CN109251942A

CN109251942A - 一种脂肪酶催化合成衣康酸聚酯的方法

Info

Publication number: CN109251942A
Application number: CN201811079835.5A
Authority: CN
Inventors: 邓利; 王世臻; 徐军涛; 王芳
Original assignee: Beijing University of Chemical Technology
Current assignee: Beijing University of Chemical Technology
Priority date: 2018-09-17
Filing date: 2018-09-17
Publication date: 2019-01-22

Abstract

本发明属于生物化工领域，具体涉及一种无溶剂体系下利用脂肪酶催化合成衣康酸聚酯的制备方法。本发明以衣康酸、二元醇为反应单体，在常压，加热条件下，以脂肪酶为催化剂进行酯化反应制备预聚体；在真空、加热、脂肪酶催化条件下进行缩聚反应制备衣康酸聚酯的产物；缩聚产物经有机溶剂溶解、过滤、萃取、洗涤、蒸馏，即得纯的衣康酸聚酯。该方法克服了现有金属催化剂高温反应耗能大，存在副反应和催化剂残留的问题，具有反应条件温和，反应高效专一，产物易于分离、多分散性好，且酶法催化工艺产物分子量可控等优点。

Description

一种脂肪酶催化合成衣康酸聚酯的方法

技术领域：

本发明属于生物化工领域，具体涉及一种无溶剂体系下利用脂肪酶催化合成衣康酸聚酯的制备方法。

背景技术：

高分子材料是以脂肪族或芳香族的C-C共价键为基础结构组成的大分子，也称为有机高分子。随着科学技术的发展，人类使用的自然界的天然有机物，如木材、皮革、橡胶、棉、麻、丝等都已经不能满足人们的需求了，自20世纪20年代以来，人工合成的高分子材料得到了发展，并已被广泛应用。聚酯是一类高分子材料，一般是由多元醇和多元酸通过缩聚反应制得的，其主链上具有重复羧酸酯(-COO-)结构单元，按照原料的不同可以分为芳香族聚酯和脂肪族聚酯。芳香族聚酯的热性能稳定，力学性能优良，极耐腐蚀性，加工方便，价格低廉，但其结构中含有苯环，使用后较难降解。从环保方面来看，难以符合绿色环保材料的要求。

脂肪族聚酯可以通过脂肪族二元醇或酯的衍生物与脂肪族或脂环族二元醇经过缩聚反应而得到，也可以通过内酯或者交酯的开环聚合得到。其主链上含有易水解的酯键，主链柔顺，而且具有较好的生物降解性。

脂肪族聚酯根据单体结构的不同，可分为饱和脂肪族聚酯和不饱和脂肪族聚酯。由二元酸和二元醇合成的脂肪族聚酯目前是一个研究热点，国内外对饱和脂肪族聚酯做了很多研究，集中在用脂肪族二元酸(丁二酸、戊二酸、己二酸、壬二酸等)和二元醇(乙二醇、1,4-丁二醇、己二醇、新戊二醇等)合成的饱和脂肪族聚酯上。对于不饱和脂肪族聚酯，其结构中除了含有酯键，还含有具有可修饰的不饱和键(比如C＝C双键)，可以改变其性能。不饱和脂肪族聚酯生产工艺简单，原料易得，具有较好的耐候、耐水、耐油等各种耐化学腐蚀性能，以及较好的力学性能和电性能，另外还可以常温常压固化，具有良好的工艺性能，在交通、工业、农业、国防、建筑业、纺织、生物医药等方面都有广泛的应用。

衣康酸学名为甲叉琥珀酸，亚甲基丁二酸，是不饱和二元有机酸，衣康酸分子链两端各包含一个羧基基团，2号碳原子具有一个碳碳双键，因而在化学结构上不仅能发生羧基官能团的亲核取代反应，同时也能发生碳碳双键的亲电加成反应(自身间聚合，加成反应，酯化反应和聚合反应。产物为化学合成工业的重要原料，也是化工生产的重要原料)，衣康酸既可以与单个二元醇发生缩聚反应，也可与不同的共聚单体发生缩聚反应得到分子结构不同的聚酯或者共聚酯。目前，衣康酸可以廉价的葡萄糖、蔗糖和淀粉水解糖为原料，利用土曲霉和衣康酸曲霉进行发酵获得，生产过程绿色环保，属于生物基聚合原料。

研究发现，以衣康酸为共聚单体制备的衣康酸类聚酯，由于亚甲基的存在，使聚合物主链的规整度降低，链的对称性被破坏，从而改变了聚合物的结晶性能，进而可调节聚合物的生物降解性能。因此，近几年衣康酸类聚酯逐渐成为可完全生物降解聚合物材料中的研究热点。目前公开的专利中，高传慧等人介绍一种大分子网状结构的衣康酸类共聚酯的制备方法，将衣康酸二甲酯、1,4-丁二醇和芳香族二元酸、芳香族二元酸的酯、芳香族二元酸的酸酐等在酯化催化剂作用下进行反应。通过无规共聚，把芳香族链段引入到衣康酸聚酯链段中去，而后在交联剂和引发剂的作用下得到生物降解性能良好的聚酯(CN103819621 A)。李悦明通过预聚与缩聚两步法工艺制备的高分子量聚衣康酸丁二醇酯，由于分子结构中亚甲基及双键的存在，破坏了链的对称性，降低了聚合物主链的规整度，改变了聚合物的结晶性能，进而可调节聚合物的生物降解性，所得衣康酸类聚酯具有良好的生物降解性能(CN 102993425 A)。

同时在公开的论文中王传兴以衣康酸、癸二酸和1.4丁二醇为反应单体，采用熔融酯化缩聚法合成了一系列新型可生物降解脂肪族聚(衣康酸丁二醇酯-癸二酸丁二醇酯)，其产物数均分子量为12400，重均分子量为23684，多分散性为1.91(王传兴，朱来响，等.聚(衣康酸丁二醇酯癸二酸丁二醇酯)的合成与表征[J].高分子材料科学与工程，2015，6)。肖志丹以对苯二甲酸二甲酯、1，4-丁二醇和衣康酸二甲酯为原料采用熔融缩聚法制备了一类生物可降解脂肪族/芳香族共聚酯—聚(对苯二甲酸丁二醇酯-co-衣康酸丁二醇酯)，其产物数均分子量为2483，重均分子量为4293，多分散性为1.729。(肖志丹，王婷，等.聚(对苯二甲酸丁二醇酯-co-衣康酸丁二醇酯)的合成及表征[J].石油化工高等学校学报，2014，4)但是，上述化学合成工艺容易产生副反应，环境友好性差，产物难分离，同时产物分子量分布不集中的问题较为显著。

设计和开发一种绿色环保、工艺简单、聚酯产物多分散性好、易分离工艺是目前衣康酸酯研究的重点和热点。

发明内容：

为了解决上述技术问题，本发明以工业生产易得的衣康酸和二元醇为底物，经脂肪酶催化合成衣康酸聚酯，克服现有金属催化剂高温反应耗能大，存在副反应和催化剂残留的问题，该生物工艺具有条件温和，反应高效专一，产物易于分离、多分散性好，且酶法催化工艺产物分子量可控等优点，不仅符合绿色化学的追求，并且可以得到更优的产品。

本发明提供的技术方案，是一种脂肪酶催化合成衣康酸聚酯的方法，所述方法包括以下步骤：

(1)预聚反应

将衣康酸，二元醇与脂肪酶置于反应装置中，在35-65℃，100-300rpm条件下，进行常压酯化反应，得聚酯预聚体；

进一步地，所述酯化反应的反应时间为12-24h；

进一步地，所述二元醇与衣康酸的摩尔比为(0.5-7)：1；

进一步地，所述脂肪酶用量为二元酸质量的1％-10％；

优选地，所述脂肪酶为游离脂肪酶粉、脂肪酶液或固定化脂肪酶；

更优选地，所述脂肪酶选自Candida sp.99-125脂肪酶、LS-20脂肪酶、Novozym40086脂肪酶、Novozym 435脂肪酶、Lipozyme TL-IM脂肪酶、Lipozyme RM-IM脂肪酶或猪胰酶；

优选地，所述二元醇选自乙二醇、1,3-丙二醇、1,4-丁二醇、1,5-戊二醇或1,6-己二醇；

(2)缩聚反应

将步骤(1)得到的聚酯预聚体减压至65-140Pa，并升温至45-75℃进行缩聚反应，得到衣康酸聚酯；

进一步地，所述缩聚反应的反应时间为18-48h；

所述缩聚反应过程中持续搅拌；

(3)产品分离

将步骤(2)得到的缩聚产物完全溶解于有机溶剂中，后经过滤、萃取、洗涤、蒸馏工艺得到纯化的衣康酸聚酯，获得的产品多分散性较低(PDI为1.035-1.5)，产物分子量在1000-5000之间；

优选地，所述有机溶剂为THF、DMSO或CHCl₃。

在一些优选的实施例中，缩聚反应的反应温度50℃-65℃，压力110Pa-140Pa，缩聚反应时间18h-35h条件下，得到分子量为1000-2500的产品；

在一些优选的实施例中，缩聚反应的反应温度55℃-70℃，压力85Pa-100Pa，缩聚反应时间35h-45h条件下，得到分子量为2500-3700的产品；

在一些优选的实施例中，缩聚反应的反应温度65℃-75℃，压力65Pa-80Pa，缩聚反应时间45h-48h条件下，得到分子量为3700-5000的产品。

有益效果:

(1)本发明是以生物酶法催化制备衣康酸类聚酯，与传统的催化剂相比，在维持聚酯的分子量的情况下，有效的降低了聚酯产物的多分散性，制备的聚酯的多分散性低于1.5，最低可达1.035；

(2)本发明是以生物酶法催化制备衣康酸类聚酯，生产聚合物分子量在1000-5000范围内可控；分子量可通过调节缩聚反应的反应条件进行实现。

(3)本发明将脂肪酶引入衣康酸类聚酯的合成工艺中，操作方法简单、副反应少、环境污染小，且产品分离纯化工艺简单；

(4)衣康酸溶解度较低，本发明在不使用有机溶剂或促溶剂的情况下，可实现30-72h，衣康酸转化率达到65％以上的效果。

具体实施方式:

下面将结合具体实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以衣康酸为共聚单体制备的衣康酸类聚酯，由于亚甲基的存在，使聚合物主链的规整度降低，链的对称性被破坏，从而改变了聚合物的结晶性能，进而可调节聚合物的生物降解性能。因此，近几年衣康酸类聚酯逐渐成为可完全生物降解聚合物材料中的研究热点。现有技术中的化学合成工艺容易产生副反应，环境友好性差，产物难分离，同时产物分子量分布不集中的问题较为显著。本申请发明人首次将以衣康酸和二元醇为底物，以脂肪酶为生物催化剂合成衣康酸聚酯的生物催化反应引入到衣康酸类聚酯的合成中，克服现有金属催化剂高温反应耗能大，存在副反应和催化剂残留的问题，同时提供多分散性低，且分子量可控的产品。

本发明提供的制备方法包括以下步骤：

(1)预聚反应：将衣康酸，二元醇与脂肪酶置于反应装置中，在35-65℃，100-300rpm条件下，进行常压酯化反应12-24h，得聚酯预聚体；

二元醇与衣康酸的摩尔比为(0.5-7)：1；脂肪酶用量为二元酸质量的1％-10％；

(2)缩聚反应：将聚酯预聚体减压至65-140Pa，并升温至45-75℃进行缩聚反应18-48h，得到衣康酸聚酯，缩聚反应过程中持续搅拌；

(3)产品分离：将缩聚产物完全溶解于有机溶剂中，后经过滤、萃取、洗涤、蒸馏工艺得到纯化的衣康酸聚酯。

经上述方法获得的产品多分散性较低(PDI为1.035-1.5)，产物分子量在1000-5000之间。

本发明所使用的脂肪酶可以以游离脂肪酶粉、脂肪酶液或固定化脂肪酶的形式进行添加；且脂肪酶来源广泛，可来自于动物、植物或微生物；例如：Candida sp.99-125脂肪酶，Novozym 40086脂肪酶，LS-20脂肪酶，Novozym 435脂肪酶，Lipozyme TL-IM脂肪酶，Lipozyme RM-IM脂肪酶，猪胰酶等均可实现本发明的技术效果。

在一些实施例中，二元醇选自乙二醇、1,3-丙二醇、1,4-丁二醇、1,5-戊二醇或1,6-己二醇；

在一些实施例中，有机溶剂选自THF、DMSO或CHCl₃；

此外，本发明提供的制备方法可实现衣康酸聚酯产品分子量在1000-5000之间可控；

在一些实施例中，缩聚反应的反应温度为50℃-65℃(如50、55、60、65℃等)；压力为110Pa-140Pa(如110、120、130、140Pa等)；缩聚反应时间为18h-35h条件下(如18、20、25、30、35h等)；可将产品分子量控制在1000-2500之间；

在一些实施例中，缩聚反应的反应温度55℃-70℃(如55、60、65、70℃等)，压力85Pa-100Pa(如85、90、95、100Pa等)，缩聚反应时间35h-45h(如35、40、45h等)条件下，可将产品分子量控制在2500-3700之间；

在一些实施例中，缩聚反应的反应温度65℃-75℃(如65、70、75℃等)，压力65Pa-80Pa(如65、70、75、80Pa等)，缩聚反应时间45h-48h(如45、47、48h等)条件下，可将产品分子量控制在3700-5000之间。

下文将结合具体实施例以进一步详细阐述本发明的衣康酸聚酯制备方法

实施例1：

将1,4-丁二醇、衣康酸底物置于反应装置中，搅拌转速为200rpm，醇酸摩尔比为0.5:1，在常压条件加热反应装置至50℃，添加Lipozyme TL-IM脂肪酶催化剂10％wt(酶/酸)，开始酯化反应，24h后得预聚体中间物；升高反应温度至65℃，减压调节至90Pa条件下进行缩聚反应，缩聚反应过程中持续搅拌，36h后制得聚衣康酸丁二醇酯；使用DMSO溶解产品，过滤其中残余脂肪酶、萃取、旋蒸后的精制聚酯样品进行GPC色谱分析，在该条件下，结果显示产物数均分子量为2842，重均分子量为3083，多分散性为1.085，衣康酸转化率为68.6％。

实施例2：

将1,6-己二醇、衣康酸底物置于反应装置中，搅拌转速为100rpm，醇酸摩尔比为3:1，在常压条件加热反应装置至65℃，添加Candida sp.99-125脂肪酶脂肪酶催化剂6％wt(酶/酸)，开始酯化反应，18h后得预聚体中间物；升高反应温度至72℃，减压调节至70Pa条件下进行缩聚反应，缩聚反应过程中持续搅拌，48h后制得聚衣康酸己二醇酯；使用THF溶解产品，过滤其中残余脂肪酶、萃取、旋蒸后的精制聚酯样品进行GPC色谱分析，在该条件下，结果显示产物数均分子量为4842，重均分子量为5907，多分散性为1.220，衣康酸转化率为70.1％。

实施例3:

将乙二醇、衣康酸底物置于反应装置中，搅拌转速为300rpm，醇酸摩尔比为1.5:1，在常压条件加热反应装置至35℃，添加LS-20脂肪酶催化剂4％wt(酶/酸)，开始酯化反应，12h后得预聚体中间物；升高反应温度至55℃，减压调节至120Pa条件下进行缩聚反应，缩聚反应过程中持续搅拌，24h后制得聚衣康酸乙二醇酯；使用CHCl₃溶解产品，过滤其中残余脂肪酶、萃取、旋蒸后的精制聚酯样品进行GPC色谱分析，在该条件下，结果显示产物结果显示产物数均分子量为1406，重均分子量为1495，多分散性为1.063，衣康酸转化率为65.7％。

实施例4:

将1,3-丙二醇、衣康酸底物置于反应装置中，搅拌转速为200rpm，醇酸摩尔比为7:1，在常压条件加热反应装置至55℃，添加Lipozyme RM-IM脂肪酶催化剂1％wt(酶/酸)，开始酯化反应，12h后得预聚体中间物；升高反应温度至60℃，减压调节至115Pa条件下进行缩聚反应，缩聚反应过程中持续搅拌，32h后制得聚衣康酸丙二醇酯；使用THF溶解产品，过滤其中残余脂肪酶、萃取、旋蒸后的精制聚酯样品进行GPC色谱分析，在该条件下，结果显示产物结果显示产物数均分子量为2314，重均分子量为2795，多分散性为1.208，衣康酸转化率为69.5％。

实施例5:

将1,5-戊二醇、衣康酸底物置于反应装置中，搅拌转速为200rpm，醇酸摩尔比为3:1，在常压条件加热反应装置至45℃，添加Novozym 435脂肪酶催化剂8％wt(酶/酸)，开始酯化反应，24h后得预聚体中间物；升高反应温度至60℃，减压调节至135Pa条件下进行缩聚反应，缩聚反应过程中持续搅拌，22h后制得聚衣康酸戊二醇酯；使用CHCl₃溶解产品，过滤其中残余脂肪酶、萃取、旋蒸后的精制聚酯样品进行GPC色谱分析，在该条件下，结果显示产物结果显示产物数均分子量为1810，重均分子量为1884，多分散性为1.041，衣康酸转化率为71％。

实施例6:

将1,6-己二醇、衣康酸底物置于反应装置中，搅拌转速为200rpm，醇酸摩尔比为2:1，在常压条件加热反应装置至60℃，添加Novozym 40086脂肪酶催化剂3％wt(酶/酸)，开始酯化反应，24h后得预聚体中间物；升高反应温度至65℃，减压调节至95Pa条件下进行缩聚反应，缩聚反应过程中持续搅拌，42h后制得聚衣康酸己二醇酯；使用DMSO溶解产品，过滤其中残余脂肪酶、萃取、旋蒸后的精制聚酯样品进行GPC色谱分析，在该条件下，结果显示产物结果显示产物数均分子量为3460，重均分子量为4114，多分散性为1.189，衣康酸转化率为68.6％。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种脂肪酶催化合成衣康酸聚酯的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)预聚反应：将衣康酸，二元醇与脂肪酶置于反应装置中，在35-65℃，100-300rpm条件下，进行常压酯化反应，得聚酯预聚体；

(2)缩聚反应：将步骤(1)得到的聚酯预聚体减压至65-140Pa，并升温至45-75℃进行缩聚反应，得到衣康酸聚酯；

(3)产品分离：将步骤(2)得到的缩聚产物完全溶解于有机溶剂中，后经过滤、萃取、洗涤、蒸馏工艺得到纯化的衣康酸聚酯。

2.如权利要求1所述的一种脂肪酶催化合成衣康酸聚酯的方法，其特征在于，所述酯化反应的反应时间为12-24h。

3.如权利要求1所述的一种脂肪酶催化合成衣康酸聚酯的方法，其特征在于，所述二元醇与衣康酸的摩尔比为(0.5-7)：1。

4.如权利要求1所述的一种脂肪酶催化合成衣康酸聚酯的方法，其特征在于，所述脂肪酶用量为二元酸质量的1％-10％。

5.如权利要求1所述的一种脂肪酶催化合成衣康酸聚酯的方法，其特征在于，所述脂肪酶选自Candida sp.99-125脂肪酶、LS-20脂肪酶、Novozym 40086脂肪酶、Novozym 435脂肪酶、Lipozyme TL-IM脂肪酶、Lipozyme RM-IM脂肪酶或猪胰酶。

6.如权利要求1所述的一种脂肪酶催化合成衣康酸聚酯的方法，其特征在于，所述二元醇选自乙二醇、1，3-丙二醇、1，4-丁二醇、1，5-戊二醇或1，6-己二醇。

7.如权利要求1所述的一种脂肪酶催化合成衣康酸聚酯的方法，其特征在于，所述缩聚反应的反应时间为18-48h，所述缩聚反应过程中持续搅拌。

8.如权利要求1-7任意一项所述的一种脂肪酶催化合成衣康酸聚酯的方法，其特征在于，所述缩聚反应的反应温度为50℃-65℃，压力为110Pa-140Pa，缩聚反应时间为18h-35h。

9.如权利要求1-7任意一项所述的一种脂肪酶催化合成衣康酸聚酯的方法，其特征在于，所述缩聚反应的反应温度为55℃-70℃，压力为85Pa-100Pa，缩聚反应时间为35h-45h。

10.如权利要求1-7任意一项所述的一种脂肪酶催化合成衣康酸聚酯的方法，其特征在于，所述缩聚反应的反应温度65℃-75℃，压力为65Pa-80Pa，缩聚反应时间为45h-48h。