4-乙基苯酚低聚物的酶催化合成及抗氧化性能研究

柴春晓,江 帆,郑 轲,张予东,丁 涛,崔元臣,张 磊

(河南大学 化学化工学院，河南 开封 475004)

4-乙基苯酚低聚物的酶催化合成及抗氧化性能研究

柴春晓,江 帆,郑 轲,张予东,丁 涛,崔元臣,张 磊*

(河南大学 化学化工学院，河南 开封 475004)

以辣根过氧化物酶为催化剂制备了4-乙基苯酚低聚物，利用红外光谱、凝胶渗透色谱、热重对其进行了表征. 4-乙基苯酚低聚物具有良好的清除1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(DPPH)自由基和2,2-联氮双(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)二铵盐(ABTS)阳离子自由基的性能. 4-乙基苯酚低聚物作为添加剂与聚丙烯复合后，可明显提高聚丙烯的抗热氧性能，与聚丙烯相比，4-乙基苯酚低聚物(0.5%)/聚丙烯复合物的氧化诱导温度提高了41 ℃，氧化诱导时间提高了11.5 min，抗氧化能力不仅大大高于4-乙基苯酚单体，而且优于市售抗氧剂2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚(BHT)和丁基羟基茴香醚(BHA). 加速老化试验表明，添加4-乙基苯酚低聚物的聚丙烯在120 ℃的空气氛围中老化72 h后，其化学组成没有明显变化. 因此，酚类化合物的酶催化聚合在新型抗氧剂的合成方面有潜在的应用前景.

4-乙基苯酚; 酶催化; 抗氧剂; 聚丙烯

酚类化合物的酶催化聚合是一种合成酚聚合物的新方法，由于酶催化反应条件温和、效率高、专一性好，因此受到研究人员的广泛关注[1-2]. TONAMI等利用辣根过氧化物酶为催化剂，制备了间乙炔基苯酚的聚合物[3]，该聚合物在氮气氛围中、1 000 ℃下的质量残余率在60%以上，高于苯酚和烷基取代苯酚聚合物的残余率，适合作为碳材料的前驱物. KIM等用灰盖鬼伞菌过氧化物酶为催化剂研究了双酚A的聚合，在异丙醇和缓冲溶液体系中，得到了数均分子量为1.9×104的聚合物. 双酚A聚合物可用作光致抗蚀剂，分子量和聚合物中酚羟基的含量对所制备的光致抗蚀剂的感光性有很大的影响[4]. Kim课题组还报道了邻苯二酚在漆酶催化下的聚合反应，并考察了聚合产物在亚麻织物染色中的应用性能[5]. 最近，KUMBUL等还报道了对位含亚胺基团的酚化合物的酶催化聚合[6]. 总之，人们已经利用酶催化反应制备了多种酚聚合物，并对这些酚聚合物的应用性能开展了初步的研究.

近年来，本课题组在水相胶束或有机溶剂/缓冲溶液体系中，研究了苯酚[7]、4-甲氧基苯酚[8]、邻苯三酚[9]等化合物的酶催化聚合，发现这些酚聚合产物中含有大量的酚羟基，同时由于分子量的提高，它们具有比小分子酚化合物更好的稳定性，作为抗氧剂具有良好的应用前景. AMBROGI报道了咖啡酸甲酯的酶催化聚合，并对聚合产物的抗氧化性能进行了研究，结果发现咖啡酸甲酯聚合物可明显提高聚乙烯的稳定性[10]. 本课题组对4-甲氧基苯酚及邻苯三酚低聚物的抗氧化性能进行了研究[8-9]，发现它们均有良好的抗自由基性能.

4-乙基苯酚是一种常见的小分子酚化合物，由于稳定性不佳，抗氧化性能有限，本文采用乙醇-缓冲溶液的混合物为反应介质，利用辣根过氧化物酶为催化剂，制备了4-乙基苯酚的低聚物，首次考察了该低聚物的抗自由基性能，并研究了该低聚物作为抗氧剂对聚丙烯抗热氧性能的影响.

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

VERTEX 70型红外光谱仪(德国，Bruker公司)；TGA/SDTA851e型热重分析仪(瑞士，Mettler-Toledo公司)；XSTAR6000型差示扫描量热仪(日本，Seiko公司)；AK22型同向双螺杆挤出机(南京科亚化工成套装备公司)；401B型老化试验箱(上海试验仪器总厂)；WDW-20E型电子万能试验机(济南恒思盛大仪器有限公司)；FYJ-25I型压片机(广东金方圆机械制造有限公司).

辣根过氧化氢酶(HRP)(RZ=2.6，上海国源生物技术有限公司)；粉状聚丙烯(中国石油独山子石化公司)；4-乙基苯酚(分析纯，Alfa Aesar天津化学有限公司)；过氧化氢(分析纯，天津市光复科技发展有限公司)；2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚(BHT)和丁基羟基茴香醚(BHA)(分析纯，百灵威科技有限公司)，其他试剂均为市售分析纯试剂.

1.2 4-乙基苯酚的酶催化聚合

在100 mL圆底烧瓶中加入5 mmol 4-乙基苯酚，并加入20 mL pH=7的磷酸盐缓冲溶液和25 mL 无水乙醇，于25℃水浴锅中恒温搅拌至溶解，然后加入5 mL溶有1 mg辣根过氧化酶的磷酸盐缓冲溶液. 搅拌1 min后，加入0.25 mL浓度为5%的过氧化氢溶液，以后每隔5 min次加入相同体积的过氧化氢溶液，共滴加14次. 过氧化氢滴加完毕，继续在25 ℃下搅拌10 min，随后真空抽滤，并用蒸馏水洗涤，滤饼在60 ℃真空烘箱中烘干，得到淡黄色粉末状产物.

1.3 聚丙烯试样的制备

取0.5质量份的添加剂(4-乙基苯酚、BHT、BHA或4-乙基苯酚低聚物)和100质量份的聚丙烯在共混机中混合均匀，利用双螺杆挤出机挤出并造粒. 挤出机加热部分的温度从料斗端到口模端依次设定为165、175、175、180 ℃，螺杆的转速设定为140 r/min.

1.4 4-乙基苯酚低聚物的抗自由基性能检测

用1,1-二苯基-2-三硝基苯肼自由基和2,2′-联氮双(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)二铵盐阳离子自由基检测4-溴苯酚聚合物的抗自由基性能，检测方法和实验步骤参照文献[11]和[12].

2 结果与讨论

2.1 4-乙基苯酚低聚物的表征

图1 4-乙基苯酚的酶催化聚合反应路线Fig.1 Synthetic route of enzymatic polymerization of 4-ethylphenol

图2 4-乙基苯酚低聚物的红外光谱Fig.2 IR spectrum of 4-ethylphenol oligomer

图3为4-乙基苯酚单体、4-乙基苯酚低聚物、工业抗氧剂BHT和BHA在空气氛围中的热失重曲线，可以看出，4-乙基苯酚单体热稳定性很差，150 ℃即完全分解. 而4-乙基苯酚低聚物失重5%时对应的温度为215 ℃，在600 ℃完全分解，其热稳定性与4-乙基苯酚单体相比得到了很大的提高，且明显好于工业抗氧剂BHT和BHA，这是4-乙基苯酚低聚物具有良好抗氧化性能的重要基础.

图3 4-乙基苯酚(a)、BHT(b)、BHA(c)、4-乙基苯酚低聚物(d)在空气氛围中的热重曲线Fig.3 TG curves of 4-ethylphenol (a), BHT (b), BHA (c) and 4-ethylphenol oligomer (d) under air atmosphere

2.2 4-乙基苯酚低聚物的抗自由基性能

对DPPH自由基和ABTS阳离子自由基的清除率常被用来评价物质的抗氧化能力, 我们利用这两种自由基初步评价了4-乙基苯酚低聚物的抗氧化性能，结果见图4．从图4(a)可以看出，4-乙基苯酚低聚物具有明显的清除DPPH自由基的能力，随4-乙基苯酚低聚物浓度的增加，对DPPH自由基的清除率逐渐增加.Ic50为清除率达到50%时对应的抗氧剂的浓度，从图中可以求得4-乙基苯酚低聚物清除DPPH自由基的Ic50为47.8 mg/L. 图4(b)表明4-乙基苯酚低聚物也具有良好的清除ABTS阳离子自由基能力，其Ic50为5.3 mg/L. 与我们之前报道的4-溴苯酚聚合物相比[15]，4-乙基苯酚低聚物具有更好的抗自由基性能.

图4 乙基苯酚低聚物对DPPH(a)和ABTS阳离子(b)自由基的抑制效果Fig.4 Inhibition efficiency of 4-ethylphenol oligomer to DPPH (a) and ABTS cation (b) free radical

2.3 4-乙基苯酚低聚物对聚丙烯抗热氧性能的影响

聚丙烯材料广泛应用于管材、家电、汽车、包装等领域，但是在热氧环境中，聚丙烯材料很容易发生氧化降解，主要原因是分子链中的叔碳原子易形成自由基，并进一步生成烷氧自由基和过氧自由基，从而造成聚丙烯分子链的氧化断裂[16-17]，添加抗氧化剂是防止聚丙烯热氧降解的有效方法. 我们将4-乙基苯酚低聚物添加到聚丙烯样品中，考察了这种低聚物对聚丙烯抗热氧性能的影响. 氧化诱导温度和氧化诱导时间检测是两种快速评价抗氧剂性能的方法，氧化诱导温度是样品的DSC曲线上出现熔融峰之后，急剧向放热方向转折时的温度，本文按照国际标准(ISO 11357-6:2008)进行测试. 图5为纯聚丙烯、4-乙基苯酚/聚丙烯、BHT/聚丙烯、BHA/聚丙烯、4-乙基苯酚低聚物/聚丙烯复合物在空气氛围中的DSC曲线，根据这些曲线得到的上述5种聚丙烯样品的氧化诱导温度列于表1中. 可以看出，添加4-乙基苯酚低聚物后，聚丙烯的氧化诱导温度提高了41 ℃，而4-乙基苯酚单体的加入，只能使聚丙烯的氧化诱导温度提高12 ℃. 市售抗氧剂BHT和BHA也可明显提高聚丙烯的起始氧化温度，但效果不及4-乙基苯酚低聚物.

图5 聚丙烯(a)、4-乙基苯酚/聚丙烯(b)、BHT/聚丙烯(c)BHA/聚丙烯(d)和4-乙基苯酚低聚物/聚丙烯(e)的氧化诱导温度检测曲线Fig.5 Oxidation induction temperature curves of virgin PP (a), 4-ethylphenol/PP (b), BHT/PP (c), BHA/PP (d) and 4-ethylphenol oligomer/PP (e)

图6 聚丙烯(a)、4-乙基苯酚/聚丙烯(b)、BHT/聚丙烯(c)BHA/聚丙烯(d)和4-乙基苯酚低聚物/聚丙烯(e)的氧化诱导时间检测曲线Fig.6 Oxidation induction time curves of virgin PP (a), 4-ethylphenol /PP (b), BHT/PP (c), BHA/PP (d) and 4-ethylphenol oligomer/PP (e)

氧化诱导时间也按照国际标准(ISO 11357-6:2008)进行检测. 首先，聚丙烯复合物在50 mL/min的氮气气流中，以10 ℃/min的升温速率升温至190 ℃，保温5 min后迅速把氮气流切换成50 mL/min的氧气流. 氧化诱导时间是从切换气流开始，到样品DSC曲线开始急剧向放热方向转折时的时间. 图 6为纯聚丙烯、4-乙基苯酚/聚丙烯、BHT/聚丙烯、BHA/聚丙烯、4-乙基苯酚低聚物/聚丙烯复合物的氧化诱导时间检测曲线，当检测环境的气流由氮气切换为氧气后，聚丙烯和4-乙基苯酚/聚丙烯复合物很快出现放热峰，说明4-乙基苯酚单体不能明显提高聚丙烯的抗热氧性能，这与氧化诱导温度的研究结果一致. 添加BHT和BHA的聚丙烯样品的氧化诱导时间明显提高，且BHA效果好于BHT. 但是4-乙基苯酚低聚物的加入使聚丙烯复合物具有更长的氧化诱导时间，达到12.5 min(表1). 4-乙基苯酚低聚物较好的抗氧化性能与其分子链中的酚羟基结构有关，酚羟基提供的氢原子与活泼自由基反应生成稳定自由基，可以阻止聚丙烯分子链的进一步氧化断裂. 同时，4-乙基苯酚虽然为低聚物，但分子量仍高于BHT和BHA等小分子抗氧剂，相对较高的分子量使其具有良好的热稳定性，这也是4-乙基苯酚低聚物具有良好抗氧化性能的重要原因.

表1 PP试样的氧化诱导温度和氧化诱导时间

加速老化实验是模拟并且强化外界气候对低聚物的破坏作用的实验，相对于氧化诱导时间和氧化诱导温度，加速老化更加符合低聚物在自然环境下的老化情况. 分别取适量聚丙烯、4-乙基苯酚低聚物/聚丙烯复合物粒料压片后，剪取薄厚均匀、完好，大小在1 cm×1 cm左右的聚丙烯薄片，在120 ℃烘箱中加速老化，并分别在0、24、72 h时进行红外光谱检测，考察聚丙烯和4-乙基苯酚低聚物/聚丙烯复合物红外光谱的变化. 由图7(a)的红外光谱图可以看出，当老化时间增加至72 h后，聚丙烯在3 500～3 700 cm-1处和1 570～1 800 cm-1处出现明显的吸收峰，这是由聚丙烯老化分解产生的羟基、羰基等基团造成的. 由于4-乙基苯酚低聚物的加入，在相同的老化时间内，聚丙烯复合物的红外光谱图7(b)并没有明显的变化，所以，4-乙基苯酚低聚物具有明显的提高聚丙烯抗热氧性能的作用.

图7 聚丙烯(a)、4-乙基苯酚低聚物/聚丙烯复合物(b)在不同老化时间时的红外光谱Fig.7 IR spectra of virgin PP (a) and 4-ethylphenol oligomer/PP (b) with different aging time

3 结论

在乙醇/缓冲溶液混合体系中，利用辣根过氧化物酶为催化剂合成了4-乙基苯酚低聚物，该低聚物具有良好的抗自由基能力，同时，作为添加剂，可明显提高聚丙烯的氧化诱导温度和氧化诱导时间，老化试验也表明4-乙基苯酚低聚物的加入使聚丙烯的抗热氧性能得到了提升. 由于酶催化聚合反应条件温和、效率高，可在较短时间内完成，因此，酚化合物的酶催化聚合在新型抗氧剂的合成方面具有潜在的应用前景.

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[责任编辑：张普玉]

Enzymatic synthesis of 4-ethylphenol oligomer and investigation of its antioxidant performance

CHAI Chunxiao, JIANG Fan, ZHENG Ke, ZHANG Yudong, DING Tao, CUI Yuanchen, ZHANG Lei*

(CollegeofChemistryandChemicalEngineering,HenanUniversity,Kaifeng475004,Henan,China)

4-Ethylphenol oligomer was synthesized by enzymatic polymerization and was characterized by IR, GPC and TGA analysises. Data from free radical scavenging activity tests suggest that 4-ethylphenol oligomer can efficiently quench 1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl (DPPH) and 2, 2-azino-di-(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid) diammonium salt (ABTS) cation free radical due to its good H-atom donor capacity. Thermal-oxidative resistance of PP is improved remarkably after blending with 4-ethylphenol oligomer. In contrast with virgin PP, oxidation induction temperature of PP stabilized with 4-ethylphenol oligomer (0.5%) increases to 41 ℃ and oxidation induction time increases to 11.5 min. The antioxidant capacity of 4-ethylphenol oligomer are not only higher than 4-ethylphenol monomer, but also higher than two other widely used commercial antioxidants, 2,6-di-tert-butyl-4-methylphenol (BHT) and butylated hydroxyanisol (BHA). Chemical composition of PP stabilized with 4-ethylphenol oligomer was almost unchanged after thermal aging at 120 ℃ in air atmosphere for 72 h. As a result, enzymatic polymerization of phenolic compound shows potential application prospect for synthesizing new phenolic antioxidant.

4-ethylphenol; enzymatic catalysis; antioxidant; polypropylene

2017-01-17.

河南省自然科学基金项目(152300410059)．

柴春晓(1993-)，女，硕士生，研究方向为功能高分子制备及应用．

，E-mail:zhangl@henu.edu.cn.

O63

A

1008-1011(2017)04-0487-06