專(zhuān)利名稱(chēng)：線型高分子超親核催化劑以及包埋方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是制備和包埋一類(lèi)新型的高分子催化劑，更具體的說(shuō)，是通過(guò)縮聚反應(yīng)和化學(xué)修飾而得到的，用于催化?；?、酯化、水解、硅烷基化等有機(jī)化學(xué)反應(yīng)的，含吡啶胺超親核催化基團(tuán)的線型雜鏈高分子化合物，及其以仿效固相酶的方法而得到的其網(wǎng)格與微膠囊包埋物。
早期的?；磻?yīng)一般是用酸-堿催化劑進(jìn)行加速，后來(lái)使用了吡啶，即所謂的親核催化劑。例如，對(duì)于間氯苯胺的苯甲?；磻?yīng)，加入吡啶可使其速率提高568倍。六十年代，吡啶胺類(lèi)衍生物作為一種“超親核催化劑”被發(fā)現(xiàn)，其小分子代表物N，N-二甲基-4-氨基吡啶(DMAP)置于上述苯甲?；磻?yīng)中，亦能使其速率增高達(dá)3.14×106倍[Chem.Soc.Rev.，1983，12(2)，129]，對(duì)酯化、水解、烷基化、硅烷基化等類(lèi)型的反應(yīng)也具有不同程度的催化能力。目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于制藥、染料、香料等精細(xì)化學(xué)品的合成領(lǐng)域，特別是用來(lái)解決高位阻的醇類(lèi)與胺類(lèi)在?；磻?yīng)中的產(chǎn)率和速率低下這一有機(jī)合成的難題。
為了降低催化劑在被催化體系產(chǎn)物中的殘留率，并使這類(lèi)價(jià)格相對(duì)昂貴的催化劑得以反復(fù)使用，研究者進(jìn)行了將吡啶胺超親核基團(tuán)以共價(jià)鍵的方式連接在聚合物載體(如聚苯乙烯等)上的研究[Polymer，1987，28(4)，825]，我們亦合成出含有吡啶胺基團(tuán)的聚二烯丙基胺衍生物、聚氨酯等[J.Appl.Polym.Sci.，1994，53(10)，1391][Macromol.Rep.，1995，A32(Suppl.3)，319]，采用共價(jià)鍵結(jié)合的方式，超親核基團(tuán)與載體連接得比較牢固，催化活性中心不易脫落。但是，鍵接反應(yīng)可能會(huì)破壞活性中心的結(jié)構(gòu)；載體微環(huán)境和擴(kuò)散效應(yīng)有時(shí)會(huì)阻礙底物向活性部位的接近，網(wǎng)狀高分子催化劑由于從表面到核心持續(xù)的網(wǎng)絡(luò)阻礙，使底物難以擴(kuò)散到達(dá)催化劑內(nèi)部的深層；底物只能受到表面和淺層的活性部位的影響，從而導(dǎo)致了交聯(lián)型高分子催化劑的活性低于其線型模擬物這一普遍的結(jié)果。譬如，N，N-二烯丙基-4-氨基吡啶的線型均聚物和共聚物作為均相催化劑甚至具有比小分子DMAP更高的催化活性[J. Am.Chem.Soc.，1986，108，5514]，而交聯(lián)型高分子載體鍵連超親核基團(tuán)的活性通常低于DMAP。
網(wǎng)格包埋和微膠囊包埋已見(jiàn)于酶、細(xì)胞及微生物的固定化技術(shù)，具有制備操作簡(jiǎn)單，包覆物與被包催化劑間只涉及物理作用，包覆物成本低等特征。包覆物大分子網(wǎng)絡(luò)可阻礙催化劑線型大分子的滲出-溶入反應(yīng)體系溶液，而對(duì)底物和產(chǎn)物小分子有機(jī)化合物的進(jìn)出具有通透性。包埋物一般為廉價(jià)而研究透徹的高分子，其分子網(wǎng)格的尺寸易于調(diào)節(jié)，而微膠囊則只涉及到外殼的擴(kuò)散阻礙。作為一種與共價(jià)鍵結(jié)合法并行的固定化技術(shù)，采用網(wǎng)格和微膠囊方法對(duì)非生物酶高效高分子催化劑進(jìn)行包埋亦是一種新穎和可行的方法。
本發(fā)明的目的是制備對(duì)酰化反應(yīng)具有高催化活性的線型高分子超親核催化劑，并將含催化基團(tuán)的分子鏈包埋在非均相高分子中，制成可接近性良好、可反復(fù)使用的高效?；呋瘎?。進(jìn)而，通過(guò)調(diào)節(jié)包覆物的交聯(lián)密度、疏水性和微膠囊膜厚度等，以改善其通透性和緩釋性。
本發(fā)明所提供的高分子催化劑具有以下特點(diǎn)(1)具有相當(dāng)于N，N-二烷基-4-氨基吡啶的催化活性。
(2)催化劑不溶于酰化反應(yīng)體系。易于從被催化體系中分離，能夠重復(fù)使用。
(3)包埋聚合物可調(diào)節(jié)分子擴(kuò)散性，有利于底物在高分子內(nèi)部的催化。
(4)具有不污染產(chǎn)品，不腐蝕反應(yīng)設(shè)備的性質(zhì)。
(5)合成步驟簡(jiǎn)單，制備條件溫和。
(6)產(chǎn)物成本相對(duì)低廉。
本發(fā)明的方法是由三部分制備步驟組成(A)含吡啶胺基團(tuán)線型高分子的制備；(B)分子鏈的化學(xué)修飾；(C)高分子催化劑的包埋。
活性部位對(duì)底物良好的可接近性要求含催化基團(tuán)的線型大分子線團(tuán)在所催化的反應(yīng)體系中處于伸展?fàn)顟B(tài)，這需要分子鏈與底物和溶液具有相近的極性、疏水性和溶度參數(shù)。對(duì)于?；磻?yīng)，反應(yīng)物及溶劑分子均具有一定的極性和親水性，一般而言，雜鏈聚合物在酰化反應(yīng)體系中的溶解性能優(yōu)于碳鏈聚合物。含有吡啶胺的聚酰胺、聚酯、聚氨酯、聚二烯丙基胺、環(huán)氧樹(shù)脂等皆可作為優(yōu)良的?；叻肿哟呋瘎?。其中，已知最為簡(jiǎn)便的制備方法是用4-氨基吡啶與嚴(yán)格等摩爾的環(huán)氧氯丙烷在溫和條件下一步合成線型環(huán)氧聚合物。
然而，含吡啶胺的環(huán)氧聚合物鏈上存在大量羥基，這些羥基能和底物競(jìng)爭(zhēng)，共同與?；噭┳饔?，從而影響了催化反應(yīng)的進(jìn)行。因此，側(cè)基需要進(jìn)行化學(xué)修飾以消除羥基。例如，用乙酰氯、正十八酰氯等脂肪族酰氯；用苯甲酰氯、苯乙酰氯、肉桂酰氯等芳香族酰氯；或用硫酸二甲酯等與羥基進(jìn)行酯化或醚化反應(yīng)。此外，該類(lèi)環(huán)氧聚合物具有極強(qiáng)的親水性，適用于催化水解反應(yīng)。但欲想與各種?；磻?yīng)體系相溶，就必須對(duì)其主鏈進(jìn)行化學(xué)修飾，改變主鏈的疏水性。比如，在4-氨基吡啶中摻入定量的苯胺，再與環(huán)氧氯丙烷縮聚，即可在環(huán)氧聚合物主鏈中引入苯胺結(jié)構(gòu)單元，從而增加了聚合物鏈的疏水性。
經(jīng)過(guò)側(cè)基和主鏈的化學(xué)修飾，調(diào)節(jié)線型大分子的疏水性使其在所催化的體系中具有相當(dāng)?shù)娜芙舛?，所制成的含吡啶胺基團(tuán)環(huán)氧高分子催化劑對(duì)?；磻?yīng)具有很高的催化活性。氣相色譜跟蹤反應(yīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，在叔丁醇的乙?；磻?yīng)中，該類(lèi)線型高分子催化劑的催化活性超過(guò)了通用的小分子超親核催化劑DMAP。表1叔丁醇的乙?；磻?yīng)中，含吡啶胺基團(tuán)環(huán)氧高分子催化劑與DMAP催化活性的比較t 0 10 20 30 40 50 60 70CP0 0 0 0 1.52.12.52.9CDMAP0 16.829.7 40.5 50.2 57.9 64.3 70.4CPC0 31.353 4 68.8 78.9 85.8 90.4 93.3t 80 90 100110120140160180CP3.2 3.8 4.24.54.85.764 7.3CDMAP74.878.782.3 85.2 87.5 91.1 93.6 95.4CPC95.497.198.2 98.9 99.4 99.8 100.0 100.0注t-反應(yīng)時(shí)間(min)；CP-在吡啶存在下，叔丁醇的轉(zhuǎn)化率(％)；CDMAP-DMAP存在下，叔丁醇的轉(zhuǎn)化率(％)；CPC-含吡啶胺基團(tuán)環(huán)氧高分子催化劑的存在下，叔丁醇的轉(zhuǎn)化率(％)(PC-Polymeric Catalyst高分子催化劑)線型高分子催化劑(被視為“客體”)由于仍能溶解于被催化體系，而污染產(chǎn)物、不能重復(fù)使用。所以，必須用交聯(lián)型或不溶于被催化體系的高分子包覆物(被視為主體進(jìn)行包埋。主體高分子可以是天然樹(shù)脂，也可以是合成聚合物。諸如，聚丙烯酰胺、聚苯乙烯、聚乙烯醇、聚氨酯、乙基纖維素、三聚氰胺-甲醛、淀粉、卡拉膠、大豆蛋白質(zhì)、白明膠、阿拉伯樹(shù)膠等。其中聚丙烯酰胺和乙基纖維素具有強(qiáng)度高、化學(xué)穩(wěn)定性好、成本低、其物理化學(xué)性質(zhì)的研究較為成熟等特點(diǎn)，是包覆主體的優(yōu)選材料。
包埋方法主要有網(wǎng)格包埋和微膠囊包埋。網(wǎng)格包埋是將客體鏈溶解或分散于主體單體中，再將單體聚合成三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。這樣，作為線型高分子催化劑的客體就被嵌埋在主體分子網(wǎng)絡(luò)中而不能溶于被催化體系的溶液。比如，以丙烯酰胺-N，N-甲叉雙丙烯酰胺作為聚合單體，對(duì)線型超親核環(huán)氧高分子催化劑進(jìn)行網(wǎng)格包埋。由于聚丙烯酰胺大分子網(wǎng)絡(luò)在乙酸酐等?；磻?yīng)體系中溶脹，致使底物和產(chǎn)物分子能更深層地浸入催化劑內(nèi)部。但同時(shí)，溶脹加劇了客體從主體中的漏失。由于客體大分子的尺度畢竟遠(yuǎn)大于底物和產(chǎn)物分子，因此調(diào)節(jié)主體適當(dāng)?shù)慕宦?lián)密度即可使問(wèn)題得到解決。
微膠囊包埋是將不溶于客體和體系溶液的主體分子制成薄膜，形成以客體分子為內(nèi)瓤，主體分子為外皮的微小粒子。例如采用[W/O]W乳液-溶劑蒸發(fā)技術(shù)進(jìn)行制取。這樣，囊內(nèi)高分子催化劑仍保持線型結(jié)構(gòu)，只要底物和產(chǎn)物分子能夠在主體分子薄膜進(jìn)行擴(kuò)散，就能象均相催化劑一樣維持高的催化活性。
本發(fā)明獲得的線型高分子超親核催化劑的包埋產(chǎn)物對(duì)叔丁醇的乙酰化反應(yīng)亦具有良好的催化活性。同時(shí)，在反復(fù)使用過(guò)程中催化活性沒(méi)有明顯的下降。
表2叔丁醇的乙酰化反應(yīng)中，網(wǎng)格包埋和微膠囊包埋的催化劑的催化活性t 0 10 20 30 40 50 60 70CN0 12.924.133.9 42.8 49.7 56.161.5CE0 11.521.430.4 38.5 45.6 51.757.1t 8090 100 110120140160 180CN66.5 70.680.677.8 80.7 85.4 88.991.4CE62.1 66.270.273.7 76.8 81.6 85.888.7注t-反應(yīng)時(shí)間(mm)；CN-網(wǎng)格包埋的催化劑存在下，叔丁醇的轉(zhuǎn)化率(％)；CE-微膠囊包埋的催化劑存在下，叔丁醇的轉(zhuǎn)化率(％)下面通過(guò)實(shí)例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明表征方法紅外光譜測(cè)量采用Nicolet 205 FTIR。1H-核磁共振采用Bruker AP-P200(200MHz)。元素分析儀為PE-2400。跟蹤?；磻?yīng)的氣相色譜儀(GLC)為北分SQ206，離子火焰檢測(cè)，2米不銹鋼柱，GD×101 10％聚乙二醇20M，170℃。
1.線型聚(p-氨基吡啶-環(huán)氧氯丙烷-苯胺)的制備以50mL的DMF溶解25.00g的4-氨基吡啶和24.73g的苯胺。攪拌5分鐘后，加入49.15g的環(huán)氧氯丙烷。常溫?cái)嚢?h，減壓蒸餾，將殘液溶于水，然后在丙酮中沉淀，過(guò)濾，真空干燥，即得到60.5g的淡黃色膠狀固體(產(chǎn)率76％)。
2.苯甲酰氯修飾聚(p-氨基吡啶-環(huán)氧氯丙烷-苯胺)取50.0g的聚(p-氨基吡啶-環(huán)氧氯丙烷-苯胺)溶于40mL的DMF，緩慢加入70g的苯甲酰氯，在室溫下攪拌2h。用乙醚洗滌3次，減壓蒸餾，殘液在丙酮中沉淀。過(guò)濾，真空干燥，即得到78.0g淺黃色膠狀固體(產(chǎn)率92％)
3.線型超親核樹(shù)脂的網(wǎng)格包埋將75g的丙烯酰胺，4g的N，N-甲叉雙丙烯酰胺和100mL的5％二甲氨基丙腈的混合物加熱攪拌，直至溶解。加入60g的苯甲酰氯修飾聚(p-氨基吡啶-環(huán)氧氯丙烷-苯胺)和2g過(guò)硫酸鉀，反應(yīng)體系用N2覆蓋，在溫度50℃下攪拌，直至出現(xiàn)凝膠。將凝膠在流動(dòng)的蒸餾水中浸泡2h，除去表面的粘附物。真空干燥。
4.線型超親核樹(shù)脂的微膠囊包埋將50g的苯甲酰氯修飾聚(p-氨基吡啶-環(huán)氧氯丙烷-苯胺)溶于30mL的水中，得到芯材液；將12g乙基纖維素溶于80mL二氯甲烷，得到膜材液；將1.6g明膠溶于200mL水中，得到連續(xù)相液。
在攪拌下，將芯材液緩慢滴入膜材液，形成乳液。
在高速勻漿攪拌下，將乳液加入連續(xù)相液。乳化后，降低攪拌速率，加入1.4g的己二酰氯。在40℃以上，維持?jǐn)嚢?小時(shí)，緩慢揮發(fā)二氯甲烷，直到體系凝結(jié)形成微膠囊。將微囊在流動(dòng)的蒸餾水中浸泡1h，除去表面的粘附物。真空干燥。
5.在叔丁醇的乙酰化反應(yīng)中催化劑的評(píng)價(jià)加入40.8g的乙酸酐、15mL的正庚烷(內(nèi)標(biāo)物)和相當(dāng)于10.0mmol活性基團(tuán)的超親核催化劑。在25℃下，置入恒溫器內(nèi)，加入.15.0g的叔丁醇，持續(xù)攪拌。定時(shí)取樣0.02μL進(jìn)行氣相色譜測(cè)試，對(duì)反應(yīng)進(jìn)程進(jìn)行跟蹤。
權(quán)利要求
1.一種高分子超親核催化劑，其特征在于(1)客體聚合物含有吡啶胺催化活性基團(tuán)。(2)客體聚合物為線型雜鏈高分子化合物。(3)主體聚合物為交聯(lián)型或非均相高分子化合物。(4)主體-客體的關(guān)系為網(wǎng)格包埋或微膠囊包埋。
2.如權(quán)利要求1所述的高分子催化劑，其特征是以4-氨基吡啶作為主要的原料，通過(guò)縮聚反應(yīng)，制成線型雜鏈高分子化合物。
3.如權(quán)利要求1所述的高分子催化劑，其特征是雜鏈高分子可以通過(guò)化學(xué)修飾消除反應(yīng)性基團(tuán)并調(diào)節(jié)其疏水性，使其易溶解于指定的?；磻?yīng)體系中，且具有化學(xué)穩(wěn)定性。
4.如權(quán)利要求1所述的高分子催化劑，其特征在于其主體聚合物不溶解于?；磻?yīng)體系。
5.如權(quán)利要求1所述的高分子催化劑，其特征是客體分子和主-客復(fù)合分子皆對(duì)?；磻?yīng)具有催化活性。
全文摘要
一種用于加速酰化反應(yīng)的新型高分子超親核催化劑被合成。即是以4－氨基吡啶為主要原料,通過(guò)縮聚反應(yīng)制成環(huán)氧型等線型雜鏈高分子化合物。并通過(guò)化學(xué)修飾形成易溶于反應(yīng)體系的高活性?；呋瘎?且以此為客體用網(wǎng)格和微膠囊的方式包埋于交聯(lián)型或非均相聚合物主體中,獲得可重復(fù)使用的新型高分子催化劑。其特點(diǎn)在于客體合成路線簡(jiǎn)單,催化活性高;主體成本低、易于調(diào)節(jié)擴(kuò)散性;包埋產(chǎn)物易于從體系中分離,催化劑在被催化體系中殘留率低。在加速?；Ⅴセ?、水解等有機(jī)反應(yīng)中,可作為酸堿、離子交換樹(shù)脂、分子篩、DMAP等的替代催化劑。
文檔編號(hào)B01J31/06GK1184709SQ9712034
公開(kāi)日1998年6月17日 申請(qǐng)日期1997年12月11日 優(yōu)先權(quán)日1997年12月11日
發(fā)明者黃積濤, 鄭嗣華, 張嘉琪, 王強(qiáng), 曹愛(ài)麗, 孫經(jīng)武 申請(qǐng)人:天津理工學(xué)院