酶促与原子转移自由基聚合法结合制备两亲性多嵌段聚合物的研究

刘啸天　李永梅　王励申　莫泳红　廖海龙

(东莞理工学院　化学与环境工程学院，广东东莞　523808)



酶促与原子转移自由基聚合法结合制备两亲性多嵌段聚合物的研究

刘啸天李永梅王励申莫泳红廖海龙

(东莞理工学院化学与环境工程学院，广东东莞523808)

摘要：在Novozyme 435固定化脂肪酶的串联催化作用下，癸二酸先与2,2’-双羟甲基丙酸苄基酯缩聚，缩聚产物再引发己内酯的开环聚合反应，得到含端羟基的聚酯产物；利用α-溴代异丁酰溴与此聚酯产物的端羟基发生酯化反应制备出大分子引发剂，引发甲基丙烯酸环氧丙酯的原子转移自由基聚合(ATRP)反应，得到聚酯-聚甲基丙烯酸环氧丙酯多嵌段目标聚合产物。产物中的聚酯段具有亲油性，聚甲基丙烯酸环氧丙酯段具有亲水性，使得整个聚合物分子具有良好的双亲性以及广泛的应用范围。

关键词：酶促聚合；原子转移自由基聚合；两亲性聚合物

酶促聚合与原子转移自由基聚合(ATRP)都具有强大的设计、合成功能化材料的能力，在新型高分子材料的开发中起到了重要的作用。其中，酶促聚合[1-4]具有极高的位置选择性和立体选择性，催化产物专一，反应条件温和，酶催化剂基本无毒性，生成的聚合物具备良好的生物可降解性能，符合当今环保的需要，是作为生物医用高分子材料、药物中间体的最佳选择；原子转移自由基聚合(ATRP)是一种“活性”/可控的聚合方法[5-7]，适合的聚合单体很多，所合成的聚合产物具有分子量分布窄、结构可控的特点，容易实现功能化，并能有效地提高聚合物的分子量。

利用酶促聚合及ATRP 反应，均能制得大量功能高分子材料。将两种聚合方式结合，利用各自反应的优势，可以合成新型功能性高分子聚合产物[8-9]。这些新型聚合产物不仅会具有良好的生物相容性，而且结构可控，鉴于其新奇的结构及独特的性能，预计可在医药、生物工程、无害涂料、流变助剂等方面具有广阔的应用前景。

本文报导了将酶促聚和与原子转移自由基聚合(ATRP)结合使用，在Novozyme 435固定化脂肪酶的串联催化作用下，癸二酸先与2,2’-双羟甲基丙酸苄基酯缩聚，缩聚产物再引发己内酯的开环聚合反应，得到含端羟基的聚酯产物；利用α-溴代异丁酰溴与此聚酯产物的端羟基发生酯化反应制备出大分子引发剂，引发甲基丙烯酸环氧丙酯(GMA)的原子转移自由基聚合(ATRP)反应，成功合成了两亲性多嵌段聚合产物。

1实验部分

1.1试剂和仪器

Novozyme 435固定化脂肪酶是由诺维信公司提供；2,2’-联吡啶(bpy)和α-溴代异丁酰溴、二氯甲烷、氯仿、三乙胺、甲醇均为分析纯试剂，直接使用；氯化亚铜(CuCl)，化学纯，使用前在浓硫酸介质中利用亚硫酸处理，再依次用冰醋酸、无水乙醇、无水乙醚反复洗涤，100 ℃烘干后使用；甲基丙烯酸环氧丙酯(GMA)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、己内酯(ε-CL)、甲苯均为分析纯试剂，使用前以CaH2干燥除水，蒸馏或减压蒸馏使用；

1H NMR谱以Brucker Advance 500M核磁共振波谱仪测定，均以CDCl3为溶剂，TMS为内标；分子量及其分布以WATO 44219凝胶渗透波谱仪(GPC)测定，单分散性聚苯乙烯标样作普适校正。

1.2实验过程

定量的Novozyme 435置于装有P2O5的真空干燥器脱水24 h后，移至反应瓶中，于氩气氛下向反应瓶中加入2,2’-双羟甲基丙酸苄基酯(5 mmol)、癸二酸(5 mmol)及溶剂甲苯，先于70 ℃常压下反应16 h以形成寡聚物，然后在相同温度下抽真空(0.5 mmHg)24 h除去生成的水及溶剂甲苯，再向体系中充氩气至常压，加入己内酯(3 mmol)，继续于70 ℃反应6 h，用冰浴终止反应，将产物溶解在氯仿中，过滤除去不溶的酶，浓缩滤液，倾入甲醇中，得到聚酯产物(A)。

将聚酯产物(A)溶于干燥的CH2Cl2中，加入定量Et3N，冷却至0 ℃，缓慢滴加α-溴代异丁酰溴的CH2Cl2溶液，滴加完毕于室温下反应24 h，反应液在甲醇中沉淀得到大分子引发剂(B)，真空干燥待用。

大分子引发剂(B)引发甲基丙烯酸环氧丙酯(GMA)的原子转移自由基聚合反应(ATRP)应在支管反应瓶中进行，反应瓶经真空脱气—充氩气抽排3次，向其中加入一定量大分子引发剂(B)(依据GPC测试结果，推出含引发基团0.06 mmol)，以及一定量的催化剂CuCl和配体bpy，再经3次真空脱气—充氩气后，加入预先脱氧处理的单体甲基丙烯酸环氧丙酯(GMA, 6 mmol)及溶剂N,N-二甲基甲酰胺(DMF)。反应体系置于50 ℃油浴中反应4 h后，冰浴终止反应，用氯仿溶解反应产物，浓缩后倾在甲醇中得到最终产物两亲性多嵌段聚合产物(C)。

整个合成路线如图1所示：

图1　两亲性多嵌段聚合产物的合成路线

2结果与讨论

这种利用大分子引发剂将酶促聚合及原子转移自由基聚合反应相结合制备的多嵌段共聚物，以GPC测定其分子量和分布，1H NMR来确定其结构。

表1　各部反应产物的GPC测试数据

表1列出了酶促串联聚合产物(A)、大分子引发剂(B)及最终产物两亲性多嵌段聚合产物(C)的分子量及分子量分布数据，三种聚合物的谱线均呈单峰对称分布。其中，大分子引发剂(B)相对于酶促串联聚合产物(A)多分散性(Mw/Mn)稍微减小，而分子量(Mn、MW)略有增加，这是由于端头的酯基化使得分子链聚集态结构发生变化，引起在色谱柱中流动行为改变而造成；而最终产物(C)与中间体聚合物(A)、(B)相比，分子量显著增大，多分散系数也有较多的降低，这些都符合ATRP聚合反应的特征。

最终聚合产物——两亲性多嵌段聚合产物(C)的1H NMR谱图如图2所示，其中在4.23 ppm和4.06 ppm处出现的两组化学位移特征峰，分别归属于与酯基中氧原子相连接的亚甲基上的质子e和n；在2.20 ppm和1.55 ppm处出现的三重峰，分别归属于主链上的聚癸二酸酯单元中相互连接的亚甲基上的质子b和c；5.15 ppm处出现的单峰，归属于癸二酸酯单元侧链的亚甲基g；7.30 ppm处的五重峰，则应归属于侧链上苯环的质子h；1.38 ppm(l)、2.30 ppm(j)和 1.66 ppm(m,k)处各自出现的多重峰，由聚己内酯单元上相互连接的亚甲基产生；而1.12 ppm处的单峰是由聚癸二酸酯单元中的甲基f和亚甲基d共同产生；在4.30 ppm和3.82 ppm处出现的单峰，分别是由聚甲基丙烯酸环氧丙酯链段中与酯键中的氧原子相连接亚甲基上的两个质子r产生；在3.24 ppm处出现的单峰，归属于与环氧基团中氧原子连接的次甲基中的质子s；在2.85 ppm和2.64 ppm处出现的单峰，分别是由与环氧基团中氧原子连接亚甲基上的两个质子t产生；1.90 ppm处的不规则单峰，是聚甲基丙烯酸环氧丙酯链段主链中亚甲基上质子p，与周围其他质子偶合而产生；1.10 ppm与0.94 ppm处的两个不等价单峰，是由聚甲基丙烯酸环氧丙酯链段中甲基上的质子q，与周围其他质子偶合后产生。

图2　两亲性多嵌段聚合产物(C)的 1HNMR(CDCl3)谱图

结合表1及图2中数据综合分析，可以确定大分子引发剂成功引发GMA的ATRP反应得到了多嵌段目标聚合产物，且此聚合物的不同嵌段，分别带有大量的苯环和环氧基团作为侧链。酶催化所得的聚酯嵌段携带苯环，具有极强的亲油性；通过ATRP反应形式得到聚甲基丙烯酸环氧丙酯嵌段具有环氧基团为侧基，能够以氢键的形式与水结合，具有良好亲水性。所以，多嵌段聚合产物具有良好的两亲性，可以作为功能高分子材料使用。

3结语

通过对两亲性多嵌段聚合物的合成与表征，验证了此制备方法的可行性。制备得到的多嵌段聚合产物，既拥有亲油的聚酯段，同时又具有携载大量环氧基团的聚甲基丙烯酸环氧丙酯嵌段。这些不同的嵌段赋予了聚合产物多种功能，聚酯段具有疏水性和优异的降解性能；聚甲基丙烯酸环氧丙酯段具有良好的亲水、络合及反应性能[10]。不同性质嵌段的组合，使得此两亲性多嵌段聚合产物具有应用于医用高分子材料、药物靶向传输材料、吸附树脂材料、纳米孔穴材料等领域的潜力，从而拥有广泛的应用前景和使用价值。

参 考 文 献

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Synthesis of Amphiphilic Multi Block Polymer by Combining Enzymatic Polymerization and Atom Transfer Radical Polymerization

LIU XiaotianLI YongmeiWANG LishenMO YonghongLIAO Hailong

(College of Chemistry and Environmental Engineering, Dongguan University of Technology, Dongguan 523808, China)

AbstractThis work develops a method for the synthesis of amphiphilic multi block polymer by combining enzymatic polymerization and atom transfer radical polymerization. Enzymatic polycondensation of benzyl-2,2-bis(methylol) propionate and sebacic acid was performed using Novozyme 435 as the catalyst in vacuum; subsequently enzymatic ring-opening polymerization was reacted by adding ε-caprolactone as the monomer in the same system to get the intermediate polyester which was converted to the macromer initiator by the esterification with α-bromoisobutyryl bromide subsequently. The target of amphiphilic multi block polymer was obtained by synthesis the macromer initiator with GMA via Atom Transfer Radical Polymerization (ATRP).

Key wordsenzymatic polymerization; Atom Transfer Radical Polymerization; amphiphilic polymer

文章编号：1009-0312(2016)01-0032-04

中图分类号：O631

文献标识码：A

作者简介：刘啸天(1975—)，男，吉林省长春人，讲师，博士，主要从事可降解医用材料的合成与制备研究。

基金项目：广东省自然科学基金项目(S2013010015690)。

收稿日期：2015-09-14