Diversified studies on enzymatic and chemoenzymatic syntheses of biodegradable aromatic polymers have been conducted in this study. Lipases and proteases from various sources were tested for the synthesis of aromatic polyesters in organic solvents. A commercial protease from Bacillus licheniformis, Optimase M-440, efficiently catalyzed the transesterification of diester of terephthalic acid and 1,4-butanediol in anhydrous tetrahydrofuran (THF). This protease was used as a catalyst in the synthesis of aromatic polyesters in THF. Oligomers with average molecular weights from 400 to 1000 daltons were obtained using various diols and aromatic diesters. The reactions of different types of aromatic ester (aromatic esters with different types of leaving group or isomers of terephthalic acid derivatives) were investigated with model alcohols, n-butanol or 1,4-butanediol. The time course of inactivation of Optimase M-440 was also investigated.
Using the same enzyme, enzymatic polytransesterification of aromatic diols was carried out in anhydrous organic solvents. Optimase M-440 also catalyzed the polytransesterification of a diester of glutaric acid with aromatic diols such as benzenedimethanol. Hydrophilic solvents such as pyridine and acetone gave encouraging results in the reaction and the highest reaction rate was observed with pyridine. The $M_w$ of the aromatic polyesters determined by gel permeation chromatography (GPC) was 400-1400 daltons. Bis(2,2,2-trifluoroethyl) glutarate and 1,4-benzenedimethanol were used as model compounds to study the influence of aromaticity, water content and alcoholic leaving group.
Enzymatic regioselective acylation of sugars offers an alternative to the poor selectivity of chemical synthesis and enzymatic acylation was carried out for sucrose with TFE-terephthalate in pyridine by employing the same enzyme. Upon increasing the reaction temperature from 27 to 50℃, the conversion of sucrose after 24 hours increased from 65.1 to 85.5%. However, the enzyme inactivation rate also increased as the reaction temperature increased. After 1 day, there was no significant decrease in the enzyme activity at 30℃ (less than 10%), while the activity decreased to 50.1% at 50℃. At two representative temperatures (30℃ and 45℃), more than 70% of sucrose has been consumed after 1 day and sucrose diester begins to form after 6 days when more than 95% of sucrose has been converted to sucrose monoester. At 45℃, the formation of sucrose diester is faster and the final yield of sucrose diester after 20 days is about 2 times greater (13.8%) than that at 30℃ (7%). No triester was ever formed, evidenced by thin layer chromatography (TLC) and GC. The chemical shifts in the $^{13}C$ NMR data enabled us to assign structures to the mono- and diester products with the sucrose monoester identified as sucrose 1-terephthalate and the diester product identified as a mixture of sucrose 6,1-diterephthalate and sucrose 6′,1-diterephthalate in a ratio 2:1.
The enzymatically synthesized sucrose diterephthalate has two free trifluoroethyl ester groups and was polymerized with ethylene glycol and ethylenediamine for the synthesis of sucrose-containing aromatic polymers. The polycondensation reactions were carried out in DMSO at 70℃ using zinc acetate as a catalyst. The sucrose-containing polyester and polyamide were obtained in 60-70% for 24 hours and in 70-80% yield for 12 hours, respectively. Structural analysis of the polymer was performed with $^1H$ and $^{13}C$ NMR in DMSO. Clear downfield shifts of carbons C1, C6, and C6′in the $^{13}C$ NMR spectrum of the polymers suggests that ester bond between phenyl group and sucrose moiety in the sucrose diterephthalate has been maintained in the polymers. End-group analysis of the polyester by $^{13}C$ NMR provided a number average molecular weight of 3200 daltons and nearly 5 sucrose, 10 TFE-terephthalate, and 5 ethylene glycol molecules are joined together through ester linkages in the polyester. The data of FTIR spectrum of the polyamide conforms the formation of amide bond in the polymer and the structural analysis by FTIR are well consistent with incorporation of sucrose into the polyamide. End-group analysis was applied to determine the number average molecular weight ($M_n$) of the polyamide and it was estimated to be 4300 daltons by using the areas of amine end group and amide or phenyl ring.
Preparative acryloylation of sucrose resulted in the synthesis of sucrose acrylate esters with a conversion of sucrose of more than 90% in 24 hours. The ester products consisted of 70% sucrose monoacrylate and 30% sucrose diacrylate. The monoester product was a sucrose 1-acrylate and the diester products consisted of sucrose 6,1-diacrylate and sucrose 6',1-diacrylate in a ratio 3:2.
효소적 방법과 효소화학적 방법을 통해 생분해성 방향족 고분자를 합성하는 연구가 수행되었다. 유기용매에서 방향족 폴리에스터의 합성능력이, 여러 가지 종류의 lipase와 protease들에 대해서 조사되었다. 그 결과, Optimase M-440이라는 상품명의 Bacillus licheniformis의 protease가 방향족 화합물의 transesterification 반응에 매우 효과적으로 촉매작용을 한다는 것이 발견되었다. 먼저 이 효소를 사용하여 유기용매인 THF를 반응매체로, 방향족 diester인 terephthalic acid의 diester와 여러 가지 체인 길이의 지방족 diol의 polytransesterification 반응을 통해서 평균 분자량이 400에서 1000 dalton에 이르는 oligomer들이 합성되었다. 서로 다른 leaving group의 에스터들과 terephthalic acid와 그 이성질체 에스터들의 반응성이 비교·해석되었으며, 반응시간에 따른 효소의 활성감소에 대한 실험 또한 수행되었다.
무수 유기용매하에서, 방향족 diol의 polytransesterification 반응이 위의 효소를 이용하여 이루어졌다. Pyridine과 acetone과 같은 친수성 유기용매에서 반응성이 높았으며, glutaric acid의 diester와 benzenedimethanol, 또는 그 이성질체들과의 효소중합을 통해서 평균 분자량이 400-1400 dalton에 이르는 방향족 폴리에스터가 합성되었다. 기질의 Aromaticity의 영향과, 유기 용매에서의 효소반응에 있어서 중요한 반응요인중의 하나인 수분의 함량과 중합반응 중에 부반응물로 나오는 alcoholic leaving group인 trifluoroethanol이 반응속도와 중합도에 미치는 영향이 고찰되었다.
효소의 뛰어난 위치선택성 (regioselectivity)을 이용하여 sucrose의 선택적인 acylation이, TFE-terephthalate를 cosubstrate로 pyridine에서 수행되었다. 27℃에서 50℃까지의 온도범위에서, 반응속도는 반응온도가 높을수록 빨라진 반면 효소의 활성 또한 고온일수록 빠르게 감소하였다. 30℃와 45℃의 두 온도에서 모두, 70% 이상의 sucrose가 24시간안에 반응하여 sucrose monoester가 합성되었으며 diester는, 95% 이상의 sucrose가 반응된 후인 반응시작 6일후부터 생성되기 시작하였다. 그러나 diester의 생성는, 45℃에서 휠씬 빠르게 진행되어 20일 후의 최종 diester의 생성률은 30℃ (7%)에 비해 2배에 달하는 13.8%였다. triester는 합성되지 않았다. $^{13}C$ NMR의 분석을 통해서, sucrose monoester는 sucrose 1-terephthalate로 sucrose diester은 sucrose 6,1-diterephthalate와 sucrose 6',1-diterephthalate가 2:1의 비율로 들어있는 혼합물로 밝혀졌다.
효소화학적 방법을 이용하여 위에서 합성된 sucrose diester를 ethylene glycol, 그리고 ethylenediamine과 축중합시켜 방향족 폴리에스터와 폴리아마이드를 합성하였다. 축중합 반응은, zinc acetate를 촉매로 70℃, DMSO에서 수행되었다. 폴리에스터와 폴리아마이드가, 각각 24시간에 60-70%의 전환률과 12시간에 70-80%의 전환률로 얻어졌다. 합성된 고분자의 구조 분석을 위해서 $^1H$ 과 $^{13}C$ NMR이 이용되었으며, 두 고분자 모두 sucrose를 backbone에 함유하는 방향족 고분자였다. 폴리에스터의 말단기 분석 (end-group analysis)을 통해 수평균 분자량이 3200으로 나타났는데, 이는 거의 5개의 sucrose, 10개의 TFE-terephthalate, 그리고 5개의 ethylene glycol 분자들이, 폴리에스터안에 에스터 결합으로 연결되어 있음을 말해준다. 폴리아마이드의 경우 FTIR 분석으로, 아마이드 결합의 생성을 재확인할 수 있었으며 FTIR의 분석결과가 NMR 분석결과와 잘 일치하였다. 아민 (amine) 말단기를 이용한 말단기분석을 통해서, 폴리아마이드의 수평균 분자량은 4300으로 측정되었다.
같은 효소가, sucrose의 acryloylation에서도 기존에 발표된 어떤 효소보다도 휠씬 높은 효율을 보였다. Vinyl acrylate를 이용한 sucrose의 acylation 반응에서, 24시간에 90% 이상의 매우 높은 전환률을 나타냈다. 에스터 생성물의 70%를 이루는 monoester는 1-acrylate이고 나머지 30%인 diester 생성물에서는, 6,1-diacrylate와 6', 1-diacrylate가 3:2의 비를 이루고 있었다.
