酶催化合成聚酯的研究进展
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脂肪酶是目前酶催化合成聚酯研究中应用最多 的一类酶。脂肪酶是一种重要的水解酶，可催化生 物体内甘油酯类物质的水解。一些脂肪酶在有机溶
图 １ 酶 催 化 合 成 聚 酯 的 基 本 途 径 Ｆｉｇ．１ Ｂａｓｉｃ ａｐｐｒｏａｃｈ ｏｆ ｅｎｚｙｍａｔｉｃ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ ｐｏｌｙｅｓｔｅｒｓ
ｔｓｉｎｇｈｕａ．ｅｄｕ．ｃｎ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｉｔｅｍ：ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｂｙ ＣＮＰＣ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ
（２０１０Ｄ－５００６－０５０３）．
·４０８ ·
化 工 学 报
第 ６４ 卷
聚酯材料具有优异的力学性能，其中脂肪族聚 酯及其共聚物具有良好的生物相容性和可降解性， 这些特点使得聚酯材料成为高分子材料的重要组成 部分。化学法是制备聚酯的传统方法，其以金属、 质子酸等催化剂在高温 （１８０～２８０℃） 及高真空条 件下催化相应的石油基原料聚合得到聚酯，必要时 采用扩链剂进行后续反应提高分子量。化学法合成 机理研究比较成熟，已经实现了各种规模的工业化 生产，并满足了一定的使用需求。然而，化学法在 生产过程的环保性和使用的安全性等方面仍存在一
立体结构的化合物，而且有助于简化反应流程、减 少副产物等。 进 入 ２１ 世 纪， 工 业 酶 催 化 正 在 从 实 验室研究走向 工 业 应 用， 如 巴 斯 夫 （ＢＳＡＦ） 公 司 采用脂 肪 酶 催 化 生 产 对 映 异 构 体 醇 类、Ｒ／Ｓ－氨 基 酸等， 帝 斯 曼 （ＤＳＭ） 公 司 采 用 酰 胺 酶 催 化 生 产 非天然 Ｌ－氨 基 酸、 采 用 青 霉 素 酰 化 酶 催 化 生 产 ６－ 氨基青霉烷酸等 。 ［２］ 近年来，酶催化不对称合 成 在 制药工业方面的应用规模逐渐扩大，展现了其与传 统化学过程相比的强大竞争力 。 ［３］
些问题，如催化剂或扩链剂存在毒性，不利于其应 用于医药领域。此外，化学法对原料要求高 （高纯 度，且不适 用 于 热 不 稳 定 单 体），产 物 无 化 学、 立 体和位置选择性等。目前已有酶催化合成各种类型 聚酯的研究 报 道 ， ［４－７］ 为 解 决 上 述 问 题 提 供 了 新 的 途径。虽然酶催化合成聚酯在反应规模、产物分子 量等指标上与化学法相比仍存在显著差距，但是酶 催化的独特优势使得这个研究方向值得关注。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐｒｏｖｅｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｅｎｚｙｍｅ ｃａｔａｌｙｓｉｓ，ｉｎ ｔｅｒｍｓ ｏｆ ｈｉｇｈ ｓｔｅｒｅｏ－ａｎｄ ｒｅｇｉｏ－ｓｅｌｅｃｔｉｖｉｔｙ， ｍｉｌｄｎｅｓｓ ａｎｄ ｅｎｖｉｒwenku.baidu.comｎｍｅｎｔａｌ ｆｒｉｅｎｄｌｉｎｅｓｓ，ｍａｋｅｓ ｔｈｅ ｅｎｚｙｍａｔｉｃ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ ｐｏｌｙｅｓｔｅｒ ａ ｐｒｏｍｉｓｉｎｇ ｒｏｕｔｅ ｆｏｒ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｐｏｌｙｅｓｔｅｒ－ｂａｓｅｄ ｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ｔｈｉｓ ｒｅｖｉｅｗ ｂｅｇｉｎｓ ｂｙ ａ ｓｕｒｖｅｙ ｏｆ ｒｅｃｅｎｔ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｉｎ ｔｈｅ ｅｎｚｙｍａｔｉｃ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ ｐｏｌｙｅｓｔｅｒｓ ｗｉｔｈ ｅｍｐｈａｓｉｓ ｏｎ ｅｎｚｙｍｅ ｃａｔａｌｙｓｔｓ ａｎｄ ｃａｔａｌｙｔｉｃ ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ ｆｏｒ ｅｎｚｙｍａｔｉｃ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ａｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈｌｉｇｈｔ ｏｎ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｃａｔａｌｙｓｔｓ ａｎｄ ｉｎｔｅｎｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｖｉｅｗｐｏｉｎｔ ｏｆ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ｔｈｅ ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ ｆｏｒ ｅｎｚｙｍａｔｉｃ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｐｏｌｙｅｓｔｅｒｓ ａｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．
ＣＡＬＢ 催化合成聚酯的反应催化机理如图 ２ 所 示［１２］。反应 过 程 分 为 两 步： 第 一 步， 底 物 １ （酸 类、酯类等）作为酰基供体使脂肪酶酰化形成过渡 态Ⅰ，Ⅰ不稳定释放出产物 １， 生 成 酰 化 酶 中 间 体 （ａｃｙｌ ｅｎｚｙｍｅ）；第二步，底物２ （醇类） 充当亲核 试剂，使酰化酶中间体脱酰化形成过渡态Ⅱ，Ⅱ继 而生成产物２，脂肪酶恢复为 自 由 酶。 在 开 环 聚 合 中，底物１即为环 状 酯 类 单 体 （相 当 于 Ｒ 与 Ｒ′相 连 ）， 第 一 步 反 应 即 为 开 环 反 应 ， 没 有 产 物 １ 生 成 ， 而 是 酰 化 酶 中 间 体 带 有 —Ｒ′—Ｒ—ＯＨ结 构。 底 物 ２相当于开环聚合的引发剂，通常为微量的水或者 醇 类。 第 二 步 反 应 生 成 的 产 物 ２ 为 带—Ｒ′—Ｒ—ＯＨ结构 的 酯。 产 物 ２ 可 以 作 为 下 一 个反应过程中的 “引 发 剂”， 从 而 实 现 开 环 聚 合 的
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｅｎｚｙｍｅ；ｅｎｚｙｍａｔｉｃ ｃａｔａｌｙｚｅｄ ｐｏｌｙｍｅｒｉｚａｔｉｏｎ；ｐｏｌｙｅｓｔｅｒ
引 言
酶是一种高效、高选择性、反应条件温和以及 环境友好 的 生 物 催 化 剂。 自 ２０ 世 纪 ８０ 年 代 Ｋｌｉ－ ｂａｎｏｖ教授将天然酶应 用 于 非 水 相 催 化 以 来 ， ［１］ 酶 催化各类有机反应日益引起人们的关注，所涉及的 反应类型已经涵盖了酯化、酯交换、氧化还原以及 碳－碳加成反 应 等。 酶 催 化 的 专 一 性、 立 体 选 择 性 和位置选择性等优点使其不但特别适合于合成特殊
２０１２－０７－３０ 收 到 初 稿 ，２０１２－１０－０２ 收 到 修 改 稿 。 联系人：卢滇 楠。 第 一 作 者： 朱 晶 莹 （１９８７—）， 女， 博 士 研
究生。 基金项目：中国石油科技创新基金项目 （２０１０Ｄ－５００６－０５０３）。
Ｒｅｃｅｉｖｅｄ ｄａｔｅ：２０１２－０７－３０． Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ａｕｔｈｏｒ： Ｄｒ．ＬＵ Ｄｉａｎｎａｎ，ｌｕｄｉａｎｎａｎ ＠ ｍａｉｌ．
摘要：酶催化反应具有条件温和、选择性高以及环境友好等特点，酶催化合成聚酯有望成为制备绿色和功能化
聚酯材料的新途径。本文首先概述了目前酶催化合成不同类型聚酯的研究进展，重点介绍了酶催化合成聚酯的
催化剂及其催化机理方面的研究成果，讨论了酶催化合成聚酯研究中的若干基础问题，如高效酶催化剂的设计
与制备、反应过程的调控与强化等，最后展望了酶催化合成聚酯的发展前景。
常采用长脂肪链的二羧酸或者二羧酸的活化衍生物
与二醇缩聚。Ｇｒｏｓｓ等 发 ［２１］ 现二酸单体和二醇单 体
的脂肪链越长，酶催化聚合反应活性越高，如癸二
酸、己二酸和辛二醇、己二醇的反应活性要明显高
于丁二酸 和 丁 二 醇。 醇 羟 基 酸 的 酶 促 聚 合 也 有 报
图 ２ 脂 肪 酶 催 化 酯 化／转 酯 化 反 应 的 机 理 Ｆｉｇ．２ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｌｉｐａｓｅ ｃａｔａｌｙｚｅｄ ｅｓｔｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ／ｔｒａｎｓｅｓｔｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ
本文介绍了应用于聚酯合成的酶催化剂及其催 化机理，总结了酶催化合成不同类型的聚酯的最新 进展，并对研究酶催化合成聚酯的发展趋势，包括 反应动力 学、 酶 催 化 剂 及 催 化 过 程 强 化 等 进 行 了 讨论。
１ 酶催化剂及其催化机理
目前已报道酶催化合成聚酯的基本途径有两 条———开环聚合 和 缩 合 聚 合 （图 １）［４］。 缩 聚 反 应 过程需要脱除体系中的小分子 （即图１所示 ＸＯＨ， 如水、甲醇、 乙 醇 等）， 过 程 较 为 复 杂。 开 环 聚 合 不涉及小分子的脱除，反应体系相对简单，早期酶 催化合成聚酯主要集中在开环聚合。然而开环聚合 的单体成本较高，且环状单体的种类有限，相比之 下，缩合聚合可应用的单体范围更大，因此成为近 年来研究的 重 点。 缩 合 聚 合 以 羟 基 酸 （及 其 衍 生 物） 或二醇及二酸 （及其衍生物） 为单体，在酶催 化剂存在条件下，通过酯化或者转酯化反应制备聚 酯。由于酯化或者转酯化反应是可逆反应，为了使 反应平衡向酯化的方向移动从而获得更高分子量的 聚合产物，需要及时除去体系中的小分子，这是目 前研究中关注的重要问题之一。
第 ６４ 卷 第 ２ 期 ２０１３年２月
化 工 学 报 ＣＩＥＳＣ Ｊｏｕｒｎａｌ
Ｖｏｌ．６４ Ｎｏ．２ Ｆｅｂｒｕａｒｙ ２０１３
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综述与专论
酶催化合成聚酯的研究进展
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朱晶莹，安思源，卢滇楠，刘 铮
（清华大学化学工程系，化学工程联合国家重点实验室，北京 １０００８４）
关键词：酶；酶催化聚合；聚酯
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．０４３８－１１５７．２０１３．０２．００３
中 图 分 类 号 ：ＴＱ ０３３ 文 献 标 志 码 ：Ａ
文章编号：０４３８－１１５７ （２０１３）０２－０４０７－０８
Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ｅｎｚｙｍａｔｉｃ ｐｏｌｙｍｅｒｉｚａｔｉｏｎ
ＺＨＵ Ｊｉｎｇｙｉｎｇ，ＡＮ Ｓｉｙｕａｎ，ＬＵ Ｄｉａｎｎａｎ，ＬＩＵ Ｚｈｅｎｇ
（Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｔｓｉｎｇｈｕａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８４，Ｃｈｉｎａ）
链增长 。 ［８］
２ 酶催化合成聚酯研究概览
道［２２］。表１列 出 了 文 献 报 道 的 酶 催 化 缩 聚 合 成 简 单线性聚酯的部分反应实例。 ２．２ 含 功 能 基 团 的 聚 酯
含功能基团的聚酯主要包括三类，一是含功能 端基的聚酯；二是主链中含有不饱和键的聚酯；三 是含有功能侧基的聚酯。含功能端基的聚酯主要通
剂中保持稳定，可以催化酯化反应和酯交换反应。 酶促聚合中使用的脂肪酶主要来自哺乳动物 ［猪胰 脂肪 酶 （ｐｏｒｃｉｎｅ ｐａｎｃｒｅａｔｉｃ ｌｉｐａｓｅ，ＰＰＬ）］、 真 菌 ［南极 假 丝 酵 母 （Ｃａｎｄｉｄａ ａｎｔａｒｔｉｃａ，ＣＡ）、 皱 褶 假丝 酵 母 （Ｃａｎｄｉｄａ ｒｕｇｏｓａ，Ｃ）、 圆 柱 假 丝 酵 母 （Ｃａｎｄｉｄａ ｃｙｌｉｎｄｒａｃｅａ，ＣＣ）、 黑 曲 霉 （Ａｓｐｅｒｇｉｌ－ ｌｕｓ ｎｉｇｅｒ，ＡＮ）、 娄 地 青 霉 （Ｐｅｎｉｃｉｌｌｉｕｍ ｒｏｑｕｅ－ ｆｏｒｔｉ，ＰＲ）、代氏 根 霉 （Ｒｈｉｚｏｐｕｓ ｄｅｌｅｍａｒ，ＲＤ）、 米 黑 根 毛 霉 （Ｒｈｉｚｏｍｕｃｏｒ ｍｉｅｈｅｉ，ＲＭ）］、 细 菌 ［洋葱假单胞菌 （Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ ｃｅｐａｃｉａ，ＰＣ）、 （荧 光 假 单 胞 菌 Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ ｆｌｏｕｒｅｓｃｅｎｓ，ＰＦ）］［８］。 其中 又 以 Ｃａｎｄｉｄａ ａｎｔａｒｔｉｃａ 脂 肪 酶 Ｂ 使 用 最 多。 其固定 化 酶 已 由 诺 维 信 公 司 商 品 化， 即 Ｎｏｖｏｚｙｍ ４３５ （以下简 称 Ｎ４３５）。 事 实 上， 脂 肪 酶 催 化 聚 合 的发展有很大程度上归功于 Ｎ４３５ 的 出 现。 除 脂 肪 酶以外， 近 期 也 有 角 质 酶 、 ［９－１０］ 聚 羟 基 脂 肪 酸 酯 （ＰＨＡ） 合成酶 用 ［１１］ 于体外催化聚酯合成的相关报 道。下面 以 Ｃａｎｄｉｄａ ａｎｔａｒｔｉｃａ 脂 肪 酶 Ｂ （ＣＡＬＢ） 为例介绍脂肪酶的催化机理。
第２期
朱晶莹等：酶催化合成聚酯的研究进展
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聚合过程中大环内酯单体具有更高的反应活性 。 ［１９］
对于酶催化缩合聚合反应，化学法常用的二羧
酸和二醇 单 体 在 酶 催 化 体 系 中 的 反 应 活 性 相 对 较
低，导致 反 应 时 间 长， 产 物 分 子 量 低 。 ［２０］ 因 此 通
图 １ 酶 催 化 合 成 聚 酯 的 基 本 途 径 Ｆｉｇ．１ Ｂａｓｉｃ ａｐｐｒｏａｃｈ ｏｆ ｅｎｚｙｍａｔｉｃ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ ｐｏｌｙｅｓｔｅｒｓ
ｔｓｉｎｇｈｕａ．ｅｄｕ．ｃｎ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｉｔｅｍ：ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｂｙ ＣＮＰＣ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ
（２０１０Ｄ－５００６－０５０３）．
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化 工 学 报
第 ６４ 卷
聚酯材料具有优异的力学性能，其中脂肪族聚 酯及其共聚物具有良好的生物相容性和可降解性， 这些特点使得聚酯材料成为高分子材料的重要组成 部分。化学法是制备聚酯的传统方法，其以金属、 质子酸等催化剂在高温 （１８０～２８０℃） 及高真空条 件下催化相应的石油基原料聚合得到聚酯，必要时 采用扩链剂进行后续反应提高分子量。化学法合成 机理研究比较成熟，已经实现了各种规模的工业化 生产，并满足了一定的使用需求。然而，化学法在 生产过程的环保性和使用的安全性等方面仍存在一
立体结构的化合物，而且有助于简化反应流程、减 少副产物等。 进 入 ２１ 世 纪， 工 业 酶 催 化 正 在 从 实 验室研究走向 工 业 应 用， 如 巴 斯 夫 （ＢＳＡＦ） 公 司 采用脂 肪 酶 催 化 生 产 对 映 异 构 体 醇 类、Ｒ／Ｓ－氨 基 酸等， 帝 斯 曼 （ＤＳＭ） 公 司 采 用 酰 胺 酶 催 化 生 产 非天然 Ｌ－氨 基 酸、 采 用 青 霉 素 酰 化 酶 催 化 生 产 ６－ 氨基青霉烷酸等 。 ［２］ 近年来，酶催化不对称合 成 在 制药工业方面的应用规模逐渐扩大，展现了其与传 统化学过程相比的强大竞争力 。 ［３］
些问题，如催化剂或扩链剂存在毒性，不利于其应 用于医药领域。此外，化学法对原料要求高 （高纯 度，且不适 用 于 热 不 稳 定 单 体），产 物 无 化 学、 立 体和位置选择性等。目前已有酶催化合成各种类型 聚酯的研究 报 道 ， ［４－７］ 为 解 决 上 述 问 题 提 供 了 新 的 途径。虽然酶催化合成聚酯在反应规模、产物分子 量等指标上与化学法相比仍存在显著差距，但是酶 催化的独特优势使得这个研究方向值得关注。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐｒｏｖｅｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｅｎｚｙｍｅ ｃａｔａｌｙｓｉｓ，ｉｎ ｔｅｒｍｓ ｏｆ ｈｉｇｈ ｓｔｅｒｅｏ－ａｎｄ ｒｅｇｉｏ－ｓｅｌｅｃｔｉｖｉｔｙ， ｍｉｌｄｎｅｓｓ ａｎｄ ｅｎｖｉｒwenku.baidu.comｎｍｅｎｔａｌ ｆｒｉｅｎｄｌｉｎｅｓｓ，ｍａｋｅｓ ｔｈｅ ｅｎｚｙｍａｔｉｃ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ ｐｏｌｙｅｓｔｅｒ ａ ｐｒｏｍｉｓｉｎｇ ｒｏｕｔｅ ｆｏｒ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｐｏｌｙｅｓｔｅｒ－ｂａｓｅｄ ｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ｔｈｉｓ ｒｅｖｉｅｗ ｂｅｇｉｎｓ ｂｙ ａ ｓｕｒｖｅｙ ｏｆ ｒｅｃｅｎｔ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｉｎ ｔｈｅ ｅｎｚｙｍａｔｉｃ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ ｐｏｌｙｅｓｔｅｒｓ ｗｉｔｈ ｅｍｐｈａｓｉｓ ｏｎ ｅｎｚｙｍｅ ｃａｔａｌｙｓｔｓ ａｎｄ ｃａｔａｌｙｔｉｃ ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ ｆｏｒ ｅｎｚｙｍａｔｉｃ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ａｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈｌｉｇｈｔ ｏｎ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｃａｔａｌｙｓｔｓ ａｎｄ ｉｎｔｅｎｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｖｉｅｗｐｏｉｎｔ ｏｆ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ｔｈｅ ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ ｆｏｒ ｅｎｚｙｍａｔｉｃ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｐｏｌｙｅｓｔｅｒｓ ａｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．
ＣＡＬＢ 催化合成聚酯的反应催化机理如图 ２ 所 示［１２］。反应 过 程 分 为 两 步： 第 一 步， 底 物 １ （酸 类、酯类等）作为酰基供体使脂肪酶酰化形成过渡 态Ⅰ，Ⅰ不稳定释放出产物 １， 生 成 酰 化 酶 中 间 体 （ａｃｙｌ ｅｎｚｙｍｅ）；第二步，底物２ （醇类） 充当亲核 试剂，使酰化酶中间体脱酰化形成过渡态Ⅱ，Ⅱ继 而生成产物２，脂肪酶恢复为 自 由 酶。 在 开 环 聚 合 中，底物１即为环 状 酯 类 单 体 （相 当 于 Ｒ 与 Ｒ′相 连 ）， 第 一 步 反 应 即 为 开 环 反 应 ， 没 有 产 物 １ 生 成 ， 而 是 酰 化 酶 中 间 体 带 有 —Ｒ′—Ｒ—ＯＨ结 构。 底 物 ２相当于开环聚合的引发剂，通常为微量的水或者 醇 类。 第 二 步 反 应 生 成 的 产 物 ２ 为 带—Ｒ′—Ｒ—ＯＨ结构 的 酯。 产 物 ２ 可 以 作 为 下 一 个反应过程中的 “引 发 剂”， 从 而 实 现 开 环 聚 合 的
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｅｎｚｙｍｅ；ｅｎｚｙｍａｔｉｃ ｃａｔａｌｙｚｅｄ ｐｏｌｙｍｅｒｉｚａｔｉｏｎ；ｐｏｌｙｅｓｔｅｒ
引 言
酶是一种高效、高选择性、反应条件温和以及 环境友好 的 生 物 催 化 剂。 自 ２０ 世 纪 ８０ 年 代 Ｋｌｉ－ ｂａｎｏｖ教授将天然酶应 用 于 非 水 相 催 化 以 来 ， ［１］ 酶 催化各类有机反应日益引起人们的关注，所涉及的 反应类型已经涵盖了酯化、酯交换、氧化还原以及 碳－碳加成反 应 等。 酶 催 化 的 专 一 性、 立 体 选 择 性 和位置选择性等优点使其不但特别适合于合成特殊
２０１２－０７－３０ 收 到 初 稿 ，２０１２－１０－０２ 收 到 修 改 稿 。 联系人：卢滇 楠。 第 一 作 者： 朱 晶 莹 （１９８７—）， 女， 博 士 研
究生。 基金项目：中国石油科技创新基金项目 （２０１０Ｄ－５００６－０５０３）。
Ｒｅｃｅｉｖｅｄ ｄａｔｅ：２０１２－０７－３０． Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ａｕｔｈｏｒ： Ｄｒ．ＬＵ Ｄｉａｎｎａｎ，ｌｕｄｉａｎｎａｎ ＠ ｍａｉｌ．
摘要：酶催化反应具有条件温和、选择性高以及环境友好等特点，酶催化合成聚酯有望成为制备绿色和功能化
聚酯材料的新途径。本文首先概述了目前酶催化合成不同类型聚酯的研究进展，重点介绍了酶催化合成聚酯的
催化剂及其催化机理方面的研究成果，讨论了酶催化合成聚酯研究中的若干基础问题，如高效酶催化剂的设计
与制备、反应过程的调控与强化等，最后展望了酶催化合成聚酯的发展前景。
常采用长脂肪链的二羧酸或者二羧酸的活化衍生物
与二醇缩聚。Ｇｒｏｓｓ等 发 ［２１］ 现二酸单体和二醇单 体
的脂肪链越长，酶催化聚合反应活性越高，如癸二
酸、己二酸和辛二醇、己二醇的反应活性要明显高
于丁二酸 和 丁 二 醇。 醇 羟 基 酸 的 酶 促 聚 合 也 有 报
图 ２ 脂 肪 酶 催 化 酯 化／转 酯 化 反 应 的 机 理 Ｆｉｇ．２ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｌｉｐａｓｅ ｃａｔａｌｙｚｅｄ ｅｓｔｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ／ｔｒａｎｓｅｓｔｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ
本文介绍了应用于聚酯合成的酶催化剂及其催 化机理，总结了酶催化合成不同类型的聚酯的最新 进展，并对研究酶催化合成聚酯的发展趋势，包括 反应动力 学、 酶 催 化 剂 及 催 化 过 程 强 化 等 进 行 了 讨论。
１ 酶催化剂及其催化机理
目前已报道酶催化合成聚酯的基本途径有两 条———开环聚合 和 缩 合 聚 合 （图 １）［４］。 缩 聚 反 应 过程需要脱除体系中的小分子 （即图１所示 ＸＯＨ， 如水、甲醇、 乙 醇 等）， 过 程 较 为 复 杂。 开 环 聚 合 不涉及小分子的脱除，反应体系相对简单，早期酶 催化合成聚酯主要集中在开环聚合。然而开环聚合 的单体成本较高，且环状单体的种类有限，相比之 下，缩合聚合可应用的单体范围更大，因此成为近 年来研究的 重 点。 缩 合 聚 合 以 羟 基 酸 （及 其 衍 生 物） 或二醇及二酸 （及其衍生物） 为单体，在酶催 化剂存在条件下，通过酯化或者转酯化反应制备聚 酯。由于酯化或者转酯化反应是可逆反应，为了使 反应平衡向酯化的方向移动从而获得更高分子量的 聚合产物，需要及时除去体系中的小分子，这是目 前研究中关注的重要问题之一。
第 ６４ 卷 第 ２ 期 ２０１３年２月
化 工 学 报 ＣＩＥＳＣ Ｊｏｕｒｎａｌ
Ｖｏｌ．６４ Ｎｏ．２ Ｆｅｂｒｕａｒｙ ２０１３
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综述与专论
酶催化合成聚酯的研究进展
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朱晶莹，安思源，卢滇楠，刘 铮
（清华大学化学工程系，化学工程联合国家重点实验室，北京 １０００８４）
关键词：酶；酶催化聚合；聚酯
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．０４３８－１１５７．２０１３．０２．００３
中 图 分 类 号 ：ＴＱ ０３３ 文 献 标 志 码 ：Ａ
文章编号：０４３８－１１５７ （２０１３）０２－０４０７－０８
Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ｅｎｚｙｍａｔｉｃ ｐｏｌｙｍｅｒｉｚａｔｉｏｎ
ＺＨＵ Ｊｉｎｇｙｉｎｇ，ＡＮ Ｓｉｙｕａｎ，ＬＵ Ｄｉａｎｎａｎ，ＬＩＵ Ｚｈｅｎｇ
（Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｔｓｉｎｇｈｕａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８４，Ｃｈｉｎａ）
链增长 。 ［８］
２ 酶催化合成聚酯研究概览
道［２２］。表１列 出 了 文 献 报 道 的 酶 催 化 缩 聚 合 成 简 单线性聚酯的部分反应实例。 ２．２ 含 功 能 基 团 的 聚 酯
含功能基团的聚酯主要包括三类，一是含功能 端基的聚酯；二是主链中含有不饱和键的聚酯；三 是含有功能侧基的聚酯。含功能端基的聚酯主要通
剂中保持稳定，可以催化酯化反应和酯交换反应。 酶促聚合中使用的脂肪酶主要来自哺乳动物 ［猪胰 脂肪 酶 （ｐｏｒｃｉｎｅ ｐａｎｃｒｅａｔｉｃ ｌｉｐａｓｅ，ＰＰＬ）］、 真 菌 ［南极 假 丝 酵 母 （Ｃａｎｄｉｄａ ａｎｔａｒｔｉｃａ，ＣＡ）、 皱 褶 假丝 酵 母 （Ｃａｎｄｉｄａ ｒｕｇｏｓａ，Ｃ）、 圆 柱 假 丝 酵 母 （Ｃａｎｄｉｄａ ｃｙｌｉｎｄｒａｃｅａ，ＣＣ）、 黑 曲 霉 （Ａｓｐｅｒｇｉｌ－ ｌｕｓ ｎｉｇｅｒ，ＡＮ）、 娄 地 青 霉 （Ｐｅｎｉｃｉｌｌｉｕｍ ｒｏｑｕｅ－ ｆｏｒｔｉ，ＰＲ）、代氏 根 霉 （Ｒｈｉｚｏｐｕｓ ｄｅｌｅｍａｒ，ＲＤ）、 米 黑 根 毛 霉 （Ｒｈｉｚｏｍｕｃｏｒ ｍｉｅｈｅｉ，ＲＭ）］、 细 菌 ［洋葱假单胞菌 （Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ ｃｅｐａｃｉａ，ＰＣ）、 （荧 光 假 单 胞 菌 Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ ｆｌｏｕｒｅｓｃｅｎｓ，ＰＦ）］［８］。 其中 又 以 Ｃａｎｄｉｄａ ａｎｔａｒｔｉｃａ 脂 肪 酶 Ｂ 使 用 最 多。 其固定 化 酶 已 由 诺 维 信 公 司 商 品 化， 即 Ｎｏｖｏｚｙｍ ４３５ （以下简 称 Ｎ４３５）。 事 实 上， 脂 肪 酶 催 化 聚 合 的发展有很大程度上归功于 Ｎ４３５ 的 出 现。 除 脂 肪 酶以外， 近 期 也 有 角 质 酶 、 ［９－１０］ 聚 羟 基 脂 肪 酸 酯 （ＰＨＡ） 合成酶 用 ［１１］ 于体外催化聚酯合成的相关报 道。下面 以 Ｃａｎｄｉｄａ ａｎｔａｒｔｉｃａ 脂 肪 酶 Ｂ （ＣＡＬＢ） 为例介绍脂肪酶的催化机理。
第２期
朱晶莹等：酶催化合成聚酯的研究进展
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聚合过程中大环内酯单体具有更高的反应活性 。 ［１９］
对于酶催化缩合聚合反应，化学法常用的二羧
酸和二醇 单 体 在 酶 催 化 体 系 中 的 反 应 活 性 相 对 较
低，导致 反 应 时 间 长， 产 物 分 子 量 低 。 ［２０］ 因 此 通