《Catalysis Science & Technology》：Product distribution in the silicatein-catalysed synthesis of polydimethylsiloxane
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为应对传统聚二甲基硅氧烷合成存在盐酸副产物、能耗高等问题，研究人员利用重组硅酸蛋白-α催化二甲基二甲氧基硅烷聚合/解聚，系统探究了产物分布。结果表明酶促反应初期主要生成短链寡聚物，随后聚合为更长线性链，96小时后体系在聚合与降解间达平衡，且线性聚合物可被部分降解为少量环状寡聚物。该研究为酶促合成硅酮聚合物提供了新见解，有助于开发可持续的硅酮聚合物合成策略。
聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane, PDMS）是一种用途极为广泛的硅酮聚合物，在电子、建筑、生物医学以及消费品等领域扮演着重要角色，这得益于其优异的综合性能，如热稳定性、生物相容性和柔韧性。然而，其传统工业生产方法——通过二甲基二氯硅烷的水解和缩合——存在一个显著的缺点：会生成盐酸作为副产物。这不仅需要专门的工程措施来处理和处置，增加了运营成本，也对环境造成更大负担。面对这些问题，科学家们开始探索生物催化方法，以期在更温和的条件下实现硅氧烷的合成，从而降低能耗，提供更环保的替代方案。
尽管早期已有使用酶（如毛霉脂肪酶、海绵硅酸蛋白）催化合成PDMS的尝试，但通常只能得到短链聚合物（<10聚体），且转化率有限。近年来的研究发现，来自海绵（Suberites domuncula）的硅酸蛋白-α（Silα）在非水介质（如辛烷、甲苯）和较高温度（≥75°C）下，能够有效催化小分子硅醚的Si–O键缩合，并成功用于从二烷氧基硅烷前体制备更长链的PDMS聚合物（>20聚体），同时产生少量环状寡聚物（如三聚体D3、四聚体D4、五聚体D5）。然而，在这些反应条件下，从单体前体生成线性和环状聚合物的具体反应路径，以及它们之间是否能够相互转化，仍然不明确。为了澄清这些问题，并深入理解硅酸蛋白催化PDMS合成的机理，L. S. Wong和Y. Liu等研究人员开展了一项系统研究，其成果发表在《Catalysis Science & Technology》上。
为开展此项研究，研究人员主要运用了以下几项关键技术方法：使用重组表达的TF-Silα-Strep（一种带有N端触发因子融合和C端Strep-tag II的Silα）作为催化剂，并将其冻干在磷酸钾和冠醚基质中以提升催化效率；以甲苯为溶剂，在75°C下进行聚合、解聚和开环聚合等反应；利用气相色谱-质谱联用（GC-MS）定量分析底物消耗和环状寡聚物的生成；通过基质辅助激光解吸/电离质谱（MALDI-MS）分析线性聚合物的分子量分布；使用商业软件（Chem3D）进行分子动力学计算，以获得分子的溶剂排除体积，以评估底物与酶活性位点的空间匹配可能性。
产品分布随时间的变化
为了探究产物分布的演变过程，研究人员在120小时内进行了延时实验。他们使用二甲基二甲氧基硅烷（Dimethoxydimethylsilane, DMDMS）作为前体，在甲苯溶剂中、75°C条件下进行反应。GC分析显示，在酶存在下，DMDMS在前24小时内被快速消耗，转化率达到31%，此后转化速率放缓，在120小时时最终转化率约为50%。相比之下，不加酶的纯热反应最终转化率仅为19%。在酶促反应中，只有不到3%的前体转化为了环状寡聚物，而无酶反应中仅有痕量（<1%），这表明大部分底物转化为了线性聚合物。
MALDI-MS分析则揭示了聚合物分子量随时间的动态变化。反应初期（12小时内）未检测到高分子量聚合物，但此时已有约24%的底物被消耗，表明早期产物主要是MALDI-MS无法检测的短链聚合物。24小时后，检测到数均分子量（Mn）约为550 Da的聚合物，并在24至48小时间持续增长。48小时后，观察到两个不同的聚合物分布群（标记为‘i’和‘ii’），其中低分子量群（i）被认为是热驱动非酶反应的产物，而高分子量群（ii）是酶催化聚合的结果。然而，在48小时之后，高分子量聚合物群（ii）的分子量开始下降，并在96小时后趋于稳定，这表明这些线性聚合物也发生了解聚，最终在聚合物生长和降解之间达到了平衡。
产物形成的可能路径
针对质谱中观察到的聚合物离子系列的分析表明，酶促生成的大聚合物是羟基封端的，这提示甲氧基的水解可能是聚合的主要驱动力。理论上，线性和环状寡聚物的形成可能通过多种路径发生，包括单体水解形成短链寡聚物，随后环化或进一步延伸为长链线性聚合物；长链聚合物也可能由环状寡聚物的开环聚合（ROP）形成；或者线性聚合物通过“回咬”反应解聚为小环状物。研究人员通过一系列实验来验证这些路径的可行性与贡献。
硅酸蛋白催化的开环聚合
首先，他们考察了硅酸蛋白催化环状寡聚物开环聚合的能力。他们使用更具反应活性的D3作为底物，在与之前相同的条件下反应48小时。结果表明，无论是否有酶存在，D3均未被消耗，也未检测到任何聚合物形成。这说明在此反应条件下，D3的开环聚合并未发生，D3不能被该酶接受为底物。这可能是由于D3的分子尺寸（计算溶剂排除体积为213 ?3）远大于DMDMS（119 ?3），无法进入酶的活性位点所致。这一结果也意味着，体系中存在的环状寡聚物不太可能由酶催化的“回咬”反应产生。
聚硅氧烷的解聚
为了明确酶是否能催化线性聚合物的解聚，研究人员将羟基封端的PDMS（HO-PDMS, Mn~550）在相同条件下处理。GC-MS分析发现，TF-Silα-Strep确实催化了从HO-PDMS形成环状寡聚物的过程，其中D3的相对生成比例最高，其次是D4和D5。相比之下，不加酶的对照反应仅产生痕量的环状寡聚物。
既然酶催化的“回咬”反应已被排除，这个结果意味着TF-Silα-Strep催化了线性PDMS断裂为短链寡聚物或单体，随后再形成环状物。无酶对照中检测到的微量环状物表明，线性聚合物在相对较低的温度下也能通过热活化的“回咬”过程缓慢降解。D3尽管环张力大，但其优先形成可能是动力学控制的结果，这在非水条件下已有报道，即较小的环比较其热力学更稳定的较大环形成得更快。
综合这些发现，可以得出结论：在所研究的反应条件下，线性聚合物是主导产物，而环状物是次要副产物。酶主要促进从单体前体开始的链线性延伸，因为它既不催化开环聚合，也（因此）不太可能催化“回咬”反应。TF-Silα-Strep的存在加速了缩合反应，从而生成了更大的线性聚合物（这是一种动力学产物）。相比之下，非酶背景反应（热驱动的“回咬”和小寡聚物的环化）以及酶催化的解聚过程进行得更慢。这解释了酶促反应中观察到的重均分子量、Z均分子量增加以及多分散性变宽的现象。一旦增长的聚合物链达到特定尺寸，进一步的延伸会受到同时发生的解聚反应限制，最终导致反应末期（约96小时后）达到的平衡混合物。
这项研究深入揭示了重组硅酸蛋白-α催化二甲基二甲氧基硅烷转化为聚二甲基硅氧烷的动态过程。研究证实，在无水溶剂和较高温度下，该酶能有效催化从DMDMS形成长链线性聚硅氧烷。反应初期底物被快速消耗，主要生成短链聚合物，随后在酶催化下进一步生长为高分子量线性聚合物，而无酶反应仅生成低分子量寡聚物。虽然聚合物形成也可在无酶条件下热驱动发生，但其链短且转化率低，说明在所研究条件下酶催化聚合是主要途径。
线性聚合物在延长反应时间（>48小时）后会发生一定的酶促降解，但体系最终达到稳态，聚合物尺寸趋于稳定，此时聚合与解聚速率相当。在反应过程中，酶会促进生成少量环状寡聚物，但其形成可能并非源于酶催化的“回咬”反应，因为其逆过程（即环状寡聚物的开环聚合）不被该酶催化。
这项工作不仅为理解硅酸蛋白催化的硅酮聚合物合成机理提供了详细见解，也展示了生物催化在可持续高分子合成领域的潜力。其反应模式与酯酶催化聚酯缩合有相似之处，这意味着调控聚酯合成中聚合物尺寸和减少环状副产物的常用策略（如改变反应条件、酶浓度和底物可用性）也可用于优化硅酸蛋白介导的聚合。由于甲醇是这些聚合反应的副产物，结合连续移除甲醇的方法可能也有益。更重要的是，研究结果还暗示了利用生物催化降解和回收长链聚合物的可能性，为聚硅氧烷的绿色合成与循环利用开辟了新的探索方向。
