3.3　高分子催化剂

在有机化学反应中，催化剂起着重要的作用。相对于均相催化反应，多相催化反应的后处理过程简单，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，特别是对于那些生产困难，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，实现多相催化工艺是非常有吸引力的，对工业化大生产更是如此。利用高分子催化剂则可实现多相催化反应，满足现代有机合成工业的要求。

高分子催化剂是将催化活性物种（如金属离子、络合物等）以物理方式（吸附、包埋）或化学键合作用（离子键、共价键）固定于线形或交联聚合物载体上所得到的具有催化功能的高分子材料。20世纪60年代末期，有机聚合物（聚苯乙烯磺酸）负载的络合物［Pt（NH3）4］2+问世，为高分子催化剂在有机多相催化聚合的发展奠定了基础，其研究工作立即激起世界各国催化学家广泛的关注和兴趣，从此高分子催化剂成为化学界的一个独立的交叉学科研究领域。在其后近30年的时间里已经设计和合成了为数众多的不同结构和不同用途的高分子催化剂，其中有许多无论在催化活性还是催化选择性方面均大大超过对应的均相络合催化剂。目前常用的高分子催化剂有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。

3.3.1　高分子催化剂的合成

高分子催化剂的合成方法可大致分为两类，即化学键联法和物理浸渍法。

（1）化学键联法　催化活性金属原子通过离子键或共价键被固载于聚合物载体上，这是高分子负载催化剂最主要的制备方法。离子键合的方法简单易行，但此类催化剂使用时应谨慎选择反应介质（溶剂），否则有可能在实际催化过程中发生二次离子交换而导致催化活性物种的脱落。相对而言，共价键合法制备的催化剂较为牢固，但使用时也应严格控制反应条件（适宜温度、惰性气体保护等）。

金属的络阴离子或络阳离子可采用离子交换的原理被固载于聚合物载体上，如图3-17所示。催化剂（a）是羰基化催化剂，催化剂（b）是高效环氧化催化剂。

催化活性中心金属原子可通过共价键与聚合物载体键合，通常是先制备聚合物载体，再经系列功能基化反应制成带配位功能基的高分子配体，后者与金属的盐或络合物反应即可制得高分子共价键联金属络合物催化剂，如图3-18所示。此催化剂可作为烯烃氢甲酰化反应催化剂，其中的氯甲基化聚苯乙烯是高分子负载催化剂中最常用的高分子载体，经它可引入各种不同的配位基，如不同施主原子配位基、单齿及多齿配位基、同类配体但施主原子上带不同取代基。

除聚苯乙烯这种最常用的有机聚合物载体，还可以用SiO2作为无机聚合物载体，其表面的羟基可与烷氧基（甲氧基、乙氧基）硅烷反应，可借助于这一反应在其表面上锚定苯基烷氧基硅烷，再经修饰反应引入配位功能基从而制备各种各样的负载金属络合物，如图3-19所示的SiO2负载金属络合物催化剂的制备过程。

硅胶不仅有很好的吸附性能，而且高温活化后其表面羟基具有一定弱酸性，将其浸入可溶性碱性聚合物（如线形聚乙烯基吡啶）溶液中，后者的碱性功能基与前者羟基间会产生一种弱的静电（成盐）相互作用，后者即被吸附、涂覆在前者表面上，得到以无机聚合物为核、以有机高分子为壳的高分子配体，然后将之用于键合金属离子，制备高分子负载催化剂（图3-20）。

上面介绍的制备高分子负载催化剂的方法都是先制备高分子载体然后通过不同的方法将催化活性金属物种固载化于聚合物载体上，这种方法称为预制聚合物法。也可以先合成带催化活性物种的烯基单体，然后再经均聚或共聚合反应制成高分子负载金属络合物催化剂。如图3-21所示的几种带催化活性物种的烯基单体。

（2）物理浸渍法　物理浸渍法是制备高分子负载催化剂最简单的方法，又分干法和湿法。所谓干法是将金属盐或络合物溶于易挥发性溶剂中，然后把多孔性聚合物载体（如微孔高比表面积交联聚苯乙烯、碳化树脂、活性硅胶等）加入其中，搅拌下浸渍一段时间，过滤后干燥（除去挥发性溶剂）即得。另一种方法是湿法，即将金属盐或络合物溶于由易挥发性溶剂（苯、丙酮、氯仿等）和非挥发性溶剂（二苯醚、三氯苯等）组成的混合溶剂中，然后将多孔性载体加入其中浸渍一段时间。过滤后除去挥发性溶剂，溶于非挥发性溶剂的金属络合物即以溶液状态被吸附、锁闭在多孔性载体的孔道内。浸渍法虽然简单易行，但催化活性组分与载体的结合不甚牢固，在使用过程中金属往往容易脱落流失，这是其主要缺点。

3.3.2　高分子催化剂的高分子效应

（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键联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。

如均相二茂钛在加氢时会二聚生成无催化加氢活性的双二茂钛二氢络合物。交联度为20％的聚苯乙烯载体有较大的刚性，当其负载有二茂钛时，键联于这种载体上的活性二茂钛物种处于彼此隔离状态，大大降低了其二聚的可能性，使其催化加氢活性可达到相应的均相二茂钛的25～120倍。

（2）选择性提高效应　经特定设计、裁制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。将孔径分别为32nm、20nm、15nm的3种载体用于制备高分子钌络合物催化剂并用于环十二碳三烯（CDT）催化选择加氢反应时，发现孔径为20nm的催化剂的生成选择性最高，并超过对应的均相络合物催化剂。

（3）活性提高效应　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有可能的，高度不安定的催化活性物种被固载化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。如利用聚合物负载的WCl6-Et2AlCl进行双环戊二烯的开环歧化反应时催化剂活性明显提高，同时生成聚合物的力学性能也大大提高。

（4）协同效应　若高分子负载金属催化剂的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）吸引底物分子使其快速接近催化功能基，使催化反应更容易进行，这种情况叫作协同效应。如高分子磷酸树脂可用于催化乙酸烯丙酯的水解反应，采用部分负载Ag+高分子磺酸作为催化剂时其催化水解效率大大提高。

3.3.3　高分子催化剂的类型及应用

高分子催化剂包括高分子酸碱催化剂、高分子金属络合物催化剂、高分子相转移催化剂、高分子路易斯酸和过酸催化剂、聚合物脱氢和脱羰基催化剂、聚合物型pH指示剂和聚合型引发剂等。本文中将对前3者的结构和用途进行简单的说明。

（1）高分子酸碱催化剂　酸、碱催化剂是有机合成中常见的催化剂，某些用于催化水解反应、酯化反应的小分子酸碱催化剂可以由阳离子或阴离子交换树脂所替代，因此商品化的强酸和强碱型离子交换树脂可以作为酸碱催化剂，其中常见为聚苯乙烯型酸、碱树脂，其分子结构如图3-22所示。

酸性或碱性离子交换树脂可以催化酯化反应、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、分子重排反应以及某些聚合反应等。它们参与的反应为多相反应，其参与反应的方式也多种多样，既可以像普通反应一样将催化剂与其他反应试剂混在一起加以搅拌在反应釜内进行，反应后得到的反应混合物经过过滤等简单纯化分离过程与催化剂分离；也可以将催化剂固定在反应床上进行反应，反应物作为流体通过反应床，产物随流出物与催化剂分离。后一种反应方式可以连续进行反应，在工业上可以提高产量，降低成本，简化工艺。

（2）高分子金属络合物催化剂　金属络合物催化剂由于其易溶性常常与反应体系成为均相，多数只能作为均相反应的催化剂，因此将金属络合物催化剂负载在高分子骨架上制备高分子金属络合物催化剂，从而实现多相催化。

通常，高分子金属络合物催化剂是利用高分子骨架上的配位体与金属中心离子之间的络合反应来实现的，配位体提供的电子与中心金属离子提供的空轨道形成配位化学键。高分子骨架上的配位体主要有两类，一是P、S、O、N等可以提供未成键电子的原子，含有这类结构的有机官能团有羟基、羰基、硫醇、胺类、醚类及杂环类等；二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。

目前常用的高分子金属络合物催化剂有聚苯乙烯型三苯基磷铑络合催化剂［图3-23（a）］、聚苯乙烯型高分子二茂钛催化剂［图3-23（b）］。聚苯乙烯型三苯基磷铑络合催化剂可用于室温下对烯烃进行催化加氢，在氢气压力只有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。高分子二茂钛催化剂不仅具有多相催化的特征，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。

（3）高分子相转移催化剂　有些化学反应中，反应物之间的溶解度差别很大，无法在单一溶剂中溶解，因而两种反应物分别处于两个相态中，反应过程中反应物需要从一相向另外一相转移与另一反应物质发生化学反应，因此分子碰撞概率减少，反应速度通常很慢。此时需要一类能够加速反应物从一相向另一相转移过程，进而提升反应速度的化学物质，即相转移催化剂。相转移催化剂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。一般而言，磷鎓离子相转移催化剂的稳定性和催化活性都要比相应季铵盐型催化剂要好，而聚合物键合的高分子冠醚相转移催化剂的催化活性最高。一些具有代表性的各种高分子相转移催化剂的结构和主要用途见表3-1。

3.3.4　酶的固化及其应用

酶是具有催化生物化学反应作用的一类蛋白质，它在医疗领域广泛用于疾病的诊治，在工业上用于合成催化剂和发酵行业，在分析化学和临床检验中制作生物化学传感器。

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，但稳定性不好，很容易变性失活，且其在水性介质中为均相催化剂，不利于反应后的分离、纯化和回收。基于这样的原因，研究者提出了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”（immobilized enzyme），大大拓展了酶在有机合成等各个领域里的应用范围。酶的固化不仅提高了酶的稳定性，而且简化了反应步骤，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”（bioreactor）打下基础。

3.3.4.1　固化酶的制备方法

酶的固化过程以及固化酶应满足以下要求：固化酶不溶于水或化学反应中使用的其他反应介质，以保证酶催化剂的分离和回收工艺的简单性，这是酶固化过程的基本目的和要求；固化过程应不影响或少影响酶的活性；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，应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；作为酶固化的载体应有一定的机械强度和化学稳定性，以适应反应工艺要求和有一定的使用寿命。

针对上述的要求，酶的固化应在温和的条件下进行，不能使用强酸、强碱和某些有机溶剂，反应的温度也有一定限制。酶的固化方法可以分成化学法和物理法两种。化学法是将酶连接到一定高分子载体上，或者采用交联剂通过与酶表面的特定基团发生交联反应将酶交联起来，构成分子量更大的蛋白分子使其成为不溶性的固化酶，物理法包括包埋法和微胶囊法等，其目的是使酶被高分子包埋或用微胶囊包裹起来，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可以自由通过包埋物或胶囊外层，使之与酶催化剂接触反应。

（1）化学键合酶固化方法　通过化学键将酶键合到高分子载体上是酶固化的一种方法。可供选用的聚合物载体可以是人工合成的或是天然的有机高分子化合物。有些情况下也可以用无机高分子材料。对载体的要求除了不溶于反应溶剂等基本条件外，还要求载体分子结构中含有一定的亲水性基团，以保证有一定的润湿性。高分子载体应带有活性较强的反应基团，如重氮盐、酰氯、醛、活性酯等高活性基团，以保证后续的键合反应能在温和的反应条件下进行。

如图3-24所示以聚苯乙烯作为固化酶的高聚物骨架，利用在苯环上引入的高活性重氮盐基团与酶蛋白质中存在的酪氨酸中的苯酚羟基［图3-24（a）］或者与组氨酸的咪唑基中的饱和氮原子［图3-24（b）］进行偶联反应，即可达到酶蛋白的键合固化。一般来说，采用这种固化方法得到的固化酶稳定性比较好，催化活性不易丢失。

除聚苯乙烯外，含有缩醛结构的聚合物、一些聚酰胺或多肽高分子化合物经过活化预处理后也可以作为载体与酶结合形成不溶性的固定化酶。某些无机材料如多孔性玻璃或硅胶也可以作为固化酶的载体。离子交换树脂也可作为固化酶的载体，其中阳离子交换树脂可与酶中的氨基相结合，阴离子交换树脂与酶中的羧基相结合而实现酶的固化。此方法操作简单，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，且易受反应溶液中酸碱度的影响，因此形成的固化酶的稳定性较差。某些天然的产物，如纸片、纤维素等也可以作为固化酶的载体，如图3-25所示。

（2）化学交联酶固化法　这种方法是利用一些带有双端基官能团的化学交联剂，通过与酶蛋白中固有的活性基团进行化学反应，生成新的共价键将各个单体酶连接起来，形成不溶性链状或网状结构，从而将酶固化。图3-26给出一些常用的可用于酶交联固化的交联剂和它们的使用情况。

（3）酶的物理固化法　酶固化的物理方法是使用具有对酶促反应中反应物和生成物有选择透过性能的材料将酶大分子固定，而使那些参与反应的小分子透过的酶固定方法。物理固化方法主要有包埋法和微胶囊法。

包埋法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（phenolic formaldehyde resins，PF凝胶）即属于此类高分子材料，其结构如图3-27所示。

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，其原理如图3-28所示。

物理酶固化法的有利之处在于在制备过程中酶没有参与化学反应，因而其整体结构保持不变，催化活性亦保持不变。但是由于包埋物或半透膜有一定立体阻碍作用，对所进行酶促反应的动力学过程不利。

3.3.4.2　固化酶的特点和应用

酶的催化反应具有高活性和高选择性，因此酶促反应可在相对温和的反应条件下进行，使制备工艺得到简化，设备要求降低，并且提高生产效率；同时可以提高原料的利用率，减少副反应产物，更加符合绿色化学的要求。此外，以酶为催化剂常常可以制备用常规方法难以或不能合成的有机化学产品。固化酶则大大扩大了酶这种生物催化剂的应用领域。但固化酶法也有其不足之处，其制备技术要求高，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。

固化酶的研究和应用不仅在化学生物学、生物工程医学及生命科学等领域异常活跃，而且因其具有节省能源与资源、减少污染的生态环境效应而符合可持续发展的战略要求，目前固化酶已被广泛应用于医药、食品行业、化工行业、材料科学、环境保护、能源等领域。下面举例说明酶在化学合成等方面的应用。

（1）光学纯氨基酸的合成　利用酶催化的专一性可以合成预定结构的光学异构体，比如L-蛋氨酸的合成，采用常规合成方法仅能获得外消旋体产物，而采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酰化氨基酸水解酶作为催化剂，则可得到光学纯的L-蛋氨酸。

（2）6-氨基青霉素酸的合成　将青霉素酰胺酶接枝到经过活化处理的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。这种方法得到的产品，相对于传统的微生物法生产的产品纯度更高，质量更好。

（3）固化酶在分析化学和化学敏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。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。固化酶与生物传感技术结合制成的乳酸盐分析仪则具有快速、准确、自动化、微量取血等四大优点。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的检测。乙酰胆碱酯固化酶还被用于蔬菜中农药残留的分析测定。