第一节 概述
一、 反应型功能高分子
高分子试剂和高分子催化剂统称为反应型功能高分子材料，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。众所周知，化学反应试剂和催化剂是有机合成反应中的两种最重要的物质。从某种程度上讲，在合成反应中化学反应试剂和催化剂对反应的成功与否常起着决定性的作用。在化学工业中，化学试剂和催化剂的功能强弱及质量的高低，常决定着产品产量的多少和质量的高低。随着化学工业的发展和合成反应研究的深入，这些领域对新的化学反应试剂和催化剂提出了越来越高的要求。不仅要求有高的收率和反应活性，而且要具有高选择性，甚至专一性；同时，简化反应过程，提高材料的使用效率，也对化学试剂和催化剂提出了新的要求。而大量的高性能的试剂与催化剂的不断涌现，特别是具有特殊功能和性质的高分子试剂和催化剂的出现与大量使用，也大大推动了化学工业和合成反应的研究。与小分子化学反应试剂和催化剂相比，高分子化的试剂和催化剂具有许多优良的性质，能够解决许多小分子试剂难以解决的合成问题，更加符合21世纪绿色化学的要求。目前已经开发出了多种不同类型的高分子反应试剂和高分子催化剂，这些高分子试剂和高分子催化剂以其独特的性质，在科研和生产实践中得到了广泛的应用。 二、 高分子试剂及其分类
1概念
高分子试剂是一类自身的化学反应性很强，能和特定的化学物质发生特定化学反应的化学物质。它直接参与合成反应，并在反应中消耗掉自身。比如，常见的能形成碳—碳键的烷基化试剂—革氏试剂、能与化合物中羟基和氨基反应形成酯和酰胺的酰基化试剂等就属于高分子试剂。小分子试剂经过高分子化，在某些聚合物骨架上引入反应活性基团，得到的具有化学试剂功能的高分子化合物被称为高分子试剂。利用高分子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，也可以作为化学反应载体，用于固相合成反应。
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2高分子试剂的反应类型
利用高分子试剂进行化学合成，一般有三种类型：一种是高分子试剂本身参加了反应；另一种是高分子试剂仅起催化反应，即高分子催化剂；第三类是高分子试剂仅作负载低分子反应物的支持体。
（1）高分子试剂本身参与反应
这类高分子试剂品种很多，在有机合成上有重要的作用，如高分子酰化剂、卤化剂、缩合剂等。如图10―1所示，在高分子试剂参与下，小分子有机反应物进行了化学反应，生产了产物。过滤后，滤液经纯化得到产物；因高分子参与反应，所以固体物需经再生而成高分子试剂后，才能继续使用。
接上官能 低分子团 的高 反应物分子试剂PF高分子试剂再生图10―1 高分子试剂参与反应示意图
高分子母体预过滤期产品（C）P+B预溶剂挥发期纯品产或纯化品（C）（粗品）（2）高分子试剂仅起催化作用
早已使用的氢型和羟型离子交换树脂就是属于这种类型，它们代替了低分子的水溶性酸碱催化剂。近年来象Friedel—Crafts催化剂AlCl3，以及一些过渡金属络合物都可以制成高分子催化剂来使用。
（3）高分子试剂仅作负载低分子反应物的支持体
从图10―2可见，反应生成的中间产品结合在高分子支持体上。经过反应后，生成了目标产物，再从高分子支持体上解离下来。过滤，挥发掉溶剂，就可以得到纯产物。在反应过程中，高分子试剂没有参加反应。生成物从支持体上竭力解离后，不必经再生，可直接使用。过滤，回收，得到的是原来结构的高分子试剂，它没有基团转移到产物中。
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低分子反应物(A)+高分子载体(P)P与低分子结合的高分子A与产催化剂物结合低分子的试剂高分子PC解离过滤预期产品(C)溶剂挥发纯产物或纯化高分子支持体(P) 再生
图10―2 高分子试剂仅作支持体参与反应的示意图
3.高分子试剂的优缺点
将低分子的底物、试剂负载到不可溶的高分子上进行有机化学反应与常规的有机合成方法相比具有相当的优越性。
(1)高分子试剂在反应完成以后可以很容易地通过过滤的方法与非负载的反应组分分离，可以大大简化反应操作。
(2)高分子试剂可以再生，重复使用，这样在经济上有一定的吸引力。 (3)反应过程有可能实现连续自动化、机械化操作。如果反应过程足够快，可用一根填有高分子试剂的反应柱，其他的反应物依次通过反应柱即可完成反应过程。
(4)由于聚合物一般不溶、不挥发、无毒无溴，因此，聚合物负载的硫醇、硒类试剂对环境是友好的。
(5)一些低分子试剂制成高分子试剂以后，其活性和选择性会提高。 尽管高分子试剂在有机合成中有其显著的优点，但是，由于它本身一些固有的缺点，使得高分子试剂不能广泛应用。
(1)由于高分子试剂的制备需要经过多个步骤的处理过程，其成本比低分子试剂高得多。一般来说，普通聚合物经过一次处理后的成本要增加30％左右，这在工业生产上是必须认真考虑的向题。高分子试剂的再生和重复使用能否弥补制备成本增加是决定高分子试剂能否实用化的关键因素。
(2)低分子试剂经过负载化后，聚合物骨架的位阻作用会引起反应试剂的扩
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散问题。
(3)—些在聚合物上反应生成的副产物难于分离，有时鉴定也很困难。 (4)有机高分子载体的耐热性较差，在高温下的反应不适。
三、高分子催化剂及其分类 1 概念
高分子催化剂是一类特殊物质，它虽然参与化学反应，但是其自身在反应前后并没有发生变化(虽然在反应过程中有变化发生)。它的功能在于能几十倍，几百倍地增加化学反应速度；在化学反应中起促进反应进行的作用。常用催化剂多为酸或碱性物质(用于酸碱催化)，或者为金属或金属络台物。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称为高分子催化剂。同高分子试剂一样，高分子催化剂可以用于多相催化反应；同时具有许多同类小分子催化剂所不具备的性质。作为一种特殊催化剂，酶通过固化过程可以得到固化酶，成为一类专一性多相催化剂。
2 高分子催化剂的反应类型
很久以前科学家就发现，有些物质可以大大加快某些化学反应的速度，而自身在反应前后却并未发生变化，这些物质就是我们常说的催化剂。在化学反应中催化剂不能改变反应的趋势，而是通过降低反应的活化能提供一条快速反应通道。有催化剂参与的反应称为催化反应。催化反应可以按照反应体系的外观特征划分为两大类。
（1）均相催化反应 催化剂完全溶解在反应介质中，反应体系成为均匀的单相。在均相反应中反应物分子可以相互充分接触，有利于反应的快速进行。但是反应完成之后一般需要较复杂的分离纯化等后处理步骤将产品与催化剂分开。而在处理过程中常常会造成催化剂失活或损失。
（2）多相催化反应 与均相催化反应相反，在多相催化中催化剂自成一相，反应过后通过简单过滤即可将催化剂分离回收。这种催化剂最初大多由过渡金属和它们的氧化物组成。不溶于反应介质是由于它们的物理化学性质所决定而非人为。
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由于多相反应后处理简单，催化剂与反应体系分离容易(简单过滤)，回收的催化剂可以反复多次使用，因此近年来受到普遍关注和欢迎。特别是对于那些制造困难，价格昂贵，又没有理想替代物的催化剂，如稀有金属络合物等，实现多相催化是非常有吸引力的，对工业化大生产更是如此。为此人们开始研究将均相催化转变成多相催化反应，其主要手段之一就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，而催化活性又得到保持。在这方面最成功的例证是用于酸碱催化反应的离子交换树脂催化剂、聚合物相转移催化剂和用于加氢和氧化等催化反应的高分子过渡金属络合物催化剂。生物催化剂——固化酶从原理上讲也属于这一类。
3 高分子催化剂的优点
高分了负载催化剂由于其特殊的大分子结构，表现出小分子催化剂无法比拟的特点。
(1) 基位隔离效应 基位隔离效应是指当催化活性物种或功能基被负载在高分子载体上以后，由于聚合物链具有一定的刚性从而避免或减少了活性功能基间的相互作用。聚合物载体上基位隔离效应的最直接证据是高度活泼、不能游离存在的苯炔中间体被负载于聚合物上时，其存在寿命高达60S。
（2）经特定设计、制备的高分子负载催化剂往往较其小分子对应体有更高的催化选择性，这在精细有机合成中格外有用。对于交联聚合物载体孔结构的认真裁制，可赋予高分子负载金属催化剂以明显的尺寸选择性。
(3)活性提高效应 已经有研究实例证明：当均相催化活性物种被负载到经仔细裁制的聚合物载体上时，保持原均相物种催化活性或得到活性高于均相物种的高分子催化剂是完全可能的。高度不稳定的催化活性物种被负载于聚合物载体上可因明显提高了其稳定性而使催化活性和选择性同时得到提高。
(4)协同效应 如高分子负载金属催化剂，高分子链上除催化功能基外尚存在另一个功能基，它能以不同方式(如静电引力、配价键力等)吸引反应物分子使其快速接近催化功能基，使催化反应更容易进行，这种作用被称为协同效应。这是以催化功能基为主、协同作用功能基为辅同时进行的一个催化过程。
当然，催化剂在引入高分子骨架以后，在带来上述优点的同时，也会带来下列不利之处。
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①增加试剂生产的成本 在试剂生产小高分子骨架的引入和高分子化过程都会使高分子试剂和催化剂的生产成本提高。比较复杂的制备工艺也是成本增加的因素之一。
②降低化学反应速度 由于高分子骨架的立体阻碍和多相反应的特点，与相应的小分子试剂相比，由高分子试剂进行的化学反应，其反应速度一般比较慢。
第二节 高分子试剂的制备及应用
高分子试剂根据所具有的化学活性有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、高分子酰基化试剂等。除此之外，用于多肽和多糖等合成的固相合成试剂也是重要的一类高分子试剂。
一、高分子氧化还原试剂
高分子氧化还原试剂是一类既有氧化作用，又有还原功能，自身具有可逆氧化还原特性的一类高分子试剂。特点是能够在不同情况下表现出不同反应活性。经过氧化或还原反应后，试剂易于根据其氧化还原反应的可逆性将试剂再生使用。根据这一类高分子反应试剂分子结构中活性中心的结构特征，最常见的该类高分子氧化还原试剂可以分成以下5种结构类型（图10―3）。
这5类高分子试剂在结构上都有多个可逆氧化还原中心与高分子骨架相连，都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。在化学反应中氧化还原活性中心与起始物发生反应，是试剂的主要活性部分，而聚合物骨架在试剂中一般只起对活性中心的担载作用。
1 氧化剂
(1)过氧酸
有机过氧酸已广泛用于有机化合物的合成中，但它不稳定，易分解。将 过氧酸合成在高分子上，生成高分子过氧酸，可以克服上述缺点。典型的高分子过氧酸合成路线见图10―4。图10―4给出了从高分子交联聚苯乙烯出发，合成过氧酸树脂1 的三条不同路线。与低分子过氧酸相比，高分子过氧酸的稳定性好，分解慢。在―20℃下可放置数月，活性不下降。
它可氧化各种烯烃，生成环氧化物。例如，它氧化环己烯，生成环氧化合物，收率达86%。得到的羧酸树脂，经过氧化氢氧化再生成过氧酸树脂，可以反复使
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用，见式（10―1）。
P醌型高分子试剂HOOH氧化O还原PO+2H+2e硫醇型高分子试剂 氧化PRSH 还原PRSSRP+2H+2eP吡啶型高分子试剂NR+氧化HA还原PNPRA+2H+2eP二茂铁型高分子试剂氧化Fe+HAFeA+H+e还原HN氧化还原NR2NR2N+多核芳香杂环型高分子试剂NR2SH+eSNR2
图10―3 典型氧化还原试剂及其反应
CH2+CHOCH2+CH(10-1)COOOHCOOH
（2）硒氧化物
低分子有机硒氧化物能氧化烯烃生成二元醇，但是有恶臭和毒性，给操作带来麻烦。将硒化合物合成在高分子上，生成高分子硒试剂，可避免这一缺点。高分子硒试剂的合成，可以从对苯乙烯出发，在四氢呋喃溶剂中与镁反应，生成格氏试剂。与硒反应后，经酸水解，生成含硒的苯乙烯。由AIBN引发聚合得到聚合物与溴苯反应后，生成还原型高分子有机硒试剂，再经氧化得到高分子硒氧化试剂，见式（10―2）。
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CH2CHOCH3CClAlCl3CH2CHCH3OCH2ClZnCl2CH2CHCCH3KMnO4CH2CHOCH2ClDMFCH2CHCH2SOCl2DMF/C6H6CHCOOHCOH2O2ClNa2O2, H2O2, DMFCHOCCl4O3, 室温CH2CH1OCOOH
图10―4 高分子过氧酸的合成
也可以交联聚苯乙烯先溴化，再与苯硒化钠反应制得高分子硒氧化试剂2（见式10―3）。高分子硒化合物2，具有良好的选择氧化性。例如异辛烯氧化生成二元醇（见式10―4）；甲基萘氧化成萘甲醛（见式10―5）。生成的硒化合物再经氧化处理后，可反复使用。
CH21Mg, THF2SeBr3HSeAIBN△SeHNaBH4CHCH2BrCH[O]CH2CH(10-2)SeOSe 8
CH2CHCH2CHCH2CHSeNa+Se[O]SeO(10-3)2
CH2CHCHCH3CCH3CHCH3(CH2)3CH3+SeOCH3CCH(CH2)3CH3+Se(10-4)OHOH
CH2CHCH2CHCH3+CHOSeO+Se(10-5)
(3)高价碘氧化剂
与小分子试剂一样，高价碘氧化高分子试剂具有很好的氧化性和选择性。从交联聚苯乙烯出发，合成高价碘氧化剂高分子试剂3 的合成步骤如式（10―6）。
CH2CHI2/HIO4H2SO4ICH2CHOCH3COOHCH2CH(10-6)40℃I(OAc)23 在温和条件下，高分子试剂3可以使醇氧化成醛（见式10―7）、苯乙酮氧
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化成醇（见式10―8）、苯酚氧化成醌（见式10―9），还可以氧化―脱水―成环反应（见式10―10）。
CH2OH
O3,△CH2Cl2/CH3CNCHO(10-7)
OCH2Cl2/CH3CNCCH33,室温CCH2OH(10-8)
OHRCH2Cl2/CH3CNOR(10-9)3,室温OHO
OHCH2Cl2/CH3CNOH(10-10)OCR
OHCR3,室温OO(3)吸附型氧化剂
H2CrO4的氧化性较强，反应不易控制。如果将其吸附在高分子上，生成高分子试剂4，见式（10―11）。
CH2CH+CH2H2CrO4CH(10-11)CH2N(CH3)3ClCH2N(CH3)3HCrO44
该氧化剂4能将仲醇氧化成酮，例如，反应式（10―12），将2―十一醇氧
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化成2―十一酮。由于环境影响，提高了HCrO4—的亲核性，从而增加了氧化反应速率和产率。
CH2CHOH+OCH3nC9H19CHCH3(10-12)nC9H19CHCH2N(CH3)3HCrO4 高分子试剂4还可以氧化卤代烃生成醛和酮，如式（10―13）所示，将苯基
苄基溴氧化成二苯酮。
CH2CHOCCH2N(CH3)34HCrO4(10-13)CHBr+2还原剂
（1）有机锡氧化物和有机硅还原剂 有机锡氧化物是我们熟知的羰基还原剂。双氢化合物通常比相应的单氢化合物活泼，但是不稳定。如果将低分子双氢锡化合物接到高分子上，制成高分子还原剂，则稳定性会大大提高。制备方法如式（10―14）所示。这样得到的试剂，活泼氢的含量为2.0～2.5mmolH2/g。比起相应的小分子锡氢化物，该高分子试剂比较稳定，在20℃下保存约2个月，活性减少一半；无气味，低毒性；易与产物分离。它们是很好的还原试剂。
CH2CHMgBr2Et2OLiMgBrnBuSnClCH2CHCH2nBuSnCl3CHLiAlH4THFClCH2CH(10-14)nBuSnH2
高分子锡氢化试剂易将苯甲醛、苯甲酮和叔丁基甲基酮还原成相应的醇，收率可达91%—
92%，见式（10―15）。一般情况下，用该试剂还原醛和酮时，需要较长的反应
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时间。
OCCH3CH2CH甲苯回流45h+CHOHCH3(10-15)nBuSnH292%
当用低分子其氢化物作还原剂，该试剂具有较大的选择性。如还原对苯二甲醛时，可以选择性地还原成单醛，生成单元醇和二元醇的比例为6：1，见式（10―16）、式（10―17）。如此高的选择性是因为分子上第一个醛基与聚合物中活性基接近反应时，第二个醛基不易接近高分子上的活性基Sn—H。
CH2OHCCHHOCH2CH2OHCHO+HOCH2SnH2CHO+nBu(10-16)
CH2CHO+CHCHO+CH2OH(10-17)CH2OHCHOnBuSnH2CH2OH
还原试剂还可以将脂肪族或芳族卤代烃还原成相应的烷烃和芳烃，如反应式（10―18）所示。一般用过量的C8H17I与高分子还原试剂反应，以测定树脂中活泼氢的量。
CH2CHC8H17I+C8H8nBuSnH299%(10-18)
另一种是具有Si—H结构的聚合物5。它不能单独使用，必须与有机锡氧化物如(Bu3Sn)2O配合使用，见式（10―19）。反应结束后，有机硅发生了交联，不
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溶于反应溶液。这对分离是十分有利的，但难于再生和重复使用。相比Bu3SnH，聚合物5比较稳定，容易保存。反应中生成锡氢化物，它能还原汤剂和卤化物，见式（10―20）、（10―21）和（10―22）。
CH3SiHOCH3SiHOn+CH3(Bu3Sn)2OSiOOCH3SiOOn+2Bu3SnH(10-19)
CH3BrBrH+CH3OSiHCH3OSiHOnH+SiOn+(Bu3Sn)2O85%(10-20)
CH3ClCH2CH2CH2CN+Si(Bu3Sn)2OCH3CH2CH2Cl(10-21)
CH3CH3CH3O+SiHOSiHOn+(Bu3Sn)2OCH3(10-22)OH
(2) 硼氢化合物
硼氢化合物是优良的还原剂，可将它负载在高分子载体上，制成高分子试剂。它主要采用吸附方法制备，如交联乙烯基吡啶吸附硼氢化钠时，生成BH3，见式（10―23）。该试剂可还原醛和酮，其反应过程见式（10―24）和（10―25）所示。先生成硼酸酯，见式（10―24），待反应结束后，用酸分解硼酸酯，生成产物醇，见式（10―25）。
CH2CHCH2NaBH4NBH3CH++NaCl+H2(10-23)NHCl
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CH2CHCH2+CHR1HClNHCl+NBR1OCH3CHR2+OHB(OH)3(10-25)R2CH2CHR1+CH2CO70℃CH(10-24)NBR1OCH3NBH3R2R2
也可用交联聚（α―乙烯基吡啶）吸附BH3制备还原试剂，如式（10―25）。它还原苯乙酮、环己酮和正辛醛成相应的醇时，产率为93%～100%。
CH2CHNCH3SCH3+CH2BH3CHNBH3(10-25)
THF含硫的高分子也可用以作吸附BH3的载体，如式（10―26）。该试剂可以定量地将酮还原成醇，见式（10―27）。
CH2CH-196℃+CH2B2H6CHBH3CH2SCH3(10-26)CH2SCH3
OCCH3+CH2CHOHBH3CH2SCH3CHCH3(10-27)
二、高分子卤代试剂
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ONOBrOClNaOCSO2NNaCH3SO2NNaCl567
在卤代试剂中经常使用的试剂为N―卤代酰亚胺，如N―卤代丁二酰亚胺5，N―卤代磺酰胺6，氯胺T 7等相应的高分子试剂中也含有这些卤代试剂。其中N―溴代丁二酰亚胺型高分子和聚乙烯基吡啶与溴的络合物研究的较多。制备方法见式（10―28）。
CHCOOCHCOCH2CHNH4OHCH△OCNHCHCOCH2CHBr2NaOHOCHCNBrCHCOCH2CH(10-28)
用高分子卤代试剂进行卤化反应时，反应选择性较高，如用N―氯代丁二酰亚胺聚合物作氯化试剂，反应产物仅为单一的苯环氯化物，见式（10―29）。
CHCONClCHCO+CH2CHRR(10-29)Cl
对N―溴代丁二酰亚胺聚合物作溴化试剂，得到的产物就比较复杂，如甲苯溴化，主要得到侧链溴化产物，见式（10―30）。
CHCONBrCHCOCH2CH+CH2BrCH3(10-30) 小分子试剂NBS，主要在C=C双键上的α—位上发生溴化反应，见式（10―
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31）。而高分子溴化试剂，则在双键上发生溴的加成反应，生成1，2—双取代溴化物，
BrNBS(10-31)
见式（10―32）。
BrPNBS(10-32)Br
聚乙烯基吡咯（PVP）与Br2、HBr、BrCl、ICl等络合，生成高效高分子卤化试剂。如将苯乙烯、二乙烯基苯和乙烯基吡啶共聚，生成交联共聚物。用二氧六环溶胀共聚物，放在48%HBr水溶液中，反应成盐。再在0℃下，与溴反应，制得的溴化试剂见式（10―33），含溴量为63%，功能基含量为0.0026mol Br3¯/g树脂。它能使烯烃进行溴的加成反应。反应条件十分温和，收率也较高。同样，也能使酮的α―H被取代，生成溴代产物。反应后的树脂可以再生，即重新与溴化氢和溴络合，得到的高分子试剂，可重复使用，活性不降低。
CH2CH1.CH248%HBr2.Br2,0℃CH（10-33）N
N高分子氟代试剂8能在 双键上进行加成反应，产率极高，见式（10―34）。在加成过程中分子内发生了重排反应，得到不对称产物。
CH2CHC6H5+CC6H5CH2C6H5CF2CH2C6H5(10-34)IF28
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CH2CHC6H5CHCH2C6H5CH2CHF2C6H5FFC6H5FF
C6H5(10-35)IF2C6H58
对于不同的烯烃，包括苯乙烯，在高分子氟试剂9存在下，均生成不对称的氟取代产物，见式（10―35），这是与高分子溴化试剂不同的地方。
对于氯化试剂9，它与双键进行加成反应时，得到的是1,2―双取代产物10，见式（10―35）。
CH2CHCl+(10-36)ClICl29三、 含膦高分子试剂
CH2CHAIBNCH2CH10
CH2LIPPh3CH(10-37)BrBuLiCH2CHBrPPh2CH2CH(10-38)+ClPPh2PPh2Li
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含膦高分子试剂可以通过反应式（10―37）和（10―38）所示的方法制备。得到的含膦化合物的聚合物，可以作多种反应的高分子试剂。
1 Wittig反应
Wittig反应是研究的较多的有机反应，它是从卤化物和醛或酮合成烯烃的反应，见式（10―39）。通常该反应的产率很高。存在的问题是分离困难和试剂成本高。
C6H5nC4H9Br+C6H5COCH3CCH(nC3H7)(10-39)
CH3若用含膦高分子试剂，反应所生成的产物残留在高分子支持体上，经过过滤，可以得到纯度和产率很高的烯烃。反应式（10―40）是CH3I与环己酮反应，生成了亚甲基环己烷。副产物三苯基氧膦接在高分子主链上，过滤可将产物分离。固体物须用还原法进行再生，见式（10―41）。
CH2CHCH2CHO+CH3I+CH2CH2CH(10-40)PhPPhPhPPhPhPOPhCH3ICH2CHCH2CH+Cl3SiHPhPPh(10-41)PhPOPh
(2)卤化反应
含三苯基膦的高分子试剂，可以进一步反应生成卤化试剂，制备方法见式（10―42）和（10―43）。
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CH2CHCOCl2CH2CH(10-42)PhPOPhPhClPPhClCH2CHX2,H2SO4CCl4,25℃CH2CH(10X=Cl , Br-43)PhPPhPhPX2Ph
四、含硫高分子试剂
在有机合成中，含硫试剂是广泛使用的试剂之一，因为这种试剂：操作方便，反应条件温和，试剂成本低；但缺点是使用过程有恶臭气味，产物分离困难。若将含硫试剂接到高分子上，可以克服上述缺点，使用过的高分子试剂经再生后可重复使用。含硫高分子试剂可用于下述反应。
1 制备氧化烯烃
反应式（10―44）是苯甲醛生成氧化苯乙烯的反应该反应是在室温下，三相间进行。
PSCH3CH3X+C6H5CHO40%NaOH水溶液CH2Cl2 , 室温，(nBu)4NOHOC6H5CHCH+CH2CH(10-44)
2氧化试剂
SCH3
聚合物11a在―10℃下，用氯气处理可得到氧化实际11b，见式（10―45）。与低分子试剂比较，高分子试剂活性高，选择性好。
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CH2CHCl2/CH2Cl210℃SCH311aCH2CH(10-45)CH3SClCl11b
氧化试剂11b具有很高的活性和较好的选择性。如将二元醇中的一个羟基氧化成醛，可以将伯醇氧化成醛，仲醇氧化成酮，见式（10―46）。
3 烷基化试剂
将实际上的硫甲基用丁基锂处理，得到硫甲基锂型高分子烷基化试剂。它与碘代烷或二碘代烷同系列化合物反应，将生成物从载体上脱下来，得到碘化物。
CH2CHR1+CH2CHOHR2CH2Cl225℃CHR1CH3SClOCHR2(10-46)CH3SClClCH2CR2O+R1CHSCH3CH2CHnBuLiCH2CHR(CH2)nCH2I
CH2CHSCH3SCH2LiSCH2CH2n+1RCH2CH(10-47)NaI/CH3I/DMF+ICH2CH2n+1RSCH3
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五、固相合成 1概述
1963年，Merrifield报道了在高分子载体上利用高分子反应合成肽的固相合成法，不仅使复杂的有机合成简单化，也为合成的自动化操作打下基础。就在固相合成法诞生的1963年，人们为了合成一种叫做舒缓激肽的有生物活性的九肽化合物，采用常规的液相合成法，一般需要整整一年时间才能完成。而Merrifield用他发明的固相合成法合成同样的化合物仅仅用了8天的时间。因此固相合成法以其特有的快速、简便、收率高而引起人们的极大兴趣和关注。大量学者的参与使其获得了飞速发展。最近某些难以用普通方法合成的大环化合物，以及光学异构体的定向合成等也通过固相有机合成方法得到解决或改善，极大地推动了合成 化学研究的进展。
固相合成是指在合成过程中采用在反应体系中不溶的高分子材料作为载体进行的合成反应。固相合成采用在反应体系中不会溶解的高分子反应试剂作为载体，这种载体也是一种特殊的高分子试剂。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。在固相合成中，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。
PX+APXA+BPXAB+CPXABCPX+ABC
图10―5 固相合成示意图
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图中PX表示高分子团相合成试剂，X表示连接官能团。根据固相合成的特
点，对这两部分结构具有以下特殊要求。
（1）载体 载体在固相合成中如同对高分子化学反应试剂制备中的要求一样，作为固相合成中的载体需要具备下列条件。
1)要求载体在反应体系中(包括溶剂和试剂)不溶解，保证合成反应在固相上进行。只有在固相中进行的反应才可以简化合成过程。
2)要求载体具有高比表面积或者在溶剂中有一定溶胀性，前者要求固体的粒度要小或者为多孔性；后者要求构成载体的骨架有一定亲溶剂性质，并需要适度交连。这样能够保证固相反应可以拥有适当的反应速度。
3)要求载体能高度功能化，其功能基在载体中的分布尽可能均匀；因此在载体的骨架上应该具有一定反应活性的官能团，以利于反应性小分子的固化和合成反应效率的提高。
4)要求载体可以用相对简单的方法再生重复使用。为了降低合成反应成本，提高材料的利用率，载体的重复使用是必要的，也是绿色化学的要求。
固相合成用的载体多数采用聚苯乙烯及二乙炔基苯和苯乙烯的共聚物，以及它们的衍生物，如氯甲基树脂、Pam树脂、waq树脂和氨基树脂等。最近采用聚酯等其他类型聚合物作为载体也呈现增长趋势。近年来还发展了功能化纤维载体、如纸片和棉花等。提高载体的稳定性、增加功能团活性和扩大适用化学反应范围是新型载体开发的重点。从基本原理上来讲，前面章节中介绍过的高分子化方法也适用于固相合成中高分子载体的制备过程。
（2）连接结构
连接结构的主要功能首先是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要求的化学键，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。其次，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，又不破坏反应产物的结构，保证固相合成反应后可以定量地切割下反应产物。
连接结构需要根据固相合成的对象进行选择，即应该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。由于目前固相合成主要用于多肽、寡核苷酸和寡糖的合成，因此连接用官能团主要为活性酯、酸酐、酰卤、羟基、氨基
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等。此外用子其他有机合成反应的连接分子还有一些双官能团化合物。含有的官能团有氨基、羟基、巯基、溴、羧基、醛基等。双功能团连接分子通常可以分为对称的和不对称两种。常用的对称双官能团化合物有1,10—癸二醇、1,8—辛二胺、邻或对苯二甲醛、癸二酸及钾盐或其酰氯、对苯二酚和对苯二胺等；不对称的双官能团化合物有溴乙酰溴、溴乙酸、甘氨酸和其他氨基酸等。某些多官能团化合物如甘油等也曾被用作连接分子。连接结构中除了官能团起比较重要作用之外，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。一般来说，链比较长有利于反应的进行。当连接官能团附近具有特定官能团时常会发生邻位效应。
（3）固相合成的应用领域
固相合成的最早应用是用来合成天然大分子多肽。肽是由多种氨基酸相互之间进行缩合反应形成酰胺键(肽键)。肽的合成采用的反应类型不多，但是由于官能团之间相互影响，加上中间产物和试剂结构类似，选择反应和分离条件困难，产率不高。应用固相合成由于简化了分离过程(过滤)，并可以使用大大过量的小分子试剂，合成过程大幅度简化，合成产率相应提高。与多肽有类似结构的天然大分子如寡糖和寡核苷酸也适合采用固相合成制备。此外，非天然的类似化合物，如类肽、聚脲、聚砜等采用固相合成也有一定优势。最近，有些采用通常合成方法难以得到的化合物也通过固相合成获得成功。
2 高分子保护基团
欲使对称的双官能团化合物中只有一个官能团反应，利用低分子保护试剂是比较困难的，采用高分子试剂则较容易。例如，欲使ω，ω’二元醇中的一个羟基反应，而另一个羟基要保护起来，可用高分子载体12与二元醇反应，见式（10―48）。
只要增大二元醇和高分子试剂12的用量比，就可避免二元醇的二个端羟基同时发生酯化反应。即保护一个羟基，另一个羟基可以进一步反应。例如，高分子试剂12与三苯基氯反应，待反应结束后，进行水解，就可生成一端为三苯基甲烷，另一端为羟基的化合物13，见式（10―49）。
高分子载体的选择要考虑其溶胀性、不为副产物所污染，能重复使用，还要考虑用什么样的保护基团，通常这由另一基团进行的反应来决定。醛基的保护基
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团为1,2—或1,3——二羟基，它们与醛结合，生成缩醛基团。在酸性条件下，该基团易分解，恢复成原来的二羟基和醛基。例如，欲使ω，ω’—二元醛中的一个醛基反应，可以利用含有这一基团的高分子保护试剂。通过缩醛反应，保护其中的一个醛基，另一个醛基待反应，见式（10―50）。
CH2CHCH2CH+HO(CH2)nOH(10-48)CH2CClCH2COCH2nOHO12CH2CHCH2CH+(Ph)3CClCH2COCH2nOHCH2COCH2nOC(Ph)3CH2CH+HO(CH2OC(Ph)3(10-49)CH2COH13
O
CH2CHNaOCH2CHCH2CH2CHOO+CH3CH3CH2ClCH2OCH2CHCH2OOCH3CH3CH2CHH(10-50)CH2COCH2CHCH2OHOH14
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CH2CH+CH2CHOHCCHOCH2OCH2CHCH2OCHOCHOCH2OCH2CHCH2OHOH1NH2OH2OHCHCHOHNOH1PhMgBr2H1Ph2HOCHCHPhCCH3/CH3ONaOHCCHCHCO1NaBH42HOHCCH2OH图10―6 可用高分子保护试剂14的固相合成反应
由交联聚氯甲基苯乙烯合成了高分子保护试剂14。该试剂上的1,2―二羟基可以与对苯二甲醛进行缩合反应，保护一个醛基，另一个醛基可以进行醛化合物的有关反应。待反应结束后，加入稀盐酸溶液处理，反应生成物就释放出来，见图10—6。
3 烷基化反应
采用传统的有机反应，如式（10―51）所示的方法合成化合物15或16时，
除了生成目标产物外，还会生成多个副产物，如酯的自身缩合形成的产物。这样，会降低产物的收率，增加产品提纯的困难。若用高分子试剂，可以避免副反应，提高产物收率，操作工艺简单方便。
OOR2CH2COC2H5+OR1CClOHCOC2H5R2CHCOR11OH2HOR1CCH2R2（10-51）3△1516
高分子试剂17含有苯乙酸酯基，在碱性条件下，对硝基苯甲酰氯（或正溴丁烷）会在苯乙酸酯基的α位发生取代反应，生成化合物18，见式（10―52）。
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经水解、加热，得到目标产物19（或正溴丁基取代物）。如果是普通的有机反应，在碱性条件下，苯乙酸酯会自身缩合，缩合产物又会与对硝基苯甲酰氯反应，得到多种副产物。这样，产物的收率降低了，得到纯的目标产物也很困难。由于位阻效应，在18上的苯乙酸酯相互之间反应可以避免，收率提高，分离简化。
CH2CHPh3CLiCH2CHO2NOCClOCH2OCCH2OCH2OCCH17NO2CH2CH1HBr/TFAO2OCCH2OCCHO△O2NCCH2(10-52)19184 Michael反应
Mihael反应如式（10―53），除了生成目标产物以外，在碱性条件下，乙酰乙酸乙酯也会自身缩合，生成副产物。利用高分子的孤立效应，在高分子的载体上进行这一反应，可以避免酯的自身缩合。
OCH3COCHCOC2H5+CH2OCHCCH3OHOC2H5OCCHCH2CCH3OCH3OHC2H5OCOCHCH2CH2CCH3CCH3O
OCHCCH3O(10-53)在高分子载体上进行如式（10―54）所示的Michael缩合反应，首先将乙酰乙酸乙酯缩合在高分子载体上，然后在碱性条件下与烯酮化合物进行缩合反应，得到的水解产物水解后，即得目标产物。由于载体上的基团具有光活性，甲基乙
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烯酮在加成反应中有方向性，得到的产物也具有光活性。
OHHCPCH2ONOCH3COCH2CClNOOCH3CCH2COHCPCH2ON1OH2CH2NOCHCCH3CH3OCOOCOCPCH2ON1OH2HCH3CCH2CH2CHHNOHOC*CHCH2CCH3OOCH2CCH3(10-54)
5 环化反应
（1）分子内环化反应 通常在稀溶液中进行分子内的环化反应，以制备环状化合物。在高分子载体上进行的环化反应，不仅利用了高分子载体的稀释效应，
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而且简化了分离步骤。例如，在ω，ω’―羟基羧酸的缩合反应中，存在着缩合和环化反应，见式（10―55）。
OHOCH25OOHC+OHO(CH2)5COnO(CH2)5COH(10-55)C(CH2)5O
为了提高环状化合物的产率，要求反应液的浓度很稀。若能在高分子载体上进行这一反应，其稀释效应远远超过了溶剂的稀释效应。对于式（10―56）所示的反应，生成了两种酯，一种酯在树脂上，另一种酯在溶液中，通过过滤就可将两种酯分离，得到纯净产物。
OPCH2OCOCOCPh3BRRPOOCH2OC+OOCOCPh3(10-56)R
(2)分子间的环化反应 分子间的环化反应如式（10―57），将癸二酸单特丁酯接到对羟甲基聚苯乙烯载体上，在特丁醇钾作用下，发生反应。在该反应中除了有水解下来的癸二酸单特丁酯，还生成了两种大环化合物，一种在载体上，另一种在溶液中，所以很容易将两种大环化合物分开。
OPCH2OCCH28OCOCH3CCH3OCH3tBuOK二甲苯OPCH2OH+K+OCCH28COButOPCH2OCOO+COCMe3+Me3COCOOOCOC(CH3)3O(10-57)
(3)特殊结构化合物的合成
所谓的threaded化合物就是在环状化合物中间串进一长链化合物。用经典有机合成方法制备该化合物时，由于分离困难，很难得到纯净物。若用高分子试剂，则分离较为简单，易得到纯净物。见式（10―58）的制备方法。将环状化合物接到高分子上，在溶胀条件下，使癸二醇和三苯基氯甲烷反应。反应结束后，用溶
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剂充分洗涤树脂，以除去没有形成threaded化合物，然后水解，得到纯的索烃。
CH2CHOC+O(CH2)2COH(CH2)28CHOCONaOHO2NCH2ClOCH2CHOCH2OCCH2CH2NO2(CH2)28CH2HO(CH2)10OHPh3CClOCOCCH(CH2)28OCPh3CHPh3CO(CH2)10CHOCOOOC(C6H5)3CHOCH(CH2)10(CH2)28(10-58)O2NCH2OCO(CH2)2CO1(C6H5)3CCl/HO(CH2)10OH2H2O/NaHCO3OC(C6H5)3
（6）多肽的合成 蛋白质是由以氨基酸为基本单元，按照一定次序连接而成的肽构成的，人工合成蛋白质必须以肽的合成为起点。肽合成的难度在于构成肽的结构单元—氨基酸，有两个活性官能团，即氨基和羧基；在肽合成中二者相互反应，形成酰胺键(肽键)。在正常反应条件下同一分子中的两个官能团都有参与反应的能力，使合成反应变的异常复杂。处理不好，合成反应不能按照预定的方向进行，在得到的产物结构中氨基酸的预定序列也就无法保证，也就是说在反
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应中两个氨基酸头尾连接方向难以控制。因此在合成肽的每一步反应过程中，对氨基酸或合成中间体的肽链中不希望参与反应的一端都要进行保护，使反应只在另一端的官能团上进行。这样保护、反应、脱保护，不断重复上述反应以加长肽链，再加上产物与原料繁琐的分离过程使肽的合成变得非常复杂。固相合成基本解决了上述问题。例如，以交联的聚氯甲基苯乙烯作载体合成肽，首先使氨基保护的氨基酸与氯苄反应，脱保护基R，再与另一种氨基酸反应。如此反复进行，就可得到预定结构的多肽，见图（10―7）。
CH2CHCH2OR1HOCCHNHR脱去保护CHCH2CHOCH2ClCH2OCCHNHRR1OR2HOCCHNHROCH2OCCHNH2R1OR1OR2OCCHNHRCH2CHCF3COOH/HFHOCCHNHOCH2OCCHNHR1OR2OCCHNHR
图10―7 固相合成多肽示意图
在合成过程中，要求反应非常完全，这就要求氨基酸中反应性基团的活性非常高。每次反应完成后，用溶剂充分洗涤，去除未反应的试剂，反应结束后要选择温和条件，把产物分离下来。
PhPCPhCH3PhPCPhOOCCHOHCHNHOCH3COCCH3CH3HCl/CH3COOHCH3OCl+CHOHCHNHOCH3COCCH3CH3NaOHHOC
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OCOCH3PhPCPhOOCCHOHCHNH2+BunOCH3COCCH3iPrNCNPriOHOCCH2CHNHCH3
OCOCH3PhPCPhOCOCH3PhPCPhOOCCHOHCHNHOOCCH2CHNH+BunOCH3COCCH3CH3HCl/CH3COOHOOCCHOHCHNHOOCCH2CHNH
BunOHOCCH2SPyeCHNHCH3COCOCH3CH3
OCOCH3CH3NNBunOOCCH2SPyeCHNHCH3COCOCH3CH3CH3PhPCPhOOCCHOHCHNHOOCCH2CHNH(DMAP)DicOCOP1Dic,DMAPBunOOCCH2SPyeCHNH2O+OCHNHCHOCCH2CHNHC15H31COOH2TFA/CF3COOHHOCPhCOHPhOCC15H31OCH3
图10―8 固相合成苏氨酸—天冬氨酸—半胱氨酸三聚体
7 不对称合成 利用含手性功能基的高分子载体，使反应物在进行有机反应时，在某一特定方向形成立体位阻而产生的立体选择性。如式（10―59），在高分子
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载体上，含有手性功能基团2—氨基苯丙醇，它使碘代烷与环己酮反应时，有较高的立体选择性。
CH2CHOCH2CH1OLiN(iPr)22RI3*R(10-59)HCH2OCH2*CHCH2NH2CH2OCH2CHCH2N
第三节 高分子催化剂的制备及应用
催化剂的发展经过三个阶段，作为第一阶段催化剂的多相催化剂大多是金属、金属氧化物、金属盐等。其优点是催化性能较稳定，使用温度宽，容易回收重复使用，因而容易实现工业化。但一般来说，催化活性较低，反应条件较为苛刻，常常需要高温、高压、设备费用较高。由于高温高压下进行反应时副反应增多，催化剂的选择性大大降低，产生多种副产物，给产物分离带来麻烦，这不仅增加了设备投资，而且还会引起环境污染。
最近几十年，发展了以有机金属络合物为主的均相催化剂，被称为第二代催化剂。如开发合成聚烯烃，开发乙烯氧化制乙醛（Wacker Process），丙烯醛化合成正丁醛等，大大推动了化学工业的发展。这类催化剂分散度高，活性中心均一，结构容易搞清楚，而且全部的中心原子都可作为活性中心，改变配位体的结构可以调节金属活性中心的立体效应和电子环境，因而催化剂活性和选择性都较高。同时，由于均相催化剂比多相催化剂在更为温和的条件（低温低压）下进行反应，因而降低了能耗。但这种均相催化剂也存在缺陷，如催化剂对金属反应器有腐蚀性，在空气和水中不稳定，容易失去活性，反应后，催化剂的分离和回收困难等等，因此，其应用也受到一定的限制。
最早报道的高分子催化剂是Haag等在1969年采用聚苯乙烯磺酸树脂负载的阳离子金属络合物，并证明可用于氢化、醛化反应。到了七十年代后期几乎所
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有的小分子都被负载在有机和无机高分子上[5~9],这些高分子催化剂是用带有配位原子N、S、P、O等的高分子作为配位体与过度金属形成络合物，在这方面发表了许多综述和专著。这种新一代催化剂活性组分往往与均相催化剂具有相同的性质和结构，因而保存了均相催化剂的优点，如高活性和高选择性等，也具有相同和相似的动力学特征。同时，由于结合在高分子载体上，又具有多相催化剂的特点，如不腐蚀设备，容易从产品中分离与回收。此外，许多研究表明，高分子载体不仅仅是作为金属活性中心的惰性支持体，由于其特殊的高分子效应，及其与催化中心，反应底物和产物间的相互作用，可极大的影响催化剂的催化性能，提高反应的活性和选择性，这正是人们研究高分子催化剂的兴趣所在。
近几年来，手性高分子与金属形成的络合物在不对称催化中的应用引起了人们的注意。实际上，生物体中起催化作用的酶很多就属于手性高分子金属络合物。 21世纪无疑将是手征性的世纪。现在人们越发认识到外消旋药物中对映异构体的错误使用是一种严重的药物污染。外消旋体拆分，化学计量不对称合成和不对称催化反应是以化学手段获得光学活性物质的三种方法。其中，不对称催化提供的最强有力而独特的优势就是手征性的增，即通过使用催化剂量级的手性原始物质来选择性地生成大量手征特性的产物。它不需要像化学计量不对称合成那样使用大量的手性试剂，也和发酵法不同，工艺不限于生物类型的底物，也避免了发酵过程中产生的大量失效媒介物的处理问题。和光学拆分相比，光学拆分的劳动强度很高，且必然产生50%的不合适的异构体，必须用分离步骤来除去。不对称催化反应的普遍特点是潜手性底物来源广泛，价廉易得，反应条件温和，选择性好，R―异构体和S―异构体同样易于生成。因此不对称催化反应已为有机化学家所高度注目，是手性技术(Chirotechnology)中最重要的方法之一。
目前能够用作高分子催化剂的品种有高分子电解质、高分子金属络合物、高分子相转移催化剂和固定化酶等。
一、 高分子聚电解质
高分子电解质是在高分子的主链或侧链上含有催化功能的的杂原子或杂环有机基团的一类高分子。它可以催化有机化合物的水解反应、重排反应、氧化还原反应，也可用来催化不对称有机合成。 1 聚电解质的合成
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通常有两种方法合成聚电解质，一种是合成具有催化剂团的单体，经加聚或缩聚反应制得；另一种是利用现有的合成高分子或天然高分子，通过引入具有催化功能的基团。
（1） 聚合反应
A均聚合 根据单体的不同特点，可以用自由基、阳离子和阴离子作引发剂进行聚合反应。例如，4―乙烯基吡啶可以在自由基引发剂AIBN存在下，进行本体、溶液或悬浮聚合。聚合物的软化点随聚合条件不同，在190～200℃间变化。均聚（4―乙烯基吡啶）溶于稀盐酸，但不溶于CHCl3、DMF。4―乙烯基吡啶也可以用BuLi作引发剂，在烷基溶剂中进行阴离子聚合反应，见式10―60。得到的聚（4―乙烯基吡啶）能与CH3I或CH3Cl反应，生成水溶性的聚（4―乙烯基吡啶）季胺盐。这种电解质的水溶液粘度较大，加入无机盐后，溶液的粘度会大大降低，是酯水解反应的催化剂。
CHCH2CnH2n+2NBu-Li+NCHCH2nCHCH2nCH3ICHCH2n(10-60)NNCH3I
B 共聚合 为了利用官能团之间的协同效应，提高催化剂的活性，可以将具有催化功能的单体与其他单体共聚，得到含两个或两个以上功能基团的催化剂，以满足不同催化反应的需要。例如，4（5）―乙烯基咪唑[4(5)―vinylimidazole]可与马来酸酐、碳酸乙烯酯、丙烯醛、乙酸乙烯酯、丙烯酸和丙烯酰胺进行共聚，得到一系列共聚物。4（5）―乙烯基咪唑与乙酸乙烯酯的共聚反应见式10―61，得到的共聚物再进行水解，生成了含有羟基和咪唑基的高分子催化剂，其中咪唑基团是酚酯水解的有效催化剂，羟基有协同作用，以提高催化活性。
C 缩聚反应 除了系类单体聚合外，还可将含催化官能团的单体缩聚，制成高分子催化剂。醌和氢醌（HQ）组成一氧化还原体系，见式10-62。如果将对苯
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二酚引入高分子骨架上，就可以得到氧化还原反应高分子催化剂，见式10-63。
CHCH2CH2HNNCHOCOCH3NHNCH2CHnCH2CHOCH3mCOCH2[NaOH]CHNnCH2CHmOH(10-61)
HNHOOHOO2H++2e-(10-62)
OH+OHCH2HCHOOHOHCH2OHCH2OHOH(10-63)OHOHOHCH2OH
CH2H2SO4CHSO3HCH2HNO3H2SO4CHSnCl2HClCH2CHCH2CHNO2CH2PCl3AlCl3NH2CH2NaOHCHCHHNO3CH2CHPCl2OCH3CClAlCl3P(ONa)2CH2NaBrOOP(OH)2CH2CHCHCH3COCOOH
图10-9 从聚苯乙烯进行高分子反应合成高分子催化剂
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（2） 将功能基团引入高分子主链上
高分子主链可以是聚苯乙烯、聚丙烯酸甲酯、聚乙烯醇和聚氯乙烯等，为了易将其与产物分离，通常制备成有一定交联度的聚合物。根据聚合物的不同性质，通过合理的反应步骤，制得高分子催化剂。 A 以聚苯乙烯为主链的高分子催化剂
聚苯乙烯可以直接进行高分子反应，合成具有催化功能的高分子催化剂，如图10-9。也可将聚苯乙烯先氯甲基化，通过与氯甲基的反应，将不同的催化活性基团接到高分子上，制得另一类高分子催化剂，见图10-10。
CH2NH(CH3)2CHCH2N(CH3)2CH2N(CH3)3CHOClCH2N(CH3)2CH2NCH2CHCH2CH3OCH2ClZnCl2CHNH2CCHOCNH2CH2ClONHOOONHCH2NClCH2CHOCH2NCH2SHCHSHNaOHCH2OHONHOCH2CHOCH2CH2SCHCH2SHOH
图10-10 由聚氯甲基苯乙烯制备高分子催化剂
B 以聚氯乙烯为主链合成高分子催化剂
利用聚氯乙烯链上的氯与具有催化功能的小分子试剂反应，制得一系列高分子催化剂，见图10-11。
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OHCN(CH3)2CH2AlCl3P(OC2H5)3CHnN(CH3)21.OH2.HLiAlH4CH2CH2CHnClCHnOP(OC2H5)2CHnN3CHnCH2CHnOP(OH)2CHnNH2NaN3CH2CH2H2NCH2CH2NH2CH2
NHCH2CH2NH2
图10-11 由聚氯乙烯制备高分子催化剂
C 以聚环氧氯丙烷为主链合成高分子催化剂
该类聚合物的侧链上有亚甲基氯，在一定条件下，可以与一些试剂反应，将功能基团接到高分子主链上，见图10-12。
(NH2)2SCH2CHOCH2SnNHCH2CHOCH2Cln1. NaN32. LiAIH4 NH2HClCH2CHOCH2NH2n
图10-12 由聚环氧氯丙烷制备高分子催化剂
CH2P2O5, H3PO4CO(NH2)2CHOnOP(OH)2CH2CHOHnClCH2COOHCH2ClHNNCH2CHnOCH2COOHCH2CHnOCH3NHN
图10-13 利用聚乙烯醇的羟基制备高分子催化剂
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D 以聚乙烯醇为主链合成高分子催化剂
聚乙烯醇含有羟基，它可以与一些试剂，如P2O5、氯乙酸和4―氯甲基咪唑等反应，生成具有催化活性的功能基团，见图10-13。
E 以聚乙烯亚胺为主链合成高分子催化剂
聚乙烯亚胺主链上含有活泼的亚胺基，可以跟许多试剂反应，生成具有催化活性的功能基团，见式10-64。
NCH2CH2HONHCH2CH2nCOCH2CH2OOHOnOH(10-64)
2 聚电解质的反应
（1）酯化反应
酯化反应采用的催化剂通常为无机酸（硫酸）或有机酸（对-甲苯磺酸）等。这些催化剂的催化活性较高，但对设备的腐蚀性较强，副反应较多。若采用聚电解质，上述缺点就可克服。如乙二醇与乙酸的酯化产物可作硫酸催化剂，也可以在乙二醇和乙酸的混合液中，加Dowex-50强酸性阳离子交换树脂作催化剂，在100℃下反应5～6h，过滤出树脂，蒸馏得乙二醇二乙酸酯。
对乙酸和醇的酯化反应，可用H+型Rexyn101树脂作催化剂，对乙酸甲酯，反应10min，收率可达94%；对乙酸丁酯和乙酸异丙酯，其收率分别达到100%和93%。
（2） 缩合反应
醛的缩合反应一般可用对甲苯磺酸作催化剂，例如正丁醛与乙二醇的缩合反应，若用聚苯乙烯磺酸作催化剂、无水硫酸钙作吸水剂，室温下反应30min，收率高达99%。甲缩醛可用甲醛和甲醇在732强酸性阳离子交换树脂催化下反应，当甲醛和甲醇的摩尔比为3，树脂732用量为1.8mmolH+/g甲醛时，甲缩醛的收率为95%以上。树脂重复使用多次，催化活性不减。
（3） 水解反应
用离子交换树脂催化酯进行水解反应是研究的最为深入的课题。树脂交联度增加，酯的相对分子量增大，催化活性降低；树脂细粒度较粗的催化活性较高；
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树脂的疏水性有利于酯的吸附，可加速酯的水解；由于支链酯在树脂中的扩散速率慢，其水解速度慢。酯的水解速率还受树脂的微环境影响。
（4） 氧化还原反应
氧化还原树脂按氧化还原的活性部分来看，可分为醌类、硫醇类、吡啶类、二茂铁类和多核类五种。树脂的稳定性直接影响树脂的氧化还原可逆性；低交联度的树脂或高孔隙度的大空树脂有利于底物扩散，氧化还原活性提高；避免相邻氧化还原功能基团之间的相互作用，可提高催化活性。树脂的可溶胀性可很好的催化反应体系。
二、 高分子金属络合物
许多金属、金属氧化物、金属络合物在有机合成和化学工业中均可作为催化剂。金属相金属氧化物在多数溶剂中不溶解，一般为天然多相催化剂。而金属络合物催化剂由于其易溶性常常与反应体系成为一相，多数只能作为均相反应的催化剂。金属络合物催化剂经过高分子化后溶解度会大大下降，可以改造成为多相催化剂。
由于众所周知的优越性，目前使用高分子金属络合催化剂越来越普遍，高分子络合催化剂的制备也成为热点之一。制备高分子金属络合物催化剂最关键的步骤是在高分子骨架上引入配位基团和在金属离子之间进行络合反应。最常见的方法是通过共价键使金属络合物中的配位体与高分子骨架相连接，构成的高分子配位体再与金属离子进行络合反应形成高分子金属络合物。根据分子轨道理论和配位化学规则，作为金属络合物的配位体，在分子中应具有以下两类结构之一，一类是分子结构中含有P、S、O、N等可以提供未成键电子的所谓配位原子，含有这类结构的化合物种类繁多，比较常见的如EDTA、胺类、醚类及杂环类化合物等；另一类是分子结构中具有离域性强的π电子体系，如芳香族化合物和环戊二烯等均是常见配位体。
1高分子金属络合物的制备
小分子配位体的高分子化是制备高分子金属络合物催化剂的主要工作。如同高分子反应试剂的高分子化过程一样，高分子配位体的合成方法主要分成以下几类。
(1)利用聚合物和配位基上的某些基团反应，将配位体直接镶合到聚合物载
39
体上，制备高分子配位体，见式（10-65）、（10-66）和（10-67）。
NCNCCNMX2CN尿素300～500℃NNNNMNNNN(10-65)
H2NSSCCNH2M2X2SHNNHMSPBu3SNHNHMSn(10-66)
HCCCCHClPtClCuClEt2NHPBu3PBu3PtPBu3CCCCn(10-67)
②首先合成具有可聚合官能团的配位体单体(功能性单体)，然后在适当条件下完成聚合反应，例如，将甲基丙烯酸甲酯在碱性条件下与丙酮缩合，得到含1，3-丁二酮配体的烯类单体，再进行聚合反应，见式（10-68）。
CH3CH2CCOOCH3OCH3CCH3OHCH3OHCH3CH2CCOCH2COCH3CH3AIBNCH2C△nCOCH2COCH3(10-68)
40
合成含膦配位体的聚合物可以先合成含膦配位基的烯类单体，再进行聚合或共聚合，该法可将配位基团引入高分子，其络合能力通常由于位阻效应而降低见式（10-69）。
CH2CHBrMgEt2CH2CHMgBrClPPh2CH2CHPPh2AIBN△CH2CHPPh2n(10-69)
有一些化合物自身具有的配位基能进行缩合反应，得到含有配位基的高分
子，见式（10-70）。
OOHCOOHCH2OHOHOOC(10-70)OHCH2OHCOOHOHCCH2
通过高分子反应，将配位基接到高分子上，这是目前采用最多的方法。如在交联聚苯乙烯小球上接上各种配位基团，见式（10-71）。
CH2CHCH3OCH2ClZnCl2CH2CHDMSOCH2CHCH2ClHHOHOHOTSCHOCH2OTSCHLiPPh2CH2CHOCHOHOTSOTSHCHOOHOTSOTSH(10-71)
③合成得到的配位体单体也可以先与金属离子络合，生成络合物型单体后再进行聚合反应，完成高分子化过程，见式（10-72）。
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OKClFe3(CO)12OCH3CH2CHOOn(10-72)CH3Fe(CO)3CH3Fe(CO)3
一般后一种方法较少使用，因为形成的络合单体常会影响聚合反应，甚至发生严重副反应，使聚合过程失败。此外，某些无机材料，如硅胶，也可以作为固化催化刑的载体。作为多相催化剂，高分子化的金属络合物催化剂可用于烯烃的加氢、氧化、环氧化、不对称加成、异构化、羰基化、烷基化、聚合等反应中。
2高分子金属络合物的催化反应
（1）加氢反应
烯烃、芳香烃、硝基化合物、醛酮等带有不饱和键的化合物都可以在金属络合物催化剂存在下进行加氢反应。其中铑的高分子络合物是经常采用的催化剂之一。这一催化剂可以由下述述方法制备，即以聚对氯甲基苯乙烯为高分子骨架原料，经与二苯基磷锂反应得到有络合能力的二苯基磷型高分子配合物；再与RhCl(PPh3)3反应，磷与铑离子络合即得到有催化活性的铑离子高分子络合物。
CH2CHLiPPh2CH2CHRhCl(PPh3)3CH2CH(10-73)CH2ClCH2PPh2lPh2CH2PRhCl(PPh3)2
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。由于有高分子效应的存在，加氢反应有明显的选择性，即
42
小分子反应快于大分子。此外，用类似方法制备的钯的高分子络合物也是一种性能优良的加氢催化剂。
另外一个高分子加氢催化剂是高分子二茂铁络合物。其制备过程如下：
PTiCl3PClCH2CH2PBuLiTiCl(10-74)CH2Ti
高分子化后的二茂铁络合物从可溶性均相加氢催化剂转变成不溶性多相加氢催化剂，性能有较大改进；不仅使催化剂的回收和产品的纯化变得容易，而且由于聚合物刚性骨架的分隔作用，克服了均相催化剂易生成二聚物而失效的弊病。除了铑和钛络合物之外，钯和铂的高分子络合物也是常用的加氢催化剂。
(2)氧化反应
与相应的低分子金属络合物比较，用高分子金属络合物作有机氧化反应的催化剂，其有反应平稳、安全，提供了特殊的反应环境，提高了催化反应的活性，选择性好等优点。例如，重铬酸本身是一个很好的氧化反应催化剂，如将Na2Cr2O7制成高分子催化剂，则能催化伯醇氧化成醛、仲醇氧化为酮，且氧化产物产率很高，这说明该催化剂具有很高的催化活性，也不会把醛继续氧化成酸，具有较高的选择性，见式（10-75）。
PCH2N(CH3)3HCrO4R1CHOHR2R2R1CO(10-75)
由乙苯氧化制取苯乙酮可以使用多种高分子金属络合物。如将聚丙烯腈包覆在二氧化硅的表面，然后经热处理得到如化合物20所示的结构。它能与Cu+、Cu2+、Co2+和Mn2+等金属离子络合形成高分子络合物，见反应式（10-76）和（10-77）。
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NN20ONN
CH2CH3Cu2+CCH3(10-76)100℃,48h87%
CH3CHCH3Cu2+OCHCH3收率18%100℃,48hCH3CCH3OH收率63%(10-77)
(3)烯烃的羰基化反应
烯烃是石油化工的重要工业产品，通过羰基化反应可以合成脂肪醛、脂肪酸、脂肪酯及许多化工原料。
膦铑络合物21是最常用的醛化反应催化剂，可以将其接到高分子上制成高分子催化剂22。
PBrPhP(Li)CH2CH2PPh2PPP(Ph)CH2CH2PPh2RhH(CO)(PPh3)321PPhPPPh2RhH(CO)PPh3(10-78)22
在CO2、H2存在下，该络合物可以催化烯烃进行醛化反应。如1-戊二烯的醛化反应，得到正构（n）和异构（b）两种醛23合24，见式10-79。用Rh(CO)(PPh3)3作催化剂时，当P/Rh=19时，n / b ≈3.3。研究发现，在均相溶液中，存在如式
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（10-80）的平衡反应。双膦配位的铑络合物25催化烯烃进行醛化反应时，主要生成物为正构醛23。单膦配位的铑络合物26催化烯烃进行醛化反应时，主要生成异构醛24。可见，在体系中加入PPh3配体有利于正构醛生成。
CHOC3H7CHCH2CO/H2C3H7CHCH3C5H11CHO(10-79)
23
24RhH(CO)(PPh3)3-PPh3+PPh3RhH(CO)(PPh3)2-PPh3+PPh3RhH(CO)(PPh3)(10-80)
2526除了高分子膦、铑络合物外，高分子钴络合物，如27也是烯烃醛化反应的催化剂，能在温和的条件下，催化1-戊烯或环己烯进行醛化反应。这一类催化剂比较稳定，即使暴露在空气中，仍能保持一定的活性，且能回收利用，特别适宜于工业化催化剂。
PhCH2PCoCoPhCOCOCOCOPhPPhCH227
卤代烃经羰基化反应可以合成酰氯，例如，氯丙烯在催化剂28作用下，与一氧化碳反应，生成了丁烯酰氯，见式（10-81）。若用均相催化剂[Pd(NH3)4]+，当催化剂浓度低时，产率和反应的选择性较好；在高催化浓度时，由于金属靶聚集，生成活性低、结构未知的复合物，催化活性较低。若用高分子催化剂28，即使在高浓度下，其活性基本不变。
PSO3[Pd(NH3)4]28OClCO100℃1000psiCCl
(10-81)
丙烯在一氧化碳和甲醇存在下，用膦钯锡络合物29作催化剂，可以制备丁酸甲酯，见式（10-82）。生成正构酯的选择性可达85%。
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PPPPh2Pd(SnCl3)PPh3CH2CHCH329CO/CH3OHOC3H7COCH3+CH3COOCH3CHCH3(10-82) （4）自由基聚合反应
有些高分子金属络合物能引发烯类单体进行自由基聚合反应。通常情况下，其活性比相应的低分子金属络合物高。典型的例子是Cu2+与聚乙烯醇、聚乙烯胺、纤维素和淀粉等的络合物。如尼龙6与Cu2+的络合物，在CCl4存在下，发生聚合反应，见式（10-83）。
OCu2+NH2(CH2)5Cu2+NH2CH25OCNCH2CCl4O5C(CH2)5HNCOCP(MMA)
MMAMMACCl3(10-83)
三、 不对称合成
有机反应长生成含有不对称碳原子的化合物。例如，氢氰酸与苯甲醛的加成反应，可以得到两种旋光性异构体。如果反应过程中不存在一种特殊的力场，氢氰酸从两个方向进攻概率是相等的，得到外消旋化合物。通过不对称外消旋合成试剂与反应物作用，增加氢氰酸从一个方向进攻醛的概率，得到光学活性的产物。这就是不对称合成。
1 旋光性和高分子作催化剂
有些光活性高分子可作催化剂，例如，聚（S-异丁基乙烯亚胺）能催化α，β-不饱和羰基化合物与硫醇的加成反应，见式（10-84），生成具有光活性的加成产物。其中α，β-不饱和羰基化合物可为甲基丙烯酸甲酯，丙烯酸甲酯，甲基乙烯酮，苯基乙烯酮，反式-丁二烯二酸甲酯和顺式-丁二烯二酸甲酯等。聚（S-异丁基乙烯亚胺）可按反应式（10-85）所示的方法制备。
当顺式-丁烯二酸二甲酯与十二烷基硫醇进行加成反应，得到的加成产物30具有旋光性，见反应式（10-86）。
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iOCH2CHCR'BuCHCH2NHn*HOCH3CCR'SR''(10-84)
iBuCHCOOHNH2LiAlH4iBuCHCH2OHNH2iBuCHCH2NHiBuCHCH2NHn*(10-85)
OCH2OCHCCOCOCH3HC12H25SHOCH3OCHOCC*COCH3HHSCH1225(10-86)30当α，β-不饱和羰基化合物与二元硫醇反应时，可得到具有光学活性的聚合物，见式（10-87）。
OCH2COCCH2CH3HSCH2SHCOCH2CH2OC
CH34CH3SCH24OHOn(10-87)
SCH2CHCOCH2CH2OCCHCH22 旋光性高分子金属络合物作催化剂
用高分子金属络合物进行不对称反应的类型有：加氢、醛化、硅氢加成和重排反应等。
（1） 加氢反应
与通常的烯烃加成加氢反应一样，常用的不对称加氢催化剂为铑的络合物，但要用旋光性高分子作配体。例如，用聚-L-2甲基乙基亚胺与钌的络合物33来催化化合物31的加氢反应，见式（10-88）。化合物31经加氢得到D-构型的产物32，该化合物之所以具有立体选择性，是因为配位体的立体构型控制了反应的进程。
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CH3CCH2COOCH3OH2CH3CCH2COOCH3OH(10-88)31HCH2HNRuNCH3CHCH2Cl32CH3CH2OCOCH3
HCH3CCH2OC33
（2）醛化反应
烯烃进行醛化反应时，可得到直链及支链两种醛，其中支链醛上有不对称碳原子，存在R和S两种构型。例如，苯乙烯在CO/H2存在下的醛化反应，生成了异构醛37和正构醛38，见反应式（10-89）。若用旋光性Rh络合物36作催化剂，生成的异构醛37的光学产率可达35%。
CH3CHCH2COPh2PNPPh2HRhPh2PClCH2Ph2PRhPh2PCHOCHCH2CO/H2CHCH2nmCCH2COmCH2CHnCHCH2nOCH2CH2OHCHOOHCH2PPh2HCH2Ph2PRhOCHPPh3CHOOHCH2PPh23435Cl36CHCH2CH2CH2CHO(10-89)3738
四、 相转移催化剂
在化学反应中，如果在同一反应体系中两种反应物的极性差别较大，必须分别溶解在两种溶液中，而这两种液体又互不相溶，那么发生在两液相之间的反应，
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其反应速率一般是很小的。因为在每一相中总有一种反应物的浓度是相当低的，造成两种分子碰撞概率很低，而这种碰撞对于化学反应是必须的。在这种情况下，反应主要发生在两相的界面上。要增加反应速度，虽然可以采用增加搅拌速度以增大两相的接触面积，提高界面反应比例。然而这种方法的作用都是相当有限的。当然，也可以使用非质子极性溶剂增加对离子型化合物的溶解度，如二甲基亚矾(DMSO))、二甲基甲酰胺(DMF)、乙腈和六甲基磷酰胺(HMPA)等。除了上述溶剂比较昂贵之外，它们的高沸点造成的难以蒸除、溶剂污染也是应用方面的一大 障碍。在这方面近年来迅速发展的相转移催化反应是比较理想的解决办法。
相转移催化剂(Phase Transfer Catalys，简称PTC)一般是指在反应中能与阴离子形成离子对，或者与阳离子形成配合物，从而增加这些离子型化合物在有机相中的溶解度的物质。这类物质主要包括亲脂性有机离子化合物(季铵盐和磷鎓盐)和非离子型的冠醚类化合物。一般认为相转移有如下反应过程：
有机相QY+RXRY+QX水相QY+MXMY+QX
图中Q+Y-和Q+X-分别表示相转移催化剂形成的离子对，承担反应中离子在两相之间的传递和离子交换作用。冠醚类相转移催化剂借助与阳离子间的整合作用完成上述过程。
1高分子相转移催化剂
三相催化反应 低分子相转移催化剂在反应结束后，要把催化剂从反应混合物中分离出来，以制得纯产品。对于制备困难、价格昂贵的相转移催化剂还要回收利用，而催化剂的分离回收是一个困难而复杂的过程。若把相转移催化剂接到高分子上，分离就相当方便，只需过滤就行。Regen在做溴戊烷与异硫氰化钠
CH3CH24BrKSCNCH2CHCH3CH24SCNKBr (10 - 90)
CH2CH2CH2P Bu3Br39
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反应时，采用了高分子相转移催化剂39，收率达到94%，见式（10-90）。他认为这是三相催化反应，其中SCN-在水相、有机相和固相之间转移，见图10-14。
BrSCNSCNPBrRSCNBr有机相PCH2P BuBrBrBrKSCNKBrSCN水相SCN
图10-14 三相催化机理示意图
溶解在水中的阴离子SCN-与树脂上的Br–交换后进入树脂相，Br–进入水相。树脂相的SCN –与有机相的Br–交换进入有机相，并与溴代烷反应生成异硫氰酸酯。可见在树脂上的侧基CH2P+Bu3的帮助下，阴离子SCN-和Br–在水相-固相-有机相界面进行输送，促进反应顺利进行。
2高分子相转移催化剂的制备
最常用、活性较高的是季铵盐，季鏻盐次之，季鉮盐则很少用。季铵盐类高分子相转移催化剂可以用高分子反应的方法制备。例如，伯胺与带有季铵基团的酰氯反应，制备季铵类相转移催化剂，见式（10-91）。
OCH2CHN KOCH2CHCH2NH2NH2CHOCH2ClCH2NOOClCCH210CH2NH2CH2N(CH3)3BrCH(10 - 91)OCH2NHCCH210N(CH3)3Br
将官能团P(n-Bu)3与交联的氯甲基化聚苯乙烯反应，就可以得到季鏻盐型相转移催化剂，见式（10-92）。
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CH2CHCH2CH+CH2CHCH2CH(10-92)P(nBu)3CH2P(nBu)3ClCH2Cl
通常，先合成反应性冠醚，再通过高分子反应，将冠醚接到交联的聚苯乙烯树脂上，见式（10-93）。对于未反应的氯苄，可以用甲醇钠处理，得到苯甲醚。
OOOOCHOn-C3H7NH2CH21. n-C3H7NH2OOOO2. [H2]/Ranney NiOOCH2CHCH2CHCH2CHCH2CHOOOCH2ClCH2ClCH2NCH2n-C3H7OO( 1093)
3固液相转移催化剂
对于固液相反应，若两者互不相溶，则反应十分缓慢，产率也不高。对于如反应式（10-91）所示的反应，使用SiO2上接有季鏻盐或者含有18C6的高分子作相转移催化剂，产物收率可达到95%。
ONKOCH2ClONOCH2(10 - 91)
五、 固定化酶
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酶是一类分子量适中的蛋白质，存在于所有活细胞中。如同在前面固相肽合成中介绍的，它是由各种氨基酸按不同次序连接而成的高分子化合物。在生命过程的化学反应中作为天然催化剂。在生物体内进行的化学反应，几乎全部是由酶催化的。与常规催化剂相比，酶作为催化剂最大的特点是催化效率高，选择性极好，大多数情况下是专一性催化。许多在工业上需要高温高压才能进行的反应，在生物体内由酶催化只需常温常压条件即可进行。酶催化剂的缺点在于酶的稳定性不好，很容易变性失活。此外大多数酶是水溶性的，在水性介质中为均相催化剂．反应后的分离、纯化和回收有一定困难。酶的这一性质大大限制了它在工 业上的直接应用，因为在酶促反应之后要在不使酶变性的条件下回收酶是相当困难和复杂的。
酶的这种不易分离性质在应用时不仅浪费了贵重的酶，而且还增加了污染产品的机会。这一缺点不能不说对酶催化剂的推广应用形成一大阻碍。从20世纪50年代起，人们开始研究用各种各样方法在不减少或少减少酶的活性的前提下使酶成为不溶于水的所谓“固化酶”，并且已经取得了很大成功，开拓了酶在有机合成等各个领域里的应用范围。这一技术首先解决了反应后酶的回收和防止酶污染产品的问题。其次，酶的固化在一定程度上提高了酶的稳定性，适应反应条件的能力提高。酶的固化还使均相反应转变成多相反应。简化了反应步骤，使酶促反应可以实现连续化、自动化，为制造所谓“生物反应器”打下基础。酶的固化也采用了一些功能化和高分子化方法。
酶的固定方法有物理法和化学键合法两种。化学法是将酶通过化学键连接到合成的或是天然的高分子载体上，或连接到无机载体上。物理法是通过物理吸附、包埋和微胶囊法将酶固定在载体上。靠物理吸附法制成的固定化酶，在使用过程中，酶会逐渐流失。化学法在固定酶时，要控制一定的反应条件，尽量减少酶活性的降低。在进行酶固定化时，应考虑反应介质不应对酶或载体有溶解性；应避免高温、高压、强酸和强碱，以尽量减少固化反应对酶活性的影响；固化反应应选择没结构中非催化活性官能团；载体应有一定的机械强度和化学稳定性。
1化学键合酶固化方法
用化学法制备固定化酶时，酶上可被利用的基团有-NH2、-OH、-SH、咪唑基和苯基等。作为载体的高分子必须含有能与上述基团反应的功能基，如-N2+X-、
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-F、-COCl、-SO2Cl、-NCO、-NCS、-CHO等。 （1）以合成高分子载体
以合成高分子为载体，如聚丙烯酸、聚顺丁烯二酐和它的共聚物、聚丙烯酰胺及其共聚物、聚苯乙烯及其共聚物等，选择合适的反应条件，可得到稳定性较好的固定化酶。
①聚丙烯酸 将聚丙烯酸制成酰氯再与没反应，见式（10-92）。
CH2CHnCOOHSOCl2CH2OCHnECClNH2CH2OCHnCNHE(10 - 92)
使用Woodward试剂活化载体上的羧基，再与酶反应得到固定化酶，见式（10-93）。
SO3SO3PCOOCOCHNCC2H5HPCOOCCHCNHC2H5OENH2COCH2CNHC2H5O(10 - 93)SO3PCONHE
②聚顺丁烯二酸酐及其共聚物 聚顺丁烯二酸酐与胰蛋白酶反应，固定化后，再将未反应的顺丁烯二酸酐水解，载体变成水溶性高分子。
CH2CH2CCH2CCH2CCH2CCH2CHCHOOCOCONH2ENH2NH2CHCHOOOOCHCHOCH2CH2CH2CH2CHCHCHCHCOOOCOCCONHOOENH2NHCOOOCCHCHCH2CH2CHCOOCOOCH2CHCH(10 - 94)2
③聚丙烯酰胺及其共聚物 丙烯酰胺和N，N ’- 亚甲基双丙烯酰胺共聚制得交联共聚物。高分子上的氨基进一步反应，生成较活泼的-N3基，能在温和条件下与酶反应，见式（10-95）。
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NH2PCNH2H2NNH2PNH2CNHNH2EHNO3NH2PCN3NH2PCNHE(10 - 95)NH2
丙烯酰胺、N，N’-亚甲基双丙烯酰胺和苯乙烯胺进行共聚合反应，制得交联共聚物40，经与硫代光气反应后，制得活泼的异硫氰酸酯，与淀粉酶等反应，得到固定化酶，见式（10-96）。
CH2CHCONH2CH2OCHCNHCH2CHCH2CNHNH2OCH2CH
CH2CHCH2CHOCNHCH2CHCHCH2CONH2CHOCNH40CSCl2NH2CH2CHCH2CHCHCH2CONH2CHOCNHOCNHCH2CHNCSENH2CH2CHCH2CHCHCH2CONH2CHOCNHOCNHCH2CH(10 - 96)NHCNHES
④聚苯乙烯及其共聚物 含重氮基的聚苯乙烯可以与淀粉糖化酶、胃蛋白酶、核糖核酸酶等反应，未反应的重氮基可以用α-萘酚处理，见式（10-97）。
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CH2CHnNaNO3HClCH2CHnENH2CH2CHn(10 - 97)NH2N2 XNHE
在4-氟代苯乙烯、甲基丙烯酸和二乙烯苯共聚物上，硝基可使氟原子活化，易与木瓜酶、淀粉糖酶等发生脱氟化氢反应，见式（10-98）。
CH3CH2CHnCH2CmCOOHCH2ENH2O2NNHENO2CHnCH2CH3CmCOOH(10 - 98)O2NFNO2
(2)以天然高分子作载体
许多天然高分子是固定化酶的良好载体，如纤维素。琼脂糖等有疏水的骨架、亲水的羟基。原料便宜、易得。亲水性好，易加工，可采用多种化学反应把酶接到高分子上。
①重氮化法 可将核糖核酸酶、胰凝乳蛋白酶固定在纤维素上，但活性小，可能是交联、溶胀性较差造成的。因为底物相对分子量越小，固定化酶溶胀性越高，活性也越高。
OHClCH2NO2OCH2NO2SnCl2 / HClOCH2ENH2NH2NaNO2/HClOCH2N2XOCH2NHE(10 - 99)
② 叠氮化法 将羧甲基纤维素叠氮化，再与酶反应，如将水溶性胰凝乳蛋白酶固定在纤维素上，其活性甚至比原来更高一些，见式（10-100）。
OOCH2COOHCH3OHOCH2COOCH3N2H4HOOOCH2OCH2CNHNH2NaNO3HClOCH2CN3ENH2CNHE(10 - 100)
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③ 溴化氰法 作为载体的的多糖聚合物有许多羟基，可以与BrCN反应，生
成活性较高的基团，再与酶反应，见式（10-101）。
OOCNH2H2ONHOCNHEENH2ENH2H2OOHOHBrCNOHOOEOHOOCNEOOCNHEOH(10 - 101)CNHNH2
④均三嗪法 多聚糖载体上的羟基可以通过与三聚氰酸衍生物反应，生成活泼的基团，见式（10-102）。
ClNOHClNRNONRClNNENH2NHENONR(10 - 102)N
⑤ 异硫氰酸酯法 利用天然高分子上的羟基与环氧基等活泼基团反应生成能与酶反应的基团，见式（10-103）。
OHOCH2NO2OCH2CHOHENH2CH2NO2SnCl2/HClOCH2CHOHCH2NH2CSCl2OCH2CHOHSCH2NCSOCH2CHOHCH2NHCNHE(10 - 103)
(3)以无机物作载体
无机高分子载体通常采用多孔玻璃和硅胶。多空玻璃与酶的结合量低，但强度高，对酶和微生物是惰性的，化学稳定性好。例如，用γ-氨丙基三乙氧基硅烷与多孔硅胶反应，引入氨基。氨基与羧基在缩合剂双环己基碳化双亚胺（DCC）存在下形成酰胺，把酶固定在无机载体上，见反应式（10-104）。也可以引入芳香胺基，再重氮化，进一步与酶偶联反应生成固定化酶，见式（10-105）。
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SiO2)OHOH(C2H5O)3SiCH2CH2CH2NH2SiO2)OOOSiCH2CH2CH2NH2ECOOHDCCSiO2)OOOSiOCH2CH2CH2NHCE(10 - 104)
ClCH2NO2SiO2)OOOSiCH2CH2CH2NH2SiO2)OOOOOOOSiOSiOSiCH23CH23NHCH2NO2SnCl2/HClSiO2)CH23NHCH2NH2NaNO3HClSiO2)NENHNHCH2N2ClSiO2)OOOSiCH2NHCH23NNNNE(10 -105)
2物理法制备固定化酶
（1）物理吸附法 利用载体的毛细孔吸附酶制备固定化酶。例如，微孔玻璃珠能吸附尿酶、胃蛋白酶。随玻璃珠的处理方法不同，制得的固定化酶的稳定性也有差别。
（2）包埋法 包埋法的制备过程是将酶溶解在含有合成载体的单体溶液中。在此均相体系中进行合成载体的聚合反应，聚合反应进行过程中使溶液中的酶被包埋在反应形成的聚合物网络之中，不能自由扩散，从而达到酶固化的目的。此法要求形成的聚合物网络在溶胀条件下要允许反应物和生成物小分子通过。例如以苯酚类(如对苯二酚)和甲醛经缩聚而成的新一类凝胶状树脂(PF凝胶)即属于此类高分子材料。此类凝胶价廉并易于制备，疏松多孔、无毒、不溶于水，而且具
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有极强的亲水性，不溶于有机溶剂，有较好的机械强度。作为载体它能简单、快速、有效地对多种酶和蛋白质加以固定，对蛋白质有很高的结合量。当幻淀粉酶等结合时，可用于淀粉等多糖的酶解反应。这类固定化酶应用于酶解淀粉时，具有高的转化率和高的稳定性。当加入一定量的间苯二酚参加缩聚反应后，还可以得到改性的PF凝胶，当用作为酶的固定化载体时其性能又有所提高。
OHOHOHOHOHOOHOHHOOHOHOHPF凝胶
nOOHOH
（3）微胶囊法 微胶囊法是用有半通透性能的聚合物膜将酶包裹在中间，构成酶藏在微囊中的固化酶。在酶催化反应中反应物小分子可以通过半透膜与酶接触进行酶促反应，生成物可以通过半透膜逸出囊外，而酶则由于体积较大被留在膜内。其性质与包埋法的工作原理相似，工作原理如图10-15所示。
图10-15 微胶囊固定化酶的工作原理示意图
3固定化酶的应用
制作固化酶的目的是利用酶催化剂的高活性和高选择性，以酶为催化剂可以制备用常规方法难以或不能合成的有机化学产品。因此在酶的固化研究中人们最关心的有两方面：一是酶经过固化后能否保持高活性和高选择性。二是通过酶
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的固化能否使其扩大使用范围、简化操作、降低成本。很显然，第一条是最重要的。固定化后酶的活性取决于酶本身原有的活性和固化时采用的方式方法，以及所用载体的化学结构和物理形态。应该说多数酶经过固化后其活性或多或少都有所降低，这是由于酶在固化过程中，活性酶中一部分氨基酸的氨基或羧基参与固化而是使酶的结构在一定程度上受到破坏，因此在固化过程中酶蛋白的高次结构也会有所变化。酶固化后形成的高分子效应对酶的选择性也会有一定程度的影响。这也是虽然固化酶有许多优点，但是在工业上的广泛应用仍受到许多限制的原因之一。但是可以相信，随着固化方法的不断改进，固化酶将会受到越来越广泛的重视和应用。
（1）光学纯氨基酸的合成
众所周知，光学异构体的合成是有机合成研究中的最具挑战性的课题，主要难点在于缺少专一性催化剂。而利用酶催化的专一性用于光学异构体的合成是一条有效解决途径。例如，合成L—蛋氨酸，采用常规方法合成仅能获得外消旋体产物，而采用从Aspergillus aryzae菌中提取的酰化氨基酸水解酶作为催化剂，将此酶用物理吸附的方法固化在N，N-二乙基胺乙基葡聚糖树脂上，再将这种固化有酶催化剂的树脂装入反应柱中，使N乙酰基-D，L-蛋氨酸外消旋体通过反应柱进行脱乙酰基反应，在柱的出口处将得到光学纯的L蛋氨酸。而且该反应柱可以连续反复使用。
D,LRCHCOOHNHOCR'产物H2O固定化氨基酰化酶LRCHCOOHNH2DRCHCOOHNHOCR'
图10-16 外消旋氨基酸拆分得L-氨基酸工作原理图
（2）6-氨基青霉素酸的合成
6-氨基青霉素酸是生产许多种青霉素产品的主要原料，有多种制备方法。其中固化酶法是将青霉素酰胺酶接技到经过活化处理的N，N—二乙基胺乙基纤维素上，以此为固相催化剂分解原料苄基青霉素，产物即为6—氨基青霉素酸。在反应条件下分子结构中张力很大的四元和五元环末受影响。经固化后酶的稳定
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性增加。由此固化酶装填的反应柱连续使用11周而未见活性降低。这是用常规方法所不能比拟的。而且比传统的微生物法生产的产品纯度更高，质量更好。
OPhCH2CNHNOH青霉素GSCH3CH3COOHOH2NNHSCH3CH3COOH(10 - 106)PhCH3COOH6-氨基青霉素
目前工业上用化学法从青霉素G经化学扩环，再经水解反应、酰胺化等步骤
制备头孢霉素，见式（10-107）。
OPhCH2CNHNOHSCH3CH3COOHOCClOPhCH2C化学扩坏ONHNSCH3COOHOCHNCHCH3COOHHO头孢氨苄NSCH3COOH(10 - 107)
H2N青霉素酰化酶NOSCHH （3）固化酶在分析化学和化学传感器制作方面的应用
固化酶在临床医学和化学分析方面也有广泛应用，酶电极就是其中一种。将活性酶用特殊方法固化到电极表面就构成了酶电极，也有人称其为酶修饰电极。固化酶由于其不溶性质，在酶修饰电极制备方面具有优势。用酶电极可以测定极微量的某些特定物质，不仅灵敏度高，而且选择性好。它的最大优势在于酶电极可以做得非常小，甚至小到可以插入某些细胞内测定细胞液的组成，因此在生物学研究和临床医学研究方面意义重大。电报表面的酶修饰方法多种多样，包埋法是其中比较简便的—种。比如，将葡萄糖氧化酶用交联聚丙烯酰胺包埋在高灵敏度氧选择电极表面，形成厚度仅为微米数量级的表面修饰层。该酶修饰电极可以定量测定体液中的葡萄糖。固化酶与生物传感技术结合制成的乳酸盐分析仪具有快速、准确，自动化、微量取血等4大优点，使用乳酸盐分析仪测定血乳酸已有报道。方法是乳酸电极表面覆盖一片含三层固化酶的膜，外层为聚碳酸膜，内层
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为醋酸纤维素膜，中层为乳酸盐氧化酶，它经表面处理技术被均勺地固定在两片不同的薄膜之间，起保护电极，限制扩散通路的作用。血中乳酸盐在渗透过外层膜后即被氧化为过氧化氢，透过内层由铂金电极检定其含量。讯号经微机处理为乳酸盐浓度，直接出现在荧光屏上或打印在纸上，或输送到电脑中作进—步分析。
此外，固定化酶还可以与安培检流计配合，应用于啤酒中亚硫酸盐和磷酸盐。 当然，固化酶法也有其不足之处，除了前面提到的几点之外，制备技术要求高，制备成本昂贵也限制了固化酶法在工业上的大规模应用。寻找廉价的载体，研究更简单的固化方法，将是下一步研究的主要目标。
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