聚(4-羟基丁酸酯)（P4HB）是PHA家族中的一类重要代表性产品，因其出色的力学性能和化学稳定性，在纺织品、包装材料及医疗器械等领域得到了广泛应用。传统上，P4HB的生产依赖于经过基因工程改造的细菌，这些细菌通过代谢特定的碳源（例如1,4-丁二醇及其衍生物）来合成聚合物，并使用有机溶剂提取最终产物。然而，这种方法不仅成本较高，还对环境产生较大影响。相比之下，利用普通化学品（如1,4-丁二醇）和空气作为原料，在细胞外直接合成P4HB展现出了更大的潜力。尽管如此，在常规空气氧化条件下实现这一过程仍然面临诸多挑战。
为解决这一问题，本研究借鉴了细胞内酶和辅酶协同作用的机制，设计了一种类似的钌-磷催化体系。该体系能够在常压空气条件下高效催化1,4-丁二醇的氧化反应，生成关键中间体γ-丁内酯，并进一步通过聚合反应合成均聚P4HB。经过多次优化，目标中间体的时空产率从最初的约0.1 g [γ-BL] g-1 [催化剂] h-1显著提升至10.37 g [γ-BL] g-1 [催化剂] h-1。此外，原料成本也大幅降低，仅为生物法的一半以下。值得注意的是，该方法采用无溶剂氧化工艺，避免了传统生物合成过程中因微生物培养而产生的废水排放问题。因此，这种策略不仅经济高效，而且更加环保，能够利用常见化学品和空气实现P4HB的大规模合成与应用，具有重要的推广价值。
图1：P4HB的合成途径
为了实现伯醇的高效空气氧化，作者深入研究并简化了有氧代谢过程。在较大生物体中，空气通过呼吸系统进入体内，并被输送到细胞中参与有氧代谢；而在微生物中，这一过程则有所不同。简而言之，底物的高效空气氧化关键在于氢和氧的有效传递。基于这一原理，作者在仿生设计方面进行了创新，分别从反应装置和催化体系两个角度进行了优化。为了更充分地利用空气和反应空间，作者开发了一种无需传统溶剂的新型有氧代谢反应装置。此外，为了模拟酶与辅酶之间的协同催化作用，作者经过大量实验，最终找到了一种高效的钌-磷协同催化体系（图2）。这种设计旨在提高催化效率，实现类似于自然界中的高效催化效果。
图2：设计机理
通过密度泛函理论（DFT）计算得到的反应路径中自由能的变化，进一步表明钌-磷催化体系在催化过程中呈现出类似于酶与辅酶之间的协同作用（图3）。研究结果揭示了该体系中存在一种类似于酶/辅酶系统的氧化还原对。这种氧化还原对在空气介导的二元醇氧化反应中发挥了关键作用，有效克服了传统空气氧化效率低下的问题，显著提高了整体反应效率。
图3：DFT计算结果
在对产物进行处理时，作者观察到了原位生成的P4HB，说明了直接从BDO转化为P4HB的可能性。同时，作者采用提取中间体γ-丁内酯的方法，随后通过聚合反应，最终也成功制备了高纯度和高分子量的P4HB聚合物（见图4）。
图4：本工作合成P4HB的过程和表征结果
论文信息：化学与精细化工广东省实验室(简称汕头实验室)为本论文第一通讯单位，汕头实验室蔡秋泉副研究员、浙江理工大学张洪杰特聘研究员、汕头实验室刘源副研究员为本文共同通讯作者。文章的第一作者是汕头实验室的联合培养硕士研究生谢慧林(汕头大学)和钟恺彬(广东工业大学)。浙江理工大学硕士研究生牛世豪是本文的共同作者。该工作受到了国家自然科学基金(52403130 和 22405242)、广东省基础与应用基础研究基金(2023A1515110526)、广东省科技创新战略专项(“大专项+任务清单”)(STKJ202209079)、化学与精细化工广东省实验室启动项目(2111017)和浙江理工大学启动项目(23212157-Y)、浙江大学高分子合成与功能构造教育部重点实验室项目(2023MSF01)的资助。
课题组介绍：蔡秋泉，化学与精细化工广东省实验室副研究员。2021年6月于浙江大学高分子科学与工程学系获理学博士学位。2021年7月入职化学与精细化工广东省实验室至今。作为创始人孵化成立聚链科技(汕头)有限公司，兼任执行董事。目前专注于可降解高分子材料的创新合成方法与功能化的研究。作为负责人主持国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金、广东省科技创新战略专项（“大专项+任务清单”）、汕头市引进项目带头人落地孵化精细化工企业专项资金项目，获化学与精细化工广东省实验室青年人才引进启动项目支持。在Mater. Today、Angew. Chem. Int. Ed.、Macromolecules等国内外学术刊物上发表SCI论文10余篇，申请中国发明专利14件，授权专利8件，申请国际PCT专利2件，申请美国专利1件。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/anie.202417660
来源：高分子科学前沿
声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！
