生物基聚(亚烷基呋喃酸酯)及ω-十五内酯基共聚酯的熵驱动酶促开环聚合

《European Polymer Journal》：Entropically driven enzymatic ring-opening polymerization of biobased poly(alkylene furanoate)s and ω-pentadecalactone-based copolyesters

　　

摘要

环状低聚物的酶促合成构成了一条通过熵驱动开环聚合制备高分子量聚酯的颇具吸引力且可持续的途径。在本工作中，研究人员采用南极假丝酵母脂肪酶B（Candida antarctica lipase B，CALB），在高度稀释溶液和温和反应条件下，以可再生1,4-丁二醇、1,5-戊二醇、1,10-癸二醇和2,5-呋喃二甲酸二甲酯为原料，高效合成了环状亚烷基呋喃酸酯低聚物。环化过程以显著的高产率进行，仅在48 h内即获得相应的环状低聚物（从二聚体到六聚体）。研究人员通过¹H NMR波谱法、HPLC和MALDI-TOF质谱法对其化学结构、分子组成和纯度进行了全面表征，同时通过DSC和TGA研究了其热行为。随后，将分离得到的环状低聚物分别在溶液和熔体中进行熵驱动酶促开环聚合，获得了具有优异热稳定性的高分子量半结晶聚(亚烷基呋喃酸酯)。此外，环状呋喃酸酯低聚物还成功与ω-十五内酯进行酶促共聚，在全部组成范围内生成了无规芳香-脂肪族共聚酯。所有共聚酯均表现出半结晶行为以及高热稳定性，证明了酶促合成的环状呋喃酸酯低聚物作为高效构建单元，可用于可持续生产全生物基高性能聚酯和共聚酯。

**生物基聚(亚烷基呋喃酸酯)及ω-十五内酯基共聚酯的熵驱动酶促开环聚合研究解读**

**1. 研究背景与问题**

当前，从石油化工资源向可持续生物基替代品的转变是现代高分子科学面临的关键挑战。生物基塑料目前仅占全球年产量的0.5%，但其可持续性和竞争性性能优势正使其日益受到重视。在此背景下，2,5-呋喃二甲酸(FDCA)已成为最重要的可再生构建单元之一，其作为生物基芳香族单体，可工业化地从木质纤维素糖类脱水制得的5-羟甲基糠醛(HMF)催化氧化获得，是石油基对苯二甲酸(TPA)的可持续结构类似物。由于呋喃环的刚性，FDCA基材料表现出与TPA基对应物相当甚至更优的热学、力学和阻隔性能。由FDCA与各种脂肪族二醇合成的聚亚烷基呋喃酸酯(PAFs)是FDCA基聚合物的重要类别，可作为现有聚对苯二甲酸亚烷基酯的可持续类似物。然而，尽管FDCA基聚酯潜力巨大，但其应用受到若干限制：多种均聚物结晶动力学缓慢、固有脆性且普遍缺乏生物降解性。

目前呋喃基聚酯的合成主要依赖金属催化的高温高真空熔融缩聚，这些严苛条件常导致产物变色、热稳定性低以及金属残留，与多种应用领域不相容。相比之下，熵驱动开环聚合(ED-ROP)为传统缩聚提供了有吸引力的替代方案，可在显著温和的反应条件下实现聚合物合成，且为无副产物过程。然而，ED-ROP方法在PAF均聚物和共聚物中的应用仍相对有限，且环状低聚物前体的合成常面临纯化程序繁琐、产率低的问题。传统路线还常使用酰氯衍生物试剂，带来安全和环境挑战。因此，开发一种完全绿色的酶促路线，通过酶促环化合成环状亚烷基呋喃酸酯低聚物并结合ED-ROP制备高性能生物基聚酯，具有重要的学术意义和应用价值。

**2. 研究开展与主要结论**

本研究报道了一条绿色合成路线，用于制备三种亚烷基链长分别为n=4、5和10的聚(亚烷基呋喃酸酯)。该方法涉及环状亚烷基呋喃酸酯低聚酯的选择性合成，随后在溶液和本体条件下进行熵驱动开环聚合(ED-ROP)。整个过程由南极假丝酵母脂肪酶B(CALB)催化，有效避免了有害酰氯衍生物试剂和有毒有机金属催化剂的使用。研究还首次将ED-ROP方法应用于合成全生物基芳香-脂肪族聚(亚烷基呋喃酸酯-co-ω-十五内酯)共聚酯(coPAFxPDLy)，该共聚酯具有无规微结构和同二晶型结晶行为。研究表明，这种全酶促路线能够在温和条件下高效合成高分子量、高热稳定性、白色的半结晶聚酯材料，且所得聚合物适合后续传统催化体系的熔融后聚合以进一步提高分子量。该研究为可持续生产全生物基高性能聚酯和共聚酯提供了高效构建单元和绿色合成路径。

**3. 关键技术方法**

研究人员采用以下主要技术方法开展研究：(1) 酶促高稀释环化法：以二甲酯2,5-呋喃二甲酸二甲酯(DMF)与不同链长线性二醇(1,4-丁二醇、1,5-戊二醇、1,10-癸二醇)为原料，以Novozyme 435(固定化CALB)为催化剂，在85 °C无水甲苯高稀释条件下合成环状低聚物；(2) 酶促ED-ROP聚合：分别在溶液(甲苯或二苯醚，110–130 °C)和本体熔融条件(110–130 °C，部分添加二苯醚作为增塑剂)下进行开环聚合；(3) 熔融后聚合(MPP)：以Ti(OBu)₄为催化剂，在180 °C、减压条件下对酶促聚合产物进行链增长；(4) 共聚合成：将环状呋喃酸酯低聚物与ω-十五内酯(PDL)在CALB催化下于本体中进行无规共聚。材料表征涉及核磁共振波谱(NMR)、高效液相色谱(HPLC)、基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱(MALDI-TOF MS)、凝胶渗透色谱(GPC)、热重分析(TGA)和差示扫描量热法(DSC)等手段。样本来源方面，DMF依据文献方法由FDCA合成，二醇和ω-十五内酯购自Sigma-Aldrich，Novozyme 435由Novozymes公司惠赠。

**4. 研究结果**

**4.1 大环低聚物的合成与表征**

通过CALB催化的高稀释环化反应，在48 h内实现了DMF与三种二醇的完全转化，获得环状(亚丁基呋喃酸酯)c(BF)_n、环状(亚戊基呋喃酸酯)c(PeF)_n和环状(亚癸基呋喃酸酯)c(DeF)_n低聚物。HPLC分析表明，c(BF)_n和c(DeF)_n以环状二聚体为主(含量分别为75%和76%)，而c(PeF)_n分布更均匀(二聚体51%、三聚体34%、四聚体12%、五聚体3%)。这种分布特征符合Jacobson–Stockmayer模型描述的热力学控制的环-链平衡。三种环状低聚物均为白色半结晶固体，其熔融温度随二醇链长增加而降低(c(BF)_n为218 °C、c(PeF)_n为162 °C、c(DeF)_n为104 °C)。TGA分析显示c(BF)_n和c(PeF)_n为单步热降解，而c(DeF)_n呈现两步过程，第一步归因于环状二聚体的挥发而非热分解。研究还提出了CALB介导环化过程的简化机理，涉及丝氨酸残基对甲酯基的亲核攻击、酰基-酶中间体的形成以及分子内酯交换导致环化。

**4.2 聚(亚烷基呋喃酸酯)均聚物的合成**

溶液ED-ROP中，c(PeF)_n和c(DeF)_n在甲苯中110 °C下完全溶解，高效聚合得到高分子量PPeFs(Mw=23 500 g mol^?1)和PDeFs(Mw=27 700 g mol^?1)；而c(BF)_n溶解度差限制了聚合效率，产率低于50%，但所得PBFs仍具有竞争性分子量(Mw>11 000 g mol^?1)。本体ED-ROP在110–130 °C进行以保持酶活性，c(DeF)_n在完全熔融状态下仅2 h即实现定量转化得到PDeFb(Mw=25 400 g mol^?1)；c(PeF)_n在添加少量二苯醚增塑剂后获得PPeFb(Mw=16 200 g mol^?1)；而c(BF)_n因高熔点和快速重结晶导致转化率极低。克级放大实验以c(PeF)_n为模型底物获得PPeFbg(Mw=28 200 g mol^?1)，表明该路线具备放大可行性。所有聚合物均为白色固体，无变色现象，证实酶促过程有效抑制了热降解和副反应。熔融后聚合中，经Ti(OBu)₄催化180 °C处理6 h后，三种聚合物的Mw均提高三倍以上，PBFmpp、PPeFmpp和PDeFmpp分别达到36 900、79 300和83 600 g mol^?1，且¹H NMR确认聚合物主链结构完整、无降解副产物。

**4.3 聚(亚烷基呋喃酸酯-co-十五内酯)共聚酯的合成**

以c(DeF)_n为环状单体，在110 °C本体条件下与ω-PDL进行共聚，2 h内实现定量转化。通过改变单体投料比(25/75、50/50、75/25)，成功合成了三种不同组成的共聚酯，产率均高于88%，Mw范围为29 900–51 400 g mol^?1，且共聚物组成与投料比高度一致。¹H NMR分析证实了共聚酯的成功形成。对于c(BF)_n体系，利用ω-PDL在100 °C以上呈液态的特性，结合少量二苯醚增塑剂，在130 °C反应24 h实现了近定量转化，获得Mw为12 700–23 800 g mol^?1的共聚酯，克服了此前本体均聚中的加工限制。

**4.4 共聚酯的化学结构与微结构**

通过¹³C NMR对P(BF-co-PDL)共聚酯进行了三单元组序列分布分析。位于63–66 ppm区域的α-碳信号清晰分辨出F-B-F、PDL-B-PDL以及混合F-B-PDL/PDL-B-F三单元组。计算得到的无规度(R)在0.9–1.1之间，表明所有组成的共聚酯均呈现统计无规分布。这与研究团队此前基于ε-己内酯和BF所得嵌段共聚酯形成鲜明对比，归因于ω-十五内酯较低的熔体粘度促进了聚合物链向酶活性位点的质量传递，增强了酯交换动力学。由于氧亚丁基和氧亚癸基片段的结构相似性，该微结构结论可合理延伸至P(DeF-co-PDL)系列。

**4.5 均聚酯与共聚酯的热性能**

均聚酯方面，所有样品呈现单步热分解，最大降解温度(maxTd)在378–390 °C之间，10%失重温度(T10%)为330–370 °C，且热稳定性随脂肪链增长而提高。所有PAFs在330 °C以下均表现出高热稳定性，具备极宽的熔融加工窗口。DSC分析显示所有聚合物均为半结晶，熔融温度随二醇链长增加而降低(PBF为169 °C、PDeF为112 °C)，而PPeF因奇数亚甲基引起的奇偶效应呈现异常低的熔点(71 °C)。玻璃化转变温度(Tg)也呈现相似趋势，PBF为36 °C、PPeF为19 °C、PDeF为?10 °C。后聚合样品与酶促合成样品的热行为差异不大。

共聚酯方面，P(AF-co-PDL)共聚酯的降解温度介于母体呋喃均聚酯与PPDL之间，T10%为372–388 °C，maxTd为399–420 °C，表现出优异的热稳定性。所有共聚酯在整个组成范围内均呈现半结晶行为。随着第二共聚单体含量增加，熔融温度(Tm)和熔融焓(ΔHm)逐渐降低，在中间组成处达到最小值，形成特征性的假共晶区域，这是同二晶型结晶(isodimorphic crystallization)行为的典型特征。Tg随PDL含量增加而降低，反映了长脂肪族PDL链段赋予的链柔性增强，与共聚酯的无规微结构一致。

**5. 结论**

本研究结果证明了通过顺序环化和熵驱动开环聚合(ED-ROP)的全酶促路线制备聚(亚烷基呋喃酸酯)的潜力。由呋喃二甲酸二甲酯和生物基线性二醇(1,4-丁二醇、1,5-戊二醇和1,10-癸二醇)衍生的环状低聚酯通过酶促高稀释环化以高产率获得，被证明是后续CALB促进的ED-ROP的优异底物。特别是环状(亚戊基呋喃酸酯)c(PeF)_n和环状(亚癸基呋喃酸酯)c(DeF)_n在溶液和本体条件下均表现出高反应活性，所得聚合物Mw值良好(16 000至28 000 g mol^?1)。尽管环状(亚丁基呋喃酸酯)c(BF)_n因其有限溶解性和高熔融温度而反应活性较低，但所得聚合物Mw值最高可达11 000 g mol^?1，代表了文献中该酶促聚合的最高值之一。在这些可持续条件下，聚合物变色和不期望的副反应被成功抑制，能够生产高白度、无颜色且不含有毒金属催化剂材料。所得样品被证明适用于传统催化体系(Ti基催化剂)的后聚合过程，获得了高分子量均聚酯(Mw为37 000至84 000 g mol^?1)。最后，酶促ROP方法被扩展到合成新型聚(亚烷基呋喃酸酯-co-ω-十五内酯)共聚酯(coPAFxPDLy)。ω-十五内酯首次与c(BF)_n和c(DeF)_n大环成功共聚，提供了具有广泛组成范围、令人满意的分子量和可调热性能且具有无规微结构的材料。