CN101041711B

CN101041711B - 有机介质中生物催化制备含苹果酸单元功能性聚酯的方法

Info

Publication number: CN101041711B
Application number: CN2007100273973A
Authority: CN
Inventors: 李光吉; 姚大虎; 宗敏华
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2007-03-30
Filing date: 2007-03-30
Publication date: 2011-05-18
Anticipated expiration: 2027-03-30
Also published as: CN101041711A

Abstract

本发明涉及有机介质中生物催化制备含苹果酸单元功能性聚酯的方法。该方法以二元醇和苹果酸为单体，以有机溶剂作为反应介质，利用脂肪酶催化二元醇与苹果酸的直接缩合聚合反应，制备得到含苹果酸单元的功能性聚酯，本发明的单体体系中还可引入二元酸，二元酸可调整聚合物链的组成和结构，在较大范围内改变含苹果酸单元的功能性聚酯的各种性能。本发明的方法具有反应体系简单、反应条件温和、对环境友好、反应具有选择性和可控性、反应过程易实施、产物易从反应混合体系中分离的优点。

Description

有机介质中生物催化制备含苹果酸单元功能性聚酯的方法

技术领域

本发明属于生物催化合成以及高分子化学领域，具体涉及通过生物催化的直接缩合聚合反应制备含苹果酸单元的功能性聚酯的方法。

背景技术

含苹果酸单元的功能性聚酯有优良的生物相容性、可修饰性和可生物降解性能，其降解产物对人体无害。通过调整构成该聚合物大分子链的不同结构单元的比例可以调整聚合物的组成和结构，从而调整其理化性能。研究表明：含苹果酸单元的功能性聚酯在医药、环保、新材料、生物工程领域有着广阔的应用前景，例如，可用做人体内的药物缓释药物载体、骨骼修复、人体组织的支架材料、手术缝合线、绿色大分子表面活性剂、药物的包覆材料等等。

目前，含苹果酸单元的功能性聚酯的制备主要采用传统的化学方法。一般可用有机金属化合物为催化剂，首先对苹果酸单体中的羧基或羟基进行化学保护，然后进行催化聚合，最后脱去保护基团，得到目标聚合物。因此，化学方法制备含苹果酸单元的功能性聚酯，反应步骤较多，收率较低，反应条件苛刻(高温、高真空)，成本也就比较高。另一方面，由于反应过程中不得不使用大量有机溶剂和有毒的有机金属催化剂，故会带来较严重的环境污染问题，而产物中难以除去的残留化学物质的毒性则极大地限制了化学法制备的含苹果酸单元的功能性聚酯在生物工程和医药领域的应用。也有用微生物合成法制备含苹果酸的功能性聚酯的报导。该方法是利用一些特殊的霉菌、黏菌的细胞在生长过程中，能够以低聚糖(如D-葡萄糖、果糖、蔗糖、琥珀酸等)为碳源来合成聚苹果酸的。微生物合成法制得的聚苹果酸分子量较高，产物较纯；然而，该方法的产率较低，产物分离困难，成本较高，产物结构单一，目前仅能合成出β-聚苹果酸，还难以得到其它结构的含苹果酸单元的功能性聚酯，从而大大地限制了其研究与应用。

在利用酶催化直接缩合聚合制备含苹果酸的功能聚酯时，如选择无溶剂反应体系，虽然反应过程仍具有反应条件温和、反应过程简单、可控，环境友好的特点，但由于在聚合后期反应体系的粘度较高，聚合反应难以进行下去，导致所得聚酯产物的分子量偏低。低分子量的聚酯限制了其在生物医学上的用途。因此，探索通过生物催化直接缩聚制备较高分子量的含苹果酸单元的功能性聚酯的新方法具有重要的研究意义和广阔的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于针对现有化学合成途径以及无溶剂直接缩合聚合的合成技术工艺中存在的问题，提供一种在有机溶剂中生物催化制备含苹果酸单元的功能性聚酯的新方法。该方法不仅具有反应条件温和、能耗少、产率高、选择性好以及产物易分离的优点，还能够有效地降低体系粘度，有利于得到高分子量的聚合物；同时可以提高脂肪酶的耐热性，有利于生物催化剂的反复利用，降低成本。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

有机介质中生物催化制备含苹果酸单元功能性聚酯的方法，以二元醇和苹果酸为单体，利用脂肪酶催化二元醇与苹果酸的直接缩合聚合反应，制备得到含苹果酸单元的功能性聚酯。所用有机介质为丙酮、四氢呋喃、N，N—二甲基甲酰胺、叔丁醇、吡啶、甲苯、二甲苯、氯仿、己烷、环己烷、辛烷。所述脂肪酶来源于Candida antarctica、Thermomyces lanuginosus、Rhizomucormiehei、Mucor miehei或来源于猪胰的脂肪酶(PPL)。该方法的单体还可以包括二元酸。所述二元醇的碳链长度为C2～C16，二元酸的碳链长度为C4～C12。

为进一步实现本发明的目的，所述有机介质中生物催化制备含苹果酸单元功能性聚酯的方法是将二元醇和苹果酸按照1∶2～2∶1的摩尔比例加入反应器中混合，有机溶剂和单体总量以10∶1～1∶10的质量比例加入，加热至40～120℃，按脂肪酶与所加单体总量比为100～4000U/g的比例加入脂肪酶，在磁力搅拌速度为20～400rpm，加入分子筛，反应12～96小时后，分离得到含苹果酸单元的功能性聚酯。

所述有机介质中生物催化制备含苹果酸单元功能性聚酯的方法还优选把二元醇和苹果酸按照1∶2～20∶1的摩尔比例加入反应器中，同时加入二元酸，以调整反应体系中羧基和羟基的比例在3∶2～1∶1的范围内，混合并加热至40～120℃，按脂肪酶与所加单体总量比为100～4000U/g的比例加入脂肪酶，磁力搅拌速度在20～400rpm，加入分子筛，反应12～96小时后，分离得到含苹果酸单元的功能性聚酯。

上述搅拌速度优选50～300rpm，有机溶剂和单体总量的质量比例优选为8∶1～1∶5。

所述的分离方法为：反应混合物经过溶剂溶解、过滤除去脂肪酶，然后旋转蒸发除去溶剂，在真空下进行干燥，制得含苹果酸单元的功能性聚酯，所述的溶剂为氯仿。

本发明的生物催化制备含苹果酸单元的功能性聚酯的方法是采用以二元醇、二元酸及非对称碳原子上带有羟基的手性二元酸——苹果酸为单体，利用脂肪酶催化酸和醇的缩合聚合反应，聚合得到不同结构的含苹果酸单元的功能性聚酯。

本发明的原理：本发明采用含不对称碳原子，且不对称碳原子上带有羟基的特殊二元酸——苹果酸作为缩合聚合反应的单体之一，在脂肪酶催化条件下直接缩合聚合，将苹果酸单元引入聚酯大分子主链。由于苹果酸分子带有一个羟基和两个羧基，因此可在聚酯的主链上引入了功能基团，从而得到含苹果酸单元的功能性聚酯。本发明还可在单体体系中引入二元酸，二元酸可调整聚合物链的组成和结构，在较大范围内改变含苹果酸单元的功能性聚酯的各种性能(例如：力学性能、玻璃化转变温度、熔点、亲水性、生物相容性、可生物降解性、可生物吸收性等等)，更好地满足不同使用情况下的性能要求。在反应体系中加入有机溶剂作为反应介质可以有效地降低反应体系的粘度，有利于得到较高分子量的聚合物；并且提高了脂肪酶的耐热性，有利于酶的反复利用，降低生产成本。

本发明与现有的技术相比具有如下的优点：

(1)采用高效的生物催化剂脂肪酶来制备含苹果酸单元的功能性聚酯，克服了传统化学方法步骤多、反应条件苛刻、副产物多的缺点，可望降低制备成本。

(2)由于采用生物催化的直接缩合聚合反应体系，不需要使用有毒的有机金属催化剂，克服了传统的化学方法产物不易纯化的缺点，因而反应产物具有较高的安全性。

(3)生物催化的直接缩合聚合反应与传统的化学方法相比，反应条件温和，反应过程简单、可控，环境友好。

(4)与无溶剂生物催化直接缩合聚合反应相比，可有效降低体系粘度，有利于得到高分子量的聚合物；同时可以提高脂肪酶的耐热性，有利于生物催化剂的反复利用，降低成本。

附图说明

图1是对比实施例所制得产物的红外谱图；

图2是实施例1所制得产物的红外谱图；

图3是实施例1所制得产物的H NMR谱图。

具体实施方式

以下结合具体实施例来对本发明作进一步说明，但本发明所要求保护的范围并不局限于实施例所涉及之范围。

实施例1

将丁二醇、己二酸、苹果酸按照摩尔比15∶13∶2比例，加入100mL的园底烧瓶中(羧基和羟基的比例为16∶15)，辛烷和单体总量以3∶1的质量比例加入，按1000U/每克单体加入来源于Candida antarctica的脂肪酶，置于70℃油浴下，磁力搅拌速度为200rpm，加入分子筛，反应48小时后，加入氯仿溶解产物，过滤除去脂肪酶，产物溶液真空旋转干燥，得分子量为32,000的聚合物。

实施例2

将丁二醇、己二酸、苹果酸按照摩尔比15∶7.5∶7.5比例加入100mL的园底烧瓶中(羧基和羟基的比例为5∶4)，正己烷和单体总量以3∶1的质量比例加入，按1500U/每克单体加入来源于Candida antarctica的脂肪酶，置于80℃油浴下，磁力搅拌速度为200rpm，加入分子筛，反应96小时后，加入氯仿溶解产物，过滤除去脂肪酶，产物溶液真空旋转干燥，得分子量为14,500的聚合物。

实施例3

将乙二醇、己二酸、苹果酸按照摩尔比15∶13∶2比例加入100mL的园底烧瓶中(羧基和羟基的比例为16∶15)，环己烷和单体总量以3∶1的质量比例加入，按4000U/每克单体加入来源于Candida antarctica的脂肪酶，置于40℃油浴下，磁力搅拌速度为200rpm，加入分子筛，反应48小时后，加入氯仿溶解产物，过滤除去脂肪酶，产物溶液真空旋转干燥，得分子量为5700的聚合物。

实施例4

将己二醇、己二酸、苹果酸按照摩尔比15∶13∶4比例加入100mL的园底烧瓶中(羧基和羟基的比例为1∶1)，甲苯和单体总量以3∶1的质量比例加入，按1500U/每克单体加入来源于Candida antarctica的脂肪酶，置于70℃油浴下，磁力搅拌速度为200rpm，加入分子筛，反应48小时后，加入氯仿溶解产物，过滤除去脂肪酶，产物溶液真空旋转干燥，得分子量为29,000的聚合物。

实施例5

将辛二醇、己二酸、苹果酸按照摩尔比15∶13∶2比例加入100mL的园底烧瓶中(羧基和羟基的比例为16∶15)，二甲苯和单体总量以3∶1的质量比例加入，按100U/每克单体加入来源于Candida antarctica的脂肪酶，置于80℃油浴下，磁力搅拌速度为400rpm，加入分子筛，反应48小时后，加入氯仿溶解产物，过滤除去脂肪酶，产物溶液真空旋转干燥，得分子量为12,000的聚合物。

实施例6

将辛二醇、己二酸、苹果酸按照摩尔比15∶2∶12比例加入100mL的园底烧瓶中(羧基和羟基的比例为3∶2)，丙酮和单体总量以10∶1的质量比例加入，按1500U/每克单体加入来源于Candida antarctica的脂肪酶，置于50℃油浴下，磁力搅拌速度为200rpm，加入分子筛，反应48小时后，加入氯仿溶解产物，过滤除去脂肪酶，产物溶液真空旋转干燥，得分子量为2,300的聚合物。

实施例7

将辛二醇、苹果酸按照摩尔比1∶1比例加入100mL的园底烧瓶中，吡啶和单体总量以1∶1的质量比例加入，按2500U/每克单体加入来源于Candida antarctica的脂肪酶，置于60℃油浴下，磁力搅拌速度为20rpm，加入分子筛，反应48小时后，加入四氢呋喃溶解产物，过滤除去脂肪酶，产物溶液真空旋转干燥，得分子量为2,000的聚合物。

实施例8

将乙二醇、己二酸、苹果酸按照摩尔比2∶1∶1比例加入100mL的园底烧瓶中(羧基和羟基的比例为5∶4)，叔丁醇和单体总量以1∶10的质量比例加入，按2000U/每克单体加入来源于Candida antarctica的脂肪酶，置于60℃油浴下，磁力搅拌速度为200rpm，加入分子筛，反应12小时后，加入丙酮溶解产物，过滤除去脂肪酶，产物溶液真空旋转干燥，得分子量为2,100的聚合物。

实施例9

将辛二醇、己二酸、苹果酸按照摩尔比15∶13∶2比例加入100mL的园底烧瓶中(羧基和羟基的比例为16∶15)，四氢呋喃和单体总量以1∶1的质量比例加入，按1500U/每克单体加入来源于Mucor miehei的脂肪酶，置于60℃油浴下，磁力搅拌速度为200rpm，加入分子筛，反应48小时后，加入氯仿溶解产物，过滤除去脂肪酶，产物溶液真空旋转干燥，得分子量为2,300的聚合物。

实施例10

将辛二醇、己二酸、苹果酸按照摩尔比15∶13∶2比例加入100mL的园底烧瓶中(羧基与羟基的比例为16∶15)，N，N—二甲基甲酰胺和单体总量以1∶1的质量比例加入，按1500U/每克单体加入来源于PPL的脂肪酶，置于110℃油浴下，磁力搅拌速度为200rpm，加入分子筛，反应48小时后，加入氯仿溶解产物，过滤除去脂肪酶，产物溶液真空旋转干燥，得分子量为4,300的聚合物。

实施例11

将乙二醇、十二烷二酸、苹果酸按照摩尔比15∶10∶5比例加入100mL的园底烧瓶中(羧基与羟基的比例为7∶6)，氯仿和单体总量以1∶2的质量比例加入，按1500U/每克单体加入来源于PPL的脂肪酶，置于40℃油浴下，磁力搅拌速度为200rpm，加入分子筛，反应48小时后，加入氯仿溶解产物，过滤除去脂肪酶，产物溶液真空旋转干燥，得分子量为3,100的聚合物。

实施例12

将十六烷二醇、丁二酸、苹果酸按照摩尔比15∶9∶6比例加入100mL的园底烧瓶中(羧基与羟基的比例为6∶5)，N，N—二甲基甲酰胺和单体总量以1∶1的质量比例加入，按1500U/每克单体加入来源于PPL的脂肪酶，置于120℃油浴下，磁力搅拌速度为200rpm，加入分子筛，反应48小时后，加入氯仿溶解产物，过滤除去脂肪酶，产物溶液真空旋转干燥，得分子量为2,100的聚合物。

对比实施例

将丁二醇、己二酸按照摩尔比1∶1比例加入100mL的园底烧瓶中，甲苯和单体总量以2∶1的质量比例加入，按1000U/每克单体加入来源于Candida antarctica的脂肪酶，置于70℃油浴下，磁力搅拌速度为200rpm，加入分子筛，反应48小时后，加入氯仿溶解产物，过滤除去脂肪酶，产物溶液真空旋转干燥，得分子量为37,000的聚合物。

将己二醇、己二酸、苹果酸按照摩尔比15∶13∶4比例加入100mL的园底烧瓶中(羧基和羟基的比例为1∶1)，按1500U/每克单体加入来源于Candida antarctica的脂肪酶，置于70℃油浴下，磁力搅拌速度为200rpm，真空度为20mmHg，反应48小时后，加入氯仿溶解产物，过滤除去脂肪酶，产物溶液真空旋转干燥，得分子量为14,000的聚合物；在聚合后期体系为固态，磁子不能转动。测定回收的脂肪酶活力仅为初始酶活的42％。而在实施例4中，通过加入有机溶剂，相同条件下，产物分子量达到29,000；聚合体系在反应后期仍为液态，磁子搅拌顺利。测定回收脂肪酶活力为初始酶活的67％。

通过上面的对比可以发现：在相同的单体比例、酶用量、温度和时间等条件下，有机溶剂条件下所得聚合物的分子量(29,000)远高于无溶剂条件下所得聚合物的分子量(14,000)；有机溶剂条件下的剩余酶活为67％，而无溶剂条件下剩余酶活仅为42％。这些说明含有机溶剂的反应体系可有效降低体系粘度，有利于得到高分子量的聚合物；同时可以提高脂肪酶的耐热性，有利于生物催化剂的反复利用，降低成本。

产物分析：

以实施例1所制得的产物进行产物分析。

1、红外光谱分析

测试方法：将被测样品在真空干燥箱50℃下干燥24小时，用溴化钾压片法制样，用德国Bruker公司VECTOR 33型红外光谱仪进行测定。

图1是对比实施例所制得产物的红外谱图；图2是实施例1所制得产物的红外谱图。对比图1和图2所示的红外谱图，发现在丁二醇、己二酸和苹果酸的三元共聚物的红外谱图上，在3500cm^-1附近出现了明显的羟基吸收峰。这说明在共聚单体中引入苹果酸后，相应地在聚合物分子链上引入了羟基，得到了带有羟基的功能性聚酯。

2、H NMR分析

测试方法：将被测样品在真空干燥箱50℃下干燥24小时，以氘代氯仿为溶剂，用德国Bruker公司Ultrashied 400型核磁共振仪进行测定。

图3是实施例1所制得产物的H NMR谱图。根据如图3所示的丁二醇、己二酸和苹果酸的三元共聚物的H NMR谱图，从图3中聚合物的分子式及不同C上H的吸收峰可以看出：在化学位移为2.8ppm附近出现了苹果酸单元非手性C上H的吸收峰、4.5ppm附近出现了苹果酸单元手性C上H的吸收峰，从而证明在聚合物链中引入了苹果酸单元，得到了含苹果酸单元的功能性聚酯。

Claims

1.一种有机介质中生物催化制备含苹果酸单元的功能性聚酯的方法，其特征在于以二元醇和苹果酸为单体，以有机溶剂为反应介质，利用脂肪酶催化二元醇与苹果酸的直接缩合聚合反应，制备得到含苹果酸单元的功能性聚酯；

所述有机溶剂为丙酮、四氢呋喃、N，N-二甲基甲酰胺、叔丁醇、吡啶、甲苯、二甲苯、氯仿、己烷、环己烷或辛烷；

将二元醇和苹果酸按照1∶2～2∶1的摩尔比例加入反应器中混合，有机溶剂和单体总量以10∶1～1∶10的质量比例加入，加热至40～120℃，按脂肪酶与所加单体总量比为100～4000U/g的比例加入脂肪酶，在磁力搅拌速度为20～400rpm，加入分子筛，反应12～96小时后，分离得到含苹果酸单元的功能性聚酯。

2.根据权利要求1所述的有机介质中生物催化制备含苹果酸单元功能性聚酯的方法，其特征在于所述单体还包括二元酸，是把二元醇和苹果酸按照1∶2～20∶1的摩尔比例加入反应器中，同时加入二元酸，以调整反应体系中羧基和羟基的比例在3∶2～1∶1的范围内，有机溶剂和单体总量以10∶1～1∶10的质量比例加入，混合并加热至40～120℃，按脂肪酶与所加单体总量比为100～4000U/g的比例加入脂肪酶，磁力搅拌速度在20～400rpm，加入分子筛，反应12～96小时后，分离得到含苹果酸单元的功能性聚酯，所述二元酸为己二酸、十二烷二酸或丁二酸。

3.根据权利要求1或2所述的有机介质中生物催化制备含苹果酸单元功能性聚酯的方法，其特征在于所述脂肪酶来源于南极假丝酵母菌(Candida antarctica)、嗜热丝孢菌(Thermomyces lanuginosus)、米黑根毛霉(Rhizomucor miehei)、米黑毛霉(Mucor miehei)或猪胰的脂肪酶。

4.根据权利要求1或2所述的一种生物催化制备含苹果酸单元的功能性聚酯的方法，其特征在于所述二元醇的碳链长度为C2～C16。

5.根据权利要求1或2所述的有机介质中生物催化制备含苹果酸单元功能性聚酯的方法，其特征在于在搅拌速度为50～300rpm的条件下反应，有机溶剂和单体总量的质量比例为8∶1～1∶5。

6.根据权利要求1所述的有机介质中生物催化制备含苹果酸单元功能性聚酯的方法，其特征在于，所述的分离方法为：反应混合物经过溶剂溶解、过滤除去脂肪酶，然后旋转蒸发除去溶剂，在真空下进行干燥，制得含苹果酸单元的功能性聚酯。

7.根据权利要求6所述的有机介质中生物催化制备含苹果酸单元功能性聚酯的方法，其特征在于，所述的溶剂为氯仿、丙酮或四氢呋喃。