窄分布三元醇聚酯的酶催化合成和链增长机理研究

2020-12-01石阿鹏饶子昆郝建原

合成化学 2020年11期

石阿鹏, 饶子昆, 郝建原

(电子科技大学材料与能源学院，四川成都 610054)

纳米材料经常被用来改善诸如药物、蛋白、基因等医疗制剂的物理化学和生物性能，以达到增强药物的水溶性，增加药物的体内循环时间和改善药物的靶向能力等目的[1-3]。目前的纳米材料领域，拥有完美三维对称结构的dendrimer或者规整度高、分布窄的树枝状聚合

物越来越受到广泛地关注[4-5]，支化结构能够天然地提供随支链数量成倍增长的功能性末端基团。通常地，通过迭代耦合法(不论是发散迭代耦合还是收敛迭代耦合)，可以合成出化学结构严格可控的产品[6-7]。然而，为达到较高的分子量和规整的拓扑结构，耗时而复杂的保护-脱保护过程必不可少[8-9]。因此，对于大规模的产业化生产来说，目前的方法太过复杂且成本较高。最近，一种表面为羟基的2,2-双羟基丙酸(bis-MPA)规则树枝状聚合物被报道出能够通过一种简单高效的方法合成出来，并且其提纯过程也简洁可行。但是，聚合期间所用的氟化铯催化剂所带来的催化剂残留将严重影响产物的生物相容性和生物安全性[10]。

因此，探索一种无毒可规模化生产的方式合成结构规整的窄分布树枝状聚酯依旧是一个难题。将多元醇引入到非多糖结构中是一种得到高官能度“智能”材料的有效方法。传统的化学方法已经成功地用于得到结构明确的多元醇聚酯，然而不论是“一锅法”中的严重交联现象[11]，还是多步反应中繁琐的保护与-脱保护程序[12-15]，无不说明了化学催化区域选择性弱的问题。相对而言，脂肪酶由于其出色的空间、结构选择性以及温和的反应温度，已经逐渐成为一种被广泛研究的绿色催化剂，可以合成多种功能性聚酯[16]。而且，酶催化对于支化度有着出色的控制力，从而避免了在聚合过程中发生交联[17]。因此，酶催化聚合在制备支化度可控的树枝状聚合物方面前景广阔。由于脂肪酶主要作用于酯键，许多化学敏感的基团(如巯基、二硫键、叠氮键等)在酶催化聚合过程中能够完好无损地保留下来[18-20]。目前，丙三醇和其他糖类(如山梨糖醇、甘露醇、乳糖)同二酸/二酯共聚，尤其是同二乙烯基二酯在极性溶剂中的共聚，可以得到较高分子量的多元醇聚酯。在多糖中，山梨糖醇由于在聚合活性上的绝的优势而得到了更为广泛的研究。但是由于主链羟基较多，到目前为止，得到结构明确的山梨糖醇聚酯仍然是一个挑战。丙三醇酯酶催化共聚的研究和应用更为广泛，只是得到的产物往往是无规树枝状结构，PDI较大(>3.0)[21-25]。如此差的结构可控性已经大大影响其在先进软物质纳米材料领域的应用。

Kobayashi等[26-27]报道了丙三醇的酶催化聚合，文中根据不同13C NMR特征峰，将丙三醇结构单元分成了四类： 1-取代，1，2-二取代，1，3-二取代和3取代单元。随后，Gross等[11]报道了一取代，二取代和三取代结构单元分别为端基单元、线型单元和树枝状单元。以最常见的脂肪酶N435为催化剂，生物相容的三羟甲基乙烷(TME)和辛二酸二乙酯为反应单体，合成一种结构规整的树枝状窄分布多元醇聚酯。并且，将常见的丙三醇聚酯与TME聚酯的酶催化聚合过程作对比，研究其链增长行为的不同之处，从而探索规则的树枝状结构的形成机理。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

Varian-400-MHz型核磁共振仪(CDCl3为溶剂, TMS为内标)；Waters Associates Model ALC/GPC 244 型高效液相色谱仪。

三羟甲基乙烷(TME， Sigma-Aldrich, 98%)，丙三醇(成都科龙，98%)，辛二酸二乙酯(Tokyo Chemical Industry， 98%)，脂肪酶N435(Sigma-Aldrich)；其他所用试剂均为分析纯。

1.2 合成

称取三羟甲基乙烷1.201 g(10 mmol)或者丙三醇0.921 g(10 mmol)，真空干燥后加入辛二酸二乙酯2.303 g(10 mmol)，然后再加入相当于反应单体总质量两倍的二苯醚作为溶剂。随后，加入干燥好的N435(单体总质量的10%)，在氮气保护下，油浴反应温度逐步升高到80 ℃，在常压下反应2 h。随后，在真空条件下(10 mmHg)继续反应46 h。

2 结果与讨论

2.1 Poly(suberic acid-TME)(PST)的表征

图1为PST的1H NMR谱图。根据三羟甲基乙烷的取代度的不同，将聚合物结构分成了terminal(T)单元，linear(L)单元和dendritic(Den)单元。c1， c2和c3分别代表T单元，L单元和Den单元上的甲基(CH3-)峰，而它们的相对面积则可以被用来计算各个单元结构的比重。

除此之外，GPC分析已经证实了PST的多分散性指数在最终产物中相对较低。由于PST有如此低的多分散性指数(1.40)，预计PST也是一种结构规整的树枝状聚合物。

图1 PST结构和的1H NMR谱图

表1 PST各个阶段1H NMR和GPC

Log M

2.2 PST的链增长

结构单元比重、分子量及其分布随着反应时间的变化趋势如图2和表1所示。直观的，PST的数均分子量在前24 h的时间内几乎呈现出快速增长。

图3 PST的链增长机理示意图

为了验证这一假设，需要对各个阶段的链增长行为建模。目前超支化分子的结构形状仍然有许多悬而未决的问题[28]。但是，在酶催化聚合反应中不会发生交联反应的前提下[17]，提出了3个链增长模型：线型增长(linear growth)、支化增长(grafted growth)和树枝状增长(dendritic growth)。

根据计算，在最终产物里，TME末端占整个末端比重的94%。纯粹的树枝状增长最终形成了结构规整的树枝状大分子，如图3所示。这个树枝状分子结构中各个结构单元的比重(Den/L/T)接近于1/2/1，与根据1H NMR的计算结果完全吻合(表1, 48 h)；被圈出的结构可以是整个聚合物分子链节的基本单元。

2.3 Poly (Suberic acid-glycerol)(PSG)的表征

在相同的反应条件下监测丙三醇聚酯(PSG)的分子结构，分子量等随着时间的变化，以对比丙三醇聚酯与TME聚酯链增长行为的不同之处。类似的，丙三醇聚酯的结构被分成Dendritic(Den)、 Linear(L)和Terminal(T)单元。考虑到丙三醇有不同的酯化反应点位，如伯羟基和仲羟基。根据酯化位点的不同我们把L单元又分成L12单元和L13单元，而T单元被分成T1单元和T2单元(图4)。

图4 PSG的单元结构和1H NMR谱图

2.4 丙三醇酯(PSG)的链增长

丙三醇聚酯结构单元比重、分子量及其分布随时间的变化趋势如图5和表2所示。反应前6 h， Den单元一直保持6%～8%的低含量，而线型单元L却随着末端单元T的消耗迅速增加；说明在此阶段线型增长为主要链增长行为。相应的，在反应的前6 h，聚合物的数均分子量也增长缓慢。在6～8 h阶段，Den和L单元同时增加，只有T单元在被消耗，这与支化增长(grafted growth)相吻合。随后，在8～48 h期间，末端T单元的比重始终在缓慢下降，而线型L单元(L12+L13)的比重却在上下波动，这说明支化增长和树枝状增长同时存在。两种不同的链增长行为同时存在最终导致了GPC图谱上两个信号峰的出现(图5)。

Log M

总的来说，丙三醇辛二酯的聚合可以分为3个阶段：线型增长阶段、支化增长阶段和支化+树枝状增长阶段。从以上的分析来看，树枝状链增长行为(dendritic growth)只有在高反应活性的线型单元的比重远远高于末端基团T时才能成为主要的链增长行为。由于支化链增长的空间位阻较小，其对反应位点的选择性较弱，所形成的分子结构也就趋向于无规支化结构。而无序的链增长行为也必然导致聚合物的多分散性指数偏大。所以，PSG不能形成窄分布、规整的树枝状结构。PSG最终的链增长示意图如图6所示。