非金屬有機催化劑在有機化學反應中的應用

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前言

現代有機合成工業不斷的發展，其化工產品制造過程中的催化劑種類也不斷增多。其中非金屬有機催化劑是有機化學反應中十分重要的一種催化劑，其工藝的成熟引起了有機化學的一場重要的變革。由于非金屬有機催化劑的催化性能比較好，逐漸取代了其他的催化劑，成為有機化學反應中催化劑的主流。隨著科學技術的不斷發展，不同種類的非金屬有機催化劑也不斷被研發出來，不斷地革新有機化學反應的催化劑使用，成為了現代有機化學的前沿研究領域。

一、非金屬有機催化劑

非金屬有機催化劑指的是具有催化劑的基本性能，但元素中不含有金屬離子的有機化合物。其催化的原理是通過分子中含有的氮、磷等元素與被反應物的化學鍵結合從而形成活化的中間體，隨后利用自身的結構來控制形成不同產物。目前非金屬有機催化劑主要有三大類，一類是有機胺類、一類是有機磷類、一類是手性醇類質子催化劑。相比較于金屬有機催化劑，非金屬有機催化劑有更好的催化性，在尤其是當應用與不對稱合成的時候，經其催化的反應大都有很好的收率和對映選擇性。另一方面，非金屬有機催化劑具有成本比較低廉、更容易制造、更容易保存等優勢，使得其不斷替代金屬有機催化劑，成為有機催化劑的主流。目前，我國對于非金屬有機催化劑的利用還是剛剛起步階段，對于非金屬有機催化劑的理論研究比較多，但在實際應用中仍然不多，許多化學反應還仍然未找到合適的非金屬有機催化劑，只能夠使用金屬有機催化劑，因此，對于非金屬有機催化劑的各個方面的研究實驗還是十分必要的。本文就目前已經有的非金屬有機催化劑的利用原理做一個簡單的匯總，對于一些新的非金屬有機催化劑的利用做一個簡單的展望。

二、非金屬有機催化劑在有機化學反應中的應用

1、重新排列分子結構反應

重新排列分子結構指的是對于分子中的碳骨架進行重新排列，從而發生結構的異化，其模式是一個取代基從一個原子轉移到另一個原子中，在非金屬有機催化劑的催化過程中，使用的是類似的原理，使用有機叔磷作為催化劑，在化學反應過程中使得叔磷和三建發生加成反應，三苯基膦脫除后又與三苯基膦進行加成，從而生成共軛二烯酮。一個催化反應就完成了，這樣一個反應的效率比較高，而且比較簡單，在大生產中能夠直接用于生成中間體。

2、環加成反應

環加成反應指的是兩個共軛體系的分子結合成一個環狀分子的反應，是使得兩個小分子結合形成一個比較大的環狀分子的過程。像是利用丁二烯酸酯和貧電子烯烴在非金屬有機催化劑的催化作用下發生環加成反應，形成了環戊烯，或者是通過非金屬有機催化劑的催化作用，使得丁二烯酸甲酯和芳環發生環加成反應生成相應的環加成產物，兩種反應都是通過原有物質中的烯的結構，在非金屬有機催化劑的催化作用下，生成偶極子，再通過加成的方式形成了大型環狀分子；另外一種環加成的方式是利用反應的過程中生成的中間體，利用非金屬有機催化劑的催化作用使得醛逐漸加成形成環加成的產物，像是乙烯酮和三氯乙醛的加成反應；此外，環加成的原理還包括不對稱的環加成反應，Diels-Alder反應等等不同的方式。

3、縮合反應

縮合反應是指一個以上的有機分子在催化劑的作用下形成一個大分子的反應，在這一過程中往往會失去比較小的分子像是水分子或者是一些結構比較簡單的分子。在有機化學反應中，縮合反應包括羥醛縮合反應即烯胺上的氮原子與羧基上的氧原子以及醛羰基上的氧原子共享同一個氫原子從而發生縮合反應，也包括米希爾加成、羅賓森環化反應等等。

4、共軛加成

共軛加成是指共軛體系的兩側或者是中間的原子發生加成從而形成共軛加成反應體。共軛加成包括硫醇的共軛加成、多氮化合物的共軛加成。其原理都是在非金屬有機催化劑的作用下，共軛體系中的兩個原子發生了加成反應形成新的物質，其反應的對映選擇性比較高，因此反應的效果比較好。5、氫氰化反應氫氰化反應通過醛和氰化氫在非金屬有機催化劑的催化作用下生成手性氰醇，作為一種十分重要的反應中間體。原本手性氰醇的生成比較復雜需要使用氰酶進行催化，但由于非金屬有機催化劑的使用，同樣能實現反應過程中的高轉化率和高對映性，因此極大的提高了手性氰醇的生產效率。另外一種是亞胺的氫氰化，其原理與手性氰醇生成的原理是類似的。

6、烷基化反應

烷基化反應是指有機化合物中的碳氮氧中的氫原子被烷基替代，從而形成新的烷基化產物。其包括了不飽和雙鍵烯丙基化等不同種類的烷基化反應。

三、結語

無論是哪一種反應，非金屬有機催化劑都能夠起到很好的催化作用，能夠很好地控制化學反應的環境，各個原子加成、縮合的對映性，從而提高現產物的反應效力，而且大部分的研發成功的非金屬有機催化劑的成本都比較低，產品制造業比較容易，因此能夠進行擴大化生產，從而極大的提高整個現代化工產業的生產效率。另一方面，目前我國研發成果的非金屬有機催化劑應用的有機化學反應仍然比較少，應該不斷的進行研發，為每一種新的化工產品尋找到最優的催化劑。

作者；吳仙花 單位：長春工程學院