《反应功能高分子》PPT课件.ppt

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1、,反应型功能高分子材料,第一节 概述反应型功能高分子材料：包括高分子试剂和高分子催化剂，主要用于化学合成和化学反应，有时也利用其反应活性制备化学敏感器和生物敏感器。从广义上说，离子交换树脂、吸附树脂、螯合树脂等也属于反应型功能高分子特点：高的反应性和选择性，甚至专一性；高的收率和反应活性；简化反应过程，提高材料的使用效率。,一与高分子试剂和高分子催化剂相关的一些概念1高分子化学反应试剂小分子试剂经过高分子化，在某些聚合物骨架中引入反应活性基团，得到的具有化学试剂功能的高分子化合物。利用高分子化学反应试剂在反应体系中的不溶性、立体选择性和良好的稳定性，可以在多种化学反应中获得特殊应用，也可以作为

2、化学反应载体，用于固相合成。2高分子化学反应催化剂通过聚合、接枝等方法将小分子催化剂高分子化，使具有催化活性的化学结构与高分子骨架相结合，得到的具有催化活性的高分子材料。它可用于多相催化反应，同时具有许多同类小分子催化剂不具备的性质。如固定化酶。,多肽的结构,多肽的分子结构,3均相反应在化学反应中如果原料、试剂、催化剂相互间互溶，在体系中处在同一相态中（混溶或溶解），称为均相化学反应；其中催化剂与反应体系成一相的催化反应称为均相催化反应。均相反应中，物料充分接触，反应速度快，但反应后产品纯化和催化剂回收较困难。4多相化学反应在化学反应中如果原料、试剂、催化剂中至少有一相在反应体系中不溶解或不混

3、溶，因而反应体系不能处在同一相态中，这种类型的反应称为多相化学反应；其中催化剂独立成相的称为多相催化反应。反应后产物分离，纯化、催化剂回收等较简单，快速，但反应只能在界面上进行，反应速度较慢。,二反应型功能高分子材料的应用特点及研究目标出发点：改进化学反应工艺过程 提高生产效率和经济效益 发展高选择性合成方法 消除或减少对环境的污染 探索新的合成路线如洛克菲勒大学merrifield教授（1984年诺贝尔奖）在1963年提出的氨基酸的固相合成简化了肽的合成过程，并使多肽可以按预先的设计自动地进行合成反应，在些基础上诞生了聚合物底物、聚合物试剂、聚合物催化剂等。20世纪末，Houghten、Fu

4、rka、Lam等利用同一反应器使用相同的反应条件同时制备出不同的多肽，提高了反应效率，提出了“茶叶袋”式的反应器，Furka首先提出了“混合裂分”方法，这类工作为组合化学奠定了基础。,特点：1负载在聚合物上的试剂或催化剂易通过简单过滤方法与反应体系分离，达到分离纯化的目的，简化反应的操作过程。2有利于贵重试剂和催化剂的回收和再生3可以把聚合物负载的试剂或催化剂装填在柱子内，使反应过程有可能实现连续自动化。4由于聚合物一般不溶、不挥发、无毒、无气味，因此可以把有毒、有气味的硫化物或硒化物制备成聚合物试剂，使用更为方便，也有利于环境保护。5利用其模板效应可以提高化学反应的选择性，提供在均相反应条件

5、下难以达到的反应环境，如无限稀释和高度浓缩6聚合物试剂的制备成本较高；7聚合物试剂的活性比普通试剂要低；8. 负载在聚合物上的试剂的分析表征比较困难；9. 有机聚合物载体的热稳定性较差，反应温度不能过高,三高分子效应1稀释和浓缩效应（固定化作用）2邻位效应3协同效应4聚合的模板效应5包络效应6场效应7不饱和配位效应,四反应型功能高分子材料的种类高分子试剂 高分子氧化还原试剂 高分子磷试剂 高分子卤代试剂 高分子烷基化试剂 高分子酰基化试剂 用于多肽和多糖等合成的固相合成试剂,高分子催化剂： 高分子酸碱催化剂 聚合物氢化和脱羰基催化剂 聚合物相转移催化剂 聚合物过渡金属络合物催化剂 固定化酶,第

6、二节 高分子化学反应试剂一高分子化学反应概述高分子试剂参与的化学反应路线高分子反应试剂的重要特征：1可以简化分离过程（一般经过简单过滤即可）2高分子试剂可以回收，经再生重新使用,二高分子氧化还原试剂氧化还原反应：在化学反应物之间有电子转移过程，反应前后反应物中某些原子价态发生变化氧化反应：主反应物失去电子还原反应：主反应物得到电子氧化反应试剂：能促使并参与氧化反应发生的试剂，在反应中自身被还原还原反应试剂：能促使并参与还原反应发生的试剂，在反应中自身被氧化三种类型：氧化试剂 还原试剂 氧化还原试剂,一）氧化还原型高分子试剂常见的品种：（根据分子结构活性中心的结构特征） 含醌式结构的高分子试剂

7、含硫醇结构高分子试剂 含吡啶结构高分子试剂 含二茂铁结构高分子试剂 含多核杂环芳烃结构高分子试剂这些试剂在结构上都有多个可逆氧化还原中心与高分子相连，是比较温和的氧化还原试剂，常用于有机化学反应中的选择性氧化反应或还原反应。,1氧化还原型高分子反应试剂的制备两种方法：含氧化还原活性中心的小分子的聚合：氧化还原活性中心的分布均匀，活性中心的密度大，但是形成的高分子试剂的机械强度受聚合单体的影响较大，难以保证；将含氧化还原活性中心的小分子引入到高分子结构上：其氧化还原活性中心一般主要分布在聚合物表面及浅层，活性点担载量较小，试剂的使用寿命受到一定的限制，但其机械强度受活性中心的影响不大。,1）醌型

8、氧化还原高分子试剂的合成路线,注意：（1）为保证试剂的良好稳定性，苯环上的氢原子应由其它原子或基团取代，当苯环上有未被取代的氢原子，试剂处于醌型氧化态时，易受自由基的攻击，引起交联反应，从而降低高分子试剂氧化还原的可逆性；（2）生成的聚合物中，氧化还原中心之间若能被有效地分隔，减少相互间的作用可以降低其氧化还原半波电位的范围，从而提高试剂的反应选择性，可通过共聚实现；（3）为改变试剂的选择性（氧化还原电位）可以通过改变苯环上的取代基来达到目的，因为取代基的电负性或空间构形可以改变醌型试剂得失电子的难易，从而改变其氧化还原电位；（4）制备具有低交联度的大网络型、高孔隙度的高分子反应试剂增大试剂的

9、比表面积和通透性，有利于氧化还原反应的进行。可以通过控制交联剂的加入量来实现。（5）生成的高分子试剂在反应体系中应具有良好的可润湿性和可溶胀性，使其有利于反应的进行。可引入磺酸基或季铵盐基团。,2）硫醇型氧化还原高分子试剂的合成路线这类试剂的最大优点是避免了与气味很大的硫化氢或其化巯基化试剂直接接触。两条路线：方法1：以聚氯甲基苯乙烯为原料，与硫氢酸钠发生亲核取代反应，直接生成含有硫醇基团的聚苯乙烯聚合物。,方法2：首先合成含巯基的可聚合单体（对巯基苯乙烯），用乙酰化保护巯基，再以此为原料，以AIBN为引发剂，引发聚合反应，然后水解脱保护得到硫酚类高分子试剂。其它方法：A、以聚苯乙烯的重氮盐为

10、原料，与C2H5OCSSNa反应，经水解制取硫酚类高分子试剂；B、以聚苯乙烯为原料，经磺化后，再经还原反应制备硫酚类高分子试剂。,3）吡啶类氧化还原型高分子试剂聚合型烟酰胺的制备 功能型小分子的聚合（常见） 通用高分子的功能化例：以对氯甲基苯乙烯为原料，使苄基氯与烟酰胺上的芳香氮原子直接反应，生成带有吡啶反应活性基团的单体，这种活性单体可能通过多种聚合反应生成高分子试剂。,联吡啶结构的高分子试剂的合成：通过引入吡咯基团后，再进行电氧化聚合反应制备，得到的高分子试剂直接附着在电极表面。与上述方法相比，反应条件温和，反应步骤少。,4）聚合型二茂铁试剂的合成路线,5）聚合型多核芳杂环化学反应试剂聚吩

11、噻嗪的合成：以对氯甲基苯乙烯聚合物为原料，与先期制备的二胺基吩噻嗪反应制得。,2高分子氧化还原型化学反应试剂的应用1）高分子醌试剂在化学合成中的应用,其它应用： 细菌培养时的氧气吸收剂 化学品储存和化学反应中的阻聚剂 彩色照相中使用的还原剂 氧化还原试纸2）硫醇类高分子试剂,3）聚合型烟酰胺烟酰胺的氧化还原反应：它是乙醇脱氢酶辅酶的活性结构中心，在生命过程中的氧化还原反应中起着重要作用。该反应在生命过程中的氧化还原反应中有重要的作用，其聚合物可制备聚合物修饰电极以应用到生物化学研究领域。,联吡啶结构的高分子试剂具有光致氧化还原变色性能和感湿性，利用不同的电压控制其氧化还原状态，可以使其成为光电

12、显色材料。如将联吡啶盐活性中心与吡咯通过适当长的碳链相连，经电化学聚合，可在工作电极表面生成含有联吡啶盐结构的薄膜，该膜具有光电显色性，且在特定的电极电位范围内表现出导体的性质。上述两种物质(烟酰胺和联吡啶)还可以作为电子转移催化剂(electron transfer catalyst)，或称为聚合物电子载体（polymeric electron carrier），研究某些反应动力学反应机理。,5）二茂铁高分子试剂可以与四价砷、对苯醌和稀硝酸等发生反应，可逆地被氧化成三价的二茂铁离子，这种铁离子可以再被三价钛或抗坏血酸所还原，伴随着氧化还原反应的进行，高分子试剂的颜色也随之发生变化。,（二）高

13、分子氧化试剂低分子氧化剂：化学性质不稳定，易燃、易爆、易分解失效，气味大。高分子氧化试剂：稳定性好、选择性高、可再生高分子过氧酸的合成稳定性好，在20下可以保存70天，-20时可以保持7个月无显著变化。,作用：使烯烃氧化成环氧化合物（采用芳香型过氧酸）或邻二羟基化合物（采用脂肪族过氧酸），这一反应过程在有机合成、精细化工和石油化工生产中是重要的合成方法。,聚对氯苯乙烯型高分子硒试剂的合成：以对氯苯乙烯为原料，依次与革氏试剂和硒反应，经酸性水解合成含硒的苯乙烯单体，再经聚合反应得到还原型有机硒试剂。此试剂再经氧化过程即可得到选择性很好的高分子硒氧化试剂。,作用：高分子有机硒可消除低分子有机硒化合

14、物的毒性和气味，而且具有良好的选择氧化性。可选择性地将烯烃氧化成邻二羟基化合物，或将环外甲基氧化成醛。特别是后者，要使氧化反应既不停止在醇的阶段，又不继续氧化成酸，而是以氧化性和还原性都很强的醛为主产物，是有机合成中致力解决的难题之一。,（三）高分子还原反应试剂1高分子还原试剂的合成1）高分子锡还原试剂的合成,2）聚苯乙烯磺酰肼的合成聚苯乙烯为原料，经磺酰化反应得到聚对磺酰氯苯乙烯中间产物，再与肼反应，得到有良好还原反应特性的磺酰肼高分子试剂。2高分子还原试剂的特点和应用高分子锡试剂的应用：将苯甲醛、苯甲酮和叔丁基甲酮等邻位具有能稳定正碳离子基团的含羰基化合物还原成相应的醇类化合物，并具有良好

15、的反应收率，特别是对于二元醛具有良好的单官能还原选择性。,对苯二甲醛经与此高分子还有试剂反应后，产物中单醛基的还原产物占到86%。该试剂还能还原脂肪族或芳香族的卤代烃类化合物，使卤素基团定量地转变成氢原子。与同类的小分子锡试剂相比，该类试剂稳定性好，无味，无毒,高分子磺酰肼反应试剂主要用于对碳碳双键的加氢反应，在加氢过程中对同为不饱和双键的羰基没有影响，是一种选择性还原剂。,其它的高分子氧化还原试剂及用途,高分子氧化还原试剂的其它键合：离子键和配位键。如聚乙烯吡啶 可以与BH3络合形成高分子还原剂，用于将活性苯甲醛和二苯酮等还原成相应的醇。强碱型离子交换树脂与硼氢化钠作用，利用离子交换过程，可

16、以制备具有硼氢化季铵盐结构的高分子还原试剂。弱碱性阴离子交换树脂与H3PO2-、SO22-、 S2O32- 、S2O42-等还原性阴离子作用，可以生成具有不同还原能力的高分子试剂。采用强酸型阳离子交换树脂与各种氧化还原型阳离子反应，可以生成具有不同氧化还原能力的高分子试剂。相对来说，这种高分子化方法制备得到的高分子试剂虽然在稳定性方面稍差一些，但是制备方法相对简单，回收和再生容易，因此也具有良好发展前途。,以无机和有机吸附剂作为载体，利用吸附作用也可以实现小分子氧化还原试剂的高分子化。例如，三氧化二铝可以吸附硼氢化钠作为还原剂，用于将各种醛酮还原成醇。三氧化二铝吸附异丙醇之后，可以使醛和酮进行

17、Meerwein-Pondorf-Verley还原反应，得到相应的醇。这种类型的高分子试剂在使用时应特别注意反应条件对试剂稳定性的影响。 三高分子卤代试剂卤化试剂要求能将卤素原子按照一定方式选择性地传递给反应物的特定部位。常用的卤化试剂挥发性和腐蚀性强，容易恶化工作环境并腐蚀设备。高分子化后可以减轻这些不利的影响，简化反应过程和分离步骤，同时高分子的空间和立体效应使其有更好的反应选择性。常见品种：二卤化磷型、 N-卤代酰亚胺型、 三价碘型,1高分子卤代试剂的合成路线1）含有三苯基二氯化磷结构的高分子卤代试剂：含三苯基化磷结构的化合物经常作为化学试剂或催化剂的母体，其中含有三苯基二氯化磷结构的高

18、分子可以作为卤代试剂。路线1：以对溴苯乙烯为起始物，经聚合反应生成带有溴苯结构的聚苯乙烯聚合物；在强碱正丁基锂的辅助作用下，在溴原子取代位置与二苯基氯化磷发生取代反应，生成高分子卤化试剂的前体-三苯基磷聚合物。这种结构的产物与某些金属反应生成的络合物是一种优良的高分子催化剂。三苯基磷聚合物再与过氧酸反应，生成的含有羰基的五价磷化合物与光气反应，即可得到高分子氯代试剂-三苯基二氯化磷聚合物。路线2：是聚苯乙烯为原料，在乙酸钛催化下与溴水反应制备聚对溴苯乙烯，再以上面同样的方法合成高分子氯代试剂。,2）N-卤代酰亚胺这是一种优良的卤代试剂，特别是在溴代和碘代反应中应用较多，其中溴代试剂称为NBS。

19、带有双键的五元环酰亚胺本身有聚合能力，为了有利于聚合反应的进行和提高高分子试剂的整体性能，通常采用酰亚胺与苯乙烯共聚来实现该试剂的高分子化，得到的共聚物再与溴水在碱性条件下反应，使溴原子取代酰亚胺氮原子上的氢原子，使其成为具有溴代反应能力的高分子试剂。另外一种合成路线是由也具有聚合能力的丁烯内二酸酐构成的五元环与苯乙烯共聚，生成的聚合物与羟胺反应，将五元环中的氧原子由氮原子替换，得到高分子卤代试剂的中间体聚酰亚胺，N基卤代后成为高分子卤代试剂。,3）三价碘高分子卤代试剂氯和氟等体积较小的卤族元素的卤代反应用上述试剂常得不到理想结果，需要另一种卤代试剂-三价碘高分子卤代试剂。这种试剂的合成也可以

20、直接从聚苯乙烯开始，在碘酸、硫酸、硝基苯的共同作用下，在聚苯乙烯中的苯环上发生碘代反应；此后苯环上生成的碘原子与氯或氟化合物进行氧化取代反应得到碘原子上带有氯或氟的三价碘高分子试剂。,2、高分子卤代试剂的特点和应用更多的应用是作为化学反应中间体和化学反应试剂如高级醇中的羟基不很活泼，从醇制备胺要先制备反应活性较强的卤代烃，由卤素原子代替羟基，然后再与胺反应，容易地得到产物。酯化反应中将酸转换成酰卤，提高反应活性，使反应进行完全利用二氯化磷型高分子氯化试剂从羧酸制取酰氯，和将醇转化为氯代烃。反应条件温和，收率高，试剂可回收利用。,N-溴代酰亚胺（NBS）对羟基及其它的活泼氢进行溴代反应。该试剂反

21、应过程中不产生卤化氢，保护环境，反应后的溶液的酸度不发生变化，反应易于进行到底，高分子化的NBS不仅可以对羟基等基团进行溴代反应，而且对其他活泼氢也可以进行溴代反应。,对不饱和烃进行加成，产物为饱和双取代卤代烃。高分子化的NBS试剂由于高分子对小分子试剂的屏蔽作用，使转化率下降，但选择性提高,三价碘用于氟代和氯代反应及上述两种元素的加成注意采用三价碘高分子氟化剂进行氟的双键加成时，常伴有重排反应，得到的产物常为谐二氟化合物。,其它的高分子卤代试剂,四高分子酰基化反应试剂作用：对有机化合物中氨基、羧基和羟基的酰化反应，分别生成酰胺、酸酐和酯类化合物。酰基化反应广泛用于有机合成中的活泼官能团的保护

22、，肽的合成等，酯化反应可改变化合物的极性，增加脂溶性和挥发性，但这一类反应通常要求加入过量的试剂，对反应后的分离带来了困难。高分子化的酰基化试剂可使反应后的分离过程简化，并可再生。主要品种：高分子活性酯 高分子酸酐1高分子酰基化反应试剂的合成方法1）高分子活性酯的合成,合成路线一：由对甲氧基苯乙烯与二乙烯苯合成生成的高分子活性酯中酰基通过共价键以与聚合物中的活泼羟基相连，有很高的反应活性，可以与有亲核特性的化合物发生酰基化反应，将酰基传递给反应物。,合成路线二：采用聚苯乙烯和对氯甲基邻硝基苯酚为原料，在三氯化铝催化下反应得到高分子活性酯前体，其活性中心与聚苯乙烯之间通过柔性亚甲基相连，可以降低

23、聚合物对活性点的干扰。,2）高分子化酸酐的合成方法一：酸酐型的高分子酰基化试剂可以采用聚对羟甲基苯乙烯为原料与光气反应生成反应性很强的碳酰氯，再与适当的羧酸反应得到预期的高分子酸酐型酰基化试剂。,方法二：先合成对乙烯基苯甲酸，经聚合反应生成的聚合物与乙二酰氯反应制备聚合型酰氯；再与苯甲酸反应得到高分子酸酐。2高分子酰基化试剂的应用1）高分子活性酯酰基化试剂：主要用于肽的合成，将溶液合成转变为固相合成，提高合成效率。,2）高分子酸酐的应用使含有硫和氮原子的杂环化合物上的胺基酰基化，而对化合物结构中的其他部分没有影响，如长效抗菌药物头孢菌素的制备：,3、其它的酰基化高分子试剂及其应用,五高分子烷基

24、化试剂作用：提供含单碳原子的基团，用于碳-碳键的形成，用以增长碳骨架品种：高分子金属有机试剂 高分子金属络物 有叠氮结构的高分子烷基化试剂合成路线： 功能性小分子的聚合 通过高分子的接枝反应,例：硫甲基锂型高分子烷基化试剂，可以用于碘代烷和二碘代烷的同系列化反应，用以增长碘化物中的碳链长度，可以得到较好的收率。反应后回收的烷基化试剂与丁基锂反应再生后可以重复使用。,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，副产物氮气在反应中自动除去。,六高分子亲核反应试剂亲核反应：在化学反应剂的多电部位（邻近有给电子基团）进攻反应物中的缺电部位（邻近有吸电子基团）的化学反应。亲核试剂多为阴离子

25、或为带有孤对电子和多电基团的化合物常用的品种：以阴离子交换树脂为载体，它与亲核试剂间以离子键结合。高分子亲核试剂多与含有电负性基团的化合物反应，如卤代烃中的卤素原子。,例：含-CN的高分子亲核试剂在一定的有机溶剂中与卤代烃一起搅拌加热，可得到多一个碳的氰化物，完成亲核反应。且卤代烃的分子体积越小，收率越高，对不同的卤素取代物，碘化物的收率高于溴化物和氯化物，氟化物不反应。,含-OCN负离子的高分子亲核试剂与卤代烃反应可制备脲的衍生物。,七其它的高分子试剂高分子缩合试剂高分子磷试剂高分子基团保护试剂高分子偶氮传递试剂：没有低分子同类试剂的爆炸性，使用安全，反应的后处理简单。,第三节 在高分子载体

26、上的固相合成一固相合成法概述肽的合成常规的液相合成：一年（舒缓激肽的九肽化合物）Merrifield的固相合成方法：8天（1963年）利用固相合成技术可实现有机化学合成反应的自动化，可用计算机控制反应。固相合成：在固体表面发生的合成反应，固体可能是所有反应物，也可能是反应物之一。无机固相合成：利用固相间反应制取固态化合物或固溶体粉料。如特定晶型的磷酸铝、铜钴氧化物等，以及利用固相模板合成锂离子电池电极材料。有机固相合成：在合成过程中采用在反应体系中不溶的有机高分子材料作为载体进行合成反应。,与常规的高分子反应试剂不同的是整个固相反应过程自始至终在高分子骨架上进行。在整个多步合成反应过程中，中间

27、产物始终与高分子载体相连接。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；在其余反应过程中只对中间产物，而不是反应试剂起担载作用和官能团保护作用。固相合成的过程：固相合成中，首先含有双功能团或多功能团的低分子有机化合物通过与高分子试剂反应，以共价键的形式与高分子骨架相结合。这种一端与高分子骨架相接，另一端的功能团处在游离状态的中间产物能与其他小分子试剂在高分子骨架上进行单步或多步反应。反应过程中过量使用的小分子试剂和低分子副产物用简单的过滤法除去，再进行下一步反应，直到预定的产物在高分子载体上完全形成。最后将合成好的化合物从载体上脱下即完成固相合成任务。,固相合成的示意图：固相合成

28、高分子试剂需具备的两种结构：对有机合成反应起担载作用，在反应体系中不溶解的载体起连接反应性小分子和高分子载体，并能够用适当化学方法断键的连接部分。,1、载体对载体的要求：1）载体在反应体系中不溶解，保证合成反应在固相上进行，达到简化合成过程的目的；2）载体具有高比表面积或在溶剂中有一定的溶胀性，前者要求固体的粒度要小，或为多孔性，后者要求构成载体的高分子有一定亲溶剂性，并要适度交联，以保证固相反应可以有适当的反应速度；3）载体高度功能化，其功能基在载体中的分布尽可能均匀，载体上应有一定的反应活性官能团，以利于反应性小分子的固化和合成反应效率的提高。4）载体可以用相对简单的方法再生重复利用。,常

29、用的载体：聚苯乙烯及二乙炔基苯和苯乙烯的共聚物及其衍生物，如氯甲基树脂、Pam树脂、waq树脂和氨基树脂等。聚酯功能化纤维载体，如纸片和棉花等。开发重点：提高载体的稳定性、增加功能团活性、扩大适用化学范围2连接结构主要功能：能够与参与反应的小分子发生化学反应，并在两者间生成具有一定稳定性的化学键，要保证在随后的合成反应中该键不断裂，在整个合成过程中十分稳定生成的连接键要有一定的化学活性，能够采用特定的方法使其断裂，又不破坏反应物的结构，保证固相合成反应后可以定量地分离（切割）反应产物。,常用的连接结构：需要根据固相合成的对象进行选择，即就根据合成对象中需要固化官能团的种类选择连接官能团的种类。

30、活性酯、酸酐酰卤、羟基、氨基等（主要用于多肽、寡核苷酸和寡糖的合成）双官能团化合物，如氨基、羟基巯基、溴、羧基、醛基等（主要用于其它有机合成）。双官能团连接分子通常可以分为对称和不对称两种。对称：1，10-癸二醇，1，8-辛二胺、邻或对苯二甲醛，癸二醇、癸二酸及甲盐或其酰氯，对苯二酚、对苯二胺等不对称：溴乙酰溴、溴乙酸、甘氨酸和其它氨基酸等多官能团化合物：甘油连接结构中除官能团外，其长短和链结构也对固相合成有一定影响。特别是对反应速度和反应的选择性影响较大，一般较长链有利于反应的进行。,3固相合成的应用多肽的合成寡糖的合成寡核苷酸的合成类肽、聚砜、聚脲的合成光学异构体的合成组合化学生物芯片技术

31、,二多肽的固相合成合成路线：首先氨基得到保护的氨基酸与高分子载体反应，分子间脱氯化氢，产物以酯键的形式与载体相连，在载体上构成一个反应增长点。然后在保证生成的酯键不断裂的条件下进行脱胺基保护反应，一般是条件温和的酸性水解反应，脱保护的氨基作为进一步反应的官能团第三步是取另一个氨基受保护的氨基酸与载体上的氨基发生酰化反应，或通过与活性酯的酯交换形成酰氨键反复重复第二和第三步，直到所需序列的肽链逐步完成最后用适宜的酸（氢溴酸和醋酸的混合液或用三氟醋酸及氢氟酸）水解解除端基保护，并使载体和肽之间的酯键断裂制得预序列的多肽。,常用的载体这些载体与第一个氨基酸反应形成的固化键都是苄酯键。形成苄酯键时用作

32、催化剂和中和所生成盐酸的试剂一般用有机碱，可以保证不发生重排等副反应。所用脱除试剂：脱除氨基酸中氨基或羧基的保护，如用盐酸和醋酸的混合物脱除氨基的保护基（叔丁氧基羧基）断开固化键，常用氢溴酸和醋酸的混合液,例：加压素（脑垂体后叶分泌的一种九肽）的合成,固相合成法已成为多肽的标准合成方法，目前已广泛采用自动蛋白质合成仪进行多肽的自动合成。此外对多肽和蛋白质的结构分析也往往需借助于固相合成方法，目前它的应用范围已大大超出了原来的范围。,三寡核苷酸的固相合成结构：所有核酸都是由磷酸、戊糖（核糖、脱氧核糖）、碱基（腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、脲嘧啶和胸腺嘧啶）构成。构成核酸的子结构,寡核苷酸的结构,1固相

33、合成过程2常用的载体 可控孔径玻璃珠、聚苯乙烯类,可控孔径玻璃珠（controlling pore glass，CPG）AminopropylCPGFmoc-LinkerAm-CPG,四固相合成在不对称合成中的应用不对称合成：在一定反应条件下，反应环境和体系对光学异构体的形成有区分作用得到的产物中两种光学异构体的比例不等于1：1，这样可以得到某一种光学异构体占优的化学产品，利用高分子的立体效应，在其上连接前手性反应物，进行固相不对称合成可有效地解决这一问题。这种方法是利用含有手性的载体，或利用高分子在前手性试剂的特定方向形成立体阻碍而产生立体选择性。,例：含有手性糖的交联聚合物为载体合成光学异

34、构体R-苯基乳酸。用三苯甲醇的聚苯乙烯树脂与只有一个游离羟基的戊糖结合构成一个有光学不对称结构的聚合物载体。利用载体上的游离羟基和手性结构，通过两步法合成R型光学异构体占多数的苯基乳酸，光学产率大于58%。,2-烷基取代环己酮手性异构体的合成,2-烷基取代环己酮手性异构体的合成,采用光活性催化剂固化到高分子上作为固相不对称合成试剂，最常用的是一些有手性特征的过渡金属络合物，如下面结构的固相合成试剂可以氢化制备具有光学活性的烃类聚合物手性相转移催化剂,常用的固相不对称试剂及其主要用途,五固相合成法在其他有机合成中的应用如轮烷hooplanes的合成，这是一种结构很特殊的物质，通常为两个或多个分子

35、或者分子本身相套连接在一起，形成非常特殊的轮形结构。,Hooplanel的合成如同车轮的装配，首先要在大环中插入车轴，再拧紧螺栓-三苯甲基，其中难度最大的是在分子水平上在车轮中插入车轴。其合成过程为：首先以常规合成方法合成Hooplanel中的环结构部分，然后将此大环结构通过酯键临时固定在高分子载体上，将此带有大环的高分子载体在适宜的反应条件下与癸二醇（车轴）和三苯甲基氯（螺栓）一起进行固相反应，按几率推算至少应有部分癸二醇插入大环中，并在插入期间与三苯甲基氯反应而拧紧螺栓，得到预产物。没有插入大环而又套入螺栓的副产物，以及过量的试剂通过过滤和清洗除去，高分子载体上只留下套在一起的产品和未反应

36、的固化大环，反复重复上述的反应过程（70次），理论上即可产生一定量的固化在载体上的产物。经水解反应将产物与聚合物载体分离，再经纯化除去未反应的大环化合物，合成即结束。可见在单元反应产率很低的合成中采用固相合成法，利用其产物易与其他试剂和副产物分离的特点，可以完成用其他方法难以实现的合成。,反应机理研究中的应用检测和捕捉化学反应中产生的短寿命中间体，为反应机理研究提供证据。如聚合物上含有烟酰胺结构和吡啶盐结构的高分子试剂可以捕捉四氧嘧啶和茚三酮型自由基中间体。可以捕捉自由基的固相试剂和被捕捉的自由基,第四节 高分子催化剂催化剂的作用：通过降低反应的活化能提高反应速率均相催化反应多相催化反应将均相

37、催化反应转变成多相催化反应，主要的方法之一是将可溶性催化剂高分子化，使其在反应体系中的溶解度降低，而催化活性又得以保存。常用的高分子催化剂：高分子酸碱催化剂（离子交换树脂）聚合物相转移催化剂高分子过渡金属络合物催化剂（用于加氢和氧化）固定化酶,一高分子酸碱催化剂常用品种：阴离子交换树脂，提供氢氧根 阳离子交换树脂，提供质子结构：适用的反应类型：酯化反应、醇醛缩合反应、烷基化反应、脱水反应、环氧化反应、水解反应、环合反应、加成反应、分子重排反应、某些聚合反应,反应方式：1将催化剂与其它反应试剂混合搅拌反应，反应后得到的反应混合物通过简单的过滤分离2将催化剂固定在反应床上进行反应，反应物作为流体通

38、过反应床，产物随流出物与催化剂分离。3将反应器制成柱状，催化剂作为填料填入反应柱中，反应时如同柱色谱分离过程一样将反应物与反应试剂从柱顶加入，在一定溶剂冲洗下通过填有催化剂的反应柱，当产品与溶剂混合物从柱中流出后反应即已完成。这种反应装置可以连续进行反应，在工业上可以提高产量，降低成本，简化工艺。用类似的方法，在强酸性阳离子交换树脂的催化下，成功地制备了二甘醇与月桂酸、油酸、硬脂酸的单酯化合物。,例：1、通过经Amberlite离子交换树脂催化的缩合反应可以从丁醛制备-乙基-羟基己醛；2、以丙酮为原料制备4-甲基-4-羟基戊酮-2；3、由间苯二酚和乙酰乙酸乙酯合成天然产物4-甲基-5-羟基香豆

39、素常用的高分子：多孔性的交联聚苯乙烯颗粒,二高分子金属络合物催化剂制备路线：通过共价键使金属络物中的配位体与高分子相连，构成的高分子配位体后再与金属离子进行络合反应形成高分子金属络合物。配位体结构：分子结构中含有P、S、O、N等可以提供未成键电子的配位原子，如EDTA、胺类、醚类、杂环类等；分子结构中具有离域性强的电子体系，如芳香族化合物和环戊二烯等。,高分子配位体的合成方法：1）利用聚合物和配位基上的某些基团反应，将配位体直接键合到聚合物载体上，制备高分子配位体；2）首先合成具有可聚合官能团的配位单体，然后在适当条件下完成聚合反应；3）合成得到的配位体单体也可以先与金属离子络合，生成络合物型

40、单体后再进行聚合反应，完成高分子化过程。但络合单体将影响聚合，甚至发生严重副反应，使聚合失败，因此较少用；4）某些无机材料如硅胶、也可以作为固化催化剂的载体。催化剂的应用：用于烯烃的加氢、氧化、环氧化、不对称加成、异构化、羰基化、烷基化、聚合等反应。,1加氢反应催化剂烯烃、芳香烃、硝基化合物、醛酮等带有不饱和双键的化合物均可在金属络合物催化剂作用下进行加氢反应。如高分子铑络合物催化剂。经此催化剂催化，烯烃在室温下，氢气压力只有1MPa的温和条件下即可进行加氢反应。与相应的低分子催化剂相比降低了氧敏感性和腐蚀性，反应物可以在空气中储存和处理。,高分子二茂钛络合物催化剂由可溶性均相加氢催化剂变为不

41、溶性多相加氢催化剂，易于催化剂的回收和产品的纯化，同时由于聚合物刚性结构的分隔作用克服了均相催化易生成二聚物而失效的问题。钯和铑的高分子络合物也是常用的加氢催化剂,钴或铑的高分子羰基络合物作为催化剂用于烯烃的羰基化反应，生成醛。此时烯烃与二氧化碳和氢气反应，直接生成多一个碳原子的醛类化合物。,2以硅胶为载体的高分子金属络合物催化剂硅胶表面的羟基可以与多种官能团反应生成酯或醚键。此外硅胶微粒经三乙氧基硅丙硫醇处理，在其表面键合一层含巯基配位体，配位体与铂等金属反应形成高分子化的催化剂。这种铂的络合物有催化氢硅加成作用，它可催化三乙氧基硅烷与己烯-1加成，可以得到正己基三乙氧基硅烷。催化剂的稳定性

42、好，可多次使用，同时材料价格低，比表面积大，机械强度较好。,3高分子金属络合物催化剂在太阳能利用领域应用如降冰片二烯（norbornadiene）在阳光照射下吸收光能，异构化为高能态的四环烷，从而储存能量。在室温下它是稳定的，但当与一些过渡金属络合物催化剂接触时，四环烷重新异构化为低能态的降冰片二烯，同时发出大量的热量。再生后的降冰片二烯受太阳光照后仍可异构化为四环烷，因此可反复使用。将这种具有异构化催化作用的催化剂高分子化后，能量转换过程将更易控制，而且过渡金属络合物催化剂的效能更好。,高分子化金属络合物催化剂在太阳能电池的应用：利用带有吡咯基的联吡啶作为配位体，与钌金属离子络合，再用电化学

43、聚合法在电极表面形成光敏感催化层。当电极表面由不同氧化还原电位的聚合物形成多层修饰时，如果结构安排合理，可以在电极之间得到光电流。高分子金属络合物催化剂的特点：1）降低催化剂的使用成本2）高分子结构改变反应点的立体环境，使高分子催化剂的立体选择性发生变化，以增强反应的选择性3）增加催化性能，在同一个聚合物上有可能同时连接两种不同功能的催化剂，使得多步催化反应有可能在同一个催化剂上完成。,三高分子相转移催化剂增加两相间界面反应速度的方法：增加搅拌速度以增大两相的接触面积，提高界面反应比例；使用非质子极性溶剂增加对离子型化合物的溶解度，如二甲基亚砜、二甲基甲酰胺等，但溶剂昂贵，沸点高难以除去，对环

44、境污染；采用相转移催化剂。相转移催化剂：指在反应中能与阴离子形成离子对，或者与阳离子形成络合物，从而增加这些离子型化合物在有机相中的溶解度的物质。主要包括亲脂性有机离子化合物（季铵盐和磷嗡盐）和非离子型的冠醚类化合物（借助与阳离子间的螯合作用完成上述过程）相转移反应过程,高分子相转移催化剂结构和主要用途,与小分子相转移催化剂相比，高分子催化剂不污染反应物和产物，催化剂回收容易，可使用较贵的品种，同时可以降低小分子冠醚类化合物的毒性，减少对环境的污染。总体上磷嗡离子催化剂的稳定性和催化活性比相应季铵盐型催化剂要好，而聚合物键合的高分子冠醚催化剂的活性最高，这得益于阳离子被络合后，增强了阴离子的亲

45、核反应能力。,四其它的高分子催化剂1高分子路易士酸和过酸催化剂特点：稳定性好，不易水解；降低生成较高分子化合物的竞争性副反应例：高分子三氯化铝，催化成醚、酯、醛的合成反应高分子过酸，通过在含强酸性阳离子交换树脂中引入路易士酸，如三氯化铝与磺酸基离子交换树脂的反应产物；全氟化的磺酸基树脂与三氯化铝反应制备的过酸，可以使中性石蜡油质子化,2聚合物脱氢和脱羰基催化剂脱氢：含组胺酸的嘧啶基结构（多种脱氢酶的活性点）的高分子化合物用于催化酯和酰胺的氢化反应，脱羰基：高分子表面活性剂如季胺化的聚乙胺、聚合型冠醚、聚乙二醇、聚乙烯基吡咯酮等3聚合物型pH指示剂和聚合型引发剂将偶氮类结构连接到高分子上，当遇难

46、酸或碱时发生颜色的改变，由此可制备聚合物型pH指示剂，其稳定性好，寿命长，不怕微生物攻击和不污染被测溶液可通过将过氧、或偶氮等具有引发聚合反应功能的分子结构高分子化，可得到聚合物型引发剂，可用于催化聚合物的接枝反应；如过渡金属卤化物高分子化可引发含端双键的单体的聚合生成接枝或嵌段聚合物,第五节 酶的固化及其应用酶是由各种氨基酸按不同次序连接而成的高分子化合物，其催化效率高，选择性好，大多数情况下是专一催化。但其稳定性不好，易变性失活，大多数为水溶性，催化反应后所得产物不易分离纯化。固化酶技术：解决上述问题，同时可以使酶促反应可以实现连续化，自动化，为制造“生物反应器”打下基础。,一固化酶的制备

47、方法对固化过程的要求：1）固化后酶催化剂不应溶于水或化学反应中使用的其它反应介质，以保证酶催化剂的分离和回收的简单性2）固化过程应不影响或少影响酶的活性3）固化方法的选择应考虑到酶自身的特点和结构，不要引入多余化学结构而影响酶的性质，尽可能利用酶结构中各种非催化活性官能团进行固化反应4）作为酶固化的载体应有一定的机械强度和化学 稳定性，以适应反应工尽可能求和有一定的使用寿命，保证不对或少对酶促反应产生不利影响,在温和的条件下进行固化方法：化学方法：通过化学反应生成化学键将酶连接到一定载体上，或采用交联剂通过与酶表面的基团将酶交联起来，构成分子量更大的蛋白质使其溶解性降低，成为不溶性的固化酶。物

48、理方法：包埋法、微胶囊法，将酶包起来，使其不能在溶剂中自由扩散，但是被催化的小分子反应物和产物应当可以自由通过，使之与酶催化剂接触。,1化学键合法固化酶载体：可为人工合成的，也可为天然的有机高分子，甚至无机高分子。对载体的要求：不溶于反应溶剂，并且分子结构中具有一定的亲水性基团，以保证在水中反应时的润湿性，高分子结构不影响酶的活性，结构中带有活性较强的基团如重氮盐、酰氯、醛、活性酯等反应条件温和，不能使用强酸、强碱和某些有机溶剂,例：含苯乙烯结构的高聚物作为酶固化载体，这种方法得到的固化酶稳定性好。,含缩醛结构的高聚物作为酶固化载体，可以与蛋白质中广泛存在的氨基发生缩合反应，在载体与酶间生成碳

49、氮双键，从而固化大多数的酶。或在聚合物中引入内酸酐基团，利用内酰胺化反应与酶中按基相连也可制备酶固化载体。内酸酐基团与酶蛋白质中的氨基反应，易形成稳定的内酰胺键实现酶固化。,聚酰胺或多肽经活化处理后也可作为载体，如尼龙经酸处理后表面出现羧基，可以与酶中的氨基结合。无机载体：如多孔性玻璃或硅胶方法一：氨丙基三乙氧基硅丙胺与硅胶表面的羟基反应，从而在硅胶上引入活性较强的氨基，氨基在缩合剂二环己基碳二亚胺（DCC）催化下与酶中的羧基反应形成酰胺键。,或在氨基的基础上再引入芳香族胺基，经重氮化后通过偶联反应固定酶：,离子交换树脂作为固化酶的载体，阳离子交换树脂可与酶中的氨基结合，阴离子交换树脂与酶中的

50、羧基结合实现固化，这种方法操作简单，反应条件温和，对酶活性影响不大，但离子交换树脂与酶的结合力较弱，且易受反应介质中酸碱度的影响，因此形成的固化酶的稳定性差。,2化学交联酶固化法利用带双端基官能团的化学交联剂，通过与酶中固有的活性基团进行化学反应，生成共价键使单个酶形成交联结构，从而将酶固化。从理论上讲任何具有能与酶中活性基团反应，实现交联的双功能基团低分子化合物都可以作为交联剂，但实际操作上由于保持酶活性对反应条件的限制，可采用的交联剂并不多。常用的可用于酶交联固化的交联剂：,3酶的物理固化法使用具有对反应物和产物有选择性能的材料将酶固定，使参与反应的小分子透过，而属于大分子的酶得到固定。1