第四章高分子试剂和高分子催化剂
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10
Br Br
54%
与小分子溴代试剂相比，反应机理不同。
高分子酰化试剂（活性酯）
可用于制备高分子活性酯的含有弱酸性羟基的树脂。这 些中间体与羧酸、酰氯等反应得到高分子活性酯。
CH2 CH CH2 CH CH2 CH CH2 CH
NO2 OH CH2 CH2OC O CH2OC O
NO2 OH OH
36
可溶高分子催化剂－端基含配体
Brittain, W. J. et al.; Macromolecules 2000, 33, 4295.
37
可溶高分子催化剂－端基含配体
Zhu, S et al.;. Macromolecules 2001, 34, 3182.2001, 34, 8603.
38
18
高分子Wittig 试剂
19
高分子Wittig 试剂
20
高分子载体上的固相合成
1963年R. B. Merrifield 发明的固相肽合成法，1984年获诺贝尔化学奖。
带功能基的聚合物载体 P-F 固载 P-F-S 反应 低分子试剂 聚合物支载的产物 P-F-B 解脱 粗产物 B + P-F' 过滤 粗产物 B 蒸发溶剂 纯化 纯产物 P-F' 过滤 粗产物 B 蒸发溶剂 纯化 纯产物 粗产物 B + P-F P-F 再 生 反应 低分子底物（S） 带功能基的聚合物载体 P-F 固载 低分子试剂 P-F-S 低分子底物（S） 再 生
+ 高分子过氧酸
40OC, 4h. 86%
O
7
பைடு நூலகம்
高分子还原剂
比相应的低分子锡的氢化物 更稳定、无气味、低毒性、 易分离。还原苯甲醛、苯乙 酮、叔丁基甲酮成相应的醇 ，收率91-92％。对二元醛有 很好的选择性。 可以还原脂肪族或芳香族的 卤代烃，使卤原子转化为氢 原子，收率很高。
OHC
CHO
90%
OHC 86%
多肽的固相合成
23
低聚核苷酸的固相合成
核苷酸包括核苷和磷酸，核 包括碱基和戊糖。戊糖包括 D-核糖和D-2－脱氧核糖。 基本碱基包括：腺嘌呤(A) ，鸟嘌呤（G), 胞嘧啶（C) ，胸腺嘧啶(T)，尿嘧啶（ U). 该树脂的优点：氯原子活泼 能与戊糖中的羟基生成醚键 ；空间阻碍大，只与伯羟基 反应，选择性好。
Solid/Liquid Separations of Polymer Catalysts with Inverse T-dependent Solubility 利用聚合物在不同温度条件下溶解性的差异进行分离。低温不 溶，高温可溶。
（1）含有大量的功能团并易于改性，能通过较少的合成步 骤实现功能化； （2） 可控溶解或溶胀性，渗透性好。 （3）合适的几何特征，一定的表面积（孔径）和孔率。 （4）化学稳定性
34
高分子金属催化剂－交联聚苯乙烯
加氢反应 烯烃, 芳香烃, 硝基，醛，酮化合物的加氢反应, 含 铹, 钯，钌，铂等贵重金属的有机金属高分子.
28
催化性能的高分子－概述
从二十世纪六十年代以来，模拟酶的合成高分子催化 剂的研究日益活跃起来，目的在于用合成的方法来模拟酶 的结构、以获得高活性、高选择性的催化剂。 将金属化合物络合在高分子配体上制成高分子金属络 物做催化剂。分离、回收方便，可重复使用，较稳定。
不可溶解， 非均相催化。
可溶解的体系：
42
树状高分子催化剂
In allylic substitution chemistry Kaneda, K. et al.; Chem. Commun. 2002, 52.
43
高分子催化剂的回收、利用方法
44
高分子催化剂的回收、利用方法
(a) gas/liquid separation of products by distillation; (b) using a semipermeable membrane; (c) use of a physical or chemical stimulus to induce formation of two immiscible liquid phases that are subsequently separated so as to separate products from a solution of a soluble polymer-bound catalyst and ligand; (d) use of a reaction mixture that is always biphasic, with the catalysts residing in a phase different from that in which the substrates/products reside; (e) use of a physical change, a chemical reaction, or a solvent change to induce formation of a precipitate of a polymerbound catalyst and ligand followed by a solid/liquid separation using centrifugation or filtration
45
Solid/Liquid Separations of Polymer Catalysts
利用聚合物在不同温度条件下溶解性的差异进行分离。高温可 溶，低温不溶
Walker, S. A. et al. J. Polym. Sci., Part A: Polym. Chem. 1989, 46 27, 4205.
强、弱碱性阴离子交换树脂催化的 Knoevenagel 反应； 醇醛缩合反应； 以IR-4B的苯甲酸盐为催化剂，苯-水共沸法除去水，正 丁醛 （100%），苯甲醛（94%）。 丁醛的缩合用强碱性或弱碱性；丙酮用强碱性。
31
离子交换树脂作为高分子催化剂
强酸型阳离子交换树脂催化的酯化反应，缩醛化反应。 高级脂肪酸的酯化等；正丁醛与乙二醇的反应. 强碱型阴离子交换树脂催化的Michael 反应（醇与丙烯腈的 加成）；氰醇合成（酮与氢氰酸的反应）；硝基醇合成（硝
24
寡糖的固相合成－载体
25
异麦芽糖的固相合成
26
异麦芽糖的固相合成
载体具有光敏性，最后 的聚合物经紫外线光照 后，释放出异麦芽糖。
27
催化性能的高分子－概述
高分子催化剂为具有催化作用的高分子。 生物体内所进行的化学反应几乎全为酶所催化，酶为 天然高分子催化剂。 酶是由各种氨基酸连接组成的高分子，有的含有金属 离子（金属酶）。在常温、常压下，对化学反应具有 高速、高效、高选择性的催化作用，用量非常少。但 酶娇贵，水溶性，难以从反应体系中分离。因此，从 50年代以来开始固定化酶的研究，将酶通过一定手段 限制在一个空间，不再溶于水。
40
不对称催化-主链中含催化剂
90+% ee values Chen, A. S. C. et al.; J. Am. Chem. Soc. 1999, 121, 7407.
41
树状高分子催化剂
hydrogenation of 2-arylacrylic acids such as 2-(4-(2methyl-1-propyl)-phenyl)propenoic acid with enantioselectivities of >90%. Catalyst recycling by solvent precipitation with no effect on conversion or ee . Fan, Q.-H.; et al.; Chem. Commun. 2000, 789.
第四章 高分子试剂和高分子催化剂
1
高分子试剂－概述
通过功能基高分子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，然后用这些聚 合物支载的试剂与反应底物进行有机合成反应。
优点：分离、再生容易；反应过程容易实现连续化。 缺点：试剂制备成本高，反应活性低，副产物分离难， 高温不稳定。
2
常规的有机合成过程
21
用聚合物支载的底物进行反应 用聚合物支载的试剂进行反应
多肽的固相合成
最常用的载体是氯甲基化苯乙烯－二乙烯基苯共聚体。 第一步：氨基保护的氨基酸与在碱催化下与苄氯反应， 小分子通过酯键与载体结合； 第二步：选择性脱除氨基保护基，酯键不受影响。 第三步：另一个氨基保护的氨基酸的羧酸基团与载体上 的氨基在 DCC存在下缩合。 重复以上的第二，第三步反应。 最后选择性地将肽与载体相连的酯键断裂。 氨基保护基，CBz （HF，催化氢化）；Boc （HCl/AcOH）；苄酯键（TFA，HF，HBr/AcOH）。 22
CH2 CH LiPPh3 CH2 CH RhCl(PPh3)3 CH2 CH
CH2Cl
CH2PPh2
CH2PPh2
RhCl(PPh3)2
烯烃的加氢速度受其分子形状和大小的影响，选择性 高。硅氢加氢反应。
35
可溶高分子催化剂－端基含催化剂
Bergbreiter, D. E.; Walker, S. A. J. Org. Chem. 1989, 54, 5138,
CH2OH +
HOH2C 14%
CH2OH
8
高分子还原剂
CH2 CH NH2NH2 H2O 0-10oC SO2Cl SO2NH2NH2 CH2 CH
使烯烃加氢，在加氢时保留原有羰基不被还原，有选 择性，收率高。
O CH3 99%
O CH3
9
高分子卤化试剂(P-NBS)
Br NBS P-NBS 77 50%
预期产物（粗品) (C)
纯化
纯净产物 (C)
4
固相合成过程
低分子反应物（A) + 高分子载体（P)
再生
与低分子结合的聚合物(P-A)
低分子试剂，催化剂
与产物结合的聚合物(P-C)
断裂反应，过滤
高分子载体（P')
粗产物 (C)
纯化
纯净产物 (C)
5
高分子载体的功能化
6
高分子氧化剂－过氧酸
氧化烯烃成环氧化合物；低分子过氧酸不稳定，容易爆炸。
基甲烷与醛的反应）。
32
离子交换树脂作为高分子催化剂
强酸型离子交换树脂催化的烯烃的烷基化反应 丙烯与苯的加成反应 强酸型离子交换树脂催化的环氧化合物的加成反应 醇与环氧乙烷、环氧丙烷在碱催化下的开环反应。 醇的消除反应 酯的水解反应 高分子合成
33
作为载体的高分子应具备的基本条件
含 N，O，P，S 等线性高分子或交联高分子。 -OH, -COOH, -NH2, -SH 等质子型； 氮杂环（吡啶，喹啉，米唑等），羰基，氰基，硝 基，偶氮，西佛碱等配位型；
可溶高分子催化剂用于催化氢化－侧基含催化剂
Hydrogenation of 1-pentene, five cycles. 分离：超滤法
Bayer, E et al; Angew Chem., Int. Ed. Engl. 1975, 14, 493.
39
不对称催化－侧基含催化剂
The ee values were generally <40% and the conversions were modest.. Ohkubo, K. et al.; Chem. Lett. 1979, 15, 231.
29
催化性能的高分子－概述
催化剂制备与回收的难易， 催化剂的活性和选择性。 可再重复使用性，效率。
均相催化：
催化剂容易表征清楚，结构与性能关系明确。 反应均相，速度快，活性高。 分离：溶剂量大，时间长等。
30
离子交换树脂作为高分子催化剂
酸、碱催化的有机化学反应。
RCHO + H2 C CN COOH IR-4B RCH=C COOH CN + H2O
低分子反应物（A) + 低分子试剂（B)
预期产物（C) + 副产物， 过量试剂 (R)
分离过程
预期产物（粗品) (C)
纯净产物 (C)
3
使用高分子试剂的有机合成过程
高分子载体(P) 引入 R 功能基 低分子反应物（A) + 高分子试剂（P－R)
再生
预期产物（C) + 废弃聚合物(P-B)
过滤
(P-B)
NO2 NO2
OH
CH2 CH O N O O N OH O
CH2 OH N OH N N
NO2
11
中间体的制备方法
12
中间体的制备方法
13
高分子活性酯的用途－合成多肽
14
高分子酸酐试剂
与羧酸反应制备相应的低分子酸酐，与胺反应制备酰胺。
15
高分子酸酐试剂
16
高分子Wittig 试剂
17
高分子Wittig 试剂
Br Br
54%
与小分子溴代试剂相比，反应机理不同。
高分子酰化试剂（活性酯）
可用于制备高分子活性酯的含有弱酸性羟基的树脂。这 些中间体与羧酸、酰氯等反应得到高分子活性酯。
CH2 CH CH2 CH CH2 CH CH2 CH
NO2 OH CH2 CH2OC O CH2OC O
NO2 OH OH
36
可溶高分子催化剂－端基含配体
Brittain, W. J. et al.; Macromolecules 2000, 33, 4295.
37
可溶高分子催化剂－端基含配体
Zhu, S et al.;. Macromolecules 2001, 34, 3182.2001, 34, 8603.
38
18
高分子Wittig 试剂
19
高分子Wittig 试剂
20
高分子载体上的固相合成
1963年R. B. Merrifield 发明的固相肽合成法，1984年获诺贝尔化学奖。
带功能基的聚合物载体 P-F 固载 P-F-S 反应 低分子试剂 聚合物支载的产物 P-F-B 解脱 粗产物 B + P-F' 过滤 粗产物 B 蒸发溶剂 纯化 纯产物 P-F' 过滤 粗产物 B 蒸发溶剂 纯化 纯产物 粗产物 B + P-F P-F 再 生 反应 低分子底物（S） 带功能基的聚合物载体 P-F 固载 低分子试剂 P-F-S 低分子底物（S） 再 生
+ 高分子过氧酸
40OC, 4h. 86%
O
7
பைடு நூலகம்
高分子还原剂
比相应的低分子锡的氢化物 更稳定、无气味、低毒性、 易分离。还原苯甲醛、苯乙 酮、叔丁基甲酮成相应的醇 ，收率91-92％。对二元醛有 很好的选择性。 可以还原脂肪族或芳香族的 卤代烃，使卤原子转化为氢 原子，收率很高。
OHC
CHO
90%
OHC 86%
多肽的固相合成
23
低聚核苷酸的固相合成
核苷酸包括核苷和磷酸，核 包括碱基和戊糖。戊糖包括 D-核糖和D-2－脱氧核糖。 基本碱基包括：腺嘌呤(A) ，鸟嘌呤（G), 胞嘧啶（C) ，胸腺嘧啶(T)，尿嘧啶（ U). 该树脂的优点：氯原子活泼 能与戊糖中的羟基生成醚键 ；空间阻碍大，只与伯羟基 反应，选择性好。
Solid/Liquid Separations of Polymer Catalysts with Inverse T-dependent Solubility 利用聚合物在不同温度条件下溶解性的差异进行分离。低温不 溶，高温可溶。
（1）含有大量的功能团并易于改性，能通过较少的合成步 骤实现功能化； （2） 可控溶解或溶胀性，渗透性好。 （3）合适的几何特征，一定的表面积（孔径）和孔率。 （4）化学稳定性
34
高分子金属催化剂－交联聚苯乙烯
加氢反应 烯烃, 芳香烃, 硝基，醛，酮化合物的加氢反应, 含 铹, 钯，钌，铂等贵重金属的有机金属高分子.
28
催化性能的高分子－概述
从二十世纪六十年代以来，模拟酶的合成高分子催化 剂的研究日益活跃起来，目的在于用合成的方法来模拟酶 的结构、以获得高活性、高选择性的催化剂。 将金属化合物络合在高分子配体上制成高分子金属络 物做催化剂。分离、回收方便，可重复使用，较稳定。
不可溶解， 非均相催化。
可溶解的体系：
42
树状高分子催化剂
In allylic substitution chemistry Kaneda, K. et al.; Chem. Commun. 2002, 52.
43
高分子催化剂的回收、利用方法
44
高分子催化剂的回收、利用方法
(a) gas/liquid separation of products by distillation; (b) using a semipermeable membrane; (c) use of a physical or chemical stimulus to induce formation of two immiscible liquid phases that are subsequently separated so as to separate products from a solution of a soluble polymer-bound catalyst and ligand; (d) use of a reaction mixture that is always biphasic, with the catalysts residing in a phase different from that in which the substrates/products reside; (e) use of a physical change, a chemical reaction, or a solvent change to induce formation of a precipitate of a polymerbound catalyst and ligand followed by a solid/liquid separation using centrifugation or filtration
45
Solid/Liquid Separations of Polymer Catalysts
利用聚合物在不同温度条件下溶解性的差异进行分离。高温可 溶，低温不溶
Walker, S. A. et al. J. Polym. Sci., Part A: Polym. Chem. 1989, 46 27, 4205.
强、弱碱性阴离子交换树脂催化的 Knoevenagel 反应； 醇醛缩合反应； 以IR-4B的苯甲酸盐为催化剂，苯-水共沸法除去水，正 丁醛 （100%），苯甲醛（94%）。 丁醛的缩合用强碱性或弱碱性；丙酮用强碱性。
31
离子交换树脂作为高分子催化剂
强酸型阳离子交换树脂催化的酯化反应，缩醛化反应。 高级脂肪酸的酯化等；正丁醛与乙二醇的反应. 强碱型阴离子交换树脂催化的Michael 反应（醇与丙烯腈的 加成）；氰醇合成（酮与氢氰酸的反应）；硝基醇合成（硝
24
寡糖的固相合成－载体
25
异麦芽糖的固相合成
26
异麦芽糖的固相合成
载体具有光敏性，最后 的聚合物经紫外线光照 后，释放出异麦芽糖。
27
催化性能的高分子－概述
高分子催化剂为具有催化作用的高分子。 生物体内所进行的化学反应几乎全为酶所催化，酶为 天然高分子催化剂。 酶是由各种氨基酸连接组成的高分子，有的含有金属 离子（金属酶）。在常温、常压下，对化学反应具有 高速、高效、高选择性的催化作用，用量非常少。但 酶娇贵，水溶性，难以从反应体系中分离。因此，从 50年代以来开始固定化酶的研究，将酶通过一定手段 限制在一个空间，不再溶于水。
40
不对称催化-主链中含催化剂
90+% ee values Chen, A. S. C. et al.; J. Am. Chem. Soc. 1999, 121, 7407.
41
树状高分子催化剂
hydrogenation of 2-arylacrylic acids such as 2-(4-(2methyl-1-propyl)-phenyl)propenoic acid with enantioselectivities of >90%. Catalyst recycling by solvent precipitation with no effect on conversion or ee . Fan, Q.-H.; et al.; Chem. Commun. 2000, 789.
第四章 高分子试剂和高分子催化剂
1
高分子试剂－概述
通过功能基高分子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，然后用这些聚 合物支载的试剂与反应底物进行有机合成反应。
优点：分离、再生容易；反应过程容易实现连续化。 缺点：试剂制备成本高，反应活性低，副产物分离难， 高温不稳定。
2
常规的有机合成过程
21
用聚合物支载的底物进行反应 用聚合物支载的试剂进行反应
多肽的固相合成
最常用的载体是氯甲基化苯乙烯－二乙烯基苯共聚体。 第一步：氨基保护的氨基酸与在碱催化下与苄氯反应， 小分子通过酯键与载体结合； 第二步：选择性脱除氨基保护基，酯键不受影响。 第三步：另一个氨基保护的氨基酸的羧酸基团与载体上 的氨基在 DCC存在下缩合。 重复以上的第二，第三步反应。 最后选择性地将肽与载体相连的酯键断裂。 氨基保护基，CBz （HF，催化氢化）；Boc （HCl/AcOH）；苄酯键（TFA，HF，HBr/AcOH）。 22
CH2 CH LiPPh3 CH2 CH RhCl(PPh3)3 CH2 CH
CH2Cl
CH2PPh2
CH2PPh2
RhCl(PPh3)2
烯烃的加氢速度受其分子形状和大小的影响，选择性 高。硅氢加氢反应。
35
可溶高分子催化剂－端基含催化剂
Bergbreiter, D. E.; Walker, S. A. J. Org. Chem. 1989, 54, 5138,
CH2OH +
HOH2C 14%
CH2OH
8
高分子还原剂
CH2 CH NH2NH2 H2O 0-10oC SO2Cl SO2NH2NH2 CH2 CH
使烯烃加氢，在加氢时保留原有羰基不被还原，有选 择性，收率高。
O CH3 99%
O CH3
9
高分子卤化试剂(P-NBS)
Br NBS P-NBS 77 50%
预期产物（粗品) (C)
纯化
纯净产物 (C)
4
固相合成过程
低分子反应物（A) + 高分子载体（P)
再生
与低分子结合的聚合物(P-A)
低分子试剂，催化剂
与产物结合的聚合物(P-C)
断裂反应，过滤
高分子载体（P')
粗产物 (C)
纯化
纯净产物 (C)
5
高分子载体的功能化
6
高分子氧化剂－过氧酸
氧化烯烃成环氧化合物；低分子过氧酸不稳定，容易爆炸。
基甲烷与醛的反应）。
32
离子交换树脂作为高分子催化剂
强酸型离子交换树脂催化的烯烃的烷基化反应 丙烯与苯的加成反应 强酸型离子交换树脂催化的环氧化合物的加成反应 醇与环氧乙烷、环氧丙烷在碱催化下的开环反应。 醇的消除反应 酯的水解反应 高分子合成
33
作为载体的高分子应具备的基本条件
含 N，O，P，S 等线性高分子或交联高分子。 -OH, -COOH, -NH2, -SH 等质子型； 氮杂环（吡啶，喹啉，米唑等），羰基，氰基，硝 基，偶氮，西佛碱等配位型；
可溶高分子催化剂用于催化氢化－侧基含催化剂
Hydrogenation of 1-pentene, five cycles. 分离：超滤法
Bayer, E et al; Angew Chem., Int. Ed. Engl. 1975, 14, 493.
39
不对称催化－侧基含催化剂
The ee values were generally <40% and the conversions were modest.. Ohkubo, K. et al.; Chem. Lett. 1979, 15, 231.
29
催化性能的高分子－概述
催化剂制备与回收的难易， 催化剂的活性和选择性。 可再重复使用性，效率。
均相催化：
催化剂容易表征清楚，结构与性能关系明确。 反应均相，速度快，活性高。 分离：溶剂量大，时间长等。
30
离子交换树脂作为高分子催化剂
酸、碱催化的有机化学反应。
RCHO + H2 C CN COOH IR-4B RCH=C COOH CN + H2O
低分子反应物（A) + 低分子试剂（B)
预期产物（C) + 副产物， 过量试剂 (R)
分离过程
预期产物（粗品) (C)
纯净产物 (C)
3
使用高分子试剂的有机合成过程
高分子载体(P) 引入 R 功能基 低分子反应物（A) + 高分子试剂（P－R)
再生
预期产物（C) + 废弃聚合物(P-B)
过滤
(P-B)
NO2 NO2
OH
CH2 CH O N O O N OH O
CH2 OH N OH N N
NO2
11
中间体的制备方法
12
中间体的制备方法
13
高分子活性酯的用途－合成多肽
14
高分子酸酐试剂
与羧酸反应制备相应的低分子酸酐，与胺反应制备酰胺。
15
高分子酸酐试剂
16
高分子Wittig 试剂
17
高分子Wittig 试剂