反應功能高分子

反應型功能高分子材料2024/7/41第一節(jié)概述反應型功能高分子材料：包括高分子試劑和高分子催化劑，主要用于化學合成和化學反應，有時也利用其反應活性制備化學敏感器和生物敏感器。從廣義上說，離子交換樹脂、吸附樹脂、螯合樹脂等也屬于反應型功能高分子特點：高的反應性和選擇性，甚至專一性；高的收率和反應活性；簡化反應過程，提高材料的使用效率。2024/7/42一．與高分子試劑和高分子催化劑相關的一些概念1．高分子化學反應試劑小分子試劑經(jīng)過高分子化，在某些聚合物骨架中引入反應活性基團，得到的具有化學試劑功能的高分子化合物。利用高分子化學反應試劑在反應體系中的不溶性、立體選擇性和良好的穩(wěn)定性，可以在多種化學反應中獲得特殊應用，也可以作為化學反應載體，用于固相合成。2．高分子化學反應催化劑通過聚合、接枝等方法將小分子催化劑高分子化，使具有催化活性的化學結構與高分子骨架相結合，得到的具有催化活性的高分子材料。它可用于多相催化反應，同時具有許多同類小分子催化劑不具備的性質(zhì)。如固定化酶。2024/7/43多肽的結構多肽的分子結構2024/7/443．均相反應在化學反應中如果原料、試劑、催化劑相互間互溶，在體系中處在同一相態(tài)中（混溶或溶解），稱為均相化學反應；其中催化劑與反應體系成一相的催化反應稱為均相催化反應。均相反應中，物料充分接觸，反應速度快，但反應后產(chǎn)品純化和催化劑回收較困難。4．多相化學反應在化學反應中如果原料、試劑、催化劑中至少有一相在反應體系中不溶解或不混溶，因而反應體系不能處在同一相態(tài)中，這種類型的反應稱為多相化學反應；其中催化劑獨立成相的稱為多相催化反應。反應后產(chǎn)物分離，純化、催化劑回收等較簡單，快速，但反應只能在界面上進行，反應速度較慢。2024/7/45二．反應型功能高分子材料的應用特點及研究目標出發(fā)點：改進化學反應工藝過程提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益發(fā)展高選擇性合成方法消除或減少對環(huán)境的污染探索新的合成路線如洛克菲勒大學merrifield教授（1984年諾貝爾獎）在1963年提出的氨基酸的固相合成簡化了肽的合成過程，并使多肽可以按預先的設計自動地進行合成反應，在些基礎上誕生了聚合物底物、聚合物試劑、聚合物催化劑等。20世紀末，Houghten、Furka、Lam等利用同一反應器使用相同的反應條件同時制備出不同的多肽，提高了反應效率，提出了“茶葉袋”式的反應器，F(xiàn)urka首先提出了“混合裂分”方法，這類工作為組合化學奠定了基礎。2024/7/46特點：1．負載在聚合物上的試劑或催化劑易通過簡單過濾方法與反應體系分離，達到分離純化的目的，簡化反應的操作過程。2．有利于貴重試劑和催化劑的回收和再生3．可以把聚合物負載的試劑或催化劑裝填在柱子內(nèi)，使反應過程有可能實現(xiàn)連續(xù)自動化。4．由于聚合物一般不溶、不揮發(fā)、無毒、無氣味，因此可以把有毒、有氣味的硫化物或硒化物制備成聚合物試劑，使用更為方便，也有利于環(huán)境保護。5．利用其模板效應可以提高化學反應的選擇性，提供在均相反應條件下難以達到的反應環(huán)境，如無限稀釋和高度濃縮6．聚合物試劑的制備成本較高；7．聚合物試劑的活性比普通試劑要低；8.負載在聚合物上的試劑的分析表征比較困難；9.有機聚合物載體的熱穩(wěn)定性較差，反應溫度不能過高2024/7/47三．高分子效應1．稀釋和濃縮效應（固定化作用）2．鄰位效應3．協(xié)同效應4．聚合的模板效應5．包絡效應6．場效應7．不飽和配位效應2024/7/48四．反應型功能高分子材料的種類高分子試劑高分子氧化還原試劑高分子磷試劑高分子鹵代試劑高分子烷基化試劑高分子酰基化試劑用于多肽和多糖等合成的固相合成試劑2024/7/49高分子催化劑：高分子酸堿催化劑聚合物氫化和脫羰基催化劑聚合物相轉(zhuǎn)移催化劑聚合物過渡金屬絡合物催化劑固定化酶2024/7/410第二節(jié)高分子化學反應試劑一．高分子化學反應概述高分子試劑參與的化學反應路線高分子反應試劑的重要特征：1．可以簡化分離過程（一般經(jīng)過簡單過濾即可）2．高分子試劑可以回收，經(jīng)再生重新使用2024/7/411二．高分子氧化還原試劑氧化還原反應：在化學反應物之間有電子轉(zhuǎn)移過程，反應前后反應物中某些原子價態(tài)發(fā)生變化氧化反應：主反應物失去電子還原反應：主反應物得到電子氧化反應試劑：能促使并參與氧化反應發(fā)生的試劑，在反應中自身被還原還原反應試劑：能促使并參與還原反應發(fā)生的試劑，在反應中自身被氧化三種類型：氧化試劑還原試劑氧化還原試劑2024/7/412一）氧化還原型高分子試劑常見的品種：（根據(jù)分子結構活性中心的結構特征）含醌式結構的高分子試劑含硫醇結構高分子試劑含吡啶結構高分子試劑含二茂鐵結構高分子試劑含多核雜環(huán)芳烴結構高分子試劑這些試劑在結構上都有多個可逆氧化還原中心與高分子相連，是比較溫和的氧化還原試劑，常用于有機化學反應中的選擇性氧化反應或還原反應。2024/7/4132024/7/4141．氧化還原型高分子反應試劑的制備兩種方法：含氧化還原活性中心的小分子的聚合：氧化還原活性中心的分布均勻，活性中心的密度大，但是形成的高分子試劑的機械強度受聚合單體的影響較大，難以保證；將含氧化還原活性中心的小分子引入到高分子結構上：其氧化還原活性中心一般主要分布在聚合物表面及淺層，活性點擔載量較小，試劑的使用壽命受到一定的限制，但其機械強度受活性中心的影響不大。2024/7/4151）醌型氧化還原高分子試劑的合成路線2024/7/416注意：（1）為保證試劑的良好穩(wěn)定性，苯環(huán)上的氫原子應由其它原子或基團取代，當苯環(huán)上有未被取代的氫原子，試劑處于醌型氧化態(tài)時，易受自由基的攻擊，引起交聯(lián)反應，從而降低高分子試劑氧化還原的可逆性；（2）生成的聚合物中，氧化還原中心之間若能被有效地分隔，減少相互間的作用可以降低其氧化還原半波電位的范圍，從而提高試劑的反應選擇性，可通過共聚實現(xiàn)；（3）為改變試劑的選擇性（氧化還原電位）可以通過改變苯環(huán)上的取代基來達到目的，因為取代基的電負性或空間構形可以改變醌型試劑得失電子的難易，從而改變其氧化還原電位；（4）制備具有低交聯(lián)度的大網(wǎng)絡型、高孔隙度的高分子反應試劑增大試劑的比表面積和通透性，有利于氧化還原反應的進行?？梢酝ㄟ^控制交聯(lián)劑的加入量來實現(xiàn)。（5）生成的高分子試劑在反應體系中應具有良好的可潤濕性和可溶脹性，使其有利于反應的進行?？梢牖撬峄蚣句@鹽基團。2024/7/4172）硫醇型氧化還原高分子試劑的合成路線這類試劑的最大優(yōu)點是避免了與氣味很大的硫化氫或其化巰基化試劑直接接觸。兩條路線：方法1：以聚氯甲基苯乙烯為原料，與硫氫酸鈉發(fā)生親核取代反應，直接生成含有硫醇基團的聚苯乙烯聚合物。2024/7/418方法2：首先合成含巰基的可聚合單體（對巰基苯乙烯），用乙?；Ｗo巰基，再以此為原料，以AIBN為引發(fā)劑，引發(fā)聚合反應，然后水解脫保護得到硫酚類高分子試劑。其它方法：A、以聚苯乙烯的重氮鹽為原料，與C2H5OCSSNa反應，經(jīng)水解制取硫酚類高分子試劑；B、以聚苯乙烯為原料，經(jīng)磺化后，再經(jīng)還原反應制備硫酚類高分子試劑。

2024/7/4193）吡啶類氧化還原型高分子試劑——聚合型煙酰胺的制備功能型小分子的聚合（常見）通用高分子的功能化例：以對氯甲基苯乙烯為原料，使芐基氯與煙酰胺上的芳香氮原子直接反應，生成帶有吡啶反應活性基團的單體，這種活性單體可能通過多種聚合反應生成高分子試劑。2024/7/420聯(lián)吡啶結構的高分子試劑的合成：通過引入吡咯基團后，再進行電氧化聚合反應制備，得到的高分子試劑直接附著在電極表面。與上述方法相比，反應條件溫和，反應步驟少。2024/7/4214）聚合型二茂鐵試劑的合成路線2024/7/4225）聚合型多核芳雜環(huán)化學反應試劑——聚吩噻嗪的合成：以對氯甲基苯乙烯聚合物為原料，與先期制備的二胺基吩噻嗪反應制得。2024/7/4232．高分子氧化還原型化學反應試劑的應用1）高分子醌試劑在化學合成中的應用2024/7/424其它應用：細菌培養(yǎng)時的氧氣吸收劑化學品儲存和化學反應中的阻聚劑彩色照相中使用的還原劑氧化還原試紙2）硫醇類高分子試劑2024/7/4253）聚合型煙酰胺煙酰胺的氧化還原反應：它是乙醇脫氫酶輔酶的活性結構中心，在生命過程中的氧化還原反應中起著重要作用。該反應在生命過程中的氧化還原反應中有重要的作用，其聚合物可制備聚合物修飾電極以應用到生物化學研究領域。2024/7/426聯(lián)吡啶結構的高分子試劑具有光致氧化還原變色性能和感濕性，利用不同的電壓控制其氧化還原狀態(tài)，可以使其成為光電顯色材料。如將聯(lián)吡啶鹽活性中心與吡咯通過適當長的碳鏈相連，經(jīng)電化學聚合，可在工作電極表面生成含有聯(lián)吡啶鹽結構的薄膜，該膜具有光電顯色性，且在特定的電極電位范圍內(nèi)表現(xiàn)出導體的性質(zhì)。上述兩種物質(zhì)(煙酰胺和聯(lián)吡啶)還可以作為電子轉(zhuǎn)移催化劑(electrontransfercatalyst)，或稱為聚合物電子載體（polymericelectroncarrier），研究某些反應動力學反應機理。2024/7/4275）二茂鐵高分子試劑可以與四價砷、對苯醌和稀硝酸等發(fā)生反應，可逆地被氧化成三價的二茂鐵離子，這種鐵離子可以再被三價鈦或抗壞血酸所還原，伴隨著氧化還原反應的進行，高分子試劑的顏色也隨之發(fā)生變化。2024/7/428（二）高分子氧化試劑低分子氧化劑：化學性質(zhì)不穩(wěn)定，易燃、易爆、易分解失效，氣味大。高分子氧化試劑：穩(wěn)定性好、選擇性高、可再生高分子過氧酸的合成穩(wěn)定性好，在20℃下可以保存70天，-20℃時可以保持7個月無顯著變化。2024/7/429作用：使烯烴氧化成環(huán)氧化合物（采用芳香型過氧酸）或鄰二羥基化合物（采用脂肪族過氧酸），這一反應過程在有機合成、精細化工和石油化工生產(chǎn)中是重要的合成方法。2024/7/430聚對氯苯乙烯型高分子硒試劑的合成：以對氯苯乙烯為原料，依次與革氏試劑和硒反應，經(jīng)酸性水解合成含硒的苯乙烯單體，再經(jīng)聚合反應得到還原型有機硒試劑。此試劑再經(jīng)氧化過程即可得到選擇性很好的高分子硒氧化試劑。2024/7/431作用：高分子有機硒可消除低分子有機硒化合物的毒性和氣味，而且具有良好的選擇氧化性?？蛇x擇性地將烯烴氧化成鄰二羥基化合物，或?qū)h(huán)外甲基氧化成醛。特別是后者，要使氧化反應既不停止在醇的階段，又不繼續(xù)氧化成酸，而是以氧化性和還原性都很強的醛為主產(chǎn)物，是有機合成中致力解決的難題之一。2024/7/432（三）高分子還原反應試劑1．高分子還原試劑的合成1）高分子錫還原試劑的合成2024/7/4332）聚苯乙烯磺酰肼的合成聚苯乙烯為原料，經(jīng)磺?；磻玫骄蹖酋Ｂ缺揭蚁┲虚g產(chǎn)物，再與肼反應，得到有良好還原反應特性的磺酰肼高分子試劑。2．高分子還原試劑的特點和應用高分子錫試劑的應用：將苯甲醛、苯甲酮和叔丁基甲酮等鄰位具有能穩(wěn)定正碳離子基團的含羰基化合物還原成相應的醇類化合物，并具有良好的反應收率，特別是對于二元醛具有良好的單官能還原選擇性。2024/7/434對苯二甲醛經(jīng)與此高分子還有試劑反應后，產(chǎn)物中單醛基的還原產(chǎn)物占到86%。該試劑還能還原脂肪族或芳香族的鹵代烴類化合物，使鹵素基團定量地轉(zhuǎn)變成氫原子。與同類的小分子錫試劑相比，該類試劑穩(wěn)定性好，無味，無毒2024/7/435高分子磺酰肼反應試劑主要用于對碳碳雙鍵的加氫反應，在加氫過程中對同為不飽和雙鍵的羰基沒有影響，是一種選擇性還原劑。2024/7/436其它的高分子氧化還原試劑及用途2024/7/437高分子氧化還原試劑的其它鍵合：離子鍵和配位鍵。如聚乙烯吡啶可以與BH3絡合形成高分子還原劑，用于將活性苯甲醛和二苯酮等還原成相應的醇。強堿型離子交換樹脂與硼氫化鈉作用，利用離子交換過程，可以制備具有硼氫化季銨鹽結構的高分子還原試劑。弱堿性陰離子交換樹脂與H3PO2-、SO22-、S2O32-

、S2O42-等還原性陰離子作用，可以生成具有不同還原能力的高分子試劑。采用強酸型陽離子交換樹脂與各種氧化還原型陽離子反應，可以生成具有不同氧化還原能力的高分子試劑。相對來說，這種高分子化方法制備得到的高分子試劑雖然在穩(wěn)定性方面稍差一些，但是制備方法相對簡單，回收和再生容易，因此也具有良好發(fā)展前途。2024/7/438以無機和有機吸附劑作為載體，利用吸附作用也可以實現(xiàn)小分子氧化還原試劑的高分子化。例如，三氧化二鋁可以吸附硼氫化鈉作為還原劑，用于將各種醛酮還原成醇。三氧化二鋁吸附異丙醇之后，可以使醛和酮進行Meerwein-Pondorf-Verley還原反應，得到相應的醇。這種類型的高分子試劑在使用時應特別注意反應條件對試劑穩(wěn)定性的影響。

三．高分子鹵代試劑鹵化試劑要求能將鹵素原子按照一定方式選擇性地傳遞給反應物的特定部位。常用的鹵化試劑揮發(fā)性和腐蝕性強，容易惡化工作環(huán)境并腐蝕設備。高分子化后可以減輕這些不利的影響，簡化反應過程和分離步驟，同時高分子的空間和立體效應使其有更好的反應選擇性。常見品種：二鹵化磷型、N-鹵代酰亞胺型、三價碘型2024/7/4391．高分子鹵代試劑的合成路線1）含有三苯基二氯化磷結構的高分子鹵代試劑：含三苯基化磷結構的化合物經(jīng)常作為化學試劑或催化劑的母體，其中含有三苯基二氯化磷結構的高分子可以作為鹵代試劑。路線1：以對溴苯乙烯為起始物，經(jīng)聚合反應生成帶有溴苯結構的聚苯乙烯聚合物；在強堿正丁基鋰的輔助作用下，在溴原子取代位置與二苯基氯化磷發(fā)生取代反應，生成高分子鹵化試劑的前體-三苯基磷聚合物。這種結構的產(chǎn)物與某些金屬反應生成的絡合物是一種優(yōu)良的高分子催化劑。三苯基磷聚合物再與過氧酸反應，生成的含有羰基的五價磷化合物與光氣反應，即可得到高分子氯代試劑-三苯基二氯化磷聚合物。路線2：是聚苯乙烯為原料，在乙酸鈦催化下與溴水反應制備聚對溴苯乙烯，再以上面同樣的方法合成高分子氯代試劑。2024/7/4402）N-鹵代酰亞胺這是一種優(yōu)良的鹵代試劑，特別是在溴代和碘代反應中應用較多，其中溴代試劑稱為NBS。帶有雙鍵的五元環(huán)酰亞胺本身有聚合能力，為了有利于聚合反應的進行和提高高分子試劑的整體性能，通常采用酰亞胺與苯乙烯共聚來實現(xiàn)該試劑的高分子化，得到的共聚物再與溴水在堿性條件下反應，使溴原子取代酰亞胺氮原子上的氫原子，使其成為具有溴代反應能力的高分子試劑。另外一種合成路線是由也具有聚合能力的丁烯內(nèi)二酸酐構成的五元環(huán)與苯乙烯共聚，生成的聚合物與羥胺反應，將五元環(huán)中的氧原子由氮原子替換，得到高分子鹵代試劑的中間體—聚酰亞胺，N基鹵代后成為高分子鹵代試劑。2024/7/4413）三價碘高分子鹵代試劑氯和氟等體積較小的鹵族元素的鹵代反應用上述試劑常得不到理想結果，需要另一種鹵代試劑-三價碘高分子鹵代試劑。這種試劑的合成也可以直接從聚苯乙烯開始，在碘酸、硫酸、硝基苯的共同作用下，在聚苯乙烯中的苯環(huán)上發(fā)生碘代反應；此后苯環(huán)上生成的碘原子與氯或氟化合物進行氧化取代反應得到碘原子上帶有氯或氟的三價碘高分子試劑。2024/7/4422、高分子鹵代試劑的特點和應用更多的應用是作為化學反應中間體和化學反應試劑如高級醇中的羥基不很活潑，從醇制備胺要先制備反應活性較強的鹵代烴，由鹵素原子代替羥基，然后再與胺反應，容易地得到產(chǎn)物。酯化反應中將酸轉(zhuǎn)換成酰鹵，提高反應活性，使反應進行完全利用二氯化磷型高分子氯化試劑從羧酸制取酰氯，和將醇轉(zhuǎn)化為氯代烴。反應條件溫和，收率高，試劑可回收利用。2024/7/443N-溴代酰亞胺（NBS）對羥基及其它的活潑氫進行溴代反應。該試劑反應過程中不產(chǎn)生鹵化氫，保護環(huán)境，反應后的溶液的酸度不發(fā)生變化，反應易于進行到底，高分子化的NBS不僅可以對羥基等基團進行溴代反應，而且對其他活潑氫也可以進行溴代反應。2024/7/444對不飽和烴進行加成，產(chǎn)物為飽和雙取代鹵代烴。高分子化的NBS試劑由于高分子對小分子試劑的屏蔽作用，使轉(zhuǎn)化率下降，但選擇性提高2024/7/445三價碘用于氟代和氯代反應及上述兩種元素的加成注意采用三價碘高分子氟化劑進行氟的雙鍵加成時，常伴有重排反應，得到的產(chǎn)物常為諧二氟化合物。2024/7/446其它的高分子鹵代試劑2024/7/447四．高分子?；磻噭┳饔茫簩τ袡C化合物中氨基、羧基和羥基的酰化反應，分別生成酰胺、酸酐和酯類化合物。?；磻獜V泛用于有機合成中的活潑官能團的保護，肽的合成等，酯化反應可改變化合物的極性，增加脂溶性和揮發(fā)性，但這一類反應通常要求加入過量的試劑，對反應后的分離帶來了困難。高分子化的?；噭┛墒狗磻蟮姆蛛x過程簡化，并可再生。主要品種：高分子活性酯高分子酸酐1．高分子酰基化反應試劑的合成方法1）高分子活性酯的合成2024/7/448合成路線一：由對甲氧基苯乙烯與二乙烯苯合成生成的高分子活性酯中?；ㄟ^共價鍵以與聚合物中的活潑羥基相連，有很高的反應活性，可以與有親核特性的化合物發(fā)生?；磻?，將?；鶄鬟f給反應物。2024/7/449合成路線二：采用聚苯乙烯和對氯甲基鄰硝基苯酚為原料，在三氯化鋁催化下反應得到高分子活性酯前體，其活性中心與聚苯乙烯之間通過柔性亞甲基相連，可以降低聚合物對活性點的干擾。2024/7/4502）高分子化酸酐的合成方法一：酸酐型的高分子酰基化試劑可以采用聚對羥甲基苯乙烯為原料與光氣反應生成反應性很強的碳酰氯，再與適當?shù)聂人岱磻玫筋A期的高分子酸酐型?；噭?。2024/7/451方法二：先合成對乙烯基苯甲酸，經(jīng)聚合反應生成的聚合物與乙二酰氯反應制備聚合型酰氯；再與苯甲酸反應得到高分子酸酐。2．高分子?；噭┑膽?）高分子活性酯酰基化試劑：主要用于肽的合成，將溶液合成轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔嗪铣?，提高合成效率?024/7/4522）高分子酸酐的應用使含有硫和氮原子的雜環(huán)化合物上的胺基酰基化，而對化合物結構中的其他部分沒有影響，如長效抗菌藥物頭孢菌素的制備：2024/7/4533、其它的?；叻肿釉噭┘捌鋺?024/7/4542024/7/455五．高分子烷基化試劑作用：提供含單碳原子的基團，用于碳-碳鍵的形成，用以增長碳骨架品種：高分子金屬有機試劑高分子金屬絡物有疊氮結構的高分子烷基化試劑合成路線：功能性小分子的聚合通過高分子的接枝反應2024/7/456例：硫甲基鋰型高分子烷基化試劑，可以用于碘代烷和二碘代烷的同系列化反應，用以增長碘化物中的碳鏈長度，可以得到較好的收率。反應后回收的烷基化試劑與丁基鋰反應再生后可以重復使用。2024/7/457帶有疊氮結構的高分子烷基化試劑與羧酸反應可以制備相應的酯，副產(chǎn)物氮氣在反應中自動除去。

2024/7/458六．高分子親核反應試劑親核反應：在化學反應劑的多電部位（鄰近有給電子基團）進攻反應物中的缺電部位（鄰近有吸電子基團）的化學反應。親核試劑多為陰離子或為帶有孤對電子和多電基團的化合物常用的品種：以陰離子交換樹脂為載體，它與親核試劑間以離子鍵結合。高分子親核試劑多與含有電負性基團的化合物反應，如鹵代烴中的鹵素原子。2024/7/459例：含-CN的高分子親核試劑在一定的有機溶劑中與鹵代烴一起攪拌加熱，可得到多一個碳的氰化物，完成親核反應。且鹵代烴的分子體積越小，收率越高，對不同的鹵素取代物，碘化物的收率高于溴化物和氯化物，氟化物不反應。2024/7/460含-OCN負離子的高分子親核試劑與鹵代烴反應可制備脲的衍生物。2024/7/461七．其它的高分子試劑高分子縮合試劑高分子磷試劑高分子基團保護試劑高分子偶氮傳遞試劑：沒有低分子同類試劑的爆炸性，使用安全，反應的后處理簡單。2024/7/462第三節(jié)在高分子載體上的固相合成一．固相合成法概述肽的合成常規(guī)的液相合成：一年（舒緩激肽的九肽化合物）Merrifield的固相合成方法：8天（1963年）利用固相合成技術可實現(xiàn)有機化學合成反應的自動化，可用計算機控制反應。固相合成：在固體表面發(fā)生的合成反應，固體可能是所有反應物，也可能是反應物之一。無機固相合成：利用固相間反應制取固態(tài)化合物或固溶體粉料。如特定晶型的磷酸鋁、銅鈷氧化物等，以及利用固相模板合成鋰離子電池電極材料。有機固相合成：在合成過程中采用在反應體系中不溶的有機高分子材料作為載體進行合成反應。2024/7/463與常規(guī)的高分子反應試劑不同的是整個固相反應過程自始至終在高分子骨架上進行。在整個多步合成反應過程中，中間產(chǎn)物始終與高分子載體相連接。高分子載體上的活性基團往往只參與第一步反應和最后一步反應；在其余反應過程中只對中間產(chǎn)物，而不是反應試劑起擔載作用和官能團保護作用。固相合成的過程：固相合成中，首先含有雙功能團或多功能團的低分子有機化合物通過與高分子試劑反應，以共價鍵的形式與高分子骨架相結合。這種一端與高分子骨架相接，另一端的功能團處在游離狀態(tài)的中間產(chǎn)物能與其他小分子試劑在高分子骨架上進行單步或多步反應。反應過程中過量使用的小分子試劑和低分子副產(chǎn)物用簡單的過濾法除去，再進行下一步反應，直到預定的產(chǎn)物在高分子載體上完全形成。最后將合成好的化合物從載體上脫下即完成固相合成任務。2024/7/464固相合成的示意圖：固相合成高分子試劑需具備的兩種結構：對有機合成反應起擔載作用，在反應體系中不溶解的載體起連接反應性小分子和高分子載體，并能夠用適當化學方法斷鍵的連接部分。2024/7/4651、載體對載體的要求：1）載體在反應體系中不溶解，保證合成反應在固相上進行，達到簡化合成過程的目的；2）載體具有高比表面積或在溶劑中有一定的溶脹性，前者要求固體的粒度要小，或為多孔性，后者要求構成載體的高分子有一定親溶劑性，并要適度交聯(lián)，以保證固相反應可以有適當?shù)姆磻俣龋?）載體高度功能化，其功能基在載體中的分布盡可能均勻，載體上應有一定的反應活性官能團，以利于反應性小分子的固化和合成反應效率的提高。4）載體可以用相對簡單的方法再生重復利用。2024/7/466常用的載體：聚苯乙烯及二乙炔基苯和苯乙烯的共聚物及其衍生物，如氯甲基樹脂、Pam樹脂、waq樹脂和氨基樹脂等。聚酯功能化纖維載體，如紙片和棉花等。開發(fā)重點：提高載體的穩(wěn)定性、增加功能團活性、擴大適用化學范圍2．連接結構主要功能：能夠與參與反應的小分子發(fā)生化學反應，并在兩者間生成具有一定穩(wěn)定性的化學鍵，要保證在隨后的合成反應中該鍵不斷裂，在整個合成過程中十分穩(wěn)定生成的連接鍵要有一定的化學活性，能夠采用特定的方法使其斷裂，又不破壞反應物的結構，保證固相合成反應后可以定量地分離（切割）反應產(chǎn)物。2024/7/467常用的連接結構：需要根據(jù)固相合成的對象進行選擇，即就根據(jù)合成對象中需要固化官能團的種類選擇連接官能團的種類?；钚怎?、酸酐酰鹵、羥基、氨基等（主要用于多肽、寡核苷酸和寡糖的合成）雙官能團化合物，如氨基、羥基巰基、溴、羧基、醛基等（主要用于其它有機合成）。雙官能團連接分子通?？梢苑譃閷ΨQ和不對稱兩種。對稱：1，10-癸二醇，1，8-辛二胺、鄰或?qū)Ρ蕉兹?，癸二醇、癸二酸及甲鹽或其酰氯，對苯二酚、對苯二胺等不對稱：溴乙酰溴、溴乙酸、甘氨酸和其它氨基酸等多官能團化合物：甘油連接結構中除官能團外，其長短和鏈結構也對固相合成有一定影響。特別是對反應速度和反應的選擇性影響較大，一般較長鏈有利于反應的進行。2024/7/4683．固相合成的應用多肽的合成寡糖的合成寡核苷酸的合成類肽、聚砜、聚脲的合成光學異構體的合成組合化學生物芯片技術2024/7/469二．多肽的固相合成合成路線：首先氨基得到保護的氨基酸與高分子載體反應，分子間脫氯化氫，產(chǎn)物以酯鍵的形式與載體相連，在載體上構成一個反應增長點。然后在保證生成的酯鍵不斷裂的條件下進行脫胺基保護反應，一般是條件溫和的酸性水解反應，脫保護的氨基作為進一步反應的官能團第三步是取另一個氨基受保護的氨基酸與載體上的氨基發(fā)生?；磻?，或通過與活性酯的酯交換形成酰氨鍵反復重復第二和第三步，直到所需序列的肽鏈逐步完成最后用適宜的酸（氫溴酸和醋酸的混合液或用三氟醋酸及氫氟酸）水解解除端基保護，并使載體和肽之間的酯鍵斷裂制得預序列的多肽。2024/7/4702024/7/471常用的載體這些載體與第一個氨基酸反應形成的固化鍵都是芐酯鍵。形成芐酯鍵時用作催化劑和中和所生成鹽酸的試劑一般用有機堿，可以保證不發(fā)生重排等副反應。所用脫除試劑：脫除氨基酸中氨基或羧基的保護，如用鹽酸和醋酸的混合物脫除氨基的保護基（叔丁氧基羧基）斷開固化鍵，常用氫溴酸和醋酸的混合液2024/7/472例：加壓素（腦垂體后葉分泌的一種九肽）的合成2024/7/473固相合成法已成為多肽的標準合成方法，目前已廣泛采用自動蛋白質(zhì)合成儀進行多肽的自動合成。此外對多肽和蛋白質(zhì)的結構分析也往往需借助于固相合成方法，目前它的應用范圍已大大超出了原來的范圍。2024/7/474三．寡核苷酸的固相合成結構：所有核酸都是由磷酸、戊糖（核糖、脫氧核糖）、堿基（腺嘌呤、鳥嘌呤、胞嘧啶、脲嘧啶和胸腺嘧啶）構成。構成核酸的子結構2024/7/475寡核苷酸的結構2024/7/4761．固相合成過程2．常用的載體可控孔徑玻璃珠、聚苯乙烯類2024/7/4772024/7/478可控孔徑玻璃珠（controllingporeglass，CPG）Aminopropyl—CPGFmoc-LinkerAm-CPG2024/7/479四．固相合成在不對稱合成中的應用不對稱合成：在一定反應條件下，反應環(huán)境和體系對光學異構體的形成有區(qū)分作用得到的產(chǎn)物中兩種光學異構體的比例不等于1：1，這樣可以得到某一種光學異構體占優(yōu)的化學產(chǎn)品，利用高分子的立體效應，在其上連接前手性反應物，進行固相不對稱合成可有效地解決這一問題。這種方法是利用含有手性的載體，或利用高分子在前手性試劑的特定方向形成立體阻礙而產(chǎn)生立體選擇性。2024/7/480例：含有手性糖的交聯(lián)聚合物為載體合成光學異構體R-苯基乳酸。用三苯甲醇的聚苯乙烯樹脂與只有一個游離羥基的戊糖結合構成一個有光學不對稱結構的聚合物載體。利用載體上的游離羥基和手性結構，通過兩步法合成R型光學異構體占多數(shù)的苯基乳酸，光學產(chǎn)率大于58%。2024/7/4812-烷基取代環(huán)己酮手性異構體的合成2-烷基取代環(huán)己酮手性異構體的合成2024/7/482采用光活性催化劑固化到高分子上作為固相不對稱合成試劑，最常用的是一些有手性特征的過渡金屬絡合物，如下面結構的固相合成試劑可以氫化制備具有光學活性的烴類聚合物手性相轉(zhuǎn)移催化劑2024/7/483常用的固相不對稱試劑及其主要用途2024/7/4842024/7/485五．固相合成法在其他有機合成中的應用如輪烷hooplanes的合成，這是一種結構很特殊的物質(zhì)，通常為兩個或多個分子或者分子本身相套連接在一起，形成非常特殊的輪形結構。2024/7/486Hooplanel的合成如同車輪的裝配，首先要在大環(huán)中插入車軸，再擰緊螺栓-三苯甲基，其中難度最大的是在分子水平上在車輪中插入車軸。其合成過程為：首先以常規(guī)合成方法合成Hooplanel中的環(huán)結構部分，然后將此大環(huán)結構通過酯鍵臨時固定在高分子載體上，將此帶有大環(huán)的高分子載體在適宜的反應條件下與癸二醇（車軸）和三苯甲基氯（螺栓）一起進行固相反應，按幾率推算至少應有部分癸二醇插入大環(huán)中，并在插入期間與三苯甲基氯反應而擰緊螺栓，得到預產(chǎn)物。沒有插入大環(huán)而又套入螺栓的副產(chǎn)物，以及過量的試劑通過過濾和清洗除去，高分子載體上只留下套在一起的產(chǎn)品和未反應的固化大環(huán)，反復重復上述的反應過程（>70次），理論上即可產(chǎn)生一定量的固化在載體上的產(chǎn)物。經(jīng)水解反應將產(chǎn)物與聚合物載體分離，再經(jīng)純化除去未反應的大環(huán)化合物，合成即結束?？梢娫趩卧磻a(chǎn)率很低的合成中采用固相合成法，利用其產(chǎn)物易與其他試劑和副產(chǎn)物分離的特點，可以完成用其他方法難以實現(xiàn)的合成。2024/7/487反應機理研究中的應用檢測和捕捉化學反應中產(chǎn)生的短壽命中間體，為反應機理研究提供證據(jù)。如聚合物上含有煙酰胺結構和吡啶鹽結構的高分子試劑可以捕捉四氧嘧啶和茚三酮型自由基中間體?？梢圆蹲阶杂苫墓滔嘣噭┖捅徊蹲降淖杂苫?024/7/488第四節(jié)高分子催化劑催化劑的作用：通過降低反應的活化能提高反應速率均相催化反應多相催化反應將均相催化反應轉(zhuǎn)變成多相催化反應，主要的方法之一是將可溶性催化劑高分子化，使其在反應體系中的溶解度降低，而催化活性又得以保存。常用的高分子催化劑：高分子酸堿催化劑（離子交換樹脂）聚合物相轉(zhuǎn)移催化劑高分子過渡金屬絡合物催化劑（用于加氫和氧化）固定化酶2024/7/489一．高分子酸堿催化劑常用品種：陰離子交換樹脂，提供氫氧根陽離子交換樹脂，提供質(zhì)子結構：適用的反應類型：酯化反應、醇醛縮合反應、烷基化反應、脫水反應、環(huán)氧化反應、水解反應、環(huán)合反應、加成反應、分子重排反應、某些聚合反應2024/7/490反應方式：1．將催化劑與其它反應試劑混合攪拌反應，反應后得到的反應混合物通過簡單的過濾分離2．將催化劑固定在反應床上進行反應，反應物作為流體通過反應床，產(chǎn)物隨流出物與催化劑分離。3．將反應器制成柱狀，催化劑作為填料填入反應柱中，反應時如同柱色譜分離過程一樣將反應物與反應試劑從柱頂加入，在一定溶劑沖洗下通過填有催化劑的反應柱，當產(chǎn)品與溶劑混合物從柱中流出后反應即已完成。這種反應裝置可以連續(xù)進行反應，在工業(yè)上可以提高產(chǎn)量，降低成本，簡化工藝。用類似的方法，在強酸性陽離子交換樹脂的催化下，成功地制備了二甘醇與月桂酸、油酸、硬脂酸的單酯化合物。2024/7/491例：1、通過經(jīng)Amberlite離子交換樹脂催化的縮合反應可以從丁醛制備α-乙基-β-羥基己醛；2、以丙酮為原料制備4-甲基-4-羥基戊酮-2；3、由間苯二酚和乙酰乙酸乙酯合成天然產(chǎn)物4-甲基-5-羥基香豆素常用的高分子：多孔性的交聯(lián)聚苯乙烯顆粒2024/7/492二．高分子金屬絡合物催化劑制備路線：通過共價鍵使金屬絡物中的配位體與高分子相連，構成的高分子配位體后再與金屬離子進行絡合反應形成高分子金屬絡合物。配位體結構：分子結構中含有P、S、O、N等可以提供未成鍵電子的配位原子，如EDTA、胺類、醚類、雜環(huán)類等；分子結構中具有離域性強的π電子體系，如芳香族化合物和環(huán)戊二烯等。2024/7/493高分子配位體的合成方法：1）利用聚合物和配位基上的某些基團反應，將配位體直接鍵合到聚合物載體上，制備高分子配位體；2）首先合成具有可聚合官能團的配位單體，然后在適當條件下完成聚合反應；3）合成得到的配位體單體也可以先與金屬離子絡合，生成絡合物型單體后再進行聚合反應，完成高分子化過程。但絡合單體將影響聚合，甚至發(fā)生嚴重副反應，使聚合失敗，因此較少用；4）某些無機材料如硅膠、也可以作為固化催化劑的載體。催化劑的應用：用于烯烴的加氫、氧化、環(huán)氧化、不對稱加成、異構化、羰基化、烷基化、聚合等反應。2024/7/4941．加氫反應催化劑烯烴、芳香烴、硝基化合物、醛酮等帶有不飽和雙鍵的化合物均可在金屬絡合物催化劑作用下進行加氫反應。如高分子銠絡合物催化劑。經(jīng)此催化劑催化，烯烴在室溫下，氫氣壓力只有1MPa的溫和條件下即可進行加氫反應。與相應的低分子催化劑相比降低了氧敏感性和腐蝕性，反應物可以在空氣中儲存和處理。2024/7/495高分子二茂鈦絡合物催化劑由可溶性均相加氫催化劑變?yōu)椴蝗苄远嘞嗉託浯呋瘎?，易于催化劑的回收和產(chǎn)品的純化，同時由于聚合物剛性結構的分隔作用克服了均相催化易生成二聚物而失效的問題。鈀和銠的高分子絡合物也是常用的加氫催化劑2024/7/496鈷或銠的高分子羰基絡合物作為催化劑用于烯烴的羰基化反應，生成醛。此時烯烴與二氧化碳和氫氣反應，直接生成多一個碳原子的醛類化合物。2024/7/4972．以硅膠為載體的高分子金屬絡合物催化劑硅膠表面的羥基可以與多種官能團反應生成酯或醚鍵。此外硅膠微粒經(jīng)三乙氧基硅丙硫醇處理，在其表面鍵合一層含巰基配位體，配位體與鉑等金屬反應形成高分子化的催化劑。這種鉑的絡合物有催化氫硅加成作用，它可催化三乙氧基硅烷與己烯-1加成，可以得到正己基三乙氧基硅烷。催化劑的穩(wěn)定性好，可多次使用，同時材料價格低，比表面積大，機械強度較好。2024/7/4983．高分子金屬絡合物催化劑在太陽能利用領域應用如降冰片二烯（norbornadiene）在陽光照射下吸收光能，異構化為高能態(tài)的四環(huán)烷，從而儲存能量。在室溫下它是穩(wěn)定的，但當與一些過渡金屬絡合物催化劑接觸時，四環(huán)烷重新異構化為低能態(tài)的降冰片二烯，同時發(fā)出大量的熱量。再生后的降冰片二烯受太陽光照后仍可異構化為四環(huán)烷，因此可反復使用。將這種具有異構化催化作用的催化劑高分子化后，能量轉(zhuǎn)換過程將更易控制，而且過渡金屬絡合物催化劑的效能更好。2024/7/499高分子化金屬絡合物催化劑在太陽能電池的應用：利用帶有吡咯基的聯(lián)吡啶作為配位體，與釕金屬離子絡合，再用電化學聚合法在電極表面形成光敏感催化層。當電極表面由不同氧化還原電位的聚合物形成多層修飾時，如果結構安排合理，可以在電極之間得到光電流。高分子金屬絡合物催化劑的特點：1）降低催化劑的使用成本2）高分子結構改變反應點的立體環(huán)境，使高分子催化劑的立體選擇性發(fā)生變化，以增強反應的選擇性3）增加催化性能，在同一個聚合物上有可能同時連接兩種不同功能的催化劑，使得多步催化反應有可能在同一個催化劑上完成。2024/7/4100三．高分子相轉(zhuǎn)移催化劑增加兩相間界面反應速度的方法：增加攪拌速度以增大兩相的接觸面積，提高界面反應比例；使用非質(zhì)子極性溶劑增加對離子型化合物的溶解度，如二甲基亞砜、二甲基甲酰胺等，但溶劑昂貴，沸點高難以除去，對環(huán)境污染；采用相轉(zhuǎn)移催化劑。相轉(zhuǎn)移催化劑：指在反應中能與陰離子形成離子對，或者與陽離子形成絡合物，從而增加這些離子型化合物在有機相中的溶解度的物質(zhì)。主要包括親脂性有機離子化合物（季銨鹽和磷嗡鹽）和非離子型的冠醚類化合物（借助與陽離子間的螯合作用完成上述過程）相轉(zhuǎn)移反應過程2024/7/4101高分子相轉(zhuǎn)移催化劑結構和主要用途

2024/7/4102與小分子相轉(zhuǎn)移催化劑相比，高分子催化劑不污染反應物和產(chǎn)物，催化劑回收容易，可使用較貴的品種，同時可以降低小分子冠醚類化合物的毒性，減少對環(huán)境的污染?？傮w上磷嗡離子催化劑的穩(wěn)定性和催化活性比相應季銨鹽型催化劑要好，而聚合物鍵合的高分子冠醚催化劑的活性最高，這得益于陽離子被絡合后，增強了陰離子的親核反應能力。2024/7/4103四．其它的高分子催化劑1．高分子路易士酸和過酸催化劑特點：穩(wěn)定性好，不易水解；降低生成較高分子化合物的競爭性副反應例：高分子三氯化鋁，催化成醚、酯、醛的合成反應高分子過酸，通過在含強酸性陽離子交換樹脂中引入路易士酸，如三氯化鋁與磺酸基離子交換樹脂的反應產(chǎn)物；全氟化的磺酸基樹脂與三氯化鋁反應制備的過酸，可以使中性石蠟油質(zhì)子化2024/7/41042．聚合物脫氫和脫羰基催化劑脫氫：含組胺酸的嘧啶基結構（多種脫氫酶的活性點）的高分子化合物用于催化酯和酰胺的氫化反應，脫羰基：高分子表面活性劑如季胺化的聚乙胺、聚合型冠醚、聚乙二醇、聚乙烯基吡咯酮等3．聚合物型pH指示劑和聚合型引發(fā)劑將偶氮類結構連接到高分子上，當遇難酸或堿時發(fā)生顏色的改變，由此可制備聚合物型pH指示劑，其穩(wěn)定性好，壽命長，不怕微生物攻擊和不污染被測溶液可通過將過氧、或偶氮等具有引發(fā)聚合反應功能的分子結構高分子化，可得到聚合物型引發(fā)劑，可用于催化聚合物的接枝反應；如過渡金屬鹵化物高分子化可引發(fā)含端雙鍵的單體的聚合生成接枝或嵌段聚合物2024/7/4105第五節(jié)酶的固化及其應用酶是由各種氨基酸按不同次序連接而成的高分子化合物，其催化效率高，選擇性好，大多數(shù)情況下是專一催化。但其穩(wěn)定性不好，易變性失活，大多數(shù)為水溶性，催化反應后所得產(chǎn)物不易分離純化。固化酶技術：解決上述問題，同時可以使酶促反應可以實現(xiàn)連續(xù)化，自動化，為制造“生物反應器”打下基礎。2024/7/4106一．固化酶的制備方法對固化過程的要求：1）固化后酶催化劑不應溶于水或化學反應中使用的其它反應介質(zhì)，以保證酶催化劑的分離和回收的簡單性2）固化過程應不影響或少影響酶的活性3）固化方法的選擇應考慮到酶自身的特點和結構，不要引入多余化學結構而影響酶的性質(zhì)，盡可能利用酶結構中各種非催化活性官能團進行固化反應4）作為酶固化的載體應有一定的機械強度和化學穩(wěn)定性，以適應反應工盡可能求和有一定的使用壽命，保證不對或少對酶促反應產(chǎn)生不利影響2024/7/4107在溫和的條件下進行固化方法：化學方法：通過化學反應生成化學鍵將酶連接到一定載體上，或采用交聯(lián)劑通過與酶表面的基團將酶交聯(lián)起來，構成分子量更大的蛋白質(zhì)使其溶解性降低，成為不溶性的固化酶。物理方法：包埋法、微膠囊法，將酶包起來，使其不能在溶劑中自由擴散，但是被催化的小分子反應物和產(chǎn)物應當可以自由通過，使之與酶催化劑接觸。2024/7/41081．化學鍵合法固化酶載體：可為人工合成的，也可為天然的有機高分子，甚至無機高分子。對載體的要求：不溶于反應溶劑，并且分子結構中具有一定的親水性基團，以保證在水中反應時的潤濕性，高分子結構不影響酶的活性，結構中帶有活性較強的基團如重氮鹽、酰氯、醛、活性酯等反應條件溫和，不能使用強酸、強堿和某些有機溶劑2024/7/4109例：含苯乙烯結構的高聚物作為酶固化載體，這種方法得到的固化酶穩(wěn)定性好。2024/7/4110含縮醛結構的高聚物作為酶固化載體，可以與蛋白質(zhì)中廣泛存在的氨基發(fā)生縮合反應，在載體與酶間生成碳氮雙鍵，從而固化大多數(shù)的酶。或在聚合物中引入內(nèi)酸酐基團，利用內(nèi)酰胺化反應與酶中按基相連也可制備酶固化載體。內(nèi)酸酐基團與酶蛋白質(zhì)中的氨基反應，易形成穩(wěn)定的內(nèi)酰胺鍵實現(xiàn)酶固化。2024/7/4111聚酰胺或多肽經(jīng)活化處理后也可作為載體，如尼龍經(jīng)酸處理后表面出現(xiàn)羧基，可以與酶中的氨基結合。無機載體：如多孔性玻璃或硅膠方法一：氨丙基三乙氧基硅丙胺與硅膠表面的羥基反應，從而在硅膠上引入活性較強的氨基，氨基在縮合劑二環(huán)己基碳二亞胺（DCC）催化下與酶中的羧基反應形成酰胺鍵。2024/7/4112或在氨基的基礎上再引入芳香族胺基，經(jīng)重氮化后通過偶聯(lián)反應固定酶：2024/7/4113離子交換樹脂作為固化酶的載體，陽離子交換樹脂可與酶中的氨基結合，陰離子交換樹脂與酶中的羧基結合實現(xiàn)固化，這種方法操作簡單，反應條件溫和，對酶活性影響不大，但離子交換樹脂與酶的結合力較弱，且易受反應介質(zhì)中酸堿度的影響，因此形成的固化酶的穩(wěn)定性差。2024/7/41142．化學交聯(lián)酶固化法利用帶雙端基官能團的化學交聯(lián)劑，通過與酶中固有的活性基團進行化學反應，生成共價鍵使單個酶形成交聯(lián)結構，從而將酶固化。從理論上講任何具有能與酶中活