左旋葡聚糖（LGA）是一种无水热解糖，近年来越来越受到关注。对从纤维素中获得的LGA和其他无水碳水化合物的转化的最高关注旨在使这些分子增值及其在化学和制药工业等多个领域的应用。LGA在吡喃糖环上呈现出具有三个羟基的刚性结构，使其成为一旦达到区域选择性聚合，就合成具有待定OH基团的生物基热塑性聚合物的有前途的基石。法国阿图瓦大学里尔中央理工学院Zinck等教授脂肪酶催化的一系列含LGA的三元共聚物首次通过两阶段聚合的区域选择性酯交换合成。将LGA与己二酸二乙酯/癸二酸二乙酯和α，ω-二醇反应得到LGA含量高达35%（与α，ω-二醇含量有关）、数均分子量（Mn） 高达 7900 g/mol，产量高达 94%。观察到聚合物结构中LGA的含量会影响聚合物的结晶度，亲水性和熔点。作者还评估了LGA负载量和共聚单体尺寸对产量、分子量和LGA在聚合物结构中的掺入的影响。LGA的高负载导致产量降低，但可以获得更高的分子量和更高的LGA掺入聚合物的程度。
图文解读
作者首先评估了LGA与具有不同化学结构的二酯（如己二酸二乙酯，癸二酸二乙酯，衣康酸二甲酯和呋喃-2，5-羧酸二甲酯）之间的脂肪酶催化聚合。在初步测试期间，尽管评估了多种聚合方法，例如共沸聚合以及单级和两级聚合方法（数据未显示），但仅使用LGA和上述单体未获得聚合物。LGA的低反应性、高亲水性和低溶解度似乎是该反应的主要缺点。通常，需要很长时间才能实现良好的转换。Galletti及其同事报告说，在乙腈和离子液体中脂肪酶催化的酯交换反应中，LGA至少需要5天的反应才能实现良好的转化。在作者的最佳结果中，仅消耗己二酸二乙酯，24小时后实现了18%的转化率，但没有收集聚合物。因此，作者开始研究通过两级脂肪酶催化聚合反应生产含有LGA的三元共聚物。两级聚合方法通常包括第一阶段，其中主要在大气压下形成低聚物，第二阶段，其中将真空施加到系统中以去除副产物并允许聚合物链生长。怀疑在齐聚步骤中形成的低聚物比与单个单体更容易与LGA反应。温度保持在100°C，以提高左旋葡聚糖的溶解度。根据作者中的一些人报告的结果，并且正如本文所观察到的，即使在反应24小时后，该温度也不会导致酶活性的损失。还进行了热稳定性测定以确保LGA在此温度下不会降解，并且在24小时后，未观察到降解。
尽管存在LGA反应性，但文献中最近的研究报告了在聚合反应中使用衣康酸二甲酯的反应性问题。另一方面，呋喃-2，5-羧酸二甲酯（DMFDC）已经被广泛研究为对苯二甲酸基聚合物的替代品。然而，没有获得含有LGA和DMFDC的三元共聚物，可能是由于两种分子的刚性结构，由于酶活性位点的配合，可以改变反应性。因此，选择脂肪族二酯己二酸二乙酯和癸二酸二乙酯与左旋葡聚糖和不同的二醇反应，以研究含LGA的三元共聚物（LCP）的产生。
在作者首次使用己二酸二乙酯的测试中，选择了三种二醇与LGA组合：丁烷-1，4-二醇，辛烷-1，8-二醇和十二烷-1，12-二醇。当使用己二酸二乙酯时（图1），溶剂中的收率略高于散装。然而，通过改变介质，所获得的聚合物结构中的LGA含量受到巨大影响。LGA含量的变化部分由左旋葡聚糖在二苯醚中的低溶解度解释。即便如此，在大多数情况下，二苯醚显示出最好的结果。聚合物结构中的LGA含量被限制在15%（与二醇量有关），即使进料中LGA的含量从25%增加到50%。事实上，增加LGA负载甚至导致聚合物中LGA的掺入量降低。
Fig. 1. Enzymatic synthesis of LCPs using diethyl adipate, LGA, and three different α,ω-diols in bulk and solvent. (Left) Yields and LGA content in the polymeric structure as a function of the diol alkylene chain length and LGA load. (Right) Number average molecular weight (Mn) related to the diol alkylene chain length and LGA load; LGA feed is given in relation to the amount of diester; LGA content was calculated by 1H NMR; isolation yield obtained by weight after precipitation in MeOH and overnight drying; and Mn was obtained by SEC in THF (PS standards).
关于产量，可以合理地预期，用反应性差且难溶的化合物（如LGA）富集培养基可能会导致产量降低。然而，当使用长链二醇（如十二烷-1，12-二醇）时，这种效果不太显着。
在研究条件下，二醇长度越长，产量和LGA含量越高。当使用丁烷-1，4-二醇时，在二苯醚中没有获得聚合物。另一方面，批量实现了 17% 的收益率，但没有纳入 LGA。当LGA进料比例为25%时，使用十二烷-1，12-二醇或辛烷-1，8-二醇在二苯醚中达到最佳结果。Mn限制在 6000 g/mol。考虑到这些结果，作者研究了使用癸二酸二乙酯（DES）的二酯链长度的影响。这里使用了戊烷-1，5-二醇、己烷-1，6-二醇、辛烷-1，8-二醇和十二烷-1，12-二醇。结果如图 2 所示。
Fig. 2. Enzymatic synthesis of LCPs using diethyl sebacate, LGA, and three different α,ω-diols in bulk and solvent. (Left) Yields and LGA content in the polymeric structure as a function of the diol alkylene chain length and LGA load. (Right) Number average molecular weight (Mn) related to the diol alkylene chain length and LGA load; LGA feed is given in relation to the amount of diester; LGA content was calculated by 1H NMR; isolation yield obtained by weight after precipitation in MeOH and overnight drying; and Mn was obtained by SEC in THF (PS standards).
另一方面，DSC分析表明，聚合物中LGA的含量强烈影响结晶度（图3）。如观察，仅将14%左旋葡聚糖掺入聚合物结构中导致熔点降低约8°C，结晶度从152下降到120J/g。类似地，左旋葡聚糖的进一步增加至35%导致熔融吸热和结晶度进一步降低至分别57°C和86J/g。不幸的是，玻璃化转变温度（Tg）没有明确标识用于评估的聚合物。Tg（=–31 °C）仅检测到结晶度最低（35% LGA）。对于其他两个样品，由于结晶度较高，玻璃化转变幅度太低而无法检测到，或者高LGA含量导致大分子变硬，从而增加Tg波幅。在后一种情况下，这意味着 LGA含量越低，Tg越低振幅可能低于可检测的最小值。
Fig. 3. Variations in melting endotherms (°C) and crystallization enthalpies (J/g) as a function of increasing levoglucosan incorporation into the polymer structure.
制备了聚合物薄膜，通过确定水滴的接触角来研究LGA含量对亲水性的影响。除聚（左旋癸二酸葡聚糖外，还使用了LGA含量为14%、28%和35%的聚（左旋葡萄糖素癸二酸酯-co-十二亚甲基癸二酸酯）。如图4所示，聚合物结构中左旋葡聚糖含量的增加导致聚合物疏水性的增加。这种效应主要是由左旋葡糖中羟基的更高密度来解释的。这些结果遵循逻辑模式，表明可以通过控制左旋葡聚糖含量来控制聚合物的亲水性，这是生物医学和纺织应用中的关键特征。亲水性也是控制降解速率的关键参数。
Fig. 4. Images from the water contact angle tests showing the relation between the LGA content and hydrophilicity of the polymers. Polymers were synthesized from diethyl sebacate, dodecane-1,12-diol, and levoglucosan (if applicable).
总结
在本工作中，作者首次报道了脂肪酶催化的含左旋葡聚糖三元共聚物的合成，作为作者实现生物质价值化努力的一部分。尽管左旋葡糖反应性低，但聚酯高达7900 g/mol获得高达35%的左旋葡糖含量。结果表明，单体的亚烷基链长对LGA掺入聚合物结构有很强的影响。当使用丁烷-1，4-二醇和戊烷-1，5-二醇时，效果较差，左旋葡聚糖未掺入聚合物结构中。因此，使用更长的单体（C > 8）实现了最佳结果。中等性质对产量和LGA含量的影响很小。使用癸二酸二乙酯时，二苯醚中的反应导致产量和LGA含量略高于散装，但己二酸二乙酯没有观察到差异。LGA负荷对产量有负面影响，但导致LGA的掺入量更高。还观察到LGA含量增强了亲水性并降低了所得聚酯的结晶度和熔点。然而，LGA含量似乎不会影响热稳定性。最后，作者还使用直接从纤维素热解中获得的LGA生物油进行了反应，而无需任何先前的纯化步骤。在这种情况下，只有8%的LGA被掺入聚合物结构中。这些结果表明，使用生物粗制LGA进行聚合反应是可行的，但仍需要进一步研究。
