《功能高分子》PPT课件.ppt

2020 3 26 功能高分子材料电子教案 功能高分子材料 主讲人 王德松 Tel 81669901 88632187 2020 3 26 第四章高分子试剂 一 基本概念二 历史发展三 高分子试剂参与有机合成反应示意图四 高分子试剂的主要优缺点五 高分子试剂的主要种类六 高分子试剂的制备七 高分子试剂的主要应用八 高分子载体上的固相合成九 主要参考文献 2020 3 26 一 基本概念 通过功能化反应将有机合成中的小分子试剂或小分子反应底物键合到聚合物分子链上 然后进行有机合成反应的功能高分子材料 高分子试剂 Polymerreagent 2020 3 26 二 历史发展 1962年R B Merrifield发明的固相肽合成法随后许多科学家开展了高分子试剂研究 80年代末 在固相有机合成基础上发展起来的组合化学技术 开辟了新药开发的全新途径 2020 3 26 二 历史发展 R B Merrifield美国生物化学家 1921年7月15日生于得克萨斯州沃思堡1943年获加利福尼亚大学文学士学位1944年入加利福尼亚大学研究生院攻读博士学位 2020 3 26 二 历史发展 1949年获哲学博士学位 后在加利福尼亚大学任教1966年后 任洛克菲勒大学生物化学教授 1953年起 Merrifield开始从事蛋白质化学的研究 主要研究多肽和蛋白质的合成1959年5月开始研究多肽固相合成法1962年成功地用固相合成法合成二肽和四肽 2020 3 26 二 历史发展 1963年用8天合成了含有9个氨基酸残基的缓舒激肽1969年合成由124个氨基酸残基组成的核糖核酸酶A1984年荣获诺贝尔化学奖 2020 3 26 二 历史发展 HaroldVarmus哈罗德 瓦穆斯 2020 3 26 二 历史发展 1939年生于美国纽约长岛 1955年进入阿默斯特学院 取得文学学士学位 1966年在哥伦比亚大学获医学博士学位 1989年获诺贝尔医学奖 克林顿竞选班子主要成员奥巴马政府科技委员会副主任 2020 3 26 二 历史发展 EdwardWitten 爱德华 威滕 美国BrandeisUniversity主修历史 同时学习语言学 2020 3 26 二 历史发展 曾在UniversityofWisconsin Madison学习过经济学研究生课程后到PrincetonUniversity学习数学并转物理系师从诺贝尔奖获得者DavidGross教授 获物理学博士学位 2020 3 26 二 历史发展 研究物理学中超玄理论28岁普林斯顿大学教授1990年荣获Fields奖 2020 3 26 三 高分子试剂参与有机合成反应示意图 作为高分子试剂 2020 3 26 三 高分子试剂参与有机合成反应示意图 作为高分子底物 2020 3 26 四 高分子试剂的主要缺优点 容易分离 简化了反应操作 高分子试剂主要优点 可以再生 重复使用 反应过程有可能实现连续化 机械化操作 2020 3 26 四 高分子试剂的主要缺优点 对环境友好 高分子试剂主要优点 高分子试剂的反应活性和选择性往往提高 2020 3 26 四 高分子试剂的主要缺优点 高分子试剂的制备步骤较多 成本较高 高分子试剂的主要缺点 聚合物骨架的位阻作用会引起反应试剂的扩散问题 降低反应效率 2020 3 26 四 高分子试剂的主要缺优点 在聚合物分子链上生成的副产物难以分离 高分子试剂的主要缺点 高分子试剂不适合较高温度的合成反应 2020 3 26 五 高分子试剂的主要种类 1 高分子氧化还原试剂 2 高分子卤代试剂 3 高分子酰基化试剂 4 高分子烷基化试剂 5 高分子亲核试剂 2020 3 26 高分子氧化还原试剂 氧化试剂在氧化还原反应中得电子的试剂 还原试剂在氧化还原反应中失电子的试剂 2020 3 26 高分子氧化还原试剂 氧化还原试剂根据反应条件的不同 既可以作氧化试剂又可以作还原试剂的试剂 经高分子化后 这三类试剂分别叫做高分子氧化试剂 高分子还原试剂和高分子氧化还原试剂 2020 3 26 1 高分子氧化试剂 化学性质不稳定 易燃 易爆 易失效 造成储存 运输和使用上的困难 小分子氧化剂的缺点 沸点较低 挥发性较大 在常温下有难闻的气味 恶化工作环境 2020 3 26 1 高分子氧化试剂 典型的高分子氧化剂 高分子过氧酸试剂 高分子硒试剂 2020 3 26 2 高分子还原试剂 高分子锡还原试剂高分子磺酰肼还原试剂 典型的高分子还原试剂 2020 3 26 3 高分子氧化还原试剂 含醌式结构的高分子试剂 2020 3 26 3 高分子氧化还原试剂 含硫醇结构的高分子试剂 2020 3 26 3 高分子氧化还原试剂 含吡啶结构的高分子试剂 2020 3 26 3 高分子氧化还原试剂 含二茂铁结构的高分子试剂 2020 3 26 3 高分子氧化还原试剂 含杂原子的多环芳烃结构的高分子试剂 2020 3 26 2 高分子卤代试剂 卤化反应包括卤元素的取代反应和加成反应 用于这类反应的化学试剂叫做卤代试剂 2020 3 26 2 高分子卤代试剂 取代反应 加成反应 2020 3 26 2 高分子卤代试剂 1 挥发性 恶化工作环境 常用的小分子卤代试剂的缺点 2 腐蚀性较强 腐蚀生产设备 2020 3 26 2 高分子卤代试剂 不挥发 高分子卤代试剂的优点 不腐蚀 3 简化反应过程和分离步骤 4 空间效应和立体效应使高分子卤代试剂具有更好的反应选择性 2020 3 26 2 高分子卤代试剂 典型的高分子卤代试剂 二卤化磷型N 卤代酰亚胺型三价碘型 2020 3 26 3 高分子酰基化试剂 酰基化反应是指对有机化合物中氨基 羧基和羟基的酰基化反应 分别生成酰胺 酸酐和酯类化合物 2020 3 26 3 高分子酰基化试剂 这一类反应常常是可逆的 为了使反应进行完全 往往要求加入过量的酰基化试剂 反应完后过量的试剂和反应产物的分离比较困难 2020 3 26 3 高分子酰基化试剂 高分子酰基化试剂 不溶于反应体系 反应结束后分离比较容易 并且高分子酰基化试剂可以再生重复使用 2020 3 26 3 高分子酰基化试剂 典型的高分子酰基化试剂 高分子活性酯高分子酸酐 2020 3 26 4 高分子烷基化试剂 烷基化反应 主要是在有机合成反应中形成碳 碳键 以增长碳链 2020 3 26 4 高分子烷基化试剂 金属有机试剂 高分子烷基化试剂主要包括 高分子金属络合物 叠氮结构的高分子烷基化试剂 2020 3 26 4 高分子烷基化试剂 典型的高分子烷基化试剂 含金属离子的高分子烷基化试剂 叠氮结构的高分子烷基化试剂 2020 3 26 5 高分子亲核试剂 亲核反应 试剂的多电部位 临近有给电子基团 进攻反应物中缺电子部位 临近有吸电子基团 的化学反应 2020 3 26 5 高分子亲核试剂 亲核试剂多为阴离子 或带有孤对电子核多电基团的化合物 一般高分子亲核试剂的载体为阴离子型离子交换树脂 2020 3 26 5 高分子亲核试剂 典型的高分子亲核试剂 2020 3 26 六 高分子试剂的主要制备方法 高分子试剂的一般制备过程 1 选择或合成聚合物载体 2 对聚合物载体进行功能基化 引入能够和小分子试剂相互作用的功能基 3 通过一系列化学反应把小分子试剂键载到聚合物载体分子上 2020 3 26 高分子氧化还原试剂 1 高分子氧化试剂 聚苯乙烯过氧酸聚苯乙烯与乙酰氯发生芳香亲电取代反应 生成聚对乙酰苯乙烯 在酸性条件下 聚对乙酰苯乙烯与无机氧化剂 高锰酸钾或铬酸 反应 乙酰基上的羰基被氧化 得到聚对羧基苯乙烯中间体 在甲基磺酸的参与下 采用70 双氧水氧化 得到了聚苯乙烯过氧酸 2020 3 26 1 高分子氧化试剂 聚苯乙烯过氧酸的制备过程示意图 2020 3 26 1 高分子氧化试剂 高分子硒试剂对氯苯乙烯与格氏试剂和硒反应 再经酸性水解生成含硒的苯乙烯单体经聚合反应得到还原型的高分子硒试剂经氧化即可制得选择性很好的高分子硒氧化试剂 2020 3 26 1 高分子氧化试剂 高分子硒氧化试剂制备过程 2020 3 26 2 高分子还原试剂 高分子锡还原试剂制备过程示意图 2020 3 26 2 高分子还原试剂 聚苯乙烯磺酰肼制备过程示意图 2020 3 26 3 高分子氧化还原试剂 醌型高分子氧化还原试剂溴代二氢醌与乙基乙烯基醚反应形成酚醚 将酚羟基保护起来 在强碱正丁基锂作用下 酚醚与环氧乙烷反应 得到羟乙基取代物 羟乙基取代物在碱性溶液中发生脱水反应 得到可聚合的乙烯基 经过聚合反应制得高分子骨架 脱去保护基就得到了与醌型高分子氧化还原试剂 2020 3 26 醌型高分子氧化还原试剂 醌型高分子氧化还原试剂的制备示意图 2020 3 26 硫醇型高分子氧化 以聚氯甲基苯乙烯为原料 然后与硫氢酸钠发生亲核取代反应 得到含有硫醇基团的高分子试剂 2020 3 26 硫醇型高分子氧化 首先合成含有巯基的可聚合单体 对 巯基苯乙烯 通过乙酰化反应保护巯基 然后进行聚合反应制得聚合物 聚合物经过水解脱保护得到硫醇型高分子试剂 2020 3 26 吡啶类高分子氧化还原试剂 以聚合烟酰胺的制备为例 这类高分子氧化还原试剂也有两种制备方法 1 以聚合物为起始原料制备 2 以功能型单体的合成为出发点制备 2020 3 26 吡啶类高分子氧化还原试剂 以对 氯甲基苯乙烯为起始原料 然后与烟酰胺反应合成带有氧化还原基团的可聚合单体 再经过聚合即得到高分子试剂 2020 3 26 吡啶类高分子氧化还原试剂 吡啶类高分子氧化还原试剂的制备示意图 2020 3 26 二茂铁型高分子氧化还原试剂 乙烯基二茂铁聚合反应制备 2020 3 26 2 高分子卤代试剂 以三苯基二氯化磷聚合物卤代试剂为例介绍 以对溴苯乙烯为起始原料 经过聚合反应制成聚对溴苯乙烯 或以聚苯乙烯为原料 在乙酸钛催化下与溴水反应制备聚对溴苯乙烯 在强碱性的正丁基锂辅助作用下 聚对溴苯乙烯与二苯基氯化磷进行取代反应 生成高分子卤代试剂前体 三苯基磷聚合物 三苯基磷聚合物与过氧酸反应 生成含有羰基的五价磷聚合物 再与光气反应即可得到高分子氯代试剂 三苯基二氯化磷聚合物 2020 3 26 2 高分子卤代试剂 三苯基二氯化磷聚合物的制备示意图 2020 3 26 3 高分子酰基化试剂 以高分子活性酯的制备为例介绍 第一种制备方法对甲氧基苯乙烯与二乙烯基苯进行共聚反应 生成的共聚物共聚物与三溴化硼反应生成聚对羟基苯乙烯经硝酸硝化得到聚间硝基对羟基苯乙烯 硝化的目的是增强酚羟基的活性与酰卤反应得到有很强酰基化能力的高分子活性酯试剂 2020 3 26 3 高分子酰基化试剂 高分子活性酯的制备示意图 2020 3 26 3 高分子酰基化试剂 第二种制备方法采用聚苯乙烯和对氯甲基邻硝基苯酚为原料 在三氯化铝催化作用下反应 得到高分子活性酯前体 再与酰卤反应得到具有酰基化作用的高分子试剂 2020 3 26 3 高分子酰基化试剂 高分子活性酯的制备示意图 2020 3 26 六 高分子试剂的主要应用 高分子过氧酸 1 高分子氧化试剂 稳定性好 不易爆炸 在20 下可以保存70天 在 20 下可以保存7个月 高分子过氧酸具有氧化选择性 2020 3 26 1 高分子过氧酸 高分子过氧酸主要有两种类型 芳香型高分子过氧酸 烷基型高分子过氧酸 2020 3 26 1 高分子过氧酸 芳香型过氧酸氧化烯烃成环氧化合物 2020 3 26 1 高分子过氧酸 烷基型过氧酸氧化烯烃成邻二羟基化合物 2020 3 26 1 高分子过氧酸 2020 3 26 2 高分子硒氧化试剂 高分子硒是一类最新发展起来的高分子氧化试剂 消除了小分子有机硒化合物令人讨厌的毒性和气味具有良好的选择氧化性 2020 3 26 2 高分子硒氧化试剂 可以选择性的将烯烃氧化成邻二羟基化合物 可以选择性地将环外甲基氧化成醛 既不停止在醇的阶段 又不继续氧化成酸 2020 3 26 2 高分子硒氧化试剂 2020 3 26 2 高分子还原试剂 高分子锡还原试剂 高分子磺酰肼还原试剂 2020 3 26 2 高分子还原试剂 高分子锡还原试剂 具有稳定性高 无气味 低毒性等优点 能将苯甲醛 苯甲酮 叔丁基甲酮等邻位具有能稳定碳阳离子能力的羰基化合物还原成相应的醇 2020 3 26 2 高分子还原试剂 高分子锡还原试剂 对二元醛有较好的单官能团还原选择性 例如 将苯二甲醛还原为对羟基甲基苯甲醛 产率可达86 2020 3 26 2 高分子还原试剂 高分子锡还原试剂还原二元醛 2020 3 26 2 高分子还原试剂 高分子磺酰肼主要用于C C双键的加氢反应 具有还原选择性 在反应过程中对同为不饱和双键的羰基没有影响 2020 3 26 2 高分子还原试剂 高分子磺酰肼选择性还原双键 2020 3 26 2 高分子还原试剂 2020 3 26 3 高分子氧化还原试剂 醌型结构的高分子氧化还原试剂 使有机化合物氧化脱氢生成不饱和键 例如 在催化剂存在下 高分子醌试剂可以使均二苯肼氧化脱氢生成偶氮苯 2020 3 26 3 高分子氧化还原试剂 可以使 氨基酸发生氧化型Strecker降解反应 生成小分子醛 氨和二氧化碳 2020 3 26 3 高分子氧化还原试剂 高分子醌试剂与二氯化钯催化剂组成一个复合体系 连续把乙烯制成乙醛 2020 3 26 3 高分子氧化还原试剂 高分子醌试剂与碳酸钠组成一个复合催化剂体系 连续把硫化氢还原成硫 2020 3 26 3 高分子氧化还原试剂 硫醇类高分子氧化还原试剂 使二硫化物和蛋白质中的 S S 键断裂 还原为巯基 而高分子试剂中的巯基转变为 S S 基团 硫醇高分子氧化还原试剂 R1 S S R2 R1SH R2SH 2020 3 26 3 高分子氧化还原试剂 二茂铁高分子氧化还原试剂可以被四价砷 对苯醌和稀硝酸氧化成三价的二茂铁离子 可以被三价钛离子或抗坏血酸还原为二价的二茂铁离子 伴随着氧化还原反应的可逆进行 高分子试剂的颜色发生可逆的变化 2020 3 26 4 高分子卤代试剂 二氯化磷型高分子氯代试剂 将羧酸转化为酰氯将醇转化为氯代烃 其优点是反应条件温和 收率较高 高分子试剂可再生反复使用 2020 3 26 4 高分子卤代试剂 二氯化磷型高分子氯代试剂 2020 3 26 4 高分子卤代试剂 三价碘型高分子卤代试剂 主要用于氟代和氯代反应 但是三价碘高分子氟代试剂进行氟的双键加成时 常发生分子重排反应生成副产物 2020 3 26 4 高分子卤代试剂 三价碘型高分子卤代试剂 2020 3 26 5 高分子酰基化试剂 高分子活性酯是常见的高分子酰基化试剂 经常用于肽的合成反应 首先 高分子活性酯前体与肽序列中的第一个氨基酸反应生成活性酯 然后与羧基受保护的第二个氨基酸反应 使两个氨基酸按预定顺序结合 反应过后 通过简单方法使高分子骨架与产物分离 再经过过滤得到粗产物 进一步纯化即可得到纯净的产品 2020 3 26 5 高分子酰基化试剂 高分子活性酯合成肽示意图 2020 3 26 5 高分子酰基化试剂 含有酸酐结构的高分子酰基化试剂 可以对含有硫和氮原子的杂环化合物上的氨基酰基化 而对化合物结构中的其他部分没有影响 例如 含有酸酐结构的高分子酰基化试剂可以改造头孢菌素 得到长效型抗菌药物 2020 3 26 5 高分子酰基化试剂 含有酸酐结构的高分子酰基化试剂 2020 3 26 6 高分子烷基化试剂 硫甲基锂型高分子烷基化试剂 可用于碘代烷和二碘代烷的同系列化反应 以增长碘化物中的碳链长度 2020 3 26 6 高分子烷基化试剂 硫甲基锂型高分子烷基化试剂 2020 3 26 6 高分子烷基化试剂 带有叠氮结构的高分子烷基化试剂与羧酸反应可以制备相应的酯 该酯化反应容易进行到底 2020 3 26 七 高分子载体上的固相合成 固相合成反应概述 1963年 Merrifield报道了在高分子载体上合成肽的固相合成法 在有机化学研究领域具有重要意义 2020 3 26 七 高分子载体上的固相合成 固相合成反应概述 固相合成法是采用高分子材料作为反应试剂的载体 合成反应不管是一步还是多步 都是从头到尾都在高分子骨架上进行 高分子载体上的活性基团往往只参与第一步反应和最后一步反应 而在其它反应过程中只对中间产物起担载作用和官能团保护作用 2020 3 26 七 高分子载体上的固相合成 固相合成反应过程 含有双功能基团或多功能基团的小分子有机化合物与高分子试剂反应 一端与高分子骨架相连 另一端的游离官能团与其它小分子试剂进行反应 2020 3 26 七 高分子载体上的固相合成 固相合成反应过程 过滤 除去过量的小分子试剂和低分子副产物 再进行下一步反应 直到预定的产物在高分子骨架上完全生成 最后将合成好的化合物从高分子骨架上解脱下来 2020 3 26 七 高分子载体上的固相合成 固相合成反应的应用多肽 低聚核苷酸 多糖以及某些大环化合物的合成 在固相合成法诞生以前 合成一种叫做舒缓激肽的有生物活性的九肽化合物 一般需要一年的时间 Merrifield采用固相合成法合成同样的化合物仅用了8天的时间 据报道 124肽已经合成