本研究由Yusuke Ueno、Kousuke Tsuchiya、Hiroyasu Masunaga和Keiji Numata等人完成，主要作者隶属于京都大学工学研究科材料化学系、东京大学工学系研究科化学生物技术系以及日本同步辐射研究所。该研究成果于2024年11月22日发表于*Macromolecules*期刊第57卷第24期，页码为11658至11669，题为“synthesis of semiaromatic aa/bb-type polyamides via chemoenzymatic polycondensation”。
这项研究属于高分子化学与生物催化交叉领域，聚焦于利用化学酶促聚合法（chemoenzymatic polymerization）合成主链含有芳香环的半芳香族聚酰胺。传统多肽材料虽然具有生物可降解性和多样的自组装行为，但由于分子间大量氢键的存在，通常缺乏热塑性和熔融加工性能，限制了其作为块体材料的应用。另一方面，芳香族聚酰胺如尼龙和芳纶具有优异的热稳定性和力学性能，但其合成通常依赖高温有机溶剂和化学缩合剂，不符合绿色化学原则。该研究旨在通过引入芳香族二胺和芳香族二酯单体，利用木瓜蛋白酶（papain）在水相缓冲液中进行AA/BB型缩聚反应，制备兼具多肽骨架和芳香环结构的半芳香族聚酰胺，从而赋予多肽材料热塑性和高热稳定性，同时保持酶促合成的环境友好特性。
研究的工作流程主要包括单体设计合成、酶促聚合条件优化、不同芳香族二胺单体的聚合拓展、聚合产物结构表征、热性能和结晶性分析、以及后缩聚增链反应等步骤。首先，研究者将芳香族二胺1,3-苯二胺（pda）、2,4-二氨基苯甲醚（dan）和2,4-二氨基苯酚（dap）以及芳香族二酸5-氨基间苯二甲酸（aip）的胺端或羧端用甘氨酸修饰，合成了甘氨酸封端的二胺单体glypdagly、glydangly、glydapgly和二酯单体glyaipgly。这种修饰策略利用了木瓜蛋白酶对甘氨酸残基的良好底物识别能力，从而克服芳香族单元对酶催化口袋亲和力不足的问题。聚合反应在三羟甲基氨基甲烷（Tris）缓冲液中进行，反应温度为40°C，木瓜蛋白酶作为催化剂。研究者系统考察了单体总浓度（0.1至0.4 M）、木瓜蛋白酶浓度（0至150 mg mL⁻¹）、缓冲液pH（8.0至10.0）和反应时间对聚合产物收率和分子量的影响。结果表明，最佳条件为单体总浓度0.3 M、木瓜蛋白酶浓度50 mg mL⁻¹、pH 9.0、反应时间6小时，在此条件下获得了收率49.8%、数均分子量约1560 g mol⁻¹的聚酰胺ap(gg)。聚合过程通过核磁共振氢谱（¹H NMR）和基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱（MALDI-TOF MS）进行监测。MALDI-TOF MS谱图显示产物具有间隔为481 Da的系列峰，与ap(gg)一个重复单元（二胺+二酯）的分子量一致，证实了芳香族单元被周期性引入聚合物主链。
在获得最佳聚合条件后，研究者将聚合体系扩展至另外两种芳香族二胺单体glydangly和glydapgly，分别合成了ap(gg)ome和ap(gg)oh。这两种聚酰胺的数均分子量分别为1520和1130 g mol⁻¹，收率分别为26.7%和44.1%。MALDI-TOF MS分析表明，ap(gg)主要形成胺−酯末端组合，ap(gg)ome以胺−胺末端为主，而ap(gg)oh则同时存在胺−酯和酯−酯末端。这种末端结构差异归因于不同二胺单体在水相中的溶解度差异，进而影响了聚合过程中单体在溶液中的有效浓度。此外，在所有聚合产物中都检测到由转酰胺化反应导致的甘氨酸单元的额外插入或缺失，占比约17–25%，这是木瓜蛋白酶催化聚合中已知的副反应。
聚合物的化学结构通过¹H NMR和傅里叶变换红外光谱（FT-IR）进行了确证。¹H NMR谱中6.5–7.5 ppm范围内出现了来自pda、dan、dap和aip的芳香质子信号，且aip单元的芳香胺质子信号在5.5 ppm处保持不变，表明酶促缩合选择性地发生在甘氨酸残基的胺基和酯基之间，而芳香胺基团在聚合过程中未被消耗。FT-IR谱图显示，与聚甘氨酸（polygly）相比，含芳香族单元的聚酰胺在1600 cm⁻¹处出现了归属于C=C伸缩振动的新峰，在1226 cm⁻¹处出现了芳香胺C−N伸缩振动峰，进一步证实芳香环被成功引入聚合物主链。值得注意的是，这些聚酰胺的酰胺I带峰位与polygly相同，说明其二级结构中保留了类似聚甘氨酸II型的螺旋构象。
热分析结果表明，含芳香族单元的聚酰胺具有显著优于polygly的热稳定性和热塑性。热重分析（TGA）显示ap(gg)、ap(gg)ome和ap(gg)oh的5%热分解温度分别为285°C、298°C和278°C，且在500°C时的残炭率高于polygly，这归因于芳香环的刚性和碳化倾向。差示扫描量热（DSC）分析中，polygly在降解温度以下未显示任何熔融或玻璃化转变温度（Tg），而三种含芳香族聚酰胺在第二次升温扫描中均表现出166–200°C范围内的Tg，其中ap(gg)oh因芳香环上羟基形成的额外氢键而具有最高的Tg（约200°C）。这些结果表明，芳香环的引入破坏了聚甘氨酸链段的结晶性，使聚合物从结晶态转变为无定形态，从而赋予其热塑性。广角X射线衍射（WAXD）分析进一步支持了这一结论：polygly在15 nm⁻¹处显示出代表聚甘氨酸II型六方堆积的尖锐衍射峰，而三种含芳香族聚酰胺仅呈现宽弥散峰，表明其为无定形结构。这种从结晶到无定形的转变被认为是由于AA/BB型缩聚导致甘氨酸单元在芳香环之间以不同的N-to-C方向交替排列，破坏了链段的规整性。
为了克服酶促聚合产物分子量较低的局限，研究者采用多磷酸（polyphosphoric acid, PPA）作为缩合剂，在120°C和氮气保护下对预聚物ap(gg)、ap(gg)ome和ap(gg)oh进行后缩聚增链反应。凝胶渗透色谱（GPC）分析显示，后缩聚产物在高分子量区域出现了宽峰，其中pp-ap(gg)oh的数均分子量达到7.16 × 10⁴ g mol⁻¹，分子量分布为4.69。然而，pp-ap(gg)和pp-ap(gg)oh的GPC曲线中仍可观察到未反应的预聚物峰，说明后缩聚反应因聚合物溶解度差而未能完全进行。¹H NMR分析表明，后缩聚产物中aip侧链氨基的质子信号从5.5 ppm转移至酰胺质子区域，证明后缩聚过程中发生了端酯基与侧链氨基之间的酰胺化反应，从而形成了超支化或交联网络结构。FT-IR分析显示后缩聚产物的酰胺I带向高波数轻微移动，酰胺II带向低波数移动并展宽，这与支化/网络结构的形成一致。TGA结果表明，后缩聚产物的5%和10%热分解温度均高于预聚物，热稳定性进一步提高。同时，DSC曲线中预聚物原有的Tg消失，这歸因于交联/支化结构限制了链段运动。
该研究的结论表明，通过甘氨酸修饰芳香族二胺和二酯单体，木瓜蛋白酶可以在温和的水相条件下催化AA/BB型缩聚反应，成功合成主链含芳香环的半芳香族聚酰胺。这些聚酰胺表现出无定形结构和玻璃化转变行为，实现了传统多肽材料所不具备的热塑性。同时，芳香环的引入提高了聚合物的热稳定性。通过PPA后缩聚可进一步形成超支化或网络结构，显著提升分子量和热稳定性。该研究为开发兼具生物可降解性和热加工性的高性能多肽基材料提供了新策略，并在绿色合成路线方面展现出应用潜力，因为酶促聚合避免了有机溶剂和高温条件的使用。研究的亮点在于：首次将化学酶促聚合法应用于AA/BB型芳香族聚酰胺的合成；通过甘氨酸修饰策略解决了芳香族单体对蛋白酶底物识别性差的问题；所获得的聚酰胺实现了从多肽结晶态向无定形态的转变，从而获得热塑性；后缩聚方法有效提升了分子量并形成网络结构，拓展了材料的应用前景。此外，研究者指出未来可通过替换甘氨酸为其他氨基酸如丙氨酸或丝氨酸来进一步调控聚合物性能，并探索无需有机溶剂的单体合成与后聚合工艺，以推动更环保的高性能聚合物制备技术的发展。