聚羥基脂肪酸酯（PHA）是由自然界糖類或脂類經過細菌發酵而形成的線性聚酯，具有生物可降解性以及生物相容性，在生物可降解的包裝材料、組織工程材料以及醫療材料方面具有廣闊的應用前景。聚-3-羥基丁酸酯（P3HB）是最常見以及廣泛研究的聚羥基脂肪酸酯，其中微生物合成的聚-R-3-羥基丁酸酯P[(R)-3HB)]是一類完全具有R構型的全同立構結晶熱塑性材料。由于高全同立構規整度的P3HB與等規聚丙烯（it-PP）具有相當的熱力學和力學性能，因此這種生物可降解性材料可用于代替以石油為基礎的塑料。但是微生物合成P3HB的生產成本高，大大限制了其推廣應用。
化學合成P3HB可降低其生產成本，其中利用外消旋β-丁內酯（rac-β-BL）的開環聚合來制備P3HB從1960年代就開始得到廣泛的研究。雖然人們在制備高間同立構規整度（Pr? ~ 0.95）的P3HB方面取得了進展，但是至今也沒有得到全同立構規整度Pm > 0.85的P3HB。近日，美國科羅拉多州立大學（CSU）的Eugene Y.-X. Chen教授團隊設想能否通過3-羥基丁酸（3HB）的外消旋環狀二聚體，即外消旋的八元環cyclic diolide (rac-DL)開環聚合，得到高全同立構規整度的P3HB (圖1)。考慮到rac-DL比rac-β-BL的體積明顯大，rac-DL開環聚合的立構化學可控度可能會更高。
圖1. P3HB的化學合成路線：（a）rac-β-BL開環聚合得到具有較高全同立構規整度的P3HB經典路線；（b）rac-DL開環聚合得到完美全同立構P3HB的新路線。
如圖2所示，作者首先嘗試了鑭配合物La[N(SiMe3)2]3? (1)以及對rac-β-BL具有良好立構選擇性的釔配合物（2-3）作為催化劑、芐醇BnOH作為引發劑催化rac-DL開環聚合，但是催化活性不高，并且所得到的聚合物全同立構規整度Pm也僅有0.70~0.76。考慮到八元環的rac-DL空間位阻較大，因此作者選擇了具有較大配位空間的包含席夫堿配體（salen）的外消旋釔配合物4a-d以及沒有手性的釔配合物4e作為催化劑。結果表明，4a-d作為催化劑、BnOH作為引發劑時，催化活性以及所得到的聚合物全同立構規整度得到極大的提高。單體在數分鐘內就能完全轉化為聚合物，所得到的聚合物全同立構規整度Pm > 0.91。特別是催化劑4d，所得到的聚合物數均分子量Mn能達到154 kg/mol，分子量分布D = 1.01 （vs. 一般微生物合成P3HB的分子量分布D ~ 2.0），全同立構規整度Pm > 0.99，全同三元組[mm] > 99%，幾乎是完美的全同立構聚合物（it-P3HB），在聚合物的合成中極為罕見。聚合物的差示掃描量熱法（DSC）結果表明，其熔融轉變溫度Tm能達到171 °C。
圖2. 用于催化rac-DL開環聚合的配合物結構以及所得到P3HB的全同立構規整度。
為了研究所得到聚合物的微觀結構以及聚合機理，作者合成了對映異構體(R,R)-4d和(S,S)-4d，并分別用于催化rac-DL的開環聚合。與rac–4d不同的是，在相似的條件下，(R,R)-4d和(S,S)-4d催化聚合時，單體的轉化率只能達到~50%，并且未反應的單體分別是(R,R)-DL和(S,S)-DL，其對映體過量百分數ee > 99%，說明(R,R)-4d和(S,S)-4d分別只能催化(S,S)-DL和(R,R)-DL開環聚合，可對單體rac-DL進行動力學拆分；也表明rac–4d催化rac-DL開環聚合是催化劑活性中心控制（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能達到175 °C，與商業化微生物合成的P[(R)-3HB)]相當(圖3)。
圖3. P[(R)-3HB]的DSC曲線：（a）(S,S)-[4d]催化rac-DL開環聚合所得到的P[(R)-3HB]；（b）于Sigma-Aldrich購買的微生物合成的P[(R)-3HB)]。
總體而言，該化學合成P3HB的新路線不僅在it-P3HB的合成上取得了重大的突破和成就，同時也為開發新催化劑、新材料和新方法提供了一種新的思考模式。這一成果近期發表在Nature Communications?上。
該論文作者為：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
導師介紹
Eugene Y.-X. Chen
http://www.x-mol.com/university/faculty/1939
