今日带来近期发表在Biomacromolecules上的“Lipase-catalyzed epoxy−acid addition and transesterification: from model molecule studies to network build-up”。本文的通讯作者是来自莫纳什大学的Gresil教授和来自巴黎文理研究大学的Tournilhac教授。
由于成本低、稳定性高（耐受有机溶剂和较高温度）、底物范围广，脂肪酶（lipase）被作为生物催化剂，被广泛用于化学合成。它能催化许多化学反应，如环氧化、酰化、醇解等。近年来，生物工程技术的发展使得脂肪酶的性能不断提高，进一步促进其应用。
高分子合成领域中，脂肪酶已经被广泛应用于单体生产、解聚以及线性聚酯的合成等。但是，交联网络的制备仍受到诸多限制，如聚合后期的凝胶化或玻璃化导致链段流动性显著降低，单体无法消耗完全。另外，交联网络的制备要求脂肪酶能同时催化环氧、羧酸的加成以及酯交换。为了达到以上要求，作者选用了来自Pseudomonas stutzeri的脂肪酶（lipase TL），详细研究其机理，完成了交联网络的制备。
图1. Lipase TL催化的环氧/酸加成、酯交换反应示意图以及不同温度下反应产物。
如图1所示，lipase TL的催化活性来源于Ser-109、Asp-255以及His-277，上述残基能在各种有机溶剂中识别底物，完成催化反应。其催化能力在不同温度、溶剂条件下不同。作者选用了环氧丙烷苯基醚（2-phenyl glycidyl ether, PGE）和己酸（hexanoic acid, HA）作为小分子模型，研究其催化能力随反应条件的变化。3.27、2.83和2.69 ppm处是PGE的化学位移，它们的积分面积能用来计算单体转化率（如图2所示）。结果表明，相同温度下，加入lipase TL后单体转化率显著提高。
图2. 100 oC时，含lipase TL反应体系随时间变化的1H NMR谱图（CDCl3, 400 Hz）。反应体系中lipase TL的含量为3 wt%。
通过1H NMR和GC-MS表征，作者发现了如图1所示的四种产物，其中两种是环氧/酸加成产物，另外两种是酯交换产物。如图2所示，它们的含量可分别通过4.00、3.79-3.63、5.31以及5.15 ppm处化学位移的积分面积计算得出。如图3所示，两种反应的相对比例和反应温度、水含量有关。
图3. (a) 环氧转化率随时间、温度和水添加量的变化；(b) 反应早期 (0–4 h)环氧转化率随时间变化；(c) 反应动力学曲线；(d) 脂肪酶催化和脂肪酶-H2O催化加成反应的阿伦尼乌斯图。
较低温度（< 100 oC）时，环氧/酸加成、酯交换反应同时缓慢发生。但是，更高反应温度（如120或140 oC），环氧/酸加成反应能快速完成，酯交换产物却很少。高温下，lipase TL会发生变性，导致酯交换反应催化能力的丧失，环氧/酸加成反应催化能力却能在极其苛刻的反应条件下保持（如140 oC，含有lipase TL的反应体系单体消耗速率更快）。作者将lipase TL在200 oC处理3小时，然后将其加入反应体系，仍然能在100 oC下催化环氧/酸加成反应的发生。因此，lipase TL催化交联网络的生成不能使用高温等苛刻反应条件，否则只能形成以线性聚合物为主的产物。
有机溶剂中，水含量通常影响着酶促酯交换反应的速率。少量的水能保持酶在有机溶剂中的活性，但是过量的水会增加水解等副反应的发生。如图3d所示，少量水能降低反应的活化能。
如图4所示，作者使用间苯二酚二缩水甘油醚和癸二酸作为单体，利用lipase TL-H2O催化体系制备了交联网络，其中lipase TL和H2O含量分别为3 wt%、0.3 wt%。为了平衡反应速率和酶稳定性，作者选用了100 oC下反应72小时。红外光谱表明，酸和环氧的特征吸收完全消失。作为对照，不加入lipase TL的反应体系在相同条件下单体转化率仅为50%。
图4. 100 °C、lipase TL存在下，双环氧化物/酸摩尔比为1: 1液体混合物发生的化学反应示意图。
综上所述，作者通过小分子模型反应证明lipase TL在环氧树脂固化条件下能同时催化环氧-酸加成和酯交换反应。温度和含水量会影响催化反应速率，过高温度会导致酶变性失活，不利于交联网络生成。最终，作者在优化条件（100 °C、72 h 和 0.3 wt% 的水）下制备了生物基聚酯交联网络。
作者：LXY 审校：ZZC
DOI: 10.1021/acs.biomac.1c00820
Link: https://doi.org/10.1021/acs.biomac.1c00820
