酶催化环–链互变实现呋喃基聚酯的可循环化：大环寡酯合成与熵驱动开环聚合（ED-ROP）研究

《RSC Sustainability》：Enabling circularity in furan-based polyesters via enzymatic ring–chain interconversionOpen Access

　　

大环寡酯（macrocyclic oligoesters，MCOs）是通过熵驱动开环聚合（entropy-driven ring-opening polymerization，ED-ROP）实现聚酯绿色合成与回收的有前景中间体。本研究采用化学和酶催化两种途径，考察生物基二醇2,5-双(羟甲基)呋喃（BHMF）和((氧双(亚甲基))双(呋喃-5,2-二基))二甲醇（OBMF-H）与一系列脂肪族二甲基酯的聚合与环化。研究人员首先通过BHMF和OBMF-H与选定脂肪族二甲基酯的酶促缩聚评估其作为聚酯构建单元的适用性。在所评价的生物催化剂中，Novozym 435始终优于Pseudomonas stutzeri lipase，得到更高分子量和更窄分子量分布的低聚物。随后在假高稀释条件（pseudo-high-dilution conditions，PHDC）下合成相应MCOs。化学法与酶法比较表明，Novozym 435可高效促进环化，当使用长链脂肪族二甲基酯时MCO产率高达63%。分子对接（molecular docking）研究与实验发现呈强定性一致，并识别癸二酸酯基底物为最有利的环化候选物。所得大环随后在酶催化下进行ED-ROP，原料包括纯化大环和粗大环/线性低聚物混合物。总体而言，结果表明酶催化为呋喃基MCOs的合成与聚合提供了高效且绿色的路线，并为催化剂选择、环–链平衡（ring–chain equilibria，RCE）和原料纯度对大环形成及聚合的影响提供了有价值见解。

研究背景：线性聚酯（PEs）因性能优异而应用广泛，工业上主要由二酸/二酯与二醇缩聚（polycondensation，PC）或内酯及大环寡酯（macrocyclic oligoesters，MCOs）开环聚合（ring-opening polymerization，ROP）制备。PC通常需两阶段高温酯交换和金属/有机金属催化剂，催化剂难去除，并可导致着色、热不稳定、性能下降、碳化糖杂质甚至毒性；商业热塑聚酯仍多依赖化石单体，带来温室气体排放和废物管理问题。生物基单体如2,5-呋喃二甲酸（FDCA）和2,5-双(羟甲基)呋喃（BHMF）受到关注，但BHMF约160 °C开始降解，传统高温金属催化不利；FDCA衍生MCOs多依赖氯化学或有毒溶剂；ED-ROP常在含线性低聚物的粗混合物上进行，原料纯度影响高分子量形成；BHMF和((氧双(亚甲基))双(呋喃-5,2-二基))二甲醇（OBMF-H）衍生MCOs的系统研究较少，尤其缺乏化学与酶环化及后续ED-ROP的综合比较。此前Loos研究组已报道BHMF与脂肪族二酯的酶促缩聚，而OBMF-H的酶促聚合尚未见描述。因此，研究人员开展本研究。

研究内容与意义：研究人员以BHMF和OBMF-H与系列脂肪族二甲基酯为单体，用化学和酶法研究聚合与环化；比较Novozym 435（NOVO453；固定化南极假丝酵母脂肪酶B，CALB）与施氏假单胞菌脂肪酶（Pseudomonas stutzeri lipase，PSTL）；在假高稀释条件（pseudo-high-dilution conditions，PHDC）下制备MCO；比较二丁基氧化锡(IV)（Bu₂SnO）化学环化与酶催化环化；用纯化MCO及粗MCO/线性低聚物混合物进行ED-ROP；结合分子对接解释CALB催化。结论是NOVO453一致优于PSTL；BHMF和OBMF-H均适合酶促聚酯合成；酶环化最高分离产率为MCO7 63%、MCO16 50%；对接与实验定性一致；酶促ED-ROP优于Bu₂SnO，无溶剂条件下最高数均分子量（M_n）分别为5131和5747 Da；纯MCO原料优于粗混合物。其意义在于为呋喃基MCOs的绿色合成和聚合提供路线，并加深对催化剂选择、环–链平衡（ring–chain equilibria，RCE）和原料纯度影响的理解，支持生物基聚酯的循环利用；原文同时指出所得分子量中等，研究重点在环–链互变而非分子量优化。

关键技术与方法（不超过250字）：采用化学与酶催化缩聚；以Dean–Stark装置、CPME（环戊基甲基醚）和Bu₂SnO或NOVO453进行PHDC合成MCO；柱层析纯化；用¹H/¹³C核磁共振（NMR）、高分辨质谱（HRMS）、基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱（MALDI-TOF MS）和单晶X射线衍射（XRD）表征；分子对接使用CALB（PDB 1TCA）、AutoDock 4.2和Lamarckian遗传算法，100次运行，网格60×60×60 ?、间距0.250 ?，以Ser105 O^γ–羰基碳≤3.5 ?且攻击角≤90°定义生产性构象；ED-ROP使用PSTL/NOVO453/Bu₂SnO，在2-甲基四氢呋喃（MeTHF）或无溶剂、50/80 °C下进行24 h。本研究未涉及样本队列。

研究结果：
（1）BHMF和OBMF-H基聚酯的酶促缩聚（Enzymatic polycondensation of PEs from BHMF and OBMF-H）：通过BHMF/OBMF-H与丁二酸二甲酯（DM-Suc）、己二酸二甲酯（DM-Adp）、癸二酸二甲酯（DM-Seb）在MeTHF/CPME中经PSTL或NOVO453催化缩聚，得出NOVO453一致优于PSTL，产物的M_n更高、多分散指数（PDI）更窄；BHMF体系在MeTHF中分子量较高，OBMF-H体系某些共单体在CPME中相当或略优；DM-Adp和DM-Seb通常较DM-Suc得到更高分子量；线性与环状低聚物共存，证实缩聚和RCE同时发生；OBMF-H可作为生物基构建单元；BHMF的1.0:1.0摩尔比优于1.0:2.0，OBMF-H受摩尔比影响较弱。
（2）BHMF和OBMF-H衍生MCOs的化学与酶催化合成（Chemically and enzymatically catalysed synthesis of BHMF and OBMF-H derived MCOs）：通过BHMF与甲基辛酸酯酯化筛选促进剂，Bu₂SnO最有效；PHDC化学环化得MCO7 30%（0.5 eq. Bu₂SnO时为14%）、MCO16 27%，短链二酯产率较低；NOVO453酶促PHDC在100 °C下得MCO7 63%，酶载量降至25%仍约63%，MCO16 50%，短链二酯与化学法相当；MALDI-TOF显示酶催化产物分布更干净、环状物种比例更高、线性低聚酯更少；单晶XRD确认MCO7和MCO16结构；化学与酶条件不同，不能严格定量比较催化效率。
（3）呋喃基环化与NOVO453的分子对接研究（Molecular docking studies on furan-based cyclisation with NOVO453）：通过CALB对聚合度2的二聚体底物对接，以Ser105 O^γ–羰基碳≤3.5 ?、攻击角≤90°定义生产性构象，得BHMF_DM-Suc和BHMF_DM-Adp生产性构象数较多（52、42），但平均结合能较弱（?3.42、?3.71 kcal mol^?1），实验产率仅10%–11%；癸二酸酯体系结合能最有利（BHMF_DM-Seb最小?5.31、平均?4.88；OBMF_DM-Seb最小?6.04、平均?5.62 kcal mol^?1），实验产率63%、50%；OBMF_DM-Adp为中等（平均?4.11 kcal mol^?1，18%）；结构观察显示癸二酸酯底物在活性口袋中取向相似，酯羰基朝向Ser105并由Ser105/His224/Asp187及Thr40/Gln106稳定，BHMF–DM-Seb的Ser105 O^γ–羰基碳距离3.2 ?，而BHMF–DM-Suc取向较不利；结论是催化效率不由生产性构象数单独决定，而由催化几何、底物柔性和热力学稳定化共同决定，对接与实验定性一致。
（4）通过BHMF和OBMF-H衍生MCOs的ED-ROP制备聚酯（PEs via ED-ROP of BHMF and OBMF-H derived MCOs）：通过纯MCO7/MCO16在MeTHF或无溶剂中经PSTL/NOVO453/Bu₂SnO催化ED-ROP，得酶催化显著优于Bu₂SnO；MCO7在80 °C、NOVO453、无溶剂下M_n=5131 Da、PDI=1.21（MeTHF中M_n=4503、PDI=1.39），MCO16在80 °C、NOVO453、无溶剂下M_n=5747、重均分子量（M_w）=6918 Da、PDI=1.21（MeTHF中M_n=4374、PDI=1.32）；Bu₂SnO产物分子量较低、PDI较宽（>2.5）；浓体系/无溶剂有利，证实熵驱动和RCE的重要性；用BHMF+DM-Seb酶环化粗混合物直接ED-ROP，M_n为1012–2405 Da，低于纯MCO7，80 °C、NOVO453时较高，温度影响最大，溶剂影响次要且不一致；纯MCO原料优于粗混合物。

讨论总结：原文强调酶催化条件温和、可避免金属催化剂，无溶剂ED-ROP有利于资源高效加工；纯化大环和原料组成显著影响聚合行为；RCE是理解大环形成与ED-ROP的关键。研究结论翻译：该研究系统考察BHMF和OBMF-H基呋喃低聚酯的聚合、环化和ED-ROP；NOVO453优于PSTL，BHMF和OBMF-H均适合酶促聚酯合成；MCOs经PHDC成功制备，Bu₂SnO得低至中等产率，NOVO453显著改善尤其癸二酸酯体系，MCO7和MCO16最高分离产率分别为63%和50%；MALDI-TOF显示酶环化产物分布更干净、环状物种比例更高、线性低聚酯更少；单晶XRD确认大环结构；分子对接与实验定性一致，癸二酸酯底物结合能最有利，催化效率由催化几何、底物柔性和热力学稳定化共同决定；ED-ROP中NOVO453较Bu₂SnO得到更高分子量和更窄分散度，浓/无溶剂条件有利，证实熵驱动和RCE的重要性；纯MCO原料优于粗混合物；尽管分子量中等，本研究主要探索环–链互变而非优化分子量，进一步优化ED-ROP条件有望提高分子量；整体表明酶催化为呋喃基MCOs合成和聚合提供可持续平台，并加深对催化剂类型、底物结构、RCE和聚合行为关系的理解，有助于生物基聚酯的绿色生产、回收和循环利用。