;2 + 时的单体转化
率也进行了测定,得到了与乙醇和乙二醇类似的结
果(见表 !)。无引发剂体系单体转化率 Q< "$#P,加
入醇类引发剂的体系单体转化率在 2Q "($P U
!((P,由此可见,醇类引发剂的加入提高了单体转
化率,对反应起促进作用。同时考察了不同醇类引
发剂对相对分子质量的影响。实验数据表明,醇类
引发剂的加入在提高单体转化率的同时降低了聚合
产物的相对分子质量,无引发剂时产物相对分子质
量为 = $<$,醇类为引发剂时产物相对分子质量介于
! 2=! U $ ;((;随着醇的主链的增长,聚合产物相对
分子质量有增大的趋势,甲醇为引发剂时相对分子
质量为 # !#=,正辛醇为引发剂时相对分子质量可达
到 $ ;((。同时,醇类作为引发剂的聚合产物相对分
子质量分布很窄(!V W ! 8 小于 ! "2()。
表 ! 添加不同引发剂与单体转化率的关系
GHX?. ! B.?HK7,8I+7L X.KV..8 5,8,5.D J,8S.DI7,8 H8- 787K7HK,DI
引发剂 单体转化率 W P !8 !V W !8
无引发剂 Q< F$# = $<$ # F33
甲醇 !(( # !#= ! F=3
乙醇 正丙醇 !(( # 3<= ! F33
异丙醇 !(( # 2=3 ! F32
正丁醇 << F=( # Q2( ! FQ2
异戊醇 << F2# $ ((2 ! FQ$
乙二醇 2< F<( ! 2=! ! F;#
正辛醇 2Q F($ $ ;(( ! FQ2
注:反应体系为 #((!6"1己内酯,酶量为 = 5:,引发剂加入量
为 ( "! 55,6;聚合反应条件为 ;= Y下反应 ;2 +。
# "# 末端官能化聚己内酯的结构鉴定
·#2· 生物加工过程 第 ; 卷第 ; 期
万方数据
通过对无引发剂和不同醇类为引发剂产物的红
外光谱和 ! " #$% 谱图分析,我们研究了引发剂对
产物结构的影响,同时对末端官能化聚己内酯的结
构进行了表征。
图 & 为无引发剂、乙醇和乙二醇为引发剂反应
’( )时产物的红外光谱图。在无引发剂的产物红外
谱图中(图 &(*)),! +,’ -. / !处强的吸收为01 2 30的
伸缩振动,其位置介于酸和酯01 2 30的伸缩振动之
间,表明产物中存在酯键和羧基;& ’’4 -. / !处的小
的吸收为羟基 30"的伸缩振动;指纹区中 5&6 -. / !
和! !54 -. / !为其特征吸收。乙醇为引发剂的聚己
内酯产物中,末端羧基由于与醇成酯,谱图中 & ’’4
-. / !位置处吸收峰的强度减弱(图 &(7)),而乙二醇
为引发剂时,产物末端均为羟基,所以在该位置处吸
收峰强度的变化并不明显(图 &(-))。
图 & (*):无引发剂条件下聚己内酯的红外光谱;(7):乙醇为引发剂条件下聚己内酯的红外光谱;
(-):乙二醇为引发剂条件下聚己内酯的红外光谱
89: ;& <=>?*?@A BC@-D?* E> CEFG(!0-*C?EF*-DE=@);(*):#E 9=9D9*DE?;(7):HD)*=EF *B 9=9D9*DE?;(-):IFG-EF *B 9=9D9*DE? ;
,44J 年 !! 月 马玖彤等:引发剂对酶促开环聚合!0己内酯的影响 ·,5·
万方数据
图 ! 为无引发剂、乙醇和乙二醇为引发剂反应
!" #时产物的$% &’(谱图。从图中看出,醇类引发
剂的加入实现了聚合产物的末端官能化。由图 !
())和 !(*)中亚甲基峰 #和 + 峰面积与聚己内酯 , 处
峰面积之比,可以计算出产物末端官能化的比例分
别为 -$.和 /".。结果显示,乙二醇为引发剂时,
产物的修饰程度低于乙醇为引发剂时,而且体系中
微量水为引发剂的产物仍然占很大比例。可见,两
种引发剂在实现末端官能化的能力上存在很大的差
异。
图 ! (0):无引发剂条件下聚己内酯的$% &’(谱图;()):乙醇为引发剂条件下聚己内酯的$% &’(谱图;
(*):乙二醇为引发剂条件下聚己内酯的$% &’(谱图
1+2 3! $% &’( 456*780 9, 59:;(!<*0589:0*79=6)3(0):&9 +=+7+0798;()):>7#0=9: 04 +=+7+0798;(*):?:;*9: 04 +=+7+0798 3
! 讨 论
酶催化聚合内酯的机理[$@]一般认为是酶活性中
心的 A68残基与内酯形成“酰基<酶中间体”,然后引发
剂(如水、醇、胺等)对中间体亲核进攻导致链引发,链
的增长则是通过形成的"<羟基脂肪酸(或酯)长链分
子对中间体进攻而发生的(图 B所示)。目前,对于聚
合反应的限速步骤存在着争议。尽管多数学者支持
“酰基<酶中间体”的形成为反应的限速步骤,然而引
发剂的加入,较大程度地提高了单体转化率,对反应
有明显的促进作用。这表明,“酰基<酶中间体”的形
成并非反应的限速步骤,反应的限速步骤应为引发剂
对中间体的亲核进攻。原因可能在于引发剂浓度的
增加,链引发加速最终导致反应速率的增加。在等浓
度的乙二醇和乙醇为引发剂条件下聚合速率的差异
可能是由于形成的"<羟基脂肪酸酯对“酰基<酶中间
体”亲核进攻的差异造成的。由于乙二醇为引发剂形
成的"<羟基脂肪酸酯末端均为羟基,而只有其中之一
才能有效引发链的增长;乙醇为引发剂时一端为甲
基,不存在羟基间的竞争关系,导致最终单体转化率
高于乙二醇为引发剂。体系中加入引发剂不仅提高
了反应速率和单体转化率,同时也为进一步揭示聚合
机理和动力学奠定基础。
·CD· 生物加工过程 第 ! 卷第 ! 期
万方数据
图 ! 内酯酶促开环聚合反应机理["#]
$%& ’! ()*+,-%./ 01 )-23/)4*,5,632)7 8%-&409)-%-& 9063/)8%2,5%0- 01 6,*50-).
由于醇类引发剂的加入,醇类引发剂和形成的
!4羟基脂肪酸酯相互竞争性地对“酰基4酶中间体”
亲核进攻,导致产物相对分子质量由于链的延伸反
应受限而下降。此外,体系中微量水由于没有参与
亲核进攻,而使较多水分子参与到聚合物的水解过
程,也可能是造成产物相对分子质量下降的一个重
要原因。
通过体系中加入引发剂,完成了对聚合物末端
的一步官能化,再进一步与原子转移自由基聚合反
应相结合合成具有特殊结构和功能的聚合物。本研
究的深入将为聚合物的修饰以及多嵌段共聚物的合
成开辟了新的途径,同时为生物医用高分子材料及
药物载体的开发提供了新的思路。
参考文献:
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