‍‍‍    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

导师介绍

Eugene Y.-X. Chen