有機化學反應中非金屬有機催化劑的應用研究

張立超（江蘇極易新材料有限公司，江蘇徐州221700）

0 引言

目前，85%的現代化學工業產品其實都是在催化劑的作用下被生產出來的，因此在化工行業的產品生產過程中，催化劑有著極其重要的地位和作用。每種催化工藝的研制成功，或是每種新的催化劑被發現，在整個化工行業都能夠引起重大的革新。正是在這樣的形勢背景下，許多簡單有機分子成為了重點研究開發對象，在有機化學反應中，其被作為了重要的催化劑。論文以非金屬有機催化劑作為研究對象，深入探究探討其在有機化學反應中的具體應用，無疑具有尤為重要的意義和作用，有利于推動非金屬有機催化劑行業的發展。

1 非金屬有機催化劑概述

1.1 非金屬有機催化劑介紹

在現代化工行業中，各種化學反應要想實現順利進行，其中一個非常重要的條件就是加入催化劑，部分化工產品要想成功生產出來甚至必須加入相應的催化劑。催化劑的地位和作用可見一斑。而在在化學反應中，非金屬有機催化劑的加入也能夠發揮出較好的作用，從而使得其在整個催化劑市場擁有比較大的發展前景。相比于金屬有機催化劑來說，兩者之間還是有一些共性存在的，但需要看到非金屬有機催化劑并沒有金屬離子配位[1]。對于一般的催化劑而言，其催化導向作用主要是通過質子酸來實現的，苯磺酸類有機催化劑等包括在內。而非金屬有機催化劑則不同，分子中的P、N等富電子中心是其得以發揮相應催化作用的關鍵所在。在一定化學鍵的作用下，相應反應物和分子轉換成為活化中間體，然后，產品的特性被其自身的結構元素有效地控制。除了部分特殊情況，非金屬有機催化劑有著比較高的安全性，毒性較低，市場成本不高，再加之在化學反應中能夠起到很好的催化作用，從而使得其在化工行業的產品生產過程中獲得了較為廣泛的應用，其重要性越發突顯了出來。

1.2 非金屬有機催化劑種類

手性醇類質子（Chiral alcohol protons）、有機胺類（Organic amine）以及有機磷類（Organophosphate class）等等都屬于非金屬有機催化劑。其中有機胺類催化劑其代表主要是N-雜環卡賓類催化劑（N-heterocyclic carbine catalysts）、金雞納堿類催化劑（Cinchona base catalysts）等；有機磷類催化劑其代表主要是三烷基膦類催化劑（Trialkyl phosphine catalysts）、三芳基膦類催化劑（Triaryl phosphine catalysts）等。在使用非金屬有機催化劑之前，使用人員需要對各種催化劑的特性有一個清楚正確的了解和掌握，通過合理選擇，從而確保化學反應的順利進行。總的來說，大多數非金屬有機催化劑在實際應用過程中都具有較好的催化活性，在許多化學反應中都有著良好的催化表現，適用于一些不對稱合成，可以幫助化學反應較好地實現目標。雖然非金屬有機催化劑在實際生產中有著較大發展，但還需要看到還有很多化學反應沒有合適的非金屬有機催化劑，因此應加大這方面的研究。

2 有機化學反應中非金屬有機催化劑的應用

2.1 重排反應

有機化合物分子部分基因在一定反應條件下會進行分子間或分子內的重排[2]。在重排反應（Rearrangement reaction）的進行過程中，基團會出現遷移的情況，從而使得分子骨架C原子被改變了，新的分子因此而生成。比如在乙醇（Ethanol）中戊基溴（Amyl bromide）的分解和聯苯胺（Benzidine）重排。而分子間的重排非金屬有機催化劑也可以參與進來，并在其中發揮重要的催化作用。如在鹽酸（Hydrochloric acid）作用下N-氯代乙酰苯（N-chloroacetobenzene）的重排。

2.2 環加成反應

環加成反應（Cycloaddition reaction）主要是指兩個共軛體系結合，兩個環狀分子生成為一個雙分子的反應[3]。在反應中，非金屬有機催化劑主要是利用兩類物質來完成其催化使命。一類是原有的烯結構，在非金屬有機催化劑的作用下會形成大型環狀分子，比如貧電子烯烴（Electron-poor olefin）和丁二烯酸酯（Butadienate）之間所發生的環加成反應，芳烴（Aromatic hydro?carbons）和丁二烯酸甲酯（Methyl butadienate）之間所發生的環加成反應；另一類是借助反應中間體醛加成形成環加成產物，比如三氯乙醛（Chloral）和乙烯酮（ketene）之間所發生的反應等。

2.3 縮合反應

縮合反應（Condensation reaction）主要是指有機分子在非金屬有機催化劑的作用下，以共價鍵結合，從而生成一個大分子，同時在反應過程中HCl和H2O等小分子會失去[4]。主要包括斯托貝縮合反應（Stobbe condensation reaction）、苯偶姻縮合反應（Benzoin condensation reaction）、珀金縮合反應（Perkin conden?sation reaction）等。

2.4 共軛加成

共軛加成（Conjugate addition）主要是指在共軛體系中能夠發生加成反應，在共軛體系兩端進行的加成叫做1，4加成或1，6加成，而在單一雙鍵的加成叫做1，2-加成[5]。比如硫醇（Mer?captan）、多氮化合物（Polynitrogen compound）等的共軛加成就是在兩端進行的。發生加成反應的原理在于在非金屬有機催化劑的作用下共軛體系的雙鍵斷開，新物質在雙鍵處得以加成形成。在有機化學反應中，正是由于非金屬有機催化劑的參與，從而使得整個反應過程效果好、速度較快，同時對映選擇性高。

2.5 氫氰化反應

過去氫氰化反應的催化劑主要選擇的是氰酶，如今則主要選擇的是非金屬有機催化劑[6]。手性氰醇（Chiral cyanohydrin）通常由氰化鉀（Potassium cyanide）或氰化氫（Hydrogen cyanide）對酮和醛進行不對稱親核加成來予以制取。氰化氫和醛在手性氰酶催化下進行加成是目前比較常用的一個好方法，有著相對較高的對映選擇性和產率，但是缺點是酶的選擇和制取比較復雜，操作過程較為繁瑣。而如果使用非金屬有機催化劑則不會出現上述情況。

3 結語

總而言之，在有機化學反應中，就適用范圍方面來說，金屬有機催化劑更加廣泛一些；就選擇性和催化效率這兩個方面來說，生物有機催化劑也有著更加優秀的表現，但是相信伴隨非金屬有機催化劑催化性能的不斷改進，在有機化學反應中所能夠起到的作用將越發突顯出來。