L-苹果酸(L-malic)是生物体内克雷伯氏三羧酸循环(Kerbs TCA)的中间体,容易在生物体内通过正常的三羧酸循环代谢途径除去。通过在聚酯链上引入L-苹果酸单元,可得到带有功能基团(羟基或羧基)的具有可修饰性和某些功能特性的聚酯；通过合理的分子设计、共聚等反应,调节其组成和结构,可在较宽范围内调节其性能,以满足不同的应用要求,尤其是作为生物医用材料的应用要求。传统的化学催化法的选择性较差,苹果酸的羟基和羧基都会参与聚合反应而容易生成交联结构的产物。因此,在传统的化学催化法合成含L-苹果酸单元功能聚酯时需要进行基团保护和去保护,步骤繁多,工艺复杂,每一步都需要分离提纯,有机溶剂和能源消耗大,成本高,环境污染严重。 与化学催化相比较,酶催化不但简单易行、环境友好、且选择性高。利用酶催化L-苹果酸与其它适宜单体的直接缩聚反应,有可能得到线型的含L-苹果酸单元的功能性聚酯,从而避免复杂的保护及解保护步骤。本论文首次探讨了酶催化直接缩合聚合制备含L-苹果酸单元功能聚酯的可行性；系统的研究了不同反应体系中,脂肪酶催化L-苹果酸、二元醇及二元酸直接缩合聚合的反应特性,揭示了各相关因素对反应的影响规律；建立高效、可控的生物催化直接缩合聚合制备含苹果酸单元功能聚酯的反应体系。结合脂肪酶Novozyme-435的结构,对其在反应中的选择性的原因进行了初步分析；还对所得聚合物的热性能、亲水性及所形成的水乳液的性质等进行了表征和分析。 利用FTIR、1H NMR和13C NMR对所得聚合物的结构进行了表征分析。结果表明,不论是无溶剂体系还是有机溶剂体系,都得到结构相同的线型聚合物。L-苹果酸仅有羧基参与聚合反应,而羟基则不参与反应,有机介质的变化不改变Novozyme-435催化的选择性。 研究发现,不论是无溶剂体系还是有机溶剂体系,含L-苹果酸的反应体系的预聚合处理是保证酶催化反应顺利实施的关键。在所选用的Novozyme-435、LipozymeIMTL、LipozymeIMRM、Lipozyrme IM、PPL和LVK 6种脂肪酶中,Novozyme-435在无溶剂反应体系和有机溶剂反应体系中都具有最高的催化反应活性,在相同条件下所得聚合物的分子量最高。 Novozyme-435于无溶剂体系中催化L-苹果酸、己二酸和1,8-辛二醇反应体系的直接缩聚的研究表明,当L-苹果酸:己二酸:1,8-辛二醇的摩尔比例为4:6:10时,适宜的真空度、反应温度和酶浓度分别为20～40mmHg、80℃和2000U/g。在此条件下,反应时间达到48小时时,产物分子量可达到5500;进一步延长反应时间,所得聚合物分子量增加不大。在无溶剂体系中,采用两次加酶的方式,在保持酶的总用量不变的条件下,所得聚合物的分子量较一次加酶所得聚合物的分子量高。 Novozyme-435于有机溶剂体系中催化L-苹果酸、己二酸和1,8-辛二醇反应体系的直接缩聚的研究表明,有机溶剂的种类对聚合反应的影响较为复杂。在所选用的异辛烷、正己烷、甲苯、氯仿、叔丁醇、四氢呋喃和丙酮7种有机溶剂中,异辛烷和正己烷是较好的反应介质,所得聚合物的分子量远高于相应无溶剂体系中所得聚合产物的分子量。在常压下,4A分子筛为干燥剂时的除水效果好于其它几种干燥剂,所得到的聚合物的分子量最高；当L-苹果酸:己二酸:1,8-辛二醇的摩尔比例为4:6:10时,适宜的反应温度和酶浓度分别为70℃和1000 U/g,在此条件下,反应时间达到48小时时,产物分子量可达到16600,进一步延长反应时间,产物分子量变化不大。 在异辛烷体系中酶催化缩聚反应研究的基础上,发现以甲苯/异辛烷或叔丁醇/异辛烷混合有机溶剂为反应介质时,在保持酶具有较高的催化活力的同时,可有效降低反应体系粘度,得到较高分子量的聚合物。 对于无溶剂体系和异辛烷中Novozyme-435催化L-苹果酸、己二酸和1,8-辛二醇反应体系的直接缩聚反应而言,L-苹果酸酶催化的反应活性远远小于己二酸。随反应体系中L-苹果酸用量的增加,所得聚合物的分子量下降；当L-苹果酸(mol):己二酸(mol)大于1.5后,所得聚合物的分子量变化不大；当L-苹果酸:二元酸:二元醇的摩尔比例为4:6:10时,在L-苹果酸和1,8-辛二醇分别与癸二酸、己二酸和丁二酸组成的反应体系中,癸二酸和己二酸反应体系所得产物分子量较高；L-苹果酸和己二酸分别与乙二醇、1,4-丁二醇、1,6-己二醇和1,8-辛二醇组成的反应体系中,当二元醇为乙二醇时,体系基本不反应；无溶剂体系中1,4-丁二醇和1,8-辛二醇所得聚合物分子量相近,1,6-己二醇为二元醇时,所得聚合物的分子量最高:而异辛烷体系中,1,4-丁二醇所得聚合物分子量较低；1,6-己二醇和1,8-辛二醇所得聚合物分子量相近且较高。 苹果酸的旋光性对Novozyme-435催化苹果酸、己二酸和1,8-辛二醇反应体系的聚合影响不大；对比丁二酸和L-苹果酸对聚合的影响,发现在无溶剂条件下,L-苹果酸所得聚合产物分子量远低于丁二酸；在异辛烷中,两者所得产物分子量相近:将苹果酸上的羟基转换为甲基或苯基后,相应的单体反应活性很低。 本研究还对所得的含L-苹果酸单元的聚合物的亲水性、所形成的水乳液的性质和热性能等进行了表征和研究。在L-苹果酸、己二酸和1,8-辛二醇反应体系中,随L-苹果酸用量的增加,所得聚合物在极性溶剂中的溶解性增加,亲水性也增强；由其所制备的聚合物乳液的稳定性也相应增加；TEM表征发现,聚合物在水中所形成胶束均为球形；在中性条件下,聚合物乳液较稳定；而在酸性或碱性条件下,聚合物乳液降解速度随L-苹果酸的含量增加而加快。对所得聚合物的DSC和XRD表征表明,在L-苹果酸、己二酸和1,8-辛二醇反应体系中,所得聚合物的结晶度随L-苹果酸用量的增加而下降,熔点和结晶温度也相应降低；当L-苹果酸用量在二元酸中的比例在40～60 mol％时,所得聚合物出现两个玻璃化转变,当L-苹果酸的比例大于60 mol％后,得到的聚合物为非晶聚合物。在三元共聚物中,分别以癸二酸和丁二酸代替己二酸后,所得聚合物的结晶度随二元酸链长减小而下降。分别以1,6-己二醇和1,4-丁二醇代替1,8-辛二醇所得三元聚合物中,随二元醇链长减小,三元聚合物结晶度下降。对聚合物的TG表征表明,L-苹果酸的引入降低了聚合物的热稳定性,随L-苹果酸用量的增加,所得聚合物热稳定下降；L-苹果酸中的羟基转换为甲基或苯基后,所得聚合物的热稳定性提高。 本研究涉及高分子化学、有机化学和生物化学领域。研究结果有助于解决传统的合成方法中存在且难以解决的问题,对于探索适宜于缩聚的单体体系的生物催化直接缩聚的新方法具有很好的借鉴作用,为进一步研究含三个反应性基团且其中两个活性不等的特殊单体的生物催化聚合反应,设计与合成新型的功能聚酯奠定了理论与实验基础。