化学合成完美全同立构的P3HB:与自然界微生物合成相媲美

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‍‍‍    聚羟基脂肪酸酯(PHA)是由自然界糖类或脂类经过细菌发酵而形成的线性聚酯,具有生物可降解性以及生物相容性,在生物可降解的包装材料、组织工程材料以及医疗材料方面具有广阔的应用前景。聚-3-羟基丁酸酯(P3HB)是最常见以及广泛研究的聚羟基脂肪酸酯,其中微生物合成的聚-R-3-羟基丁酸酯P[(R)-3HB)]是一类完全具有R构型的全同立构结晶热塑性材料。由于高全同立构规整度的P3HB与等规聚丙烯(it-PP)具有相当的热力学和力学性能,因此这种生物可降解性材料可用于代替以石油为基础的塑料。但是微生物合成P3HB的生产成本高,大大限制了其推广应用。


化学合成P3HB可降低其生产成本,其中利用外消旋β-丁内酯(rac-β-BL)的开环聚合来制备P3HB从1960年代就开始得到广泛的研究。虽然人们在制备高间同立构规整度(Pr  ~ 0.95)的P3HB方面取得了进展,但是至今也没有得到全同立构规整度Pm > 0.85的P3HB。近日,美国科罗拉多州立大学(CSU)的Eugene Y.-X. Chen教授团队设想能否通过3-羟基丁酸(3HB)的外消旋环状二聚体,即外消旋的八元环cyclic diolide (rac-DL)开环聚合,得到高全同立构规整度的P3HB (图1)。考虑到rac-DL比rac-β-BL的体积明显大,rac-DL开环聚合的立构化学可控度可能会更高。

图1. P3HB的化学合成路线:(a)rac-β-BL开环聚合得到具有较高全同立构规整度的P3HB经典路线;(b)rac-DL开环聚合得到完美全同立构P3HB的新路线。


如图2所示,作者首先尝试了镧配合物La[N(SiMe3)2]3  (1)以及对rac-β-BL具有良好立构选择性的钇配合物(2-3)作为催化剂、苄醇BnOH作为引发剂催化rac-DL开环聚合,但是催化活性不高,并且所得到的聚合物全同立构规整度Pm也仅有0.70~0.76。考虑到八元环的rac-DL空间位阻较大,因此作者选择了具有较大配位空间的包含席夫碱配体(salen)的外消旋钇配合物4a-d以及没有手性的钇配合物4e作为催化剂。结果表明,4a-d作为催化剂、BnOH作为引发剂时,催化活性以及所得到的聚合物全同立构规整度得到极大的提高。单体在数分钟内就能完全转化为聚合物,所得到的聚合物全同立构规整度Pm > 0.91。特别是催化剂4d,所得到的聚合物数均分子量Mn能达到154 kg/mol,分子量分布Ð = 1.01 (vs. 一般微生物合成P3HB的分子量分布Ð ~ 2.0),全同立构规整度Pm > 0.99,全同三元组[mm] > 99%,几乎是完美的全同立构聚合物(it-P3HB),在聚合物的合成中极为罕见。聚合物的差示扫描量热法(DSC)结果表明,其熔融转变温度Tm能达到171 °C。

图2. 用于催化rac-DL开环聚合的配合物结构以及所得到P3HB的全同立构规整度。


为了研究所得到聚合物的微观结构以及聚合机理,作者合成了对映异构体(R,R)-4d和(S,S)-4d,并分别用于催化rac-DL的开环聚合。与rac-4d不同的是,在相似的条件下,(R,R)-4d和(S,S)-4d催化聚合时,单体的转化率只能达到~50%,并且未反应的单体分别是(R,R)-DL和(S,S)-DL,其对映体过量百分数ee > 99%,说明(R,R)-4d和(S,S)-4d分别只能催化(S,S)-DL和(R,R)-DL开环聚合,可对单体rac-DL进行动力学拆分;也表明rac-4d催化rac-DL开环聚合是催化剂活性中心控制(catalyst-site control)的配位-插入聚合。所得到聚合物P[(R)-3HB)]或P[(S-3HB)]的Tm能达到175 °C,与商业化微生物合成的P[(R)-3HB)]相当(图3)。

图3. P[(R)-3HB]的DSC曲线:(a)(S,S)-[4d]催化rac-DL开环聚合所得到的P[(R)-3HB];(b)于Sigma-Aldrich购买的微生物合成的P[(R)-3HB)]。


总体而言,该化学合成P3HB的新路线不仅在it-P3HB的合成上取得了重大的突破和成就,同时也为开发新催化剂、新材料和新方法提供了一种新的思考模式。这一成果近期发表在Nature Communications 上。


该论文作者为:Xiaoyan Tang & Eugene Y.-X. Chen


Chemical synthesis of perfectly isotactic and high melting bacterial poly(3-hydroxybutyrate) from bio-sourced racemic cyclic diolide

Nat. Commun., 2018, DOI: 10.1038/s41467-018-04734-3


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