4-乙基苯酚低聚物的酶催化合成及抗氧化性能研究

柴春曉,江 帆,鄭 軻,張予東,丁 濤,崔元臣,張 磊

(河南大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，河南 開封 475004)

4-乙基苯酚低聚物的酶催化合成及抗氧化性能研究

柴春曉,江 帆,鄭 軻,張予東,丁 濤,崔元臣,張 磊*

(河南大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，河南 開封 475004)

以辣根過氧化物酶為催化劑制備了4-乙基苯酚低聚物，利用紅外光譜、凝膠滲透色譜、熱重對其進行了表征. 4-乙基苯酚低聚物具有良好的清除1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(DPPH)自由基和2,2-聯(lián)氮雙(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)二銨鹽(ABTS)陽離子自由基的性能. 4-乙基苯酚低聚物作為添加劑與聚丙烯復(fù)合后，可明顯提高聚丙烯的抗熱氧性能，與聚丙烯相比，4-乙基苯酚低聚物(0.5%)/聚丙烯復(fù)合物的氧化誘導(dǎo)溫度提高了41 ℃，氧化誘導(dǎo)時間提高了11.5 min，抗氧化能力不僅大大高于4-乙基苯酚單體，而且優(yōu)于市售抗氧劑2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚(BHT)和丁基羥基茴香醚(BHA). 加速老化試驗表明，添加4-乙基苯酚低聚物的聚丙烯在120 ℃的空氣氛圍中老化72 h后，其化學(xué)組成沒有明顯變化. 因此，酚類化合物的酶催化聚合在新型抗氧劑的合成方面有潛在的應(yīng)用前景.

4-乙基苯酚; 酶催化; 抗氧劑; 聚丙烯

酚類化合物的酶催化聚合是一種合成酚聚合物的新方法，由于酶催化反應(yīng)條件溫和、效率高、專一性好，因此受到研究人員的廣泛關(guān)注[1-2]. TONAMI等利用辣根過氧化物酶為催化劑，制備了間乙炔基苯酚的聚合物[3]，該聚合物在氮氣氛圍中、1 000 ℃下的質(zhì)量殘余率在60%以上，高于苯酚和烷基取代苯酚聚合物的殘余率，適合作為碳材料的前驅(qū)物. KIM等用灰蓋鬼傘菌過氧化物酶為催化劑研究了雙酚A的聚合，在異丙醇和緩沖溶液體系中，得到了數(shù)均分子量為1.9×104的聚合物. 雙酚A聚合物可用作光致抗蝕劑，分子量和聚合物中酚羥基的含量對所制備的光致抗蝕劑的感光性有很大的影響[4]. Kim課題組還報道了鄰苯二酚在漆酶催化下的聚合反應(yīng)，并考察了聚合產(chǎn)物在亞麻織物染色中的應(yīng)用性能[5]. 最近，KUMBUL等還報道了對位含亞胺基團的酚化合物的酶催化聚合[6]. 總之，人們已經(jīng)利用酶催化反應(yīng)制備了多種酚聚合物，并對這些酚聚合物的應(yīng)用性能開展了初步的研究.

近年來，本課題組在水相膠束或有機溶劑/緩沖溶液體系中，研究了苯酚[7]、4-甲氧基苯酚[8]、鄰苯三酚[9]等化合物的酶催化聚合，發(fā)現(xiàn)這些酚聚合產(chǎn)物中含有大量的酚羥基，同時由于分子量的提高，它們具有比小分子酚化合物更好的穩(wěn)定性，作為抗氧劑具有良好的應(yīng)用前景. AMBROGI報道了咖啡酸甲酯的酶催化聚合，并對聚合產(chǎn)物的抗氧化性能進行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)咖啡酸甲酯聚合物可明顯提高聚乙烯的穩(wěn)定性[10]. 本課題組對4-甲氧基苯酚及鄰苯三酚低聚物的抗氧化性能進行了研究[8-9]，發(fā)現(xiàn)它們均有良好的抗自由基性能.

4-乙基苯酚是一種常見的小分子酚化合物，由于穩(wěn)定性不佳，抗氧化性能有限，本文采用乙醇-緩沖溶液的混合物為反應(yīng)介質(zhì)，利用辣根過氧化物酶為催化劑，制備了4-乙基苯酚的低聚物，首次考察了該低聚物的抗自由基性能，并研究了該低聚物作為抗氧劑對聚丙烯抗熱氧性能的影響.

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

VERTEX 70型紅外光譜儀(德國，Bruker公司)；TGA/SDTA851e型熱重分析儀(瑞士，Mettler-Toledo公司)；XSTAR6000型差示掃描量熱儀(日本，Seiko公司)；AK22型同向雙螺桿擠出機(南京科亞化工成套裝備公司)；401B型老化試驗箱(上海試驗儀器總廠)；WDW-20E型電子萬能試驗機(濟南恒思盛大儀器有限公司)；FYJ-25I型壓片機(廣東金方圓機械制造有限公司).

辣根過氧化氫酶(HRP)(RZ=2.6，上海國源生物技術(shù)有限公司)；粉狀聚丙烯(中國石油獨山子石化公司)；4-乙基苯酚(分析純，Alfa Aesar天津化學(xué)有限公司)；過氧化氫(分析純，天津市光復(fù)科技發(fā)展有限公司)；2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚(BHT)和丁基羥基茴香醚(BHA)(分析純，百靈威科技有限公司)，其他試劑均為市售分析純試劑.

1.2 4-乙基苯酚的酶催化聚合

在100 mL圓底燒瓶中加入5 mmol 4-乙基苯酚，并加入20 mL pH=7的磷酸鹽緩沖溶液和25 mL 無水乙醇，于25℃水浴鍋中恒溫攪拌至溶解，然后加入5 mL溶有1 mg辣根過氧化酶的磷酸鹽緩沖溶液. 攪拌1 min后，加入0.25 mL濃度為5%的過氧化氫溶液，以后每隔5 min次加入相同體積的過氧化氫溶液，共滴加14次. 過氧化氫滴加完畢，繼續(xù)在25 ℃下攪拌10 min，隨后真空抽濾，并用蒸餾水洗滌，濾餅在60 ℃真空烘箱中烘干，得到淡黃色粉末狀產(chǎn)物.

1.3 聚丙烯試樣的制備

取0.5質(zhì)量份的添加劑(4-乙基苯酚、BHT、BHA或4-乙基苯酚低聚物)和100質(zhì)量份的聚丙烯在共混機中混合均勻，利用雙螺桿擠出機擠出并造粒. 擠出機加熱部分的溫度從料斗端到口模端依次設(shè)定為165、175、175、180 ℃，螺桿的轉(zhuǎn)速設(shè)定為140 r/min.

1.4 4-乙基苯酚低聚物的抗自由基性能檢測

用1,1-二苯基-2-三硝基苯肼自由基和2,2′-聯(lián)氮雙(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)二銨鹽陽離子自由基檢測4-溴苯酚聚合物的抗自由基性能，檢測方法和實驗步驟參照文獻[11]和[12].

2 結(jié)果與討論

2.1 4-乙基苯酚低聚物的表征

圖1 4-乙基苯酚的酶催化聚合反應(yīng)路線Fig.1 Synthetic route of enzymatic polymerization of 4-ethylphenol

圖2 4-乙基苯酚低聚物的紅外光譜Fig.2 IR spectrum of 4-ethylphenol oligomer

圖3為4-乙基苯酚單體、4-乙基苯酚低聚物、工業(yè)抗氧劑BHT和BHA在空氣氛圍中的熱失重曲線，可以看出，4-乙基苯酚單體熱穩(wěn)定性很差，150 ℃即完全分解. 而4-乙基苯酚低聚物失重5%時對應(yīng)的溫度為215 ℃，在600 ℃完全分解，其熱穩(wěn)定性與4-乙基苯酚單體相比得到了很大的提高，且明顯好于工業(yè)抗氧劑BHT和BHA，這是4-乙基苯酚低聚物具有良好抗氧化性能的重要基礎(chǔ).

圖3 4-乙基苯酚(a)、BHT(b)、BHA(c)、4-乙基苯酚低聚物(d)在空氣氛圍中的熱重曲線Fig.3 TG curves of 4-ethylphenol (a), BHT (b), BHA (c) and 4-ethylphenol oligomer (d) under air atmosphere

2.2 4-乙基苯酚低聚物的抗自由基性能

對DPPH自由基和ABTS陽離子自由基的清除率常被用來評價物質(zhì)的抗氧化能力, 我們利用這兩種自由基初步評價了4-乙基苯酚低聚物的抗氧化性能，結(jié)果見圖4．從圖4(a)可以看出，4-乙基苯酚低聚物具有明顯的清除DPPH自由基的能力，隨4-乙基苯酚低聚物濃度的增加，對DPPH自由基的清除率逐漸增加.Ic50為清除率達到50%時對應(yīng)的抗氧劑的濃度，從圖中可以求得4-乙基苯酚低聚物清除DPPH自由基的Ic50為47.8 mg/L. 圖4(b)表明4-乙基苯酚低聚物也具有良好的清除ABTS陽離子自由基能力，其Ic50為5.3 mg/L. 與我們之前報道的4-溴苯酚聚合物相比[15]，4-乙基苯酚低聚物具有更好的抗自由基性能.

圖4 乙基苯酚低聚物對DPPH(a)和ABTS陽離子(b)自由基的抑制效果Fig.4 Inhibition efficiency of 4-ethylphenol oligomer to DPPH (a) and ABTS cation (b) free radical

2.3 4-乙基苯酚低聚物對聚丙烯抗熱氧性能的影響

聚丙烯材料廣泛應(yīng)用于管材、家電、汽車、包裝等領(lǐng)域，但是在熱氧環(huán)境中，聚丙烯材料很容易發(fā)生氧化降解，主要原因是分子鏈中的叔碳原子易形成自由基，并進一步生成烷氧自由基和過氧自由基，從而造成聚丙烯分子鏈的氧化斷裂[16-17]，添加抗氧化劑是防止聚丙烯熱氧降解的有效方法. 我們將4-乙基苯酚低聚物添加到聚丙烯樣品中，考察了這種低聚物對聚丙烯抗熱氧性能的影響. 氧化誘導(dǎo)溫度和氧化誘導(dǎo)時間檢測是兩種快速評價抗氧劑性能的方法，氧化誘導(dǎo)溫度是樣品的DSC曲線上出現(xiàn)熔融峰之后，急劇向放熱方向轉(zhuǎn)折時的溫度，本文按照國際標準(ISO 11357-6:2008)進行測試. 圖5為純聚丙烯、4-乙基苯酚/聚丙烯、BHT/聚丙烯、BHA/聚丙烯、4-乙基苯酚低聚物/聚丙烯復(fù)合物在空氣氛圍中的DSC曲線，根據(jù)這些曲線得到的上述5種聚丙烯樣品的氧化誘導(dǎo)溫度列于表1中. 可以看出，添加4-乙基苯酚低聚物后，聚丙烯的氧化誘導(dǎo)溫度提高了41 ℃，而4-乙基苯酚單體的加入，只能使聚丙烯的氧化誘導(dǎo)溫度提高12 ℃. 市售抗氧劑BHT和BHA也可明顯提高聚丙烯的起始氧化溫度，但效果不及4-乙基苯酚低聚物.

圖5 聚丙烯(a)、4-乙基苯酚/聚丙烯(b)、BHT/聚丙烯(c)BHA/聚丙烯(d)和4-乙基苯酚低聚物/聚丙烯(e)的氧化誘導(dǎo)溫度檢測曲線Fig.5 Oxidation induction temperature curves of virgin PP (a), 4-ethylphenol/PP (b), BHT/PP (c), BHA/PP (d) and 4-ethylphenol oligomer/PP (e)

圖6 聚丙烯(a)、4-乙基苯酚/聚丙烯(b)、BHT/聚丙烯(c)BHA/聚丙烯(d)和4-乙基苯酚低聚物/聚丙烯(e)的氧化誘導(dǎo)時間檢測曲線Fig.6 Oxidation induction time curves of virgin PP (a), 4-ethylphenol /PP (b), BHT/PP (c), BHA/PP (d) and 4-ethylphenol oligomer/PP (e)

氧化誘導(dǎo)時間也按照國際標準(ISO 11357-6:2008)進行檢測. 首先，聚丙烯復(fù)合物在50 mL/min的氮氣氣流中，以10 ℃/min的升溫速率升溫至190 ℃，保溫5 min后迅速把氮氣流切換成50 mL/min的氧氣流. 氧化誘導(dǎo)時間是從切換氣流開始，到樣品DSC曲線開始急劇向放熱方向轉(zhuǎn)折時的時間. 圖 6為純聚丙烯、4-乙基苯酚/聚丙烯、BHT/聚丙烯、BHA/聚丙烯、4-乙基苯酚低聚物/聚丙烯復(fù)合物的氧化誘導(dǎo)時間檢測曲線，當檢測環(huán)境的氣流由氮氣切換為氧氣后，聚丙烯和4-乙基苯酚/聚丙烯復(fù)合物很快出現(xiàn)放熱峰，說明4-乙基苯酚單體不能明顯提高聚丙烯的抗熱氧性能，這與氧化誘導(dǎo)溫度的研究結(jié)果一致. 添加BHT和BHA的聚丙烯樣品的氧化誘導(dǎo)時間明顯提高，且BHA效果好于BHT. 但是4-乙基苯酚低聚物的加入使聚丙烯復(fù)合物具有更長的氧化誘導(dǎo)時間，達到12.5 min(表1). 4-乙基苯酚低聚物較好的抗氧化性能與其分子鏈中的酚羥基結(jié)構(gòu)有關(guān)，酚羥基提供的氫原子與活潑自由基反應(yīng)生成穩(wěn)定自由基，可以阻止聚丙烯分子鏈的進一步氧化斷裂. 同時，4-乙基苯酚雖然為低聚物，但分子量仍高于BHT和BHA等小分子抗氧劑，相對較高的分子量使其具有良好的熱穩(wěn)定性，這也是4-乙基苯酚低聚物具有良好抗氧化性能的重要原因.

表1 PP試樣的氧化誘導(dǎo)溫度和氧化誘導(dǎo)時間

加速老化實驗是模擬并且強化外界氣候?qū)Φ途畚锏钠茐淖饔玫膶嶒?，相對于氧化誘導(dǎo)時間和氧化誘導(dǎo)溫度，加速老化更加符合低聚物在自然環(huán)境下的老化情況. 分別取適量聚丙烯、4-乙基苯酚低聚物/聚丙烯復(fù)合物粒料壓片后，剪取薄厚均勻、完好，大小在1 cm×1 cm左右的聚丙烯薄片，在120 ℃烘箱中加速老化，并分別在0、24、72 h時進行紅外光譜檢測，考察聚丙烯和4-乙基苯酚低聚物/聚丙烯復(fù)合物紅外光譜的變化. 由圖7(a)的紅外光譜圖可以看出，當老化時間增加至72 h后，聚丙烯在3 500～3 700 cm-1處和1 570～1 800 cm-1處出現(xiàn)明顯的吸收峰，這是由聚丙烯老化分解產(chǎn)生的羥基、羰基等基團造成的. 由于4-乙基苯酚低聚物的加入，在相同的老化時間內(nèi)，聚丙烯復(fù)合物的紅外光譜圖7(b)并沒有明顯的變化，所以，4-乙基苯酚低聚物具有明顯的提高聚丙烯抗熱氧性能的作用.

圖7 聚丙烯(a)、4-乙基苯酚低聚物/聚丙烯復(fù)合物(b)在不同老化時間時的紅外光譜Fig.7 IR spectra of virgin PP (a) and 4-ethylphenol oligomer/PP (b) with different aging time

3 結(jié)論

在乙醇/緩沖溶液混合體系中，利用辣根過氧化物酶為催化劑合成了4-乙基苯酚低聚物，該低聚物具有良好的抗自由基能力，同時，作為添加劑，可明顯提高聚丙烯的氧化誘導(dǎo)溫度和氧化誘導(dǎo)時間，老化試驗也表明4-乙基苯酚低聚物的加入使聚丙烯的抗熱氧性能得到了提升. 由于酶催化聚合反應(yīng)條件溫和、效率高，可在較短時間內(nèi)完成，因此，酚化合物的酶催化聚合在新型抗氧劑的合成方面具有潛在的應(yīng)用前景.

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[責(zé)任編輯：張普玉]

Enzymatic synthesis of 4-ethylphenol oligomer and investigation of its antioxidant performance

CHAI Chunxiao, JIANG Fan, ZHENG Ke, ZHANG Yudong, DING Tao, CUI Yuanchen, ZHANG Lei*

(CollegeofChemistryandChemicalEngineering,HenanUniversity,Kaifeng475004,Henan,China)

4-Ethylphenol oligomer was synthesized by enzymatic polymerization and was characterized by IR, GPC and TGA analysises. Data from free radical scavenging activity tests suggest that 4-ethylphenol oligomer can efficiently quench 1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl (DPPH) and 2, 2-azino-di-(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid) diammonium salt (ABTS) cation free radical due to its good H-atom donor capacity. Thermal-oxidative resistance of PP is improved remarkably after blending with 4-ethylphenol oligomer. In contrast with virgin PP, oxidation induction temperature of PP stabilized with 4-ethylphenol oligomer (0.5%) increases to 41 ℃ and oxidation induction time increases to 11.5 min. The antioxidant capacity of 4-ethylphenol oligomer are not only higher than 4-ethylphenol monomer, but also higher than two other widely used commercial antioxidants, 2,6-di-tert-butyl-4-methylphenol (BHT) and butylated hydroxyanisol (BHA). Chemical composition of PP stabilized with 4-ethylphenol oligomer was almost unchanged after thermal aging at 120 ℃ in air atmosphere for 72 h. As a result, enzymatic polymerization of phenolic compound shows potential application prospect for synthesizing new phenolic antioxidant.

4-ethylphenol; enzymatic catalysis; antioxidant; polypropylene

2017-01-17.

河南省自然科學(xué)基金項目(152300410059)．

柴春曉(1993-)，女，碩士生，研究方向為功能高分子制備及應(yīng)用．

，E-mail:zhangl@henu.edu.cn.

O63

A

1008-1011(2017)04-0487-06