3.3　高分子催化劑

在有機化學(xué)反應(yīng)中，催化劑起著重要的作用。相對于均相催化反應(yīng)，多相催化反應(yīng)的后處理過程簡單，催化劑與反應(yīng)體系分離容易（簡單過濾），回收的催化劑可以反復(fù)多次使用，特別是對于那些生產(chǎn)困難，價格昂貴，又沒有理想替代物的催化劑，如稀有金屬絡(luò)合物等，實現(xiàn)多相催化工藝是非常有吸引力的，對工業(yè)化大生產(chǎn)更是如此。利用高分子催化劑則可實現(xiàn)多相催化反應(yīng)，滿足現(xiàn)代有機合成工業(yè)的要求。

高分子催化劑是將催化活性物種（如金屬離子、絡(luò)合物等）以物理方式（吸附、包埋）或化學(xué)鍵合作用（離子鍵、共價鍵）固定于線形或交聯(lián)聚合物載體上所得到的具有催化功能的高分子材料。20世紀(jì)60年代末期，有機聚合物（聚苯乙烯磺酸）負(fù)載的絡(luò)合物［Pt（NH3）4］2+問世，為高分子催化劑在有機多相催化聚合的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，其研究工作立即激起世界各國催化學(xué)家廣泛的關(guān)注和興趣，從此高分子催化劑成為化學(xué)界的一個獨立的交叉學(xué)科研究領(lǐng)域。在其后近30年的時間里已經(jīng)設(shè)計和合成了為數(shù)眾多的不同結(jié)構(gòu)和不同用途的高分子催化劑，其中有許多無論在催化活性還是催化選擇性方面均大大超過對應(yīng)的均相絡(luò)合催化劑。目前常用的高分子催化劑有用于酸堿催化反應(yīng)的離子交換樹脂催化劑、聚合物相轉(zhuǎn)移催化劑和用于加氫和氧化等催化反應(yīng)的高分子過渡金屬絡(luò)合物催化劑，生物催化劑——固化酶從原理上講也屬于這一類。

3.3.1　高分子催化劑的合成

高分子催化劑的合成方法可大致分為兩類，即化學(xué)鍵聯(lián)法和物理浸漬法。

（1）化學(xué)鍵聯(lián)法　催化活性金屬原子通過離子鍵或共價鍵被固載于聚合物載體上，這是高分子負(fù)載催化劑最主要的制備方法。離子鍵合的方法簡單易行，但此類催化劑使用時應(yīng)謹(jǐn)慎選擇反應(yīng)介質(zhì)（溶劑），否則有可能在實際催化過程中發(fā)生二次離子交換而導(dǎo)致催化活性物種的脫落。相對而言，共價鍵合法制備的催化劑較為牢固，但使用時也應(yīng)嚴(yán)格控制反應(yīng)條件（適宜溫度、惰性氣體保護等）。

金屬的絡(luò)陰離子或絡(luò)陽離子可采用離子交換的原理被固載于聚合物載體上，如圖3-17所示。催化劑（a）是羰基化催化劑，催化劑（b）是高效環(huán)氧化催化劑。

催化活性中心金屬原子可通過共價鍵與聚合物載體鍵合，通常是先制備聚合物載體，再經(jīng)系列功能基化反應(yīng)制成帶配位功能基的高分子配體，后者與金屬的鹽或絡(luò)合物反應(yīng)即可制得高分子共價鍵聯(lián)金屬絡(luò)合物催化劑，如圖3-18所示。此催化劑可作為烯烴氫甲酰化反應(yīng)催化劑，其中的氯甲基化聚苯乙烯是高分子負(fù)載催化劑中最常用的高分子載體，經(jīng)它可引入各種不同的配位基，如不同施主原子配位基、單齒及多齒配位基、同類配體但施主原子上帶不同取代基。

除聚苯乙烯這種最常用的有機聚合物載體，還可以用SiO2作為無機聚合物載體，其表面的羥基可與烷氧基（甲氧基、乙氧基）硅烷反應(yīng)，可借助于這一反應(yīng)在其表面上錨定苯基烷氧基硅烷，再經(jīng)修飾反應(yīng)引入配位功能基從而制備各種各樣的負(fù)載金屬絡(luò)合物，如圖3-19所示的SiO2負(fù)載金屬絡(luò)合物催化劑的制備過程。

硅膠不僅有很好的吸附性能，而且高溫活化后其表面羥基具有一定弱酸性，將其浸入可溶性堿性聚合物（如線形聚乙烯基吡啶）溶液中，后者的堿性功能基與前者羥基間會產(chǎn)生一種弱的靜電（成鹽）相互作用，后者即被吸附、涂覆在前者表面上，得到以無機聚合物為核、以有機高分子為殼的高分子配體，然后將之用于鍵合金屬離子，制備高分子負(fù)載催化劑（圖3-20）。

上面介紹的制備高分子負(fù)載催化劑的方法都是先制備高分子載體然后通過不同的方法將催化活性金屬物種固載化于聚合物載體上，這種方法稱為預(yù)制聚合物法。也可以先合成帶催化活性物種的烯基單體，然后再經(jīng)均聚或共聚合反應(yīng)制成高分子負(fù)載金屬絡(luò)合物催化劑。如圖3-21所示的幾種帶催化活性物種的烯基單體。

（2）物理浸漬法　物理浸漬法是制備高分子負(fù)載催化劑最簡單的方法，又分干法和濕法。所謂干法是將金屬鹽或絡(luò)合物溶于易揮發(fā)性溶劑中，然后把多孔性聚合物載體（如微孔高比表面積交聯(lián)聚苯乙烯、碳化樹脂、活性硅膠等）加入其中，攪拌下浸漬一段時間，過濾后干燥（除去揮發(fā)性溶劑）即得。另一種方法是濕法，即將金屬鹽或絡(luò)合物溶于由易揮發(fā)性溶劑（苯、丙酮、氯仿等）和非揮發(fā)性溶劑（二苯醚、三氯苯等）組成的混合溶劑中，然后將多孔性載體加入其中浸漬一段時間。過濾后除去揮發(fā)性溶劑，溶于非揮發(fā)性溶劑的金屬絡(luò)合物即以溶液狀態(tài)被吸附、鎖閉在多孔性載體的孔道內(nèi)。浸漬法雖然簡單易行，但催化活性組分與載體的結(jié)合不甚牢固，在使用過程中金屬往往容易脫落流失，這是其主要缺點。

3.3.2　高分子催化劑的高分子效應(yīng)

（1）基位隔離效應(yīng)　基位隔離效應(yīng)是指當(dāng)催化活性物種或功能基被鍵聯(lián)在高分子載體上以后，由于聚合物鏈具有一定的剛性從而避免或減少了活性功能基間的相互作用。

如均相二茂鈦在加氫時會二聚生成無催化加氫活性的雙二茂鈦二氫絡(luò)合物。交聯(lián)度為20％的聚苯乙烯載體有較大的剛性，當(dāng)其負(fù)載有二茂鈦時，鍵聯(lián)于這種載體上的活性二茂鈦物種處于彼此隔離狀態(tài)，大大降低了其二聚的可能性，使其催化加氫活性可達到相應(yīng)的均相二茂鈦的25～120倍。

（2）選擇性提高效應(yīng)　經(jīng)特定設(shè)計、裁制的高分子負(fù)載催化劑往往較其小分子對應(yīng)體有更高的催化選擇性，這在精細(xì)有機合成中格外有用。

對于交聯(lián)聚合物載體孔結(jié)構(gòu)的認(rèn)真裁制，可賦予高分子負(fù)載金屬催化劑以明顯的尺寸選擇性。將孔徑分別為32nm、20nm、15nm的3種載體用于制備高分子釕絡(luò)合物催化劑并用于環(huán)十二碳三烯（CDT）催化選擇加氫反應(yīng)時，發(fā)現(xiàn)孔徑為20nm的催化劑的生成選擇性最高，并超過對應(yīng)的均相絡(luò)合物催化劑。

（3）活性提高效應(yīng)　當(dāng)均相催化活性物種被負(fù)載到經(jīng)仔細(xì)裁制的聚合物載體上時，保持原均相物種催化活性或得到活性高于均相物種的高分子催化劑是完全有可能的，高度不安定的催化活性物種被固載化于聚合物載體上可因明顯提高了其穩(wěn)定性而使催化活性和選擇性同時得到提高。如利用聚合物負(fù)載的WCl6-Et2AlCl進行雙環(huán)戊二烯的開環(huán)歧化反應(yīng)時催化劑活性明顯提高，同時生成聚合物的力學(xué)性能也大大提高。

（4）協(xié)同效應(yīng)　若高分子負(fù)載金屬催化劑的高分子鏈上除催化功能基外尚存在另一個功能基，它能以不同方式（如靜電引力、配價鍵力等）吸引底物分子使其快速接近催化功能基，使催化反應(yīng)更容易進行，這種情況叫作協(xié)同效應(yīng)。如高分子磷酸樹脂可用于催化乙酸烯丙酯的水解反應(yīng)，采用部分負(fù)載Ag+高分子磺酸作為催化劑時其催化水解效率大大提高。

3.3.3　高分子催化劑的類型及應(yīng)用

高分子催化劑包括高分子酸堿催化劑、高分子金屬絡(luò)合物催化劑、高分子相轉(zhuǎn)移催化劑、高分子路易斯酸和過酸催化劑、聚合物脫氫和脫羰基催化劑、聚合物型pH指示劑和聚合型引發(fā)劑等。本文中將對前3者的結(jié)構(gòu)和用途進行簡單的說明。

（1）高分子酸堿催化劑　酸、堿催化劑是有機合成中常見的催化劑，某些用于催化水解反應(yīng)、酯化反應(yīng)的小分子酸堿催化劑可以由陽離子或陰離子交換樹脂所替代，因此商品化的強酸和強堿型離子交換樹脂可以作為酸堿催化劑，其中常見為聚苯乙烯型酸、堿樹脂，其分子結(jié)構(gòu)如圖3-22所示。

酸性或堿性離子交換樹脂可以催化酯化反應(yīng)、醇醛縮合反應(yīng)、烷基化反應(yīng)、脫水反應(yīng)、環(huán)氧化反應(yīng)、水解反應(yīng)、環(huán)合反應(yīng)、加成反應(yīng)、分子重排反應(yīng)以及某些聚合反應(yīng)等。它們參與的反應(yīng)為多相反應(yīng)，其參與反應(yīng)的方式也多種多樣，既可以像普通反應(yīng)一樣將催化劑與其他反應(yīng)試劑混在一起加以攪拌在反應(yīng)釜內(nèi)進行，反應(yīng)后得到的反應(yīng)混合物經(jīng)過過濾等簡單純化分離過程與催化劑分離；也可以將催化劑固定在反應(yīng)床上進行反應(yīng)，反應(yīng)物作為流體通過反應(yīng)床，產(chǎn)物隨流出物與催化劑分離。后一種反應(yīng)方式可以連續(xù)進行反應(yīng)，在工業(yè)上可以提高產(chǎn)量，降低成本，簡化工藝。

（2）高分子金屬絡(luò)合物催化劑　金屬絡(luò)合物催化劑由于其易溶性常常與反應(yīng)體系成為均相，多數(shù)只能作為均相反應(yīng)的催化劑，因此將金屬絡(luò)合物催化劑負(fù)載在高分子骨架上制備高分子金屬絡(luò)合物催化劑，從而實現(xiàn)多相催化。

通常，高分子金屬絡(luò)合物催化劑是利用高分子骨架上的配位體與金屬中心離子之間的絡(luò)合反應(yīng)來實現(xiàn)的，配位體提供的電子與中心金屬離子提供的空軌道形成配位化學(xué)鍵。高分子骨架上的配位體主要有兩類，一是P、S、O、N等可以提供未成鍵電子的原子，含有這類結(jié)構(gòu)的有機官能團有羥基、羰基、硫醇、胺類、醚類及雜環(huán)類等；二是分子結(jié)構(gòu)中具有離域性強的π電子體系，如芳香族化合物和環(huán)戊二烯等。

目前常用的高分子金屬絡(luò)合物催化劑有聚苯乙烯型三苯基磷銠絡(luò)合催化劑［圖3-23（a）］、聚苯乙烯型高分子二茂鈦催化劑［圖3-23（b）］。聚苯乙烯型三苯基磷銠絡(luò)合催化劑可用于室溫下對烯烴進行催化加氫，在氫氣壓力只有1MPa的溫和條件下即可進行加氫反應(yīng)，與相應(yīng)的低分子催化劑相比降低了氧敏感性和腐蝕性，反應(yīng)物可以在空氣中儲存和處理。高分子二茂鈦催化劑不僅具有多相催化的特征，使催化劑的回收和產(chǎn)品的純化變得容易，而且由于聚合物剛性骨架的分隔作用，克服了均相催化劑易生成二聚物而失效的弊病。

（3）高分子相轉(zhuǎn)移催化劑　有些化學(xué)反應(yīng)中，反應(yīng)物之間的溶解度差別很大，無法在單一溶劑中溶解，因而兩種反應(yīng)物分別處于兩個相態(tài)中，反應(yīng)過程中反應(yīng)物需要從一相向另外一相轉(zhuǎn)移與另一反應(yīng)物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此分子碰撞概率減少，反應(yīng)速度通常很慢。此時需要一類能夠加速反應(yīng)物從一相向另一相轉(zhuǎn)移過程，進而提升反應(yīng)速度的化學(xué)物質(zhì)，即相轉(zhuǎn)移催化劑。相轉(zhuǎn)移催化劑主要包括親脂性有機離子化合物（季銨鹽和磷鎓鹽）和非離子型的冠醚類化合物。一般而言，磷鎓離子相轉(zhuǎn)移催化劑的穩(wěn)定性和催化活性都要比相應(yīng)季銨鹽型催化劑要好，而聚合物鍵合的高分子冠醚相轉(zhuǎn)移催化劑的催化活性最高。一些具有代表性的各種高分子相轉(zhuǎn)移催化劑的結(jié)構(gòu)和主要用途見表3-1。

3.3.4　酶的固化及其應(yīng)用

酶是具有催化生物化學(xué)反應(yīng)作用的一類蛋白質(zhì)，它在醫(yī)療領(lǐng)域廣泛用于疾病的診治，在工業(yè)上用于合成催化劑和發(fā)酵行業(yè)，在分析化學(xué)和臨床檢驗中制作生物化學(xué)傳感器。

與常規(guī)催化劑相比，酶作為催化劑最大的特點是催化效率高，選擇性極好，大多數(shù)情況下是專一性催化，但穩(wěn)定性不好，很容易變性失活，且其在水性介質(zhì)中為均相催化劑，不利于反應(yīng)后的分離、純化和回收。基于這樣的原因，研究者提出了在不減少或少減少酶的活性的前提下使酶成為不溶于水的所謂“固化酶”（immobilized enzyme），大大拓展了酶在有機合成等各個領(lǐng)域里的應(yīng)用范圍。酶的固化不僅提高了酶的穩(wěn)定性，而且簡化了反應(yīng)步驟，使酶促反應(yīng)可以實現(xiàn)連續(xù)化、自動化，為制造所謂“生物反應(yīng)器”（bioreactor）打下基礎(chǔ)。

3.3.4.1　固化酶的制備方法

酶的固化過程以及固化酶應(yīng)滿足以下要求：固化酶不溶于水或化學(xué)反應(yīng)中使用的其他反應(yīng)介質(zhì)，以保證酶催化劑的分離和回收工藝的簡單性，這是酶固化過程的基本目的和要求；固化過程應(yīng)不影響或少影響酶的活性；固化方法的選擇應(yīng)考慮到酶自身的特點和結(jié)構(gòu)，不要引入多余化學(xué)結(jié)構(gòu)而影響酶的性質(zhì)，應(yīng)盡可能利用酶結(jié)構(gòu)中各種非催化活性官能團進行固化反應(yīng)；作為酶固化的載體應(yīng)有一定的機械強度和化學(xué)穩(wěn)定性，以適應(yīng)反應(yīng)工藝要求和有一定的使用壽命。

針對上述的要求，酶的固化應(yīng)在溫和的條件下進行，不能使用強酸、強堿和某些有機溶劑，反應(yīng)的溫度也有一定限制。酶的固化方法可以分成化學(xué)法和物理法兩種。化學(xué)法是將酶連接到一定高分子載體上，或者采用交聯(lián)劑通過與酶表面的特定基團發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)將酶交聯(lián)起來，構(gòu)成分子量更大的蛋白分子使其成為不溶性的固化酶，物理法包括包埋法和微膠囊法等，其目的是使酶被高分子包埋或用微膠囊包裹起來，使其不能在溶劑中自由擴散，但是被催化的小分子反應(yīng)物和產(chǎn)物應(yīng)可以自由通過包埋物或膠囊外層，使之與酶催化劑接觸反應(yīng)。

（1）化學(xué)鍵合酶固化方法　通過化學(xué)鍵將酶鍵合到高分子載體上是酶固化的一種方法。可供選用的聚合物載體可以是人工合成的或是天然的有機高分子化合物。有些情況下也可以用無機高分子材料。對載體的要求除了不溶于反應(yīng)溶劑等基本條件外，還要求載體分子結(jié)構(gòu)中含有一定的親水性基團，以保證有一定的潤濕性。高分子載體應(yīng)帶有活性較強的反應(yīng)基團，如重氮鹽、酰氯、醛、活性酯等高活性基團，以保證后續(xù)的鍵合反應(yīng)能在溫和的反應(yīng)條件下進行。

如圖3-24所示以聚苯乙烯作為固化酶的高聚物骨架，利用在苯環(huán)上引入的高活性重氮鹽基團與酶蛋白質(zhì)中存在的酪氨酸中的苯酚羥基［圖3-24（a）］或者與組氨酸的咪唑基中的飽和氮原子［圖3-24（b）］進行偶聯(lián)反應(yīng)，即可達到酶蛋白的鍵合固化。一般來說，采用這種固化方法得到的固化酶穩(wěn)定性比較好，催化活性不易丟失。

除聚苯乙烯外，含有縮醛結(jié)構(gòu)的聚合物、一些聚酰胺或多肽高分子化合物經(jīng)過活化預(yù)處理后也可以作為載體與酶結(jié)合形成不溶性的固定化酶。某些無機材料如多孔性玻璃或硅膠也可以作為固化酶的載體。離子交換樹脂也可作為固化酶的載體，其中陽離子交換樹脂可與酶中的氨基相結(jié)合，陰離子交換樹脂與酶中的羧基相結(jié)合而實現(xiàn)酶的固化。此方法操作簡單，反應(yīng)條件溫和，對酶活性影響不大，但離子交換樹脂與酶的結(jié)合力較弱，且易受反應(yīng)溶液中酸堿度的影響，因此形成的固化酶的穩(wěn)定性較差。某些天然的產(chǎn)物，如紙片、纖維素等也可以作為固化酶的載體，如圖3-25所示。

（2）化學(xué)交聯(lián)酶固化法　這種方法是利用一些帶有雙端基官能團的化學(xué)交聯(lián)劑，通過與酶蛋白中固有的活性基團進行化學(xué)反應(yīng)，生成新的共價鍵將各個單體酶連接起來，形成不溶性鏈狀或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而將酶固化。圖3-26給出一些常用的可用于酶交聯(lián)固化的交聯(lián)劑和它們的使用情況。

（3）酶的物理固化法　酶固化的物理方法是使用具有對酶促反應(yīng)中反應(yīng)物和生成物有選擇透過性能的材料將酶大分子固定，而使那些參與反應(yīng)的小分子透過的酶固定方法。物理固化方法主要有包埋法和微膠囊法。

包埋法是將酶溶解在含有合成載體的單體溶液中。在此均相體系中進行合成載體的聚合反應(yīng)，聚合反應(yīng)進行過程中溶液中的酶被包埋在反應(yīng)形成的聚合物網(wǎng)絡(luò)之中，不能自由擴散，從而達到酶固化的目的。此法要求形成的聚合物網(wǎng)絡(luò)在溶脹條件下要允許反應(yīng)物和生成物小分子通過。例如以苯酚類（如對苯二酚）和甲醛經(jīng)縮聚而成的新一類凝膠狀樹脂（phenolic formaldehyde resins，PF凝膠）即屬于此類高分子材料，其結(jié)構(gòu)如圖3-27所示。

微膠囊法是用有半通透性能的聚合物膜將酶包裹在中間，構(gòu)成酶藏在微囊中的固化酶。在酶催化反應(yīng)中反應(yīng)物小分子可以通過半透膜與酶接觸進行酶促反應(yīng)，生成物可以通過半透膜逸出囊外，而酶則由于體積較大被留在膜內(nèi)，其原理如圖3-28所示。

物理酶固化法的有利之處在于在制備過程中酶沒有參與化學(xué)反應(yīng)，因而其整體結(jié)構(gòu)保持不變，催化活性亦保持不變。但是由于包埋物或半透膜有一定立體阻礙作用，對所進行酶促反應(yīng)的動力學(xué)過程不利。

3.3.4.2　固化酶的特點和應(yīng)用

酶的催化反應(yīng)具有高活性和高選擇性，因此酶促反應(yīng)可在相對溫和的反應(yīng)條件下進行，使制備工藝得到簡化，設(shè)備要求降低，并且提高生產(chǎn)效率；同時可以提高原料的利用率，減少副反應(yīng)產(chǎn)物，更加符合綠色化學(xué)的要求。此外，以酶為催化劑常常可以制備用常規(guī)方法難以或不能合成的有機化學(xué)產(chǎn)品。固化酶則大大擴大了酶這種生物催化劑的應(yīng)用領(lǐng)域。但固化酶法也有其不足之處，其制備技術(shù)要求高，制備成本昂貴也限制了固化酶法在工業(yè)上的大規(guī)模應(yīng)用。尋找廉價的載體，研究更簡單的固化方法，將是下一步研究的主要目標(biāo)。

固化酶的研究和應(yīng)用不僅在化學(xué)生物學(xué)、生物工程醫(yī)學(xué)及生命科學(xué)等領(lǐng)域異常活躍，而且因其具有節(jié)省能源與資源、減少污染的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)而符合可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求，目前固化酶已被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、食品行業(yè)、化工行業(yè)、材料科學(xué)、環(huán)境保護、能源等領(lǐng)域。下面舉例說明酶在化學(xué)合成等方面的應(yīng)用。

（1）光學(xué)純氨基酸的合成　利用酶催化的專一性可以合成預(yù)定結(jié)構(gòu)的光學(xué)異構(gòu)體，比如L-蛋氨酸的合成，采用常規(guī)合成方法僅能獲得外消旋體產(chǎn)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樹脂上酰化氨基酸水解酶作為催化劑，則可得到光學(xué)純的L-蛋氨酸。

（2）6-氨基青霉素酸的合成　將青霉素酰胺酶接枝到經(jīng)過活化處理的N，N-二乙基胺乙基纖維素上，以此為固相催化劑分解原料芐基青霉素，產(chǎn)物即為6-氨基青霉素酸。這種方法得到的產(chǎn)品，相對于傳統(tǒng)的微生物法生產(chǎn)的產(chǎn)品純度更高，質(zhì)量更好。

（3）固化酶在分析化學(xué)和化學(xué)敏感器制作方面的應(yīng)用　固化酶在臨床醫(yī)學(xué)和化學(xué)分析方面也有廣泛應(yīng)用，酶電極就是其中一種。將活性酶用特殊方法固化到電極表面就構(gòu)成了酶電極。用酶電極可以測定極微量的某些特定物質(zhì)，不僅靈敏度高，而且選擇性好。它的最大優(yōu)勢在于酶電極可以做得非常小，甚至小到可以插入某些細(xì)胞內(nèi)測定細(xì)胞液的組成，因此在生物學(xué)研究和臨床醫(yī)學(xué)研究方面意義重大。固化酶與生物傳感技術(shù)結(jié)合制成的乳酸鹽分析儀則具有快速、準(zhǔn)確、自動化、微量取血等四大優(yōu)點。此外，固定化酶還可以與安培檢流計配合，應(yīng)用于啤酒中亞硫酸鹽和磷酸鹽的檢測。乙酰膽堿酯固化酶還被用于蔬菜中農(nóng)藥殘留的分析測定。