化学功能高分子材料pptConvertor.docx
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化学功能高分子材料pptConvertor
第二章化学功能高分子材料
高分子试剂以及
固相合成、模板聚合
高分子催化剂、固定化酶
光化学反应高分子材料
本章主要内容及要求
掌握高分子试剂、高分子催化剂主要种类及其功能应用；
了解高分子试剂、催化剂的构效关系；
了解高分子试剂和高分子催化剂的特点、品种、制备及应用；
了解固相合成与模版聚合的概念及特点；
了解固定化酶的概念、特点及主要固定化方法；
重点：
高分子试剂、高分子催化剂的主要种类及功能应用。
难点：
高分子试剂、催化剂的构效关系。
概述
化学功能高分子含有化学反应活性功能基，是将小分子反应活性物质通过共价键、离子键、配位键或物理吸附作用结合于高分子骨架，主要用于化学合成和化学反应。
包括两大类：
高分子试剂
高分子催化剂
前者还与固相合成及模板聚合密切相关；后者还涉及固定化酶。
高分子试剂研究的主要内容：
通过功能基化的方法把有机合成反应中的试剂、反应底物键合到聚合物上，然后用这种聚合物承载的试剂或反应底物进行合成反应。
高分子试剂制备方法：
通过小分子化学试剂的功能化方法制备，经过高分子化的化学反应试剂，保持原有试剂性能外，还具有一些其他功能。
§2.1高分子试剂和固相合成
与相应小分子试剂相比，高分子试剂的特点：
易于分离回收，操作过程简便；
稳定性和安全性好，毒臭燃爆性降低；
可利用高分子效应，提高反应选择性；
可利用高分子效应，控制反应微环境；
由于骨架的空阻，反应活性往往降低；
由于制备复杂，试剂成本往往增加；
耐热性差，不利于高温反应。
高分子试剂参与的化学反应过程：
P：
起始聚合物母体；R：
小分子试剂（底物）；
P-R：
高分子试剂；P-B：
聚合物固相（副产物）；
A：
小分子作用物；C：
低分子（含产物）；D：
粗产物
PP-R（）C+P-B
D
过滤
精制
解脱
R
A
再生
结合方式：
反应型，负载型
§2.1.1高分子试剂
主要包括：
氧化-还原树脂
高分子氧化剂
高分子还原剂
高分子传递性试剂
其它：
高分子缩合剂、高分子农药/药物等
1。
氧化-还原树脂
含义：
在高分子骨架上含多个可逆氧化还原中心，兼具氧化和还原功能。
又称电子转移树脂。
作用：
是比较温和的氧化-还原试剂；在反应中起氧化还是还原作用取决于反应的初始氧化态。
制备方法主要有三种：
含氧化还原功能基的单体聚合；（注意基团保护）
通过大分子的化学反应（相似转变）接上氧化还原功能基；（功能化程度有限）
氧化还原性低分子吸附在离子交换树脂上。
（简便易行）
常用的五类氧化-还原树脂结构：
氢醌类
HO-OHO==O+2H++2e-
硫醇类
2R-SHR-S-S-R+2H++2e-
吡啶类（聚合型烟酰胺）
N+HA[R-N]+A-+2H++2e-
二茂铁类
Fe+HA[Fe]+A-
+H++e-
多核芳杂环类（聚吩噻嗪）
氧化还原树脂的性质及应用：
具有可逆的氧化还原性，进行有机合成或生化反应中的选择性氧化/还原反应；有的伴随颜色变化，具有其它功能应用。
醌类：
乙烯制备乙醛、氧吸收剂、阻聚剂、高分子半导体、氧化还原试纸；
硫醇类：
还原二硫化物和蛋白质中的过硫键；
吡啶类：
高分子烟酰胺类用于制备聚合物修饰电极用于研究生化反应、联吡啶类因光致氧化-还原变色性而用于光电显示材料、电子转移催化剂；
…
2。
高分子氧化剂
常用种类：
高分子过氧酸；-CH2-CH-O
高分子硒试剂：
C6H4-Se-C6H5
氯代硫代苯甲醚；
N-氯代聚酰胺；
利用络合、吸附或离子交换制备的高分子试剂，如：
-CH2-CH-+HCl.CrO3-CH2-CH-
NN
HCl.CrO3
高分子氧化剂的特点：
稳定性改善；
毒性降低；
选择性提高。
如：
氯代硫代苯甲醚选择性氧化二元醇的一个羟基
高分子硒选择性地氧化烯烃成醇，或氧化到醛
高分子氧化剂的应用：
有机合成中做氧化剂
3。
高分子还原剂
高分子锡（硅）氢试剂
含-Sn-H、-Si-H功能基；常用于还原醛；
具选择性：
如还原卤代而不影响羰基；二元醛的单还原。
高分子磺酰肼
含-SO2-NH-NH2功能基；常用于C=C加氢反应；
具选择性：
如对C=C加氢时不影响羰基。
高分子络合、离子交换、吸附型
BH3络合于聚乙烯吡啶；
强碱性离子交换树脂交换NaBH4；
NaBH4、异丙醇吸附于氧化铝
4。
高分子传递试剂
含义：
将高分子骨架上所带的化学基团传递给其它低分子反应物，使其被卤化、酰基化、烷基化等。
包括：
高分子卤化试剂
高分子酰基化试剂
高分子烷基化试剂
高分子偶氮化试剂
高分子偶合试剂
高分子亲核试剂
……
高分子卤化试剂
含活性高的介稳态卤原子，通过亲核取代或亲电加成，完成有机合成中的卤代反应。
表2-2高分子卤化试剂化学结构
制备
反应型：
将卤素引入高分子功能基（主要是含苯基磷高分子）；
负载型：
通过小分子卤素与高分子的络合、离子交换或吸附而成。
特点：
反应温和，有选择性，腐蚀性降低。
高分子酰基化试剂
使氨基、羧基和羟基发生酰化反应，相应生成酰胺、酸酐和酯。
常用于有机合成中活泼官能团的保护，也可用于极性产物的气相色谱分析、天然产物有效成分的分离提取。
高分子活性酯—用于合成多肽：
高分子酸酐
高分子烷基化试剂
在有机物中引入烷基或芳基，以增长碳骨架。
主要包括：
聚巯甲基苯乙烯；
含-N=N-NHCH3叠氮结构的高分子；
三苯膦基苯乙烯络合有机铜试剂
§2.1.2高分子载体上的固相合成
问题的提出：
合成多肽等的有机合成反应步骤复杂、难于分离、总产率低、周期长。
1963,Merrifield首次提出。
（1984,Nobel化学奖）
含义：
采用不溶于反应体系的低交联度高分子材料作为载体，将反应试剂通过与高分子上活性基的反应固定于其上。
反应过程中中间产物始终与载体相连，从而使有机合成在固相上进行。
反应完成后再将产物从载体上脱下。
优势：
分离纯化步骤简化；
反应总产率高；
合成方法可程序化、自动化进行。
意义：
可进行分子设计，合成有特定序列的高分子
含124个氨基酸残基的核糖核酸酶A，1960’s,Merrifield&Gutle;
含188个氨基酸残基的人类生长激素
应用领域：
有机合成；
生物活性大分子蛋白质、低聚核苷酸（多肽）、酶、寡糖等的定向合成；
手性不对称合成及消旋体的析离
固相合成的基本原理及步骤
—多肽的合成
多肽合成中的载体：
（氯甲基化苯乙烯-二乙烯基苯）共聚物：
载体选择的原则：
不溶于普通溶剂；
有一定刚性和柔性，机械稳定性好；
功能基分布均匀，可定量分析；
功能基易被反应试剂接近；
固相无副反应；
易于再生，重复使用。
最常用交联珠状的P（St-co-DVB）
-CH2-CH-
CH2Cl
基本原理及步骤
1.一个氨基酸分子（反应物）通过与载体上功能基的反应固定于载体，形成固化键（苄酯键）：
-CH2-CH-
2.加酸，氨基脱保护：
3.加另一氨基酸分子（另一反应物）及缩合剂，得到一肽键：
HOCO-CH-NH-[保护基]
CH2Cl
+HO-C-CH-NH-[保护基]
-CH2-CH-
CH2-O
-C-CH-NH-[保护基]
O
O
R1
R1
-CH2-CH-
HCl（HAc）
CH2-O
-C-CH-NH2
R1
O
R2
DCC
-CH2-CH-
CH2-O
-C-CH-NH-C-CH-NH-[保护基]
O
O
R1
R2
碱
4.重复2、3步，按指定次序增加氨基酸链节，直至合成所需多肽：
…
5.加酸，使苄酯键酸解，将多肽从载体上脱下，同时脱保护基：
说明：
每步反应后皆分离出中间体小球；
每加入氨基酸皆过量，使小球充分反应；
亦可将蛋白质固定于高分子载体上，进行逐步的Edmon降解，以测定氨基酸序列。
CH2OC-CH-NH-C-CH-NH-…-C-CH-NH-[保护基]
-CH2-CH-
O
O
O
Rn
R2
R1
+HO-CO-CH-NH-CO-CH-NH…CO-CH-NH2
HBr+HAc
-CH2-CH-
CH2Br
R1
R2
Rn
低聚核苷酸的合成
核酸多聚核苷酸核苷酸
磷酸
碱基已保护的核苷固定于载体（氯球）上；
反复与磷酸、核苷缩合，依次增加磷酸、核苷链节；
直至得到所需低（多）聚核苷酸；
切断苄酯键，使终产物与载体分离，同时脱去键基的保护基。
降解
（基本结构单元）
核苷
分解
碱基-戊糖
分解
组合化学技术与固相组合化学合成
组合化学技术：
利用相同或相近的反应条件，用自动或半自动的方法在短时间内合成大量结构近似的系列化合物。
库：
一组数量巨大的系列化合物。
库中化合物数用N表示：
N=bx
b—每步参与反应的结构单元数；
X—反应进行的步骤
固相组合化学合成的优势在于可通过过量试剂使反应物完全转化，易分离，可自动化。
主要用于新药开发，以提高效率、降低成本
§2.1.3模板聚合
含义：
利用单体分子与模板聚合物之间的物理、化学作用或立体选择作用，使聚合反应过程或产物具有某种选择性（如：
分子量的单分散性、序列结构的特殊性、立构规整性、或温和条件下反应的高活性、高选择性等）。
单体与模板聚合物相互作用的方式：
（共价键）；
离子键；
氢键；
电荷转移相互作用；
偶极相互作用；
模板的立体结构选择性；
实例：
DNA双螺旋的复制;
聚苯乙烯磺酸模板下的4-乙烯基吡啶聚合；
It-PMMA模板下的MMA聚合
§2.2高分子催化剂和固定化酶
金属、无机非金属化合物催化剂、小分子酸碱催化剂—高温高压，活性、选择性低，不易于与产物分离。
有机金属络合物催化剂—活性、选择性高，反应条件温和，易失活，难分离，易流失，腐蚀设备，成本高。
与小分子催化剂相比，高分子催化剂具有如下特点：
易于分离回收，不污染产物；
稳定性增加（对水、空气），易于操作；
反应选择性提高；
反应速率快、产率高、反应条件温和；
腐蚀性低；
反应活性往往比相应低分子催化剂降低。
高活性高选择性来自于多种高分子效应：
链上功能基之间的协同效应、多次催化；
如：
部分载Ag+的高分子磺酸催化乙酸烯丙酯的水解
基位隔离效应；
如：
高分子二茂钛催化加氢
选择性提高效应（尺寸选择性、极性选择性、立体选择性等）；
如：
载体孔径不同的高分子钌铑催化环十二碳三烯的加氢反应
活性提高效应
§2.2.1高分子催化剂
种类
天然高分子催化剂—酶
半天然高分子催化剂—固定化酶
合成高分子催化剂
含金属的酶
不含金属的酶
高分子酸碱催化剂（离子交换树脂）
高分子配位化合物（金属络合物）催化剂
高分子相转移催化剂（高分子冠醚）
高分子胶体保护的金属簇催化剂
1.高分子酸碱催化剂
即酸性或碱性离子交换树脂。
含酸（碱）性功能基，可在有机合成中起酸（碱）的催化作用。
易分离回收，可重复使用，产物不需中和，反应条件温和，催化反应可连续进行。
2.高分子配位化合物（金属络合物）催化剂
组成：
配体的结构：
含O、S、P、N等配原子，或带π电子的异戊二烯基、苯基。
载体的作用：
增加固相催化剂的比表面，提高催化活性
高分子配体
交联有机高分子
无机高分子
中心金属离子
载体
一种
多种
PS,PVC,PA,有机硅,聚乙烯吡啶,等
甲壳素，羊毛，蚕丝等
硅胶，聚金属胺烷
SiO2,Al2O3等金属氧化物
PS，聚吡啶
合成方法
离子键固载法：
有机金属络合阴（阳）离子通过离子交换固载于聚合物；
如：
共价键固载法：
聚合物骨架功能化形成高分子配体,再络合金属盐或有机金属化合物；
如：
（以上为化学键联,常用,牢固但复杂、成本高）
物理负载法：
浸渍法,金属盐或有机金属化合物被吸附锁闭在多孔聚合物载体的管道中.
如：
（简单但易脱落）
特点
易分离回收，不污染产物；高分子效应有利于提高催化活性和选择性；
中心金属离子易脱出；活性比相应有机金属络合物催化剂有所降低；反应物在骨架中扩散速度降低；有机骨架不耐高温，对某些反应介质敏感。
§2.2.2固定化酶
天然酶的优缺点：
高活性、高选择性、反
应规制性，反应条件温和。
水溶性，难于分离回收，
污染产物，易失活，难保存。
固定化酶的含义：
将生物活性酶用人工方法固定于载体上，使之不溶于水，同时仍具有催化功能。
固定化酶的特点：
易分离回收，可反复使用；
不污染产物；
可采用柱层法，或制成膜、珠状，实现酶促反应的连续自动化操作。
稳定性提高，对PH、温度敏感度降低；
活性一般降低（原活性的5%-40%）；
成本高
固定化酶的形态多样：
酶树脂、酶膜、微胶囊、酶纤维、酶导管等
酶的固定化方法
a.吸附法
b.共价结合法
c.包埋法
d.微胶囊法
酶的固定化方法
物理法
吸附法：
物理吸附或静电吸附于惰性载体或阴离子交换树脂微珠的细小多孔内；
如：
季胺、叔胺型
树脂球的微孔中
包埋法或微胶囊法：
包埋于聚合物凝胶的立体结构中，或半透膜微胶囊的中空微球中；
如：
交联聚丙烯酰胺
凝胶的交联结构
物理法特点：
成本低，易操作，活性损失少；易流失，包埋法中较大底物扩散困难。
：
酶分子
：
低分子
化学法（利用酶分子上的-SH、-OH、NH2、咪唑基等）
共价结合法：
酶通过共价键结合于高分子载体；
如：
纤维素球载体中纤维素分子中
的-NH与酶分子上的活性基反应
交联法：
酶通过与多官能团试剂反应而相互交联；
如：
用常用交链剂戊二醛
高分子复合物键连法：
酶包埋或键连于高分子复合物链之间。
化学法特点：
不易流失；活性损失大，成本高
A链
B链
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