酶催化合成超支化聚酯反应条件的探索

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摘要：本研究以固定化脂肪酶Novozym 435作为催化剂，以己二酸，1，8-辛二醇与三羟甲基丙烷作为反应底物，在甲苯中进行预聚-缩聚反应制备超支化聚酯。探讨了不同反应温度反应时间对酶活性和反应物活性的影响，用GPC进行表征以优化反应条件，得出60℃为最适合温度，48小时为最适合的时间。最后对反应聚合产物进行了核磁共振分析，确定其超支化结构特征并对其进行了支化度的计算。

关键词：酶 聚酯 超支化聚合物 脂肪酶催化聚合

超支化聚合物在分子结构上与树枝状聚合物相似，使其具有与树枝状聚合物相似的物理化学特性，如高溶解性、低粘度、高的化学反应活性等性质。与具有完美结构的树枝状聚合物的合成相比，超支化聚合物的合成与制备不需要经过多步合成与纯化，性能的优异和制备方法的简单，使超支化聚合物在许多领域里都显示出其诱人的前景，如涂料[1，2]，改性添加剂[3]，薄膜[4-6]，生物医学材料[7]，纳米材料[8]。随着超支化聚合物应用的开发，探索高效，温和，简单的合成方法成了超支化聚合物发展的重要目标。传统的化学方法合成超支化聚酯存在许多不足，例如使用有机金属化合物作为催化剂，极为苛刻的反应条件，容易引起副反应等问题限制了其在生物医学材料的应用。

使用酶作为催化剂在合成里能很好的解决以上问题。酶催化法具有环境友好、节能、反应条件温和、高选择性、可循环使用等优势[9，10]。我们以前的研究中引入了酶作为催化剂，利用预聚-酶催化缩聚法成功地合成了超支化聚酯[6]。然而作为支化结构单体的丙三醇上的三个醇羟基的反应活性并不一致，使得产物的支化度并不高。针对上述问题，本文以三羟基丙三醇取代丙三醇作为支化结构单元，研究了三羟甲基丙烷（TMP），己二酸，1，8-辛二醇预聚-缩聚合成超支化聚酯的反应温度，反应时间和三羟甲基丙烷在单体中的含量对酶催化反应和聚合物分子量的影响，以此建立高效的酶催化反应条件。

1、实验部分

1.1 预聚-酶催化缩聚法合成超支化聚酯

称取0.005mol己二酸，0.0025mol 1，8-辛二醇和0.0025mol TMP加入圆底烧瓶中，用玻璃塞密封瓶口后放入120℃油浴预聚反应2.5小时。真空除水10mins，把温度降到实验设计温度（50℃～90 ℃）。加入5mL的溶剂、2.5g分子筛和0.12g（单体总重量的15%，即酶浓度为1000U/g）经过处理的脂肪酶Novozym 435，密封瓶口，保持恒定的搅拌速率（180rounds/min）继续反应，包括预聚时间总反应时间为24小时。降低反应体系温度终止反应。加入适量THF溶解反应生成物和单体，用布氏漏斗过滤除去分子筛和固化的分子筛脂肪酶，再用3G砂芯漏斗对布氏漏斗虑出液进行减压过滤进一步除去分子筛和固化的分子筛脂肪酶。通过减压蒸馏除去溶剂，最后得到粘稠状淡黄色的产物用于测试及表征。确定较适宜的反应温度后，改变总的反应时间（12h～72h），评价温度对反应和聚合物分子量的影响。

1.2 产物的表征

1.2.1 预聚物酸值的测定

1.2.2 共聚物分子量的测定

1.2.3共聚物的NMR表征

超支化聚酯的结构通过1H NMR和反门控13C NMR谱图在室温下用Bruker600核磁共振谱仪分析并记录。测试所用溶剂为CDCl3。

2、结果与讨论

2.1 反应温度对脂肪酶催化聚合反应的影响

在催化反应中脂肪酶保持其催化活性的温度范围很窄。升高温度有利于降低聚合反应的粘度，从而降低聚合反应中的传质阻力，但酶蛋白容易在高温时变性失活。当反应温度在50～60℃之间时，反应体系的温度升高，粘度下降，活化分子数增多，传质阻力减小，有利于聚合速率的逐渐增大，表现为聚合物酸值随聚合反应温度的升高而有明显的减小；在60℃时所得聚合物的酸值最低。而温度在60～70℃时，聚合物的酸值开始上升；当温度继续上升时，聚合物的酸值继续上升。这是因为随聚合反应温度的升高，反应体系的粘度继续下降；但随温度升高，酶蛋白变性失活速度也相应的增加，使聚合速度下降，这两方面综合影响。因此在较低温度范围，随温度升高聚合速度增加，所得聚合物的酸性也相应增加；当温度达到一定程度，两方面作用互相抵消，聚合速度基本不变；再继续升温，酶变性失活起主要影响，因此聚合速度下降，相应的聚合物的酸值上升。因此，把本反应体系最佳的反应温度设定为60℃，进一步讨论反应温度和单体投料比对聚合反应影响。

2.2 反应时间对脂肪酶催化聚合反应的影响

2.3 超支化聚酯的结构表征与支化度的计算

为了证实实验中所制备聚合物是一种超支化聚酯，我们选取了在反应温度为60C，反应时间为 48小时，己二酸：1，8-辛二醇：三羟甲基丙烷为1：0.5：0.5的样品进行了1H NMR与反门控（Inverse gated）13C NMR的表征。

3、结语

本文通过对比不同的反应温度，反应时间对酶催化缩聚合成超支化聚酯的影响，得出在本实验体系下温度为60℃时脂肪酶的催化活性最大，48小时为最适宜的反应时间。对反应时间为48小时所得产物进行了13CNMR的表征，证明其为超支化聚酯结构。并通过共振峰进行相对积分计算出产物的的支化度为31.3%。

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