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连续流酶促/化学-酶法开环聚合

苏嫒嫒 ,  刘一寰 ,  黄金 ,  杨恒权 ,  郭凯 ,  朱宁

化学进展 ›› 2026, Vol. 38 ›› Issue (2) :274-282

PDF (2786KB)
化学进展 ›› 2026, Vol. 38 ›› Issue (2) :274-282 DOI: 10.7536/PC20250312
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连续流酶促/化学-酶法开环聚合

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Continuous Flow Enzymatic/Chemo-Enzymatic Ring-Opening Polymerizations

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摘要

环状单体开环聚合制备生物降解聚合物是高分子化学领域的研究热点。以酶作为催化剂的生物催化开环聚合是一类绿色合成方法,但是存在酶促效率较低、分子量分布较宽等瓶颈。相较于传统釜式间歇反应器,微反应器具有极大的比表面积和连续流特征,可以强化反应过程,在有机合成和高分子化学等方面应用广泛。近年来,基于微反应器的连续流酶促开环聚合取得了显著成果,在提升反应速率、降低分子量分布指数、提高端基保真度等方面表现出独特优势,进一步通过生物-化学催化耦合,实现了嵌段、刷形等复杂结构生物降解材料的高效制备。本文总结了微反应器中连续流酶促/化学-酶法开环聚合制备生物降解材料的研究进展,同时对相关领域存在的机遇与挑战进行了探讨。

Abstract

Ring-opening polymerizations (ROP) of cyclic monomers for the synthesis of biodegradable polymers have attracted growing research interest from polymer chemistry. As a green synthetic strategy,enzymatic ROP still suffers from bottlenecks,such as low efficiency and broad molecular weight distribution. In contrast to the traditional batch reactor,a microreactor featuring a huge surface-to-volume ratio and continuous flow characteristics enables process intensification and allows for applications in organic and polymeric synthesis. Recently,remarkable advantages have been demonstrated by the combination of microreactor-based flow chemistry and enzymatic ROP,such as accelerated apparent polymerization rate constant,lower polydispersity (Đ),and higher end-group fidelity. Moreover,continuous flow chemo-enzymatic platforms have been developed to efficiently prepare biodegradable block and bottlebrush copolymers. This review focuses on the advances in microreactor-based continuous flow enzymatic and chemo-enzymatic ring-opening polymerizations for the synthesis of biodegradable polymers. The challenges and opportunities are also discussed with the target for the development of biocatalysis and biodegradable polymers.

Contents

1 Introduction

2 Synthesis of biodegradable polymers by continuous flow enzymatic ROP

2.1 Water as initiator

2.2 Alcohol as initiator

2.3 Optimization of polymerizations

3 Synthesis of functional biodegradable polymers by continuous flow chemo-enzymatic routes

3.1 Block copolymers

3.2 Bottlebrush polymers

3.3 Polymer stabilized nanoparticles

4 Conclusion and outlook

Graphical abstract

关键词

连续流 / 酶促 / 化学-酶法 / 开环聚合 / 生物降解聚合物

Key words

continuous flow / enzymatic / chemo-enzymatic / ring-opening polymerizations / biodegradable polymers

引用本文

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苏嫒嫒, 刘一寰, 黄金, 杨恒权, 郭凯, 朱宁. 连续流酶促/化学-酶法开环聚合[J]. 化学进展, 2026, 38(2): 274-282 DOI:10.7536/PC20250312
Aiai Su, Yihuan Liu, Jin Huang, Hengquan Yang, Kai Guo, Ning Zhu. Continuous Flow Enzymatic/Chemo-Enzymatic Ring-Opening Polymerizations[J]. Progress in Chemistry, 2026, 38(2): 274-282 DOI:10.7536/PC20250312

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1 引言

发展生物降解材料是实现可持续发展的重要途径之一,是高分子化学领域的研究热点[1-6]。脂肪族聚酯、聚碳酸酯的重复单元中具有酯键、碳酸酯键,表现出良好的生物降解性和生物相容性[7-11],在组织工程[12]、药物输送[13]、包装材料[14]、电子材料[15-16]等领域具有应用价值。内酯、交酯、碳酸酯等环状单体开环聚合(ROP)是制备结构可控生物降解材料的主要方法之一[17],催化体系主要包括金属配合物[18-20]、有机小分子[21-24]和酶[25-26]。

以酶作为催化剂的生物法是一类绿色合成方法[27-28],具有条件温和、安全环保等优势[29-31]。国内外学者针对多种脂肪酶催化环状单体开环聚合进行了系统性研究,取得了显著成果。脂肪酶包括南极假丝酵母脂肪酶B (CALB)、古菌嗜热脂肪酶(AFEST)、荧光假单胞菌脂肪酶(PFL)以及猪胰腺脂肪酶(PPL)等[32]。其中,CALB及其固定化形式Novozyme435 (N435)具有良好的底物适用性及高效的催化活性,应用最为广泛[33]。然而,酶促开环聚合仍然存在合成效率较低、分子量分布较宽等瓶颈,亟待发展新的改进策略[34-35]。

与传统釜式间歇反应器相比,微反应器的特征尺度在百微米级,具有极大的比表面积和连续流特征,可以强化混合、传质、传热速率,提升选择性,抑制副反应[36],已成功应用于有机化学和高分子合成等领域[37-43]。对于酶促反应而言,在微反应器内能够较好保持酶的活性,显著缩短反应时间,减少副产物的生成[44-45]。此外,微反应器良好的时空控制性有利于实现生物-化学催化耦合[46-50],避免不同催化之间的相互干扰,高效制备功能化共聚物材料[51-52]。

本文聚焦微反应器中连续流酶促/化学-酶法开环聚合反应,总结了内酯、交酯、碳酸酯等环状单体通过开环聚合、聚合-聚合耦合制备均聚物、共聚物等生物降解材料的研究进展,同时对面临的挑战与机遇进行了探讨,希望对相关领域研究提供借鉴。

2 连续流酶促开环聚合制备生物降解聚合物

酶促开环聚合遵从“活化单体”机理,残基与底物的有效接触是聚合反应的关键[53-54]。微反应器的限域空间和连续流特征,为缩短酶促反应时间、降低分子量分布指数、提高端基保真度等提供了机遇[55]。

2.1 水作为引发剂

聚合体系中存在的水可以引发开环聚合,得到羧基和羟基封端的聚合物,但是酶促反应存在速率较慢、分子量偏低等问题。2011年,Gross等[56]建立了连续流酶促开环聚合方法,与釜式间歇相比,有效提升了表观聚合反应速率常数和分子量。在一种由Kapton薄膜覆盖的铝制微反应器中填充了固定化CALB(N435)(图1),在保留体积固定的条件下,通过改变流速来方便实现不同停留时间的调控。釜式间歇反应器中的酶促ɛ-己内酯(CL)的表观速率常数为0.0004~0.0008 s-1,产物聚(ɛ-己内酯) (PCL)的分子量低于10 000 g/moL,相同条件下微反应器将表观速率常数提高至0.007~0.012 s-1,分子量达到15 000~20 000 g/moL。这是由于微反应器巨大的比表面积强化了酶的活性位点和底物的有效接触,加快了反应速率,同时,微反应器内更高的扩散效率促使聚合物链末端更加容易扩散到酶的活性位点,从而产生更高分子量的聚合产物[56]。

2.2 醇作为引发剂

特定端基的引入对于提升聚合物的性能、拓展应用范围至关重要[57]。以醇作为开环聚合的引发剂,可以获得不同端基结构的生物降解材料。然而,当醇、水、硫醇、胺等同时存在时,通常将发生竞争性引发反应,获得不同端基的混合物[58]。连续流酶促开环聚合在提升化学选择性等方面具有优势。

2012年,Gross等[59]使用苯甲醇作为模型引发剂,比较研究了不同条件微反应器和釜式反应器对苯甲醇-水引发反应以及聚(ε-己内酯)端基保真度的影响(图2a)。由于微反应器中存在动态流动特性,体系中的部分水转移给酶,部分水随溶剂流出反应器,只有少部分水参与引发开环聚合,因此,以水饱和的甲苯为溶剂时,微反应器在提升表观速率常数(kapp = 0.027 s-1 vs. kapp = 0.001 s-1)的基础上,实现了超过75 %的端基保真度,而相同条件下釜式反应器中仅获得20%~30 %的端基保真度(图2b)。

2021年,Rolando等[60]在聚氟化乙丙烯管式反应器中,研究了固定化CALB催化3-苯基-1-丙醇引发ε-己内酯(CL)和δ-戊内酯(VL)开环聚合。与釜式反应器相比,管式微反应器改善了开环聚合的可控性,缩短了反应时间。在214 s的停留时间内,ε-己内酯转化完全,分子量分布指数(Đ)约为1.30;δ-戊内酯(VL)转化率为93%,分子量分布指数在约1.27。通过交替进料内酯单体,成功制备了嵌段共聚物。固定化酶可以重复使用10次以上,保持了高效的催化活性。

巯基醇作为引发剂存在羟基-巯基竞争性引发开环聚合反应,导致长期以来合成巯基封端聚酯时需要对巯基进行保护,待聚合结束后再进行脱保护,步骤繁琐,效率较低[58]。2005年,Martinelle等[61]利用CALB的化学选择性,以2-巯基-1-乙醇为引发剂,无需巯基保护直接合成了巯基功能化的聚ε-己内酯。然而,由于巯基的竞争性副反应以及前述的水引发反应,釜式反应器中的巯基保真度仅有70%左右,无法达到巯基封端聚合物应用的要求。另外一种Candida sp. 99-125脂肪酶虽然获得超过90%的巯基保真度,但是反应时间长达7 d,单体转化率低于80%,分子量分布指数超过2.0[62]。

针对上述问题,2018年,郭凯等[63]提出了微尺度连续流酶促选择性开环聚合制备巯基功能化聚酯的方法。在构建的N435填充的管式微反应器中,以6-巯基-1-己醇(MH)为引发剂,高效制备了结构明确、分子量分布较窄的巯基封端聚内脂(图3)。相较于釜式反应器,得益于动态流动特性以及停留时间的大幅度缩短,固定化酶微反应器将端基保真度由77%提高至90%以上,聚合物的分子量更加可控,分子量分布更窄。通过改变单体和引发剂的投料比、调节反应流速,合成了巯基保真度为90%~98%、分子量为1150~9570 g/mol、分子量分布指数为1.13~1.26的巯基封端聚合物。进一步通过构建串联式固定化酶微反应器系统,成功制备出不同结构和分子量的高巯基引入率的嵌段共聚物PVL-b-PCL和PCL-b-PVL。

2.3 反应体系优化

反应介质对酶促反应具有重要的影响[64]。Pickering乳液是指以超细固体颗粒作为乳化剂而得到的乳液,具有稳定性好、可设计性强、环境友好等优势,在酶催化、生物-化学催化耦合等方面应用广泛[65-66]。2022年,Sherazi等[67]开发了一种基于Pickering乳液的连续流动催化系统(图4),用于游离酶CALB催化ε-己内酯开环聚合。通过辛基三甲氧基硅烷(OTMS)和氨丙基三甲氧基硅烷(APTMS)改性二氧化硅纳米颗粒(SiNPs)作为乳化剂,构建了稳定的水/甲苯(W/O)Pickering乳液,其中,酶被封装在水滴分散相中。当OTMS与APTMS比例为2∶1、乳化剂用量5%(质量分数)、酶用量3%(质量分数)、流速3 mL/h时,单体转化率最高达88 %。相比间歇反应,连续流动系统展现出更高的催化效率和产物分子量,酶在8次循环使用后仍然可以保持接近100%活性。

超临界流体是处于临界温度和临界压力以上的性质介于液体和气体之间的特殊流体,如超临界二氧化碳(scCO2)等,对物料有较强的渗透性和溶解能力,应用于反应、萃取等领域[68]。2004年,Gross等[69]在scCO₂中使用CALB催化ε-己内酯开环聚合,反应6~72 h产率约95%~98%,得到分子量为12000~37000 g/mol、分子量分布指数为1.4~1.6的聚ε-己内酯。2018年,de Oliveira等[70]在压缩液化石油气和二氧化碳为溶剂的基础上,基于填充床反应器考察了scCO2中CALB酶催化ε-己内酯开环聚合(图5)[71]。二氯甲烷(DCM)为助溶剂,在65 ℃、120 bar(1 bar=100 kPa)条件下,15 min内实现了93%(质量分数)的单体转化率,聚ε-己内酯分子量达31 200 g/mol (Ð = 1.4~1.6)。DCM的加入显著改善了体系的传质,降低了反应器的压降(25 vs. 35.04 bar)。酶在6次循环后仍保持高活性,但产物分子量从23100 g/mol降至17200 g/mol,可能是由于酶催化水参与的副反应所致。

超声辅助可增强反应体系的传质效率。2013年,Annuar等[72]研究了离子液体中超声辅助CALB催化ε-己内酯开环聚合。超声辐照可使链增长速率常数(kp)在18.0~22.5 mol/L的高单体浓度下提升34%~46%,反应混合物的黏度增至初始值的2000倍时仍能维持聚合,单体转化率达到73.2%,分子量约为20600 g/mol,结晶度提升至61%。模拟结果显示,如果将连续搅拌釜式反应器(CSTR)改为塞流式反应器(PFR),反应器体积可以至少缩小到原来的1/10。

3 连续流生物-化学耦合制备功能化聚合物

生物-化学催化耦合综合不同催化的各自优势,为嵌段共聚物、瓶刷共聚物、聚合物修饰纳米粒子等功能化材料的设计与合成提供了便利[73-77]。微反应器良好的时空控制性,成为生物-化学催化耦合理想的平台技术[78]。

3.1 嵌段共聚物

嵌段共聚物是由两种及以上不同结构均聚物链段通过共价键连接而成的功能高分子材料,广泛应用于生物医学材料[79]和材料科学[80-81]等诸多领域。2018年,郭凯等[82]设计了微尺度连续流化学-酶法反应平台,在酶促开环聚合制备巯基封端聚ε-己内酯的基础上,与偶氮二异丁腈(AIBN)引发的自由基聚合耦合,高效合成了聚ε-己内酯-聚乙烯基吡咯烷酮(PCL-b-PVP)两亲嵌段共聚物(图6)。在N435填充的微反应器中,酶促6-巯基-1-己醇引发选择性开环聚合,获得端基引入率超过90%以上的窄分布PCL(Mn=1230~10320 g/moL,Ð = 1.1~1.3)。进一步与连续流自由基聚合耦合,利用巯基端基作为链转移剂,改变乙烯基吡咯烷酮和巯基的摩尔比,通过调节流速控制反应时间,合成了分子量分布指数为1.11和1.19、分子量为5030和10 590 g/mol的两亲嵌段共聚物PVP30-b-PCL30和PVP60-b-PCL30。

作为开环聚合常用的单体,ɛ-己内酯(CL)、三亚甲基碳酸脂(TMC)、丙交酯(LA)表现出类似但又不同的性质,利用单一催化实现嵌段共聚物的合成具有挑战[83]。例如,CALB能够高效催化ɛ-己内酯和三亚甲基碳酸脂聚合,但是对丙交酯的活性较低;有机催化剂的典型代表1,5,7-三氮杂二环[4.4.0]癸-5-烯(TBD)可以快速催化丙交酯和三亚甲基碳酸脂聚合,但是催化ɛ-己内酯聚合相对较慢[84]。2019年,朱宁和郭凯等[84]开发了基于串联式微反应器系统的连续流酶-有机催化耦合策略,适用于多种环状单体的开环共聚反应,制备出系列三嵌段共聚物(图7)。面向ɛ-己内酯、δ-戊内酯和三亚甲基碳酸脂,构建了N435填充的微反应器单元;面向丙交酯,构建了有机催化的微反应器单元。通过不同微反应器单元的串联与条件控制,高效获得不同分子量的窄分布三嵌段共聚物(Ð<1.3),如PCL-b-PTMC-b-PVL、PCL-b-PTMC-b-PLLA、PTMC-b-PCL-b-PLLA等。与釜式反应器相比,连续流化学-酶法开环聚合显著缩短全流程反应时间(<40 min),避免了酶和反应中间体的分离和提纯,在分子量和分子量分布指数等方面具有更好的可控性。

3.2 瓶刷共聚物

瓶刷共聚物是由侧链和主链组成的梳形聚合物[85],呈圆柱形或蠕虫状构象,广泛应用于光子晶体[86]、纳米医学[87]、防污图层[88]和纳米图案[89]等领域。瓶刷共聚物的合成取得了重大进展,但是仍然面临合成效率较低、纯化步骤繁琐和结构不明确等问题[90-91]。2022年,朱宁和郭凯等[92]发展了基于微反应器的化学-酶级联反应平台用于瓶刷共聚物的合成(图8)。首先,在N435填充的微反应器中进行酶促降冰片稀醇(NB-OH)引发ε-己内酯开环聚合,与釜式反应器相比,反应时间缩短到了原来的1/10,产物聚ε-己内酯大分子单体具有更高的端基引入率(最高达97%),分子量和分子量分布指数更加可控(Mn=5070~11270 g/mol,Ð= 1.2~1.4)。其次,在管式微反应器中研究Grubbs三代催化剂(G3)催化分离纯化后的聚ε-己内酯大分子单体进行开环易位聚合(ROMP),实现了大分子单体的几乎完全转化(95%~99%)。最后,构建了酶促开环聚合微反应器单元和金属催化开环易位聚合单元串联体系(ROP-ROMP),无需酶和大分子单体的分离和纯化,提高了效率,通过调节微反应器参数和反应条件,高效获得了不同长度主链和侧链的聚ε-己内酯瓶刷共聚物(Mn=36000~98100 g/mol, Ð = 1.09~1.29),为瓶刷共聚物的高效合成提供共性关键技术。

3.3 聚合物修饰纳米粒子

贵金属纳米粒子具有独特的电子、光学和催化性能,利用小分子或聚合物的修饰,能够赋予纳米粒子更好的分散性和功能性[93-95]。作为常用的稳定剂,巯基聚合物通过形成硫-金属键修饰贵金属纳米粒子。2018年,郭凯等[82]在微尺度连续流化学-酶法反应平台的基础上,通过两相法高效制备聚ε-己内酯修饰的银纳米粒子(图9)。两相法中巯基/金属摩尔比等条件控制和传质效率是影响纳米粒子形成的关键因素[96]。将连续流酶促开环聚合获得的巯基封端聚ε-己内酯与四辛基溴化铵混合,通过调控巯基封端聚ε-己内酯/四辛基溴化铵甲苯溶液、硝酸银(AgNO3)水溶液、硼氢化钠(NaBH4)水溶液的流速,改变金属和巯基的摩尔比,利用微反应器的过程强化效应,加快混合、传质效率,成功制备出分散良好、粒径可控的聚合物修饰银纳米粒子。

4 结论与展望

作为绿色合成方法,酶促开环聚合制备生物降解材料引起了高分子合成化学等领域的研究兴趣。具有过程强化效应的连续流微反应器技术,显著强化了酶促开环聚合反应过程,与传统釜式间歇反应相比,提高了表观聚合速率常数,降低了分子量分布指数,提升了端基保真度。基于微反应器技术初步实现了连续流生物-化学催化耦合,高效制备了嵌段共聚物、瓶刷共聚物以及聚合物修饰纳米粒子等功能化生物降解材料。展望未来,连续流酶促/化学-酶法开环聚合研究建议关注以下方向:(1)深化理解限域空间酶促反应机理,基于人工智能等新兴技术,阐明微反应器中酶促开环聚合反应规律,创制低成本、高活性新酶;(2)精妙设计生物-化学催化耦合体系,借助诸如Pickering乳液等技术的独特优势,发展面向先进功能材料合成的化学-酶法策略,拓展应用领域;(3)大力推动微反应器放大研究,利用先进成像和流体模拟等有力工具,开发兼具微尺度效应和宏量制备的宏微反应器[97-98],为工程转化奠定坚实基础。

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基金资助

国家自然科学基金项目(22278223)

国家自然科学基金项目(22478188)

国家自然科学基金项目(U24A20492)

中国石化技术开发项目(223272)

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