非金屬有機催化劑在有機化學反應試驗中的應用研究

鄒可可

（河南省平頂山水文水資源勘測局,河南平頂山467000）

隨著現代有機合成化學工業的發展，化工領域涉及的內容也越來越多，在此背景下，催化劑的作用和地位表現出舉足輕重的作用[1]。 如今，我國化工產業發展速度較快，很多產品的生產都會需要用到化學反應，使用適當的催化劑可加速反應速率。 隨著化工產業進一步發展，人民對催化劑的要求也越來越高， 希望可進一步促進反應快速發展。所謂的催化劑，并不會對反應物造成改變，只是屬于一種高效的活性物質， 可促進反應發展進程，且在反應發生前后，催化劑不發生任何變化。

在現代化學工業產品過程中，以催化的方式對生產效率進行控制已經成為了行業內的主流趨勢，有統計結果顯示：有85%以上的化工企業選擇這樣的方式對實際生產進行控制。 不同類型催化劑的催化效果和機制也不盡相同，以此為基礎， 對于新型催化劑的研究開始受到廣泛關注，由此也在化學工業中掀起了一股革新浪潮[2]。

有機催化劑根據其化學特性，可將其分為非金屬類和金屬類， 目前在化工行業中被廣泛應用的是非金屬類有機催化劑，其分子結構簡單，且大部分都屬于小分子化合物。 為進一步促進化工行業發展， 故對非金屬類有機催化劑進行研究。

非金屬的有機催化劑在進行催化反應時可快速催動反應物發生反應，并逐漸成為了有機反應試驗中的主流選擇[3]。 就現階段而言，非金屬有機催化劑的應用還處于發展階段，仍存在較大的擴展空間，因此，對非金屬有機催化劑的應用進行研究對于推進其在更大范圍內的使用具有重要意義。

基于此，本文針對非金屬類有機催化劑在有機化學反應試驗中的應用進行研究。 對非金屬有機催化劑的應用機理以及對應的效果進行分析。通過本文研究，以期為有機化學反應試驗中非金屬有機催化劑的使用提供有價值的參考。

1 非金屬類有機催化劑概述

目前我國化工行業生產都會涉及一部分的化學反應，部分化學反應易受環境影響，導致其反應速率不高，為其添加適量催化劑可促使其快速反應，完成生產過程[4]。 所謂的非金屬類有機催化劑是指化學分子組成中沒有金屬元素，且具有一定催化能力的化合物。 在化學反應之中，很多非金屬類有機催化劑中的N、P 等元素與反應物的化學鍵相結合形成中間體，進而控制化學反應效率，達到快速反應的目的[5]。

根據其分子組成可將非金屬有機催化劑進一步分類，其分類方式如圖1 所示。

圖1 非金屬類有機催化劑的分類

2 非金屬類有機催化劑作用機理

2.1 反應物表面活性提升

甲物質的加入能夠降低乙液體的表面張力，則認為甲對乙有表面活性。 由于水是最常用的溶劑，故通常稱有表面活性均是指對水而言的[6]。 非金屬有機催化劑主要是通過對反應物分子層進行作用的方式實現催化作用的。 為了加快反應的速率，利用催化劑提高反應物表面的活性。

首先利用非金屬有機催化劑的親核性特性，對反應物進行作用，使反應物烷基之間建立一對多對應關系， 使不同烷基之間的配位鍵具有線性引力關系，使配位更加準確，提高烷基的利用率[7]。 在這種模式下，以非金屬有機催化劑作為手性催化劑，主要是對烷基上對應的碳原子結構進行識別，將邊緣的碳原子作為配位目標，以氫原子作為配位識別信號點， 對配位碳原子進行標記， 具有相同標記信號的碳原子建立對位關系，建立配位連接，使反應物表面的分子結構具有更高的活性，更容易參與到化學反應過程中，以此實現提高反應效果的目標。

對于某些不對稱烯丙基化反應，催化劑對配位鍵的標記以其自身攜帶的大π 鍵芳環結構作為標記信號， 利用大π 鍵芳環結構的親核性，將其安插在與反應物分子核中心最近的位置，使其標記更加穩定[8]。 在不同大π 鍵芳環結構之間形成識別關系時，則其對應的兩個分子進行配位操作，形成聯合結構，增加產物回收率，以此起到催化作用。

2.2 反應基轉化

在上述基礎上，對反應物中參與反應的結構轉化，以此實現更深層次的物質反應。 此時非金屬有機催化劑主要起到對反應物分子的支鏈基體進行轉化的作用，通過手性中間體對分子間的連接鍵進行扭轉[9]。 因此，本文通過將具有反應基衍生基體類型的反應物作為對話對象，利用衍生基與反應基之間的內在關系，對分子中的碳原子排布方式進行修正，在此過程中，衍生基體所攜帶的氫原子以及氧原子會出現脫落，原本的分子質量大小會出現相應的變化，因此，可以減少催化過程中的能量開銷[10]。 同時，脫落的碳原子和氫原子可以作為反應物表面活性激活過程中的標記信號。 通過這樣的方式，實現對反應基衍生基的轉變，使反應物種具有更多滿足反應條件的分子結構，反應手性得以提升，加深反應程度。 例如：利用非金屬催化劑對氰醇進行制取時，以氰化氫作為主要目標物質，通過對其進行不對稱親核處理。 在處理過程中，會受空間位阻的影響，因此需要利用非金屬催化劑，使羰基向定向活化趨勢轉化，形成相應產物。 以此提高反應中氫氰化收率，使反應效果更加理想。

3 非金屬類有機催化劑在有機反應中的應用

3.1 重排反應

所謂重排反應就是指在部分化學反應中，化合物分子中的某些基團會在分子內或分子間重新排列。 根據重排反應的機理，可將其分為周環反應與基團遷移重排反應。 隨著重排反應進程的推進，分子基團會逐漸發生遷移，而C 骨架也會發生改變，成為異構體，形成新的分子。 非金屬的有機催化劑會參與分子內的親核重排和親電重排反應， 如新戊基溴的乙醇分解和聯苯胺重排等。

非金屬催化劑的催化原理大致相同，如有機叔磷在催化反應時，通常與化學鍵中的三鍵相遇產生加成反應，催化反應發生，三苯基膦脫除后與三苯基膦加成，生成共軛二烯酮。 添加該物質能夠幫助反應化合物直接生產中間體，縮短反應發生的時間，大幅提升反應速率，可將其廣泛應用于大型生產之中，提升生產效率。

3.2 環加成反應

所謂環加成反應就是將2 個共軛體系相結合， 利用2 個環狀分子生成一個雙分子。 如丁二烯與乙烯的反應就是環加成反應，兩個共軛體系的碳原子反應生產兩個σ 鍵，之后兩個分子再結合成為體格環狀分子。

在化工生產之中，這種反應的應用實例有很多，大致可分為兩類：第一類就是將反應物中的烯結構催化生產偶電子，然后再進行加成，生成環狀分子。 屬于該類反應的實例有丁二烯酸酯和貧電子烯烴的反應；第二類就是利用反應生產的中間體，讓醛加成，形成環狀分子，現實中乙烯酮和三氯乙醛的反應屬于該類反應。

3.3 縮合反應

所謂的縮合反應就是指兩個或兩個以上的化學物質反應生產化合物，當然在反應的過程中會應用到非金屬類有機催化劑，化合物也是通過共鍵的形式生成的，并且在反應的過程中還會生成小分子化合物，如：H2O、HCl、-COOH 等。 該反應的應用實例包括羥醛縮合反應、米希爾加成反應等。

3.4 共軛加成

所謂共軛加成的反應主要發生在具有共軛體系的化合物中，共軛體系的兩端可以發生加成反應，并且其加成還可發生在體系中的任何一個雙鍵之中。 在有機化學中，人們將單一雙鍵發生的加成稱為1,2～加成，而在體系兩端發生的加成反應稱為共軛加成，或1,4 加成、1,6～加成等。 在現實應用過程中，硫醇或多氮化合物都會發生加成反應，其應用的主要原理就是非金屬類的有機催化劑催化化合物共軛體系的兩個原子發生反應形成新的化合物。 并且其反應的對應選擇性越高，其反應效果越好。

3.5 氫氰化反應

所謂氫氰化反應就是在非金屬類有機催化劑的影響下，氰化氫和醛類發生反應生產手性氰醇的過程。 在過去很長一段時間，化工產業通常采用氰酶取催化反應反應，因為該類物質在進行催化過程中極易產生手性氰醇，但與本文所研究的非金屬類有機催化劑的反應效率相比，其的反應效果并不理想。 并且該類物質的結構復雜，穩定性也較差，所以后期化工產業很少應用該類物質進行催化反應。 將非金屬類催化劑應用該類反應的過程中，其反應效率大大增加，手性氰醇的產出效率大大增加。

3.6 烷基化反應

所謂的烷基化反應就是化學反應中烷基逐漸取代氫原子的過程。 其反應過程主要包括：1）碳原子的烷基化；2）活潑亞甲基的烷基化；3）相轉移催化的烷基化以及不飽和雙鍵烯丙基化等不同種類的烷基化反應等。 利用非金屬類的有機催化劑可完成該類反應的快速催化，并不斷提高反應效率。

4 應用效果分析

根據上述的分析可知，非金屬類的有機催化劑對于有機化學反應有一定催化作用。 本文分別從三個角度對其催化效果進行了研究，具體的分析結果如下。

4.1 分子結構的重排

利用非金屬有機催化劑的重排反應可對反應物的結構進行改變，完成分子重排，使其能夠以更大規模的反應底物作為反應進行的基礎條件。 同時，分子結構在重新排布過程中，不僅會對其反應基的數量產生影響，同時也會改變原本的碳骨架結構，產生新排列，因此其會出現結構上的明顯改變，而非金屬有機催化劑可以利用該過程中分子結構的松動變化，將原子中的取代基進行轉移，使其他原子能夠獲得參與反應所需的結構。

重排后的分子結構具有更多的反應結合鍵，可以增加反應物之間的結合次數，提高不同分子同時結合的數量。 基于此，在催化劑應用過程中，其能夠實現對化學反應的加速作用，并且在操作上更加靈活、簡便，使反應中間體的生成率更高。

4.2 加強共軛加成

非金屬有機催化劑通過對分子表面活性進行激活，可以滿足反應物表面對環加成操作的環境的需求。

在高活性環境中，反應物的共軛體系穩定性降低，共軛體系中的分子連接作用減弱，在此環境下，不同的共軛體系更加容易產生連接，形成的環狀結構也更加多樣化，其大小、種類及反應要求的擬合度更高。 例如：非金屬有機催化劑可以利用丁二烯酸酯和貧電子烯烴的特殊屬性，促進二者之間發生聯動反應，生成環戊烯，使化學反應的阻力減小，提高反應深度，也可以使十二烯酸甲酯和芳環發生反應，生成環加成結構。

對于部分反應較為特殊的化學反應， 包括：對稱環結構與不對稱環結構之間的加成， 以及Diels-Alder 反應等， 非金屬有機催化劑也能實現對其的催化。

4.3 調整分子大小

非金屬有機催化劑通過對反應物表面活性進行調節， 能夠通過對分子結構轉化的方式，改變反應物原分子結構的大小，使其更能滿足反應的需求。 催化劑通過對大分子進行去羥醛操作，使不同分子之間能夠聯合為一個更大的分子結構，產生縮合反應。 在縮合過程中，大分子上失去的分子結構一般相對簡單，主要是水分子或小規模的碳-氧結構， 因此對其的去除處理不會消耗反應過程中的過多能量，對于反應程度的影響可以忽略不計，但通過縮合反應形成的分子結構具有更多的反應結合點，可以為反應提供更多的結合空間， 以此最大限度地提升其參與反應的程度，使分子之間的結果趨近于極限，以此提高反應產物的質量和純度。

5 非金屬有機催化劑的未來趨勢

近年來，非金屬類有機催化劑被廣泛應用在化工行業生產過程之中，其能夠幫助反應快速發生，提高生產效率，并且還憑借成本低、節能環保等優點備受化工行業喜愛，對其進行深入研究具有一定價值，未來發展趨勢較好。

根據對我國化工行業進行調查分析可知，非金屬類有機催化劑在未來中具有較好的發展趨勢，其主要應用在以下幾個方面：

1）非金屬催化劑不僅能對反應速率進行控制，還能控制化學反應產物的種類，具有較好的發展前景。

2）如不采用非金屬類催化劑進行催化，化工企業在生產過程中不能完全發生反應，得到的產物也不盡如人意， 所以其經濟成本得以增加，所以其可幫助企業獲得更高的經濟利益。

3）非金屬類催化劑可擴大化學反應發生的范圍，使其可在各類溶劑中發生反應，所以可幫助部分想象中的反應變成現實。

4）非金屬類催化劑在催化反應過程中不會發生任何變化，且極易在反應物中分離，可對其進行回收再利用，減少生產成本。

5）在未來還可對非金屬催化劑的用量進行控制，減少用量，加快反應速率。

6 結束語

對于有機化學反應試驗，其主要是面向成分檢測、材料生成等領域。 因此，實用價值相對較高，在生活中的應用也比較廣泛。 加快其反應效率對于提高實際的生產工作效率都有十分重要的意義。 本文提出非金屬有機催化劑在有機化學反應試驗中的應用研究，分析了合理地運用非金屬有機催化劑實現提高反應產物純度和反應速度的作用機理。 通過該研究，以期為相關領域的實際生產活動提供有價值的參考。