Copolymerization of Lactone and Hydroxy Acid Catalyzed
by Porcine Pancreatic Lipase

Shuai Xintao^1*   Luo Qiang²     Zbigniew Jedlinski³
（¹Institute of Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100080
²Institute of Synthetic Fibre, Chinese Academy of Textile Science, Beijing
³Center of Polymer Chemistry, Polish Academy of Sciences, 41-800 Zabrze, Poland）

Abstract   Using porcine pancreatic lipase(PPL) as a catalyst, novel polyesters with hydroxyl and carboxylic end groups were synthesized by copolymerization of hydroxy-acid(3-hydroxybutyric acid or 12-hydroxydodecanoic acid) with lactone(b-butyrolactone or e-caprolactone). The mechanism of the reaction process was proposed.
Key words   Lipase, Copolymerization,  Lactone,  Hydroxy acid
摘要  本文采用猪胰脂肪酶(PPL)为催化剂，由羟基酸（3-羟基丁酸或正12-羟基酸）与内酯（β-丁内酯或ε-己内酯）共聚、合成带有端羟基和端羧基分子结构的聚酯，对反应机理进行了探讨。
关键词 脂肪酶 共聚反应 内酯 羟基酸

脂肪酶催化内酯与羟基酸的共聚反应研究

帅心涛                                     骆强
（中国科学院化学研究所 北京 100080）（中国纺织科学院合成纤维研究所 北京）
Zbigniew Jedlinski
(Center of Polymer Chemistry, Polish Academy of Sciences, 41-800 Zabrze, Poland)

    在有机溶剂中脂肪酶催化酯化及酯交换反应是合成生物降解脂肪族聚酯的一个新途径，近年来得到了较深入的研究。很多种脂肪酶可以催化线型单体例如羟基酸、羟基酯、二酸与二醇、二醇与二酯等多种均聚或共聚反应；为了获得较高分子量的产物，反应通常在真空或活化分子筛存在下进行以除去水等小分子副产物^[1,2]。另外，由脂肪酶催化内酯开环聚合合成生物降解聚酯也有报道^[3,4]。
    本文报道我们对猪胰脂肪酶(PPL)催化羟基酸与内酯共聚反应的初步研究结果，所合成的聚酯低聚体具有端羟基和端羧基分子结构，适合用作进一步聚合反应的中间体及医学材料。
1实验部分
1.1实验原料
    猪胰脂肪酶(PPL, Type II, 蛋白含量约25%)由Sigma公司购买, 3-羟基丁酸（3-HBA）、正12-羟基酸（12-HDA）、ε-己内酯（ε-CL）和β-丁内酯（β-BL）从Aldrich公司购买, 均直接使用。甲苯在使用前经活化4Å分子筛长时间干燥。
1.2合成方法及聚合物表征
    0.01mol羟基酸、0.01mol内酯、3gPPL、10ml甲苯及适量活化分子筛加入反应容器内，在设定反应温度下密封磁力搅拌反应。产物经过滤；滤质以氯仿冲洗，洗涤液并入滤液。滤液经蒸除溶剂后获得聚合物，聚合物进一步干燥后进行FT-IR、NMR、GPC、ESI-MS等仪器分析测试。
2 结果与讨论
    红外分析表明，对所有共聚反应，随着反应进行，在1735cm^-1（聚酯, s,ν_(C=O)）处的特征峰增强，而在1820cm^-1( s,ν_(C=O))处内酯的特征吸收峰在3～4小时内较迅速地消失；另外，羧酸在1710cm^-1( s,ν_(C=O))处的特征吸收峰虽然逐渐减弱，但在聚合反应全过程均能检测到。表1给出的羟基酸和内酯在PPL催化下的共聚反应实验结果证明聚合反应进行缓慢。红外分析及表1的实验结果说明：虽然内酯与PPL的作用较快，聚合物的链增长却是一种非常缓慢的过程。

*由GPC测定。
    通过3-HBA与β-BL的共聚反应合成了聚（3-羟基丁酸）。电子喷射离解质谱（ESI-MS）检测证明，所得P(3-HBA)具有所期望的端羟基和端羧基分子结构。由于在ESI-MS测试中聚合物分子链分别与钾离子（K⁺）和钠离子（Na⁺）复合的原因，同一聚合物试样在测试中显示两组分子离子峰a和b，m/z: 142.9(a₁)，229.0(a₂), 315.1(a₃), 401.2(a₄), 487.3(a₅), 573.4(a₆); 126.9(b₁), 213.1(b₂), 299.1(b₃),385.3(b₄),471.3(b₅),557.5(b₆); 例如,a₄及b₄两个强峰均为四聚体的特征峰。

图1 12-HDA与β-BL共聚物的1H NMR图谱

    P(12-HDA)与PCL的¹H NMR图谱非常近似，使得无法由¹H NMR检测证明12-HDA与ε-CL的共聚反应;然而在GPC测试中,所有聚合物样品只能检测到单一的聚合物峰，从一定程度上证明了所得产物为共聚物。为了进一步证实PPL催化下内酯和羟基酸的共聚反应,进行了12-HDA与β-BL的等摩尔共聚实验，¹H NMR测试有力地证明了共聚物的生成，见图1。值得注意的是，产物¹H NMR分析在3.60ppm处检测不到可以来源于12-HDA单体、12-HDA均聚物或者具有-CH₂-OH端基结构共聚物的亚甲基特征吸收峰；另外，峰“h”与“f”的积分强度比表明，聚合物实际上由约1:2.3(摩尔比)的β-BL与12-HDA共聚而获得。这些结果说明，在12-HDA与β-BL的共聚反应中，羟基酸的羟基作为亲核试剂与反应中生成的脂肪酶基中间体发生较快的酯交换即醇解反应而完全消耗。    根据上述实验结果与讨论，我们认为脂肪酶催化羟基酸与内酯的共聚反应过程如下：
      引发反应：
     

      链增长反应：



    显然，在反应过程中，侧取代基“R₁”和“R₂”的空间位阻将影响共聚反应速率和产物分子量，受侧取代基空间位阻影响较小的羟基酸与内酯的共聚反应更容易在较短时间获得更高的分子量，表1的实验结果证实了这一点。
3 参考文献
[1] O’Hagan D, Zaidi N A. Polymer,1994,35:3576
[2] Wang Z,Hiltunen K, Orava P et al. J.M.S.-Pure Appl.Chem.,1996,A33(5): 599
[3] Nobes G A R, Kazlauskas R J, Marchessault R H. Macromolecules, 1996, 29: 4829
[4] Henderson L A, Svirkin Y Y, Gross R et al. Macromolecules, 1996, 29: 7759

98-11-30收稿，99-03-01修回