今日帶來近期發(fā)表在Biomacromolecules上的“Lipase-catalyzed epoxy?acid addition and transesterification: from model molecule studies to network build-up”。本文的通訊作者是來自莫納什大學(xué)的Gresil教授和來自巴黎文理研究大學(xué)的Tournilhac教授。
由于成本低、穩(wěn)定性高（耐受有機(jī)溶劑和較高溫度）、底物范圍廣，脂肪酶（lipase）被作為生物催化劑，被廣泛用于化學(xué)合成。它能催化許多化學(xué)反應(yīng)，如環(huán)氧化、?；?、醇解等。近年來，生物工程技術(shù)的發(fā)展使得脂肪酶的性能不斷提高，進(jìn)一步促進(jìn)其應(yīng)用。
高分子合成領(lǐng)域中，脂肪酶已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于單體生產(chǎn)、解聚以及線性聚酯的合成等。但是，交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的制備仍受到諸多限制，如聚合后期的凝膠化或玻璃化導(dǎo)致鏈段流動(dòng)性顯著降低，單體無法消耗完全。另外，交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的制備要求脂肪酶能同時(shí)催化環(huán)氧、羧酸的加成以及酯交換。為了達(dá)到以上要求，作者選用了來自Pseudomonas stutzeri的脂肪酶（lipase TL），詳細(xì)研究其機(jī)理，完成了交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的制備。
圖1. Lipase TL催化的環(huán)氧/酸加成、酯交換反應(yīng)示意圖以及不同溫度下反應(yīng)產(chǎn)物。
如圖1所示，lipase TL的催化活性來源于Ser-109、Asp-255以及His-277，上述殘基能在各種有機(jī)溶劑中識(shí)別底物，完成催化反應(yīng)。其催化能力在不同溫度、溶劑條件下不同。作者選用了環(huán)氧丙烷苯基醚（2-phenyl glycidyl ether, PGE）和己酸（hexanoic acid, HA）作為小分子模型，研究其催化能力隨反應(yīng)條件的變化。3.27、2.83和2.69 ppm處是PGE的化學(xué)位移，它們的積分面積能用來計(jì)算單體轉(zhuǎn)化率（如圖2所示）。結(jié)果表明，相同溫度下，加入lipase TL后單體轉(zhuǎn)化率顯著提高。
圖2. 100 oC時(shí)，含lipase TL反應(yīng)體系隨時(shí)間變化的1H NMR譜圖（CDCl3, 400 Hz）。反應(yīng)體系中lipase TL的含量為3 wt%。
通過1H NMR和GC-MS表征，作者發(fā)現(xiàn)了如圖1所示的四種產(chǎn)物，其中兩種是環(huán)氧/酸加成產(chǎn)物，另外兩種是酯交換產(chǎn)物。如圖2所示，它們的含量可分別通過4.00、3.79-3.63、5.31以及5.15 ppm處化學(xué)位移的積分面積計(jì)算得出。如圖3所示，兩種反應(yīng)的相對(duì)比例和反應(yīng)溫度、水含量有關(guān)。
圖3. (a) 環(huán)氧轉(zhuǎn)化率隨時(shí)間、溫度和水添加量的變化；(b) 反應(yīng)早期 (0–4 h)環(huán)氧轉(zhuǎn)化率隨時(shí)間變化；(c) 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)曲線；(d) 脂肪酶催化和脂肪酶-H2O催化加成反應(yīng)的阿倫尼烏斯圖。
較低溫度（< 100 oC）時(shí)，環(huán)氧/酸加成、酯交換反應(yīng)同時(shí)緩慢發(fā)生。但是，更高反應(yīng)溫度（如120或140 oC），環(huán)氧/酸加成反應(yīng)能快速完成，酯交換產(chǎn)物卻很少。高溫下，lipase TL會(huì)發(fā)生變性，導(dǎo)致酯交換反應(yīng)催化能力的喪失，環(huán)氧/酸加成反應(yīng)催化能力卻能在極其苛刻的反應(yīng)條件下保持（如140 oC，含有lipase TL的反應(yīng)體系單體消耗速率更快）。作者將lipase TL在200 oC處理3小時(shí)，然后將其加入反應(yīng)體系，仍然能在100 oC下催化環(huán)氧/酸加成反應(yīng)的發(fā)生。因此，lipase TL催化交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的生成不能使用高溫等苛刻反應(yīng)條件，否則只能形成以線性聚合物為主的產(chǎn)物。
有機(jī)溶劑中，水含量通常影響著酶促酯交換反應(yīng)的速率。少量的水能保持酶在有機(jī)溶劑中的活性，但是過量的水會(huì)增加水解等副反應(yīng)的發(fā)生。如圖3d所示，少量水能降低反應(yīng)的活化能。
如圖4所示，作者使用間苯二酚二縮水甘油醚和癸二酸作為單體，利用lipase TL-H2O催化體系制備了交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，其中lipase TL和H2O含量分別為3 wt%、0.3 wt%。為了平衡反應(yīng)速率和酶穩(wěn)定性，作者選用了100 oC下反應(yīng)72小時(shí)。紅外光譜表明，酸和環(huán)氧的特征吸收完全消失。作為對(duì)照，不加入lipase TL的反應(yīng)體系在相同條件下單體轉(zhuǎn)化率僅為50%。
圖4. 100 °C、lipase TL存在下，雙環(huán)氧化物/酸摩爾比為1: 1液體混合物發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)示意圖。
綜上所述，作者通過小分子模型反應(yīng)證明lipase TL在環(huán)氧樹脂固化條件下能同時(shí)催化環(huán)氧-酸加成和酯交換反應(yīng)。溫度和含水量會(huì)影響催化反應(yīng)速率，過高溫度會(huì)導(dǎo)致酶變性失活，不利于交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)生成。最終，作者在優(yōu)化條件（100 °C、72 h 和 0.3 wt% 的水）下制備了生物基聚酯交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。
作者：LXY 審校：ZZC
DOI: 10.1021/acs.biomac.1c00820
Link: https://doi.org/10.1021/acs.biomac.1c00820
