《反應(yīng)性聚合物》PPT課件.ppt

1、第2章 反應(yīng)性聚合物 (Reactive polymers),2.1 概 述,1、什么是反應(yīng)性聚合物 反應(yīng)性聚合物（或功能基化聚合物）： 具有化學(xué)功能基團 聚合物試劑 polymeric reagents 聚合物催化劑 polymeric catalysts 聚合物載體 polymeric supports 聚合物共溶劑 polymeric cosolvents 主要應(yīng)用于有機合成，將這一類反應(yīng)稱為聚合物負(fù)載有機化學(xué)反應(yīng)（polymer supported reactions in organic chemistry）,（1）高分子試劑 小分子試劑經(jīng)過高分子化，或者將某些聚合物功能化，使聚合物

2、骨架與化學(xué)反應(yīng)活性官能團相連接，得到的具有化學(xué)試劑功能的高分子化合物被稱為高分子化學(xué)試劑 （2）高分子化學(xué)反應(yīng)催化劑 通過聚合、接枝等方法將小分子催化劑高分子化，得到的具有催化活性的高分子材料稱為高分子催化劑,2、高分子試劑和高分子催化劑的特點, 簡化操作過程 原料和產(chǎn)物分離容易, 有利于貴重試劑和催化劑的回收和再生 可以提高試劑的穩(wěn)定性和安全性 在高分子載體上可以進行固相合成 提高試劑的選擇性 利用高分子載體的空間立體效應(yīng)，可以實現(xiàn)所謂的模板反應(yīng)(Template reaction)。這種具有獨特空間結(jié)構(gòu)的高分子試劑，利用它的高分子效應(yīng)和微環(huán)境效應(yīng)，可以實現(xiàn)立體選擇合成,2.2 高分子試劑與

3、固相合成,1、概述 （1）高分子試劑的主要類型 高分子氧化還原試劑 高分子鹵代試劑 高分子?；噭?高分子烷基化試劑 高分子親核反應(yīng)試劑 高分子縮合試劑 高分子磷試劑 高分子基團保護試劑 高分子偶氮轉(zhuǎn)遞試劑,（2）固相合成法(solid phase synthesis) 1963年，Merrifie1d固相合成4肽，為有機合成史揭開了新的一頁 固相合成采用高分子載體，整個反應(yīng)過程自始至終在高分子骨架上進行，在整個多步合成反應(yīng)過程中，中間產(chǎn)物始終與高分子載體相聯(lián)接。 高分子載體上的活性基團往往只參與第一步反應(yīng)和最后一步反應(yīng)；在其余反應(yīng)過程中只對中間產(chǎn)物，而不是反應(yīng)試劑起擔(dān)載作用和官能團保護作用

4、,含有雙功能團或多功能團的低分子有機化合物以共價鍵的形式與高分子骨架相結(jié)合； 中間產(chǎn)物與其他小分子試劑在高分子骨架上進行單步或多步反應(yīng)； 過量使用的小分子試劑和低分子副產(chǎn)物用過濾法除去，再進行下一步反應(yīng)； 最后將合成好的化合物從載體上脫下,固相合成特點： 優(yōu)點： 簡化反應(yīng)操作，純化分離容易； 反應(yīng)可實現(xiàn)自動化、機械化； 環(huán)境友好； 提高反應(yīng)活性和選擇性（高分子效應(yīng)） 不足： 增加試劑成本；試劑再生和重復(fù)使用 降低反應(yīng)速度 位阻作用，多相反應(yīng) 聚合物上生成的副產(chǎn)物難以分離； 難于用于高溫反應(yīng),發(fā)展 廣泛應(yīng)用于多肽、低聚核苷酸、寡糖、某些大環(huán)化合物以及光學(xué)異構(gòu)體的定向合成 l963年，舒緩激肽（九

5、肽），收率32，時間8天（采用常規(guī)的液相合成法需要一年的時間） 電子計算機控制的固相自動合成儀實現(xiàn)了合成反應(yīng)的自動化 124肽核糖核酸酶A (Ribonneclease A)合成：包括369次化學(xué)反應(yīng)，11931次操作步驟，收率3,（3）高分子載體性能要求 高分子載體在反應(yīng)體系中(包括溶劑和試劑)不溶解，在溶劑中有一定溶脹性； 聚合物載體能高度功能化，其功能基在載體中的分布盡可能均勻； 反應(yīng)過后聚合物載體可以用相對簡單的方法再生重復(fù)使用； 有較好的機械強度和穩(wěn)定性； 與低分子試劑和溶劑相容性好,2、多肽的固相合成,（1）多肽合成簡介 蛋白質(zhì)和核酸是兩類決定生命現(xiàn)象的主要物質(zhì)。蛋白質(zhì)是由以氨基酸

6、為基本單元，按照一定次序聯(lián)接而成的肽構(gòu)成 肽合成的復(fù)雜性： 氨基酸有兩個活性官能團（氨基和羧基），反應(yīng)中兩個氨基酸頭尾聯(lián)接方向難以控制；因此在合成中，需要保護、反應(yīng)、脫保護，不斷重復(fù)上述步驟以加長肽鏈 產(chǎn)物與原料的分離過程繁瑣,液相法的主要優(yōu)點是產(chǎn)品的純度高； 問題： 隨著肽鏈的增長，肽的溶解度逐漸降低，造成肽鏈上羧基和氨基反應(yīng)活性的降低，使收率顯著下降； 產(chǎn)物的分離和純化同樣變得越來越困難,（2）固相合成多肽的基本步驟 A 聚合物載體及其與第一個氨基酸的鍵合 最常用載體：氯甲基化的1二乙烯基苯交聯(lián)的聚苯乙烯樹脂 特點：具有良好的機械性能，高度溶脹性和理想的活性基團,這些載體在與第一個氨基酸反

7、應(yīng)形成的固化鍵(該氨基酸從此在反應(yīng)體系中不溶，直到從載體上脫下為止，因此稱固化鍵)都是芐酯鍵。而形成芐酯鍵時用以作為催化劑和中和所生成的鹽酸的試劑一般都用有機堿，這樣可以保證不發(fā)生重排等副反應(yīng) 氨基酸的保護： 最重要的是氨基的保護，通過形成酯鍵進行保護。常用氨基保護基：叔丁氧羰基（t-Boc）等,氨基酸與高分子載體(高分子酰氯試劑)反應(yīng)，分子間脫氯化氫。產(chǎn)物以酯鍵的形式與載體相連接，在載體上構(gòu)成一個反應(yīng)增長點,B 氨基酸的去保護和質(zhì)子化 在保證生成的酯鍵不斷裂的條件下進行脫氨基保護反應(yīng)，一般是條件溫和的酸性水解反應(yīng)。脫保護的氨基作為進一步反應(yīng)的官能團,C 肽鍵的生成 取另外一個氨基受到保護的氨

8、基酸與載體上的氨基發(fā)生?；磻?yīng)形成酰胺鍵，也稱肽鍵。,D 肽鏈增長 反復(fù)重復(fù)B、C反應(yīng)，直到所需要序列的肽鏈逐步完成,E 多肽解脫 最后用適宜的酸(氫溴酸和乙酸的混合液，或者用三氟乙酸及氫氟酸)水解解除端基保護，并使載體和肽之間的酯鍵斷裂制得預(yù)期序列的多肽,用固相法合成肽時，由于是在最后一步反應(yīng)時才把合成好的肽從載體上脫下來。在此之前的反應(yīng)中間環(huán)節(jié)，只需將不溶解的載體濾出洗凈，因此在合成的全過程中不需要精制和提純 為了使每一步反應(yīng)都能定量進行，以保證生成的肽的序列不發(fā)生錯誤，在反應(yīng)中氨基酸等反應(yīng)試劑都是大大過量的，反應(yīng)過后過量的試劑可以回收再用,3、固相合成法在不對稱合成中的應(yīng)用,（1）不對稱

9、合成簡介 手性分子（chiral molecules)： 在有機分子結(jié)構(gòu)中碳原子的4個鍵呈正四面體結(jié)構(gòu)，如果在碳原子上連接的4個基團各不相同，將依據(jù)其空間結(jié)構(gòu)的差異形成兩種外觀一樣，組成相同，但不能完全重合的分子結(jié)構(gòu)。 具有這種特征的分子結(jié)構(gòu)稱其為具有手征性(從整個分子考慮能否具有手征性還要考慮其他條件),旋光異構(gòu)體（optical isomer）或?qū)τ钞悩?gòu)體（ enantiomer ） 由手性分子引起的異構(gòu)體 由于其結(jié)構(gòu)、組成、基團完全相同，因此這種旋光異構(gòu)體在物理和化學(xué)性質(zhì)上完全不可區(qū)分，但是在生物體內(nèi)表現(xiàn)出的生物活性常常完全不同 右旋體（dextrorotation）和左旋體（levor

10、otation） 物理化學(xué)性質(zhì)極端相似，因此合成和分離指定的光學(xué)異構(gòu)體是一個難于解決的任務(wù)。用常規(guī)的液相合成法合成光學(xué)活性化合物總是得到兩種光學(xué)異構(gòu)體的1：1混合物，由于旋光度等于零，稱為外消旋體,不對稱合成 指在一定反應(yīng)條件下，反應(yīng)環(huán)境和體系對光學(xué)異構(gòu)體的生成有區(qū)分作用，得到的產(chǎn)物中兩種光學(xué)異構(gòu)體的比例不等于1：1，這樣可以得到某一種光學(xué)異構(gòu)體占優(yōu)的化學(xué)產(chǎn)品 （2）高分子載體的立體選擇性 利用含有手征性的載體，或者利用高分子骨架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，進行固相不對稱合成,如利用含有手征性糖的交聯(lián)聚合物為載體合成光學(xué)異構(gòu)體R-苯基乳酸 三苯甲醇的聚苯乙烯樹脂與只有一

11、個游離羥基的戊糖結(jié)合，構(gòu)成一個有光學(xué)不對稱結(jié)構(gòu)的聚合物載體；利用載體上的游離羥基和手征性結(jié)構(gòu)，通過兩步合成得到R-苯基乳酸，光學(xué)產(chǎn)率大于58,4、固相合成法的其他應(yīng)用,如烷基化、?；?、對稱雙功能基的單基團保護、不飽和羥基酮的合成等 Hooplanes也有人稱其為輪烷(rotaxanes)，是一種結(jié)構(gòu)很特殊的物質(zhì)，合成非常困難，可利用固相法合成,2.3 高分子催化劑,催化反應(yīng)可分為兩大類： 均相催化反應(yīng) 接觸充分，反應(yīng)較快；分離純化等后處理復(fù)雜 多相催化反應(yīng) 催化劑與反應(yīng)體系分離容易(簡單過濾)，回收的催化劑可以反復(fù)多次使用 將均相催化轉(zhuǎn)變成多相催化反應(yīng)。其主要手段之一就是將可溶性催化劑高分子

12、化，使其在反應(yīng)體系中的溶解度降低，而催化活性又得到保持,1、高分子酸堿催化劑 有機反應(yīng)中有很大一部分可以被酸或堿所催化，如常見的水解反應(yīng)等都可以由有機酸或有機堿作為催化劑促進其反應(yīng) 這一類小分子酸堿催化劑多半可以由陽離子或陰離子交換樹脂所替代，從而使原來的均相反應(yīng)轉(zhuǎn)變成多相反應(yīng) 目前已經(jīng)有各種商品化的具有不同酸堿強度的離子交換樹脂，經(jīng)過簡單處理后即可直接使用,主要的高分子酸堿催化劑,離子交換樹脂酸堿催化劑應(yīng)用： 酯化反應(yīng)、醇醛縮合反應(yīng)、烷基化反應(yīng)、脫水反應(yīng)、環(huán)氧化反應(yīng)、水解反應(yīng)、環(huán)合反應(yīng)、加成反應(yīng)、分子重排反應(yīng)以及某些聚合反應(yīng)等,2、高分子金屬絡(luò)合物催化劑,（1）金屬絡(luò)合物催化劑 金屬絡(luò)合物催

13、化劑多數(shù)為均相反應(yīng)的催化劑 金屬絡(luò)合物的配位體分子結(jié)構(gòu)特點： 含有P、S、O、N等具有末配對電子的配位原子，如EDTA、胺類、醚類及雜環(huán)類化合物等； 具有離域性強的電子體系，如芳香族化合物和環(huán)戊二烯等均是常見配位體,（2）高分子金屬絡(luò)合物催化劑的制備和特點 制備方法：配位體的高分子化 通過共價鍵使金屬絡(luò)合物中的配位體與高分子骨架相連接，構(gòu)成的高分子配位體與金屬離子進行絡(luò)合反應(yīng)形成高分子金屬絡(luò)合物作為催化劑 高分子配位體的合成方法： (a)利用聚合物和配位基上的某些基團反應(yīng)，將配位體直接鍵合到聚合物載體上，制備高分子配位體 (b)首先合成具有可聚合官能團的配位體單體(功能性單體)，然后在適當(dāng)條件

14、下完成聚合反應(yīng) (c)合成得到的配位體單體先與金屬離子絡(luò)合，生成絡(luò)合物型單體后再進行聚合反應(yīng)完成高分子化過程,特點 高分子過渡金屬絡(luò)合物催化劑的性質(zhì)介于多相摧化劑和均相催化劑 降低催化劑使用成本，由于高分子骨架的引入，使得反應(yīng)中催化劑的損失降到最低 選擇性增強，高分子骨架改變反應(yīng)點的立體環(huán)境，使催化劑的立體選擇性發(fā)生變化 增加催化性能，在同一個聚合物骨架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(yīng)有可能在同一個催化劑上完成,(3) 應(yīng)用 高分子銠加氫催化劑 以聚對氯甲基苯乙烯為高分子骨架原料，經(jīng)與二苯基磷鋰反應(yīng)得到有絡(luò)合能力的二苯基磷型高分子配合物；再與RhCl(PPh3)3反應(yīng)，磷

15、與銠離子絡(luò)合即得到有催化活性的銠離子高分子絡(luò)合物,烯烴在室溫下，氫氣壓力1MPa的溫和條件下即可進行加氫反應(yīng)。與相應(yīng)的低分子催化劑相比降低了氧敏感性和腐蝕性，反應(yīng)物可以在空氣中儲存和處理。由于有高分子效應(yīng)的存在，加氫反應(yīng)有明顯的選擇性，即小分子反應(yīng)快于大分子 用類似方法制備的鈀的高分子絡(luò)合物也是一種性能優(yōu)良的加氫催化劑,高分子金屬絡(luò)合物催化劑在太陽能利用中的應(yīng)用 降冰片二烯(norbornadiene) 在陽光照射下吸收光能，異構(gòu)化為高能態(tài)的四環(huán)烷(quadricyclane)，能夠?qū)⑻柲芤曰瘜W(xué)能的方式儲存下來。在室溫下四環(huán)烷是穩(wěn)定的，但是在與一些過渡金屬絡(luò)合物催化劑接觸時，四環(huán)烷重新異構(gòu)化

16、為低能態(tài)的降冰片二烯，同時放出大量熱能(1.15103kJ/L)。再生后的降冰片二烯受太陽光照后仍可異構(gòu)化為四環(huán)烷，因此可以反復(fù)使用。 將這種具有異構(gòu)化催化作用的催化劑高分子化后，能量轉(zhuǎn)換過程將更加容易控制，使用更方便，而且過渡金屬絡(luò)合物催化劑的效能更好,3、高分子相轉(zhuǎn)移催化劑,（1）相轉(zhuǎn)移催化,相轉(zhuǎn)移催化劑： 有機離子化合物(季胺鹽和磷嗡鹽)和非離子型的冠醚類化合物。,（2）高分子相轉(zhuǎn)移催化劑 高分子相轉(zhuǎn)移催化劑特點： 不污染反應(yīng)物和產(chǎn)物，催化劑的回收比較容易，因此可以采用比較昂貴的催化劑； 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 一般磷嗡離子相轉(zhuǎn)移催化劑的穩(wěn)定性和催化活性都要比

17、相應(yīng)季銨鹽型催化劑要好，而聚合物鍵合的高分子冠醚相轉(zhuǎn)移催化劑的催化活性最高 各種高分子相轉(zhuǎn)移催化劑的結(jié)構(gòu)和主要用途見p64 表2-7,2.4 固定化酶(immobilized enzyme),1、概述 酶是一類分子量適中的蛋白質(zhì)，它是由各種氨基酸按不同次序連接而成的高分子化合物 （1）酶催化的特點 催化效率高； 選擇性極好，大多數(shù)情況下是專一性催化； 反應(yīng)條件溫和；許多在工業(yè)上需要高溫高壓才能進行的反應(yīng)，在生物體內(nèi)由酶催化只需常溫常壓條件即可進行 可調(diào)節(jié)控制酶的活性； 酶催化劑的缺點： 穩(wěn)定性不好，很容易變性失活； 大多數(shù)酶是水溶性的，反應(yīng)后分離、純化和回收困難,（2）固定化酶的特點 50年代

18、起開始研究 固化酶 酶的固定化 (Immobilization of enzymes)：用固體材料將酶束縛或限制于一定區(qū)域內(nèi) ,仍能進行其特有的催化反應(yīng)、并可回收及重復(fù)使用的一類技術(shù)。 主要特點： a) 貴重酶可回收使用； b)減少酶污染產(chǎn)品； c) 提高了酶的穩(wěn)定性 d) 使均相反應(yīng)轉(zhuǎn)變成多相反應(yīng)，簡化了反應(yīng)步驟，使酶促反應(yīng)可以實現(xiàn)連續(xù)化、自動化，為制造所謂“生物反應(yīng)器”(bioreactor)打下基礎(chǔ),2、固化酶的制備方法,酶固化過程要求： 固化酶不應(yīng)溶于水或其他反應(yīng)介質(zhì)，增大分子量，或者使用聚合物網(wǎng)絡(luò)是首選方法； 固化過程不影響或少影響酶的活性，所有會使蛋白質(zhì)變性或影響酶活性的方法均不宜

19、采用.避免高溫、高壓，或者有強酸、強堿參與的反應(yīng)； 固化方法的選擇應(yīng)考慮到酶自身的特點和結(jié)構(gòu)，盡可能利用酶結(jié)構(gòu)中各種非催化活性官能團； 酶固化的載體應(yīng)有一定的機械強度和化學(xué)穩(wěn)定性，對酶促反應(yīng)沒有不利影響。,酶的固化方法： 化學(xué)法：通過化學(xué)鍵將酶連接到載體上 采用交聯(lián)劑使酶交聯(lián) 物理法：包埋法 微膠囊法,載體要求： 不溶于反應(yīng)溶劑，分子結(jié)構(gòu)中含有一定的親水性基團，以保證有一定的潤濕性 帶有活性較強的反應(yīng)基團，如重氮鹽、酰氯、醛、活性酯等高活性基團，以保證后續(xù)的鍵合反應(yīng)能在溫和的條件下進行 鍵合反應(yīng)要求： 反應(yīng)條件溫和，不使用強酸、強堿和某些有機溶劑,（1）化學(xué)鍵合酶固化方法 通過化學(xué)鍵將酶健合到

20、高分子載體上 聚合物載體：可以是人工合成的，或是天然的有機高分子化合物，有些情況下也可以為無機高分子材料,最常用的用于酶固化的聚合物載體骨架為聚苯乙烯，在苯環(huán)上引入重氮鹽基團，利用在重氮鹽基團上的鍵合反應(yīng)，比如與酶蛋白質(zhì)中酪氨酸中的苯酚基，或者與組氨酸的咪唑基進行偶聯(lián)反應(yīng)，可以在高分子載體上連結(jié)淀粉糖化酶，胃蛋白酶和核糖核酸酶等形成固化酶催化劑,（2）化學(xué)交聯(lián)酶固化法 交聯(lián)法是利用一些交聯(lián)劑將各個酶單體聯(lián)接起來，形成不溶性大分子 如,（3）酶的物理固化法 酶固化的物理方法是使用具有選擇性透過性能的材料將酶固定，而使參與反應(yīng)的小分子透過 物理酶固化法的有利之處在于在制備過程中酶沒有參與化學(xué)反應(yīng)，

21、因而其整體結(jié)構(gòu)保持不變，催化活性亦保持不變。但是由于包埋物或半透膜有一定立體阻礙作用，因此對很多反應(yīng)不適用,(a)包埋法 將酶溶解在含有合成載體的單體溶液中，在此均相體系中進行合成載體的聚合反應(yīng)，反應(yīng)進行過程中使溶液中的酶被包埋在反應(yīng)形成的聚合物網(wǎng)絡(luò)之中，不能自由擴散，從而達(dá)到酶固化的目的。此法要求形成的聚合物網(wǎng)絡(luò)在溶脹條件下要允許反應(yīng)物和生成物小分子通過,(b) 微膠囊法 用有半通透性能的聚合物膜將酶包裹在中間，構(gòu)成酶藏在微囊中的固化酶。在酶催化反應(yīng)中反應(yīng)物小分子可以通過半透膜與酶接觸進行酶促反應(yīng)，生成物可以通過半透膜逸出囊外，而酶則由于體積較大被留在膜內(nèi),2006年功能高分子材料作業(yè),文獻

22、評述 選擇一篇核心文獻（2000年以后英文文獻），中文縮寫和評論（2000字以上），包括：（1）意義與背景；（2）主要內(nèi)容；（3）主要結(jié)果；（4）創(chuàng)新點；（5）存在問題。 在此基礎(chǔ)上提出自己的研究思路（研究目標(biāo)、研究內(nèi)容、研究路線等）。,一 . 輪 烷 簡 介,輪烷（rotaxane）：由一個環(huán)分子(macrocycle)和一個從其內(nèi)腔穿過并且兩端帶有大的基團的線性分子(thread)組成的分子化合物,其線性和環(huán)分子通過所謂的“力學(xué)鍵”(mechanical bonding)相連，而不是通過強的共價鍵或配位鍵連接，但分子的性質(zhì)卻由兩個單元分子共同決定。,理論上任何一個線性分子都可以穿入或穿過一

23、個內(nèi)徑足夠大的環(huán)分子，假如隨后在線性分子的兩端引入足夠大的基團能阻止線性分子的離去，就可以得到穩(wěn)定的輪烷分子 如果線性分子能從環(huán)分子內(nèi)腔離去，二者形成的超分子被稱為擬輪烷(pseudorotaxane) 輪烷表示，由一個線性分子和n1個環(huán)分子構(gòu)成的輪烷用n輪烷表示。,輪烷的發(fā)展 1988年Lehn作了關(guān)于超分子化學(xué)的演講,輪烷作為這一領(lǐng)域的嶄新成員迅速蝎起 1971年Schill為輪烷提出了一個較為完整的定義 隨著超分子理論的逐步健全，特別是分子識別理論、模板合成理論與技術(shù)的發(fā)展，使得人們能充分研究輪烷的性質(zhì)和應(yīng)用事實上人們已經(jīng)合成出多種類型不同、結(jié)構(gòu)各異、性質(zhì)獨特的復(fù)雜高級輪烷體系，關(guān)于輪烷的研究已成為當(dāng)代化學(xué)飛速發(fā)展的前沿領(lǐng)域,分類： 根據(jù)輪烷分子中的環(huán)分子 和兩端帶有大的基團的線性分子的組成不同，輪烷可大致分為下面幾類： 冠醚類輪烷 大環(huán)酰胺類輪烷 環(huán)糊精型,二 . 輪烷的合成,合成原理 通過利用環(huán)狀分子與線形分子之間的超分子作用力把線形分子與環(huán)狀分子固定在一起組裝成輪烷分子 。 主要作用力：金屬配位作用、-供體 -受體作用、疏水作用、氫鍵等.,合成方法 根據(jù)組裝的順序