酶催化乙烯基单体聚合研究进展

李增昌,张桐玮

(百色学院 化学与环境工程学院,广西城市水环境重点实验室,广西 百色 533000 )

不论是天然的高分子材料还是人工合成的高分子材料都与现代社会密不可分。高分子材料广泛应用于电子、机械、通信、运输、制药和医疗等领域。各种高分子材料的发展归功于历史上很多划时代的创新工作,典型的例子就是齐格勒-纳塔催化剂的发现。此外还有活性聚合的概念、导电高分子的发现和复分解催化剂的发现。新的高分子材料通常由新生产方法产生,也包括合成新的催化剂。自20世纪20年代以来,聚合反应催化剂使用了酸(Bronsted酸、路易斯酸和各种阳离子)、碱(路易斯碱和各种阴离子)和在一定条件下可以生成自由基的化合物。随后,从20世纪50年代开始,在齐格勒-纳塔催化剂中开始使用过渡金属,这些传统的催化剂在高分子合成中仍占据主导作用。然而,本世纪初,人们已经开发了一种新的高分子合成方法——使用酶作为催化剂进行聚合反应[1],尽管在有机合成领域,酶催化已作为一种强大的工具而被广泛使用,然而在高分子材料制备领域,这被视作是具有革命意义的。在近二十年中,人们已经开发了许多酶促聚合反应,并通过酶促聚合产生了多种新的高分子。体外酶催化高分子的合成具有体内酶催化的特点,特别是反应具有高度选择性。几乎所有的反应都以选择性的方式进行,并具有精确的结构控制。因此,酶催化高分子合成为“绿色高分子化学”提供了机会[2]。自首次发现淀粉酶以来,酶对许多领域的科学家都很有吸引力。寻找新酶和新的酶反应机理的研究一直是生物化学、有机化学、医药化学、药物化学和高分子化学等领域中最热门的课题[3]。如今,已经有上千种的酶实现了市场化供应,其中一些酶已经大规模地工业应用。在这些酶中,氧化还原酶、水解酶和异构酶是相对稳定的,可以方便地用作催化剂。而水解酶和氧化还原酶已经有很多被高分子化学家用来合成高分子。

虽然酶催化聚合反应的主要目标是多糖,聚酯、聚碳酸酯、聚酰胺和聚酰胺等在主链中含有碳氧键和碳氮键等的聚合物。但是有一些酶,像过氧化物酶和漆酶在多芳烃合成中也产生可以导致多种聚合反应的自由基中间体。而这些自由基也可以使乙烯基单体在水相、有机相或是在油水界面上进行自由基聚合反应[4]。早在1992年,就有人报道悬浮在甲基丙烯酸甲酯(MMA)中的大肠杆菌与可导致其发生聚合,并得到了低分子量的聚合物[5]。与聚芳烃相比,乙烯基单体的聚合可以通过对三元体系即酶、氧化剂和引发剂的组成的调整来更好地实现对聚合过程的控制。目前,研究较多的乙烯基单体有(甲基)丙烯酸系列,包括(甲基)丙烯酸酯和丙烯酰胺(Am)和苯乙烯系列。

1 (甲基)丙烯酸单体的聚合

在室温下,辣根过氧化物酶(HRP)可以使2,4-戊二酮产生自由基,从而使丙烯酰胺进行聚合(图1)。得到的聚丙烯酰胺的数均分子重量的范围为1.5×105～4.6×105,分子量分布指数在2～2.4之间。 对于这些聚合反应,酶、过氧化氢和还原底物如2,4-戊二酮都是必需的。2,4-戊二酮的烯醇式异构体是这种聚合反应的关键中间体。而一种来自球孢囊藻的漆酶在50～80 ℃的条件下,在没有添加任何其他物质的情况下,即可引发丙烯酰胺进行聚合。由此法获得了高分子量聚丙烯酰胺[6]。其分子量高达1×106,Mw/Mn≈2,在24 h内单体转化率达到81%。用漆酶作为引发体系,在65 ℃条件下还使N,N-二甲基丙烯酰胺实现了聚合,得到的聚合物数均分子量为7.3×105,Mw/Mn=2.4,反应24 h转化率达70%。他们研究揭示此聚合反应是自由基机理,引发物种的产生和体系里少量的氧有关。

图1 酶催化Am聚合反应方程式

Teixeira等人对由HRP和β-二酮和H2O2体系引发Am的聚合反应进行了深入的研究[7]。他们考察了十种作为还原底物即十种β-二酮的稳定性对聚合反应的影响。研究表明β-二酮和双氧水在引发聚合过程中都是必要的。在此体系中,酮-烯醇平衡对引发活性很重要,并且要求β-二酮在α和γ两个位置都没有位阻。Singh等人对HRP与β-二酮反应生成的中间体引发的Am聚合的反应机理研究表明, HRP的催化循环包括一个中间复合物E,这种活性中间复合物氧化1,3-β-二酮产生两个自由基,进一步引发丙烯酰胺进行聚合见图2。

图2 HRP与β-二酮引发的Am聚合的反应机理

HRP/H2O2催化剂体系也可以引发甲基丙烯酸2-(4-羟基苯基)乙酯和甲基丙烯酸2-苯基乙酯的选择性聚合。前一种单体是通过对分子中苯酚基团的氧化而进行的聚合,而后者的聚合是通过乙烯基的自由基聚合来完成的。在此体系中,AIBN引发剂引发前一单体的乙烯基聚合时,苯酚对这一自由基聚合反应有抑制作用[8]。作者对三元体系引发的甲基丙烯酸甲酯(MMA)聚合反应在不同的溶剂中的聚合进行了研究,如二甲基甲酰胺(DMF)、丙酮、二氧六环和四氢呋喃(THF)等。在水溶液中,用大豆过氧化物酶和HRP II的混合物作为引发体系时聚甲基丙烯酸酯(PMMA)的产率为45%。Mn为9.3×105,Mw/Mn=3.0。当使用水和二氧六环或HF时,PMMA的转化率有所增加。这个酶系统在催化水溶性单体的聚合时,需要使用表面活性剂。在含水介质中,Am的完全聚合需要3 h。使用这两种表面活性剂得到的聚丙烯酰胺的分子量和分布宽度分别是1.4×104(3.2)和1.3×104(3.2)。在油含量比较高的乳液中进行反向乳液聚合时,HRP引发的Am聚合在75 min内完成,得到聚丙烯酰胺分子量和分布宽度分别是1.1×105和4.2[9]。HRP引发在超临界二氧化碳(scCO2)和水混合物中的反向乳液聚合成功合成了聚丙烯酰胺。在此体系中,最常使用的表面活性剂是全氟聚醚(PEPE)。在这个PEPE/H2O/scCO2系统中,得到的聚丙烯酰胺其Mn值和Mw/Mn值分别为4.1×105和3.0,聚合转化率为85%。HRP、H2O2和2.4-戊二酮的混合物合在没有表面活性剂时也可以作为引发剂使用,并且还获得了具有高Mn的硬质材料。其Mn为9.1×105,Mw/Mn为2.2。通过HRP引发在scCO2和水的混合物中的反向乳液聚合成了PAm。HRP、H2O2和2.4-戊二酮的混合物引发聚合在没有表面活性剂时也可以进行,也得到了具有高的硬质材料。Mn为9.1×105,Mw/Mn的值为2.2。在这个聚合过程中,通过高剪切力,使水分散在scCO2中形成很小的液滴。反相微乳液的形成有助于在不含表面活性剂条件下进行高效的聚合反应[10]。

在室温下,水相中的聚合反应使用的HRP酶一般是固定在热敏水凝胶材料上的,这个水凝胶一般是由聚N-异丙基丙烯酰胺和壳聚糖水凝胶在戊二醛作为桥联剂而形成的半互穿网络。这个固定化酶第一次使用时,获得的聚丙烯酰胺有很好的产率。聚合物Mn=1.74×105。固定化HRP酶重复使用后活性逐渐降低[11]。

HRP引发的乙烯基单体的自由基聚合,需要使用H2O2和β-二酮产生的自由基。而其他的氧化还原酶如漆酶、脂氧化酶和肌氨酸氧化酶作为催化剂时,产生自由基并引发Am聚合的过程并不需要过氧化物。例如,来自Mycelioph taora(ML)的漆酶可以引发丙烯酰胺聚合得到分子量为2.5×105聚丙烯酰胺,产率高达93%～98%。漆酶催化MMA的聚合不论有没有2,4-戊二酮,在60 ℃时都得到了Mn为2.4×105Mw/Mn为1.4的PMMA,产率为90%。由于漆酶这个体系引发的乙烯基单体的自由基聚合是一种环境友好的聚合反应,人们尝试了利用氧作为氧化剂在各种条件下对丙烯酰胺的聚合反应。最佳反应条件为弱酸性、反应温度约为50 ℃。在此条件下,可以通过控制单体与酶的比率来获得各种分子量的PAm。分子量变化范围6×104～28×104,Mw/Mn为2.5～3.2[12]。

鉴于HRP是一种含铁血红素的酶,与H2O2作用形成活性物种,一种仿生催化剂——羟基铁原卟啉能催化苯酚的聚合,含铁血红素的作用类似于HRP在H2O2存在下的氧化还原循环。用此催化剂使MMA在DMF中进行的聚合反应,可得到Mn=1.6×104～1.8×104,Mw/Mn=2.0～2.7的PMA,Am在NaHCO3-Na2CO3缓冲液中进行聚合,可得到Mn=1.7×105～3.7×105,Mw/Mn=1.6～2.3的Pam[13]。

最近报道的一种新的催化聚合方法实现了丙烯酸乙酯(EA)的聚合。作者通过固定化南极假丝酵母脂肪酶B(CALB),使用不同量的乙醇胺。脂肪酶不仅催化EA的聚合反应,同时也催化了以乙醇胺为亲核试剂的氨解反应。结果得到了PEA和聚(N-(2-羟乙基)丙烯酰胺的共聚物[14],见图3。所得高分子的分子量相对较低,在乙醇胺和EA的投料比为0.5时,Mn最高只有1.9×103。图3中给出了共聚物的形成较为合理的路线。

图3 聚(N-(2-羟乙基)丙烯酰胺的共聚物合成路线

淀粉存在乙酸钠-乙酸缓冲溶液中,由HRP、2,4-戊二酮和H2O2引发的丙烯酰胺的聚合反应,由于自由基产生在淀粉的主链上,从而得到了在淀粉链上接枝的聚丙烯酰胺。支链中PAm的分子量和分子量为9.9×104～30.8×104,共聚物中PAm的含量为5.9%～23.6%[15]。

2 苯乙烯基单体的聚合

Singh等报道了在室温下由HRP引发的疏水性单体苯乙烯(St)及其衍生物如4-甲基苯乙烯和 2-乙烯基萘的聚合反应[16]。为提高自由基聚合的效率,选择一个均相体系非常重要。作者选择了H2O、THF体积比为3∶1的混合溶剂,以使自由基高效地产生,最终生成21%的聚苯乙烯(PS),Mn和Mw/Mn分别为3.2×104和3.1。作者选用了五种β-二酮,分别是2,4-戊二酮、二苯甲酰基甲烷、苯甲酰基丙酮、四氯乙烯酸和1,3-环戊烷二酮,以及4-羟基香豆素作为引发剂引发St进行聚合。结果表明,高分子产率、Mn和Mw/Mn与这些引发剂种类高度相关。使用四硼酸和1,3-环戊烷二酮作引发剂时,PS的产率分别提高到41%和59%。用分子量更大的引发体系得到了分子量更高的聚合物,如用二苯甲酰甲烷得到的PS(Mn)9.7×104,用苯甲酰基丙酮得到的PS其Mn为8.0×104。4-甲基苯乙烯的聚合和2-乙烯基萘的聚合反应也与St的聚合类似。

HRP引发St聚合的主要困难在于St和PS的疏水性。在水介质中,St单体的疏水性会导致相分离,通常在分子量还比较低时即形成沉淀。而用同样的方法,水溶性基单体如苯乙烯基磺酸钠则可以聚合并得到Mn=1.6×105和Mw/Mn=3.4的聚苯乙烯磺酸钠,产率为83%[17]。由于中性时,血红素的溶解度比较小,聚苯乙烯磺酸钠也可以由血红素、H2O2和2,4-戊二酮在pH值为11的碱性溶液中聚合得到。如果用可溶性聚乙二醇改性血红素,聚合反应则可在pH值为7.0的中性环境下进行,得到聚苯乙烯磺酸钠的Mn=2.2×105,产率为78%。血红素、2,4-戊二酮体系可在像DMF中引发聚合,St在40～60 ℃下聚合,得到的PS,其Mn=3.0×103～3.7×103,Mw/Mn=1.9～2.4。

Jones等用HRP、H2O2和2,4-戊二酮氧化还原催化剂体系作引发剂,十二烷基钠作表面活性剂,在室下苯乙烯的微乳液聚合得到了稳定的聚苯乙烯胶乳颗粒,尺寸接近50 nm。研究表明,HRP、H2O2和2,4-戊二酮的比例决定单体的转化率[18]。维生素C是一种必需的营养物质,可清除有害的自由基,羟基和单线态氧。Jones等设计了一个合成及聚合路线,先使用一种高选择性的脂肪酶酶使抗坏血酸的伯羟基与乙烯基单体共价耦联,然后使用HRP催化体系使乙烯基单体聚合反应得到含抗坏血酸官能化的聚苯乙烯类高分子(图4)。聚合完成后,抗坏血酸为作为PS的修饰基团。这样,他们得到了分子量7 000的聚合物。在端基修饰过的高分子中,抗坏血酸基团保留自由基清除能力,和抗2,2-二苯基-1-苦基肼(DPPH)自由基的能力,当浓度达到238 μmol/L时即可彻底清除全部DPPH自由基。

图4 含抗坏血酸官能化的聚苯乙烯类高分子合成路线