高分子催化劑是一種對化學反應具有催化作用的高分子。生物體內的酶就是一種高活性、高選擇性的天然高分子催化劑，但由於是水溶性的，故在工業套用上受到限制，因而又發展了不溶於水的固定化酶——一種半合成的高分子催化劑。目前開發套用的合成高分子催化劑主要有離子交換樹脂型催化劑和高分子金屬催化劑兩類。多以有機或無機高分子為骨架，在骨架上連有各種具有催化作用的功能基團。這類催化劑不僅具有很高的活性和選擇性，而且比較穩定，分離、回收方便，可以重複使用，有的還具有光學活性等特殊的機能。目前已套用到各種有機反應、有機合成及某些高分子合成反應中。
基本介紹
- 中文名：高分子催化劑
- 學科：化學
- 分類：天然高分子催化劑和合成高分子
- 特性：活性和選擇性
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分類
對化學反應具有催化作用的高分子。主要有天然高分子催化劑和合成高分子催化劑兩大類。前者如酶，後者如固定化酶、模擬酶和高分子金屬催化劑等。
酶
在生物體內所進行的化學反應，幾乎全部是酶催化的。酶是由各種胺基酸聯結組成的高分子，有的還含有金屬離子（金屬酶）。酶的特點是在常溫常壓下具有很高的活性和選擇性。發酵工業早就使用酶作為催化劑。但是，酶是水溶性的，不容易回收再使用，因此在實際套用上受到很大的限制。為了克服這個缺點，到了20世紀50年代，人們開始研究把酶連線在合成高分子上的所謂固定化酶。
固定化酶
利用酶的官能團(—NH2、—COOH、—SH、咪唑基、苯酚基等）與合成高分子的官能團進行反應可以製得。例如，含—C6H4NCS的聚丙烯醯胺與含—NH2的酶作用，可得如下的固定化酶（見結構式a）：
高分子催化劑
高分子催化劑固定化酶可用於催化氧化、還原、重排、水解、異構化等反應。例如，固定化氨基醯化酶可使N-醯化-D，L-胺基酸進行選擇性水解。所產生的L-胺基酸可利用溶解度的差別，與N-醯化-D-胺基酸分離,此法已工業化。固定化酶屬於半合成高分子催化劑。
模擬酶
60年代,關於模擬酶的合成高分子催化劑的研究逐漸活躍起來。酶的催化作用,與其具有光學活性的特殊高級結構和高分子鏈上的各種官能團所引起的分子內協同效應有關。因此,所謂模擬酶就是用合成方法來模擬酶的結構，以獲得高活性、高選擇性的催化劑。最簡單的模型是在高分子鏈上引進種種官能團。例如，聚4-乙烯咪唑(b) 能夠催化對硝基苯酚乙酸酯的水解，而其催化活性比低分子咪唑 (c)高。如果除了咪唑基以外還含有苯酚基的高分子(d)，則它在鹼性溶液(pH為9.1)中
高分子催化劑
高分子催化劑的催化活性更高。這些現象被認為是高分子效應所引起的。
高分子金屬催化劑
模擬金屬酶的高分子催化劑叫做高分子金屬催化劑。在此以前，均相催化劑用的是有機金屬絡合物，雖然活性和選擇性較高，但是在空氣中或受潮後容易失去活性，對金屬反應器有腐蝕性，反應後分離和回收催化劑困難，在工業上的套用受到了一定的限制。為了克服這些缺點，60年代末期，出現了把有機金屬絡合物固定在高分子上的所謂高分子金屬催化劑。例如，高分子銠絡合物 (e)
高分子催化劑
高分子催化劑和相對應的低分子銠絡合物RhCl【P(C6H5)3】3,都能在常溫常壓下催化烯烴的加氫，並且反應機理也相似。所不同的是，低分子絡合物溶液接觸到空氣就失去活性，而且有腐蝕性；但是高分子銠絡合物在空氣中很穩定，幾乎沒有腐蝕性，而且反應完成後，用過濾的方法可回收使用。另一個特點是用高分子催化劑時，加氫速率受烯烴分子的形狀和大小的影響較大，即底物（反應物）選擇性高；但用低分子絡合物時，選擇性很低。另外，由於高分子效應，某些高分子金屬絡合物比低分子金屬絡合物催化活性高。例如,芳香烴的加氫是比較困難的,用一般的低分子催化劑,需要在高溫高壓下才能夠進行。但是用二氧化矽為載體的聚γ-二苯基膦丙基矽氧烷－鉑絡合物(f),在常溫常壓下對各種芳香烴的加氫具有較高的催化活性，而且穩定性也較高。此外，在氧化、矽氫加成、異構化、醛化、聚合等方面也出現了很多有效的高分子金屬催化劑。
高分子催化劑
高分子催化劑套用
酶的套用
常見的酶在生產和生活中的套用：
烘烤食品：真菌產生的a一澱粉酶催化澱粉降解成可被酵母利用的糖，麵包等食品製作等蛋白酶類（餅乾鬆化劑）製作餅乾過程中，水解麵粉中的蛋白質；乳製品生產中，水解乳清蛋白。有利於食品中蛋白類營養的消化吸收。
釀酒工業： 麥芽中的澱粉酶、蛋白酶、葡聚糖酶。將釀酒原料澱粉和蛋白質降解成能被酵母利用的單糖、胺基酸和肽，從而提高乙醇的產量。 β一葡聚糖酶 分解β-葡聚糖，降低麥汁粘度，加快麥汁過濾速度，避免因β-葡聚糖引起的啤酒混濁。 木瓜蛋白酶去除啤酒儲存過程中生成的混沌物
肉類烹飪： 木瓜蛋白酶（嫩肉粉）鳳梨蛋白酶分解肉的膠原蛋白，使肉類嫩滑。木瓜蛋白酶的最適宜溫度為600C，適宜pH7-7.5，不要在高溫和酸性環境下使用。
乳製品工業： 凝乳酶 乳酪生產的凝結劑，並可用於分解蛋白質。 乳糖酶降解乳糖為葡萄糖和半乳糖，獲得沒有乳糖的牛乳製品，有利於乳品的消化吸收。
製糖工業： 澱粉酶等將澱粉轉化為葡萄糖及各類糖漿 葡萄糖異構酶 用於將葡萄糖轉化為甜度高的果糖，生產高果糖漿。
紡織工業： 澱粉酶廣泛地套用於紡織品的褪漿，其中細菌澱粉酶能忍受100～110℃的高溫操作條件。纖維素酶代替沙石洗工藝處理製作牛仔服的棉布，提高牛仔服質量。
製革工業： 胰蛋白酶類 除去毛皮中特定蛋白質使皮革軟化，也可用於皮革脫毛。
金屬催化劑
在選擇和設計金屬催化劑時，常考慮金屬組分與反應物分子間應有合適的能 量適應性和空間適應性，以利於反應分子的活化。然後考慮選擇合適的助催化劑和催化劑載體以及所需的製備工藝，並嚴格控制製備條件，以滿足所需的化學組成和物理結構，包括金屬晶粒大小和分布等。除貴金屬外，還原態的金屬催化劑均極為活潑，易於被氧化。催化劑生產廠為了貯運的方便，多以氧化物狀態提供商品，用戶經活化處理或在使用過程中才還原成金屬狀態。活化的方法、條件十分重要。有些催化劑生產廠也提供某些預還原的氨合成用的鐵催化劑，以縮短用戶的開工期，並保證催化劑的使用特性。
發展趨勢
美國Freedonia集團日前發布的最新研究報告顯示，未來5年雖然全球化工行業仍將維持健康發展的勢頭，但化工催化劑需求增速將是所有催化劑終端領域中最慢的，尤其是有機合成催化劑需求近期將受到醫藥工業缺乏新產品的不利影響，然而這種不利的影響會被非洲、亞太、東歐和中東地區石化工業的擴能所彌補；聚合催化劑的需求增速則將是所有催化劑品種中最快的，主要原因是非洲和中東地區聚合物產能的快速擴張；由於加氫處理催化劑需求量穩步增長以及非洲、中東和亞太地區油品產量較高，煉油催化劑需求也將非常強勁。全球都在通過減少車用燃料的含硫量來減輕空氣污染，這將繼續增加催化劑的裝載量。
據Freedonia稱，未來5年全球催化劑市場需求的年均增速有望接近6%，到2012年全球催化劑市場份額將達到163億美元。其中，北美市場占32%的市場份額，亞太占31%，西歐占21%，東歐、拉美占9%，非洲、中東占7%。如果按需求量計算，未來5年全球催化劑有望以年均2%的速度增長，到2012年全球催化劑市場需求量將達到530萬噸。
