反应性功能高分子

1、高分子试剂高分子试剂Polymer reagents分类分类Classification of polymer reagents实例实例Examples of polymer reagents高分子催化剂高分子催化剂Polymer catalysts分类分类Classification of polymer catalysts实例实例Examples of polymer catalysts高分子试剂及高分子催化剂的应用高分子试剂及高分子催化剂的应用Applications of polymer reagents and catalysts本章基本内容本章基本内容第二章第二章 反应型功能高分子

2、反应型功能高分子一一相关概念相关概念 Related conception 高分子试剂高分子试剂 Polymer reagents 小分子试剂经高分子化，在某些聚合物骨架上引入反小分子试剂经高分子化，在某些聚合物骨架上引入反应活性基团，得到具有化学试剂功能的高分子化合物。应活性基团，得到具有化学试剂功能的高分子化合物。 高分子催化剂高分子催化剂 Polymer catalysts 将小分子催化剂通过一定的方法与高分子骨架结合，得将小分子催化剂通过一定的方法与高分子骨架结合，得到的具有催化活性的到的具有催化活性的高分子高分子物质。物质。特点：特点： 在反应体系中不溶解，易除去在反应体系中不溶解，

3、易除去Insolubility 立体选择性好立体选择性好Stereoselectivity 稳定性好稳定性好Stability高分子试剂与高分子催化剂的优越性高分子试剂与高分子催化剂的优越性 （1）稳定性和安全性：）稳定性和安全性： 高分子骨架的引入对功能基具有一定的屏蔽作用，可大大提高分子骨架的引入对功能基具有一定的屏蔽作用，可大大提高其稳定性；其次高分子化后可大大减小试剂的挥发性，提高高其稳定性；其次高分子化后可大大减小试剂的挥发性，提高安全性。安全性。 （2）易回收、再生和重复使用）易回收、再生和重复使用: 可降低成本和减少环境污染。可降低成本和减少环境污染。 （3）化学反应的选择性更高

4、）化学反应的选择性更高: 利用高分子载体的空间立体效应，可实现立体选择性合成利用高分子载体的空间立体效应，可实现立体选择性合成及分离。及分离。 4（4）后处理较简单：后处理较简单： 在反应完成后可方便地借助固在反应完成后可方便地借助固- -液分离方法将高分子试剂或液分离方法将高分子试剂或高分子催化剂与反应体系中其他组分相互分离。高分子催化剂与反应体系中其他组分相互分离。 （5）可使用过量试剂使反应完全，同时不会使后处理变复杂。）可使用过量试剂使反应完全，同时不会使后处理变复杂。 （6）可应用于组合化学合成，实现化学反应的自动化）可应用于组合化学合成，实现化学反应的自动化。高分子试剂与高分子催化

5、剂的优越性高分子试剂与高分子催化剂的优越性均相化学反应均相化学反应 Homogeneous reaction在化学反应中，原料、试剂、催化剂相互溶解，在反应在化学反应中，原料、试剂、催化剂相互溶解，在反应体系中处于同一相态。体系中处于同一相态。多相化学反应多相化学反应 Heterogeneous reaction在化学反应中，原料、试剂、催化剂至少有一种在反应在化学反应中，原料、试剂、催化剂至少有一种在反应体系中不溶解或不混溶，反应体系不能处于同一相态中。体系中不溶解或不混溶，反应体系不能处于同一相态中。一一相关概念相关概念 Related conception一般有机合成步骤一般有机合成步骤

6、 General organic synthetic process均相化学反应均相化学反应Homogeneous reaction过滤过滤萃取萃取离心离心升华升华蒸馏蒸馏重结晶重结晶柱层析柱层析膜分离膜分离色谱分离色谱分离使用高分子试剂的有机合成使用高分子试剂的有机合成Organic synthetic process using polymer reagentHeterogeneous reaction仅用简单的过滤就可以达到分离的目的，并且高分子试剂回收再生仅用简单的过滤就可以达到分离的目的，并且高分子试剂回收再生发展高分子试剂和高分子催化剂的目的发展高分子试剂和高分子催化剂的目的u 简

7、化操作过程，提高化学反应的自动化和机械化程度u 有利于贵重试剂和催化剂的回收和再生u 提高试剂的稳定性和安全性u 提高化学反应的选择性（模板效应实现立体合成u 避免自反应的副反应，实现无限稀释效应有机全合成有机全合成Total synthesis 组合化学组合化学Combinatorial chemistry生物化学生物化学biochemistry & chemistry related technologies医药农业医药农业Medicine and agricultureApplications of polymer reagents and catalysts根据根据反应类型、反

8、应活性、聚合物上支载的试剂类型反应类型、反应活性、聚合物上支载的试剂类型划分划分高分子试剂的分类高分子试剂的分类 Classification of polymer reagents氧化还原型氧化还原型 Polymer bound oxidizing- reducing reagents卤代试剂卤代试剂 Polymer bound halogenating reagents酰化试剂酰化试剂 Polymer bound acylating reagents烷基化试剂烷基化试剂 Polymer bound alkylating reagents亲核试剂亲核试剂 Polymer bound nucl

9、eophiles亲电试剂亲电试剂 Polymer bound electrophiles固相合成试剂固相合成试剂 Polymer reagents for solid phase organic synthesis二二高分子氧化还原试剂高分子氧化还原试剂 含义含义 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。又称电子转移树脂电子转移树脂。 作用作用 是比较温和的氧化氧化- -还原试剂还原试剂；在反应中起氧化还是还原作用取决于反应的初始氧化态。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。 制备方法制备方法l 含氧化还原功能基的单体聚合；（注意

10、基团保护）l 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）l 氧化还原性低分子吸附在离子交换树脂上。（简便易行）二二高分子氧化还原试剂高分子氧化还原试剂高分子氧化还原试剂高分子氧化还原试剂u 具有可逆的氧化还原特性具有可逆的氧化还原特性醌型硫醇型吡啶型二茂铁型多核芳香杂环型醌型高分子氧化还原试剂醌型高分子氧化还原试剂OHHO二氢醌POOP醌醌型高分子氧化还原试剂的制备醌型高分子氧化还原试剂的制备.OHOHR1BrR2R3CH3CH2OCH=CH2OOR1BrR2R3OO加成反应On-C4H9LiOOR1R2R3OO-OOOR1R2R3OOOHKOH消去反应OOR1R2

11、R3OOpolymerizationCHH2CnOR3OR2OOR1deprotectionCHH2CnOHR3HOR2R1ROHH+注意事项注意事项u 稳定性稳定性为保证良好的稳定性，苯环上的为保证良好的稳定性，苯环上的氢原子应由其它基团所取代，因为试剂处于氢原子应由其它基团所取代，因为试剂处于醌型氧化态时，易受自由基进攻，引起交联醌型氧化态时，易受自由基进攻，引起交联反应。反应。u 溶胀性和润湿性溶胀性和润湿性为了有利于反应的顺利进为了有利于反应的顺利进行行,可在聚合物结构中引入磺酸基或者季铵盐可在聚合物结构中引入磺酸基或者季铵盐基团来改善试剂的溶胀性和润湿性。基团来改善试剂的溶胀性和润湿

12、性。醌型高分子氧化还原试剂的应用醌型高分子氧化还原试剂的应用u 均二苯肼氧化脱氢制备偶氮苯均二苯肼氧化脱氢制备偶氮苯NH NHNN偶氮染料：以偶氮基为发色团，以偶氮染料：以偶氮基为发色团，以偶氮苯偶氮苯为色原体的为色原体的染料，占合成染料二分之一左右。其中构造简单的苯染料，占合成染料二分之一左右。其中构造简单的苯化合物呈黄色、橙色或褐色。化合物呈黄色、橙色或褐色。 醌型高分子氧化还原试剂的应用醌型高分子氧化还原试剂的应用u以廉价的乙烯制取重要的化工原料以廉价的乙烯制取重要的化工原料乙醛。乙醛。u将硫化氢吸收氧化为单质硫，可在环保方面得到应用。将硫化氢吸收氧化为单质硫，可在环保方面得到应用。可以

13、通过简单的方法再生可以通过简单的方法再生硫醇型高分子氧化还原试剂硫醇型高分子氧化还原试剂2 P -RSH P -RS-SR- P + 2H+ + 2e-氧化还原硫醇型高分子氧化还原试剂的制备硫醇型高分子氧化还原试剂的制备通过侧链反应在通过侧链反应在聚合物骨架上引聚合物骨架上引入活性功能基入活性功能基硫醇型高分子氧化还原试剂的优点及应用硫醇型高分子氧化还原试剂的优点及应用u2 P -RSH +R1-S-S-R2 P -RS-SR- P + R1-SH + R2-SHu 优点优点较小分子的硫醇易氧化较小分子的硫醇易氧化u 应用应用可将二硫化合物和蛋白质中间的二硫健可将二硫化合物和蛋白质中间的二硫健

14、断裂，还原成巯基断裂，还原成巯基二茂铁的发现和结构二茂铁的发现和结构 20世纪世纪50年代合成出一种新物质年代合成出一种新物质Fe(C5H5)2，称二茂铁，两个环戊烯基与，称二茂铁，两个环戊烯基与一个一个Fe原子形成夹心面包式的分子结构，原子形成夹心面包式的分子结构，西方俗称三明治结构。西方俗称三明治结构。 二茂铁二茂铁（dicyclopentadienyl iron）是一种金属有机化合物。常是一种金属有机化合物。常温下为橙黄色粉末，有樟脑气味。熔点温下为橙黄色粉末，有樟脑气味。熔点172度度-174度，沸点度，沸点249度，不溶于水，易溶于苯、乙醚、汽油、柴油等有机溶度，不溶于水，易溶于苯、

15、乙醚、汽油、柴油等有机溶剂。与酸、碱、紫外线不发生作用，化学性质稳定，剂。与酸、碱、紫外线不发生作用，化学性质稳定，400度度以内不分解。以内不分解。二茂铁型高分子氧化还原试剂的制备二茂铁型高分子氧化还原试剂的制备引入乙烯基聚合引入乙烯基聚合在强碱作用下直接聚合在强碱作用下直接聚合二茂铁型高分子氧化还原试剂二茂铁型高分子氧化还原试剂使用时的颜色变化使用时的颜色变化作为氧化还原指示剂或者作为电极修饰材料制备分析用指示电极。作为氧化还原指示剂或者作为电极修饰材料制备分析用指示电极。Fe氧化还原Fe+三三 高分子氧化剂高分子氧化剂常见的高分子氧化剂包括：高分子过氧酸高分子硒氧化物高分子氯代硫醚N-氯

16、代聚酰胺通过络合、离子交换、吸附等作用力将低分子氧化剂 与高分子载体相结合得到的高分子化氧化剂。 小分子氧化剂小分子氧化剂：不稳定。易爆，易燃，易分解失效，不稳定。易爆，易燃，易分解失效，有的毒性大并且气味难闻，贮存、运有的毒性大并且气味难闻，贮存、运输、使用困难，输、使用困难，高分子氧化剂高分子氧化剂：稳定性好，稳定性好， 贮存、运输、使用方便贮存、运输、使用方便三三 高分子氧化剂高分子氧化剂CHH2CnCOOOH高分子过氧酸（含有过氧酸结构（含有过氧酸结构(COOOH)的高分子氧化剂）的高分子氧化剂）主要用途主要用途（1）将烯烃氧化成环氧化合物。（2）将烯烃氧化成邻二羟基化合物制备方法制备

17、方法：（1）以聚苯乙烯为原料，经过乙酰化、氧化反应得到聚乙烯苯 甲酸，然后与双氧水反应得到高分子过氧酸。（2）以聚甲基丙烯酸甲酯为原料，经碱性水解释放出羧基，再 与双氧水反应实现过氧化。三三 高分子氧化剂高分子氧化剂CHH2CnCH3COClCHH2CnCCHH2CnOKMnO4COOHCH3SO3H70%H2O2CHH2CnCOOOH高分子过氧酸的制备高分子过氧酸的制备三三 高分子氧化剂高分子氧化剂高分子过氧酸的应用高分子过氧酸的应用三三 高分子氧化剂高分子氧化剂高分子硒氧化物高分子硒氧化物（含有硒氧键（含有硒氧键(SeO)的高分子氧化剂）的高分子氧化剂）主要用途：主要用途：（1）将烯烃氧化

18、成邻二羟基化合物三三高分子氧化剂高分子氧化剂（2）选择性将芳香环外甲基氧化成醛制备方法：制备方法： 三三高分子氧化剂高分子氧化剂N-N-氯代聚酰胺氯代聚酰胺主要用途：主要用途：具有选择性氧化能力，它可以在温和条件下，使具有选择性氧化能力，它可以在温和条件下，使伯醇氧化成醛，仲醇氧化成酮，或者将芳香族硫伯醇氧化成醛，仲醇氧化成酮，或者将芳香族硫醚氧化成亚砜。醚氧化成亚砜。三三高分子氧化剂高分子氧化剂N-N-氯代聚酰胺氯代聚酰胺制备方法：制备方法：以尼龙以尼龙-3或尼龙或尼龙66等聚酰胺为原料，与氧化剂等聚酰胺为原料，与氧化剂t-BuOCl，Cl2O或者或者HClO反应，得到反应，得到N-氯代酰胺

19、氯代酰胺高分子氧化剂。高分子氧化剂。三三高分子氧化剂高分子氧化剂四四 高分子还原试剂高分子还原试剂 高分子锡（硅）氢试剂高分子锡（硅）氢试剂l 含-Sn-H、 -Si-H功能基；常用于还原醛；l 具选择性：如还原卤代而不影响羰基；二元醛的单还原。 高分子磺酰肼高分子磺酰肼l 含-SO2-NH-NH2功能基；常用于C=C加氢反应；l 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、吸附型高分子络合、离子交换、吸附型l BH3络合于聚乙烯吡啶；l 强碱性离子交换树脂交换NaBH4；l NaBH4、异丙醇吸附于氧化铝高分子锡还原试剂的制备高分子锡还原试剂的制备CHH2CnBr格氏反应C

20、HH2CnMgBrCHH2CnSn ClCln-BuLiAlH4CHH2CnSnHHn-Bun-BuSnCl3高分子锡还原试剂的优点及相关用途高分子锡还原试剂的优点及相关用途u 稳定性好稳定性好u 无气味无气味u 低毒性低毒性 u 还原某些羰基化合物还原某些羰基化合物u 选择性还原二醛中的一个选择性还原二醛中的一个u 定量的将卤代烃中的卤素转变为氢定量的将卤代烃中的卤素转变为氢高分子锡还原试剂的应用高分子锡还原试剂的应用CHOCOOCH2OHOHOHCHH2CnSnHHn-Bu高分子锡还原试剂的应用高分子锡还原试剂的应用CHH2CnSn HHn-BuCHOCHO+CH2OHCH2OHCH2OH

21、CHO+14%86%选择性还原二醛化合物选择性还原二醛化合物高分子磺酰肼试剂高分子磺酰肼试剂*CH2-CHn*CH2-CHn*CH2-CHnSO2ClH2N-NH2SO2NHNH2应用：对碳碳双键选择性加氢，对羰基的双键没影响。应用：对碳碳双键选择性加氢，对羰基的双键没影响。OOHOSO2Cl五五. 高分子酰基化试剂高分子酰基化试剂高分子酰基化试剂的特点高分子酰基化试剂的特点u 可以是高分子活性酯和高分子酸酐可以是高分子活性酯和高分子酸酐CHH2CnOCORNO2CHH2CnCH2ONO2COO CO制备方法实例高分子酰基化试剂的作用高分子酰基化试剂的作用u 醇醇-酯酯u 胺胺-酰胺酰胺u 酸

22、酸酸酐酸酐l 主要应用于多肽的合成主要应用于多肽的合成OHNH2COOHO-CNHOC-O-COOCO高分子酰基化试剂 高分子载体上的固相合成高分子载体上的固相合成 问题的提出问题的提出：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。反应过程中中中间产物始终与载体相连间产物始终与载体相连，从而使有机合成有机合成在固相上进行在固相上进行。反应完成后再将产物从载体上脱下。 优势优势：l 分离纯化步骤

23、简化；l 反应总产率高；l 合成方法可程序化、自动化进行。 意义意义：可进行分子设计，合成有特定序列特定序列的高分子l 含124个氨基酸残基的核糖核酸酶A，1960s, Merrifield & Gutle;l 含188个氨基酸残基的人类生长激素 应用领域应用领域：l 有机合成；l 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；l 手性不对称合成及消旋体的析离 高分子载体上的固相合成高分子载体上的固相合成 多肽的合成 多肽合成中的载体多肽合成中的载体：l （氯甲基化苯乙烯-二乙烯基苯）共聚物： 载体选择的原则载体选择的原则：l 不溶于普通溶剂；l 有一定刚性和柔性，机

24、械稳定性好；l 功能基分布均匀，可定量分析；l 功能基易被反应试剂接近；l 固相无副反应；l 易于再生，重复使用。 最常用交联珠状的P(St-co-DVB)CH2CHCH2CHCHCH2CH2Cln 基本原理及步骤基本原理及步骤l 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）：固化键（苄酯键）：l 2. 加酸，氨基脱保护：l 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-保护基保护基 (一般用DCC除水)CH2CHCH2ClnHOOC-CHNHR2R1保护基碱CH2CHCH2OCOnCHNHR2R1H+CH2CHCH

25、2OCOnCHNH2R1HOOC-CHNHR2R1CH2CHCH2OCOnCHNHCOR1CHNHR2R1DCCN C NH2ONHONH二环己基碳二亚胺二环己基脲l 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，使苄酯键苄酯键酸解，将多肽从载体上脱下，同时脱保护基：l 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。CH2CHCH2OCOnCHNHCOR1CHNHR1CO CHNHR2R1 H |H2NCCOOH | R COOH |H-NHCH | R+ H

26、COOH | |H2NCCONHCH | | RR肽键肽键 C，H，O，N，S 多肽多肽Protein六六. 高分子催化剂高分子催化剂 polymer catalystpolymer acid-base catalyst高分子酸碱催化剂polymer metal complex高分子金属络合物polymer phase transfer catalyst高分子相转移催化剂immobilized enzyme固定化酶u 高分子酸碱催化剂属于高分子酸碱催化剂属于离子交换树脂，是具有网离子交换树脂，是具有网状结构的复杂的有机高分子聚合物。状结构的复杂的有机高分子聚合物。u 网状结构的骨架部分一段很稳

27、定，不溶于酸、碱网状结构的骨架部分一段很稳定，不溶于酸、碱和一般溶剂。和一般溶剂。u 在网状结构的骨架上有许多可被交换的活性基团。在网状结构的骨架上有许多可被交换的活性基团。u 根据活性基团的不同、离子交换树脂可分为阳离根据活性基团的不同、离子交换树脂可分为阳离子交换树脂（子交换树脂（高分子酸催化剂）高分子酸催化剂）和阴离子交换树和阴离子交换树脂（脂（高分子碱催化剂）高分子碱催化剂）两大类两大类。 高分子酸碱催化剂结构高分子酸碱催化剂结构高分子酸碱催化剂的特点高分子酸碱催化剂的特点 1、网状结构 2、难溶（水、酸、碱、有机溶剂） 3、稳定（热、机械、化学） 4、含活性基团（-SO3H、-COO

28、H、-NOH）提供-H或者-OH基团催化反应。u阳离子交换树脂具有酸性基团，这种树脂的阳离子交换树脂具有酸性基团，这种树脂的化学性质很稳定，具有耐强酸、强碱、氧化化学性质很稳定，具有耐强酸、强碱、氧化剂和还原剂的性质，因此应用非常广泛。剂和还原剂的性质，因此应用非常广泛。u根据活性基团离解出根据活性基团离解出H H+ +能力的大小不同，阳能力的大小不同，阳离子交换树脂分为强酸性和弱酸性两种。离子交换树脂分为强酸性和弱酸性两种。u强酸性阳离子交换树脂，常用强酸性阳离子交换树脂，常用R-SOR-SO3 3H H表示表示(R(R表示树脂的骨架表示树脂的骨架) )u弱酸性阳离子交换树脂，分别用弱酸性阳

29、离子交换树脂，分别用R-COOHR-COOH和和R-R-OHOH表示。表示。阳离子交换树脂（高分子酸催化剂）分类阳离子交换树脂（高分子酸催化剂）分类u 强酸性阳离子交换树脂应用较广泛，强酸性阳离子交换树脂应用较广泛，（酸、中、碱介质均可用）（酸、中、碱介质均可用）u 弱酸性阳离子交换树脂的弱酸性阳离子交换树脂的H H+ +不易电离，不易电离，所以在酸性溶液中不能应用，但它的选所以在酸性溶液中不能应用，但它的选择性较高而且易于洗脱，可用酸洗脱。择性较高而且易于洗脱，可用酸洗脱。阳离子交换树脂制备方法阳离子交换树脂制备方法苯乙烯与少量二乙烯基苯共聚，可得到交联聚苯乙烯： CH=CH2CH=CH2C

30、H=CH2+CH-CH2-CH-CH2 CH-CH2 CH-CH2nCH-CH2 CH-CH2 CH-CH2CH-CH2 CH-CH2 CH-CH2交联苯乙烯 将交联聚苯乙烯制成微孔状小球，再在苯环上引入磺酸基、将交联聚苯乙烯制成微孔状小球，再在苯环上引入磺酸基、羧基、氨基等，可得到各种阳离子交换树脂羧基、氨基等，可得到各种阳离子交换树脂： PPSO3H+ H2SO4(发烟)+ H2O交联苯乙烯强酸性阳离子交换树脂水处理剂、酸性催化剂 阳离子交换树脂能够交换阳离子。例如： 2PSO3PSO3H + Ca2+ 2H+Ca2 阳离子交换树脂还能代替硫酸作催化剂，产率高， 污染少，便于分离。 SO3HSO3HSO3HSO3HSO3HSO3HSO3HSO3HSO3HSO3HSO3HSO3HSO3HSO3HSO3HSO3HSO3HSO3HSO3HSO3HSO3H-SO3H：活性基团：树脂基体u 阴离子交换树脂与阳离子交换树脂具有阴离子交换树脂与阳离子交换树脂具有同样的有机骨架，只是所联的活性基团