非金属有机催化剂及其在有机化学反应中的应用

刘卓航

（长沙市周南中学，湖南长沙410005）

非金属有机催化剂及其在有机化学反应中的应用

刘卓航

（长沙市周南中学，湖南长沙410005）

在高中学习的化学反应中，非金属有机催化剂是很有趣的内容。他们在有机反应中起着重要作用，能提高化学反应速率。有机反应的发生和结果受外界因素影响较大，在化学反应中使用非金属有机催化剂，可加快反应进度。基于此，介绍非金属有机催化剂的作用。

非金属有机催化剂；有机化学；应用

现代化学工业对催化剂的需求量很大，85%的化学产品是通过催化生产的。催化剂是一种效果十分明显的高效活性物质。在化学反应中，催化剂参与反应但不改变化学平衡，化学反应正逆反应速率均加快，同时催化剂的质量、化学性质在反应前后不发生变化。在有机合成化学中经常用到催化剂，催化剂在化工生产中占据十分重要的地位[1]。催化剂种类多，应用广泛，其中非金属有机催化剂在有机反应中得到较多的应用。研究发现，许多简单的非金属有机物分子可在反应中起催化作用，这些小分子被直接用作催化剂，引起了人们的兴趣，越来越多的科研工作者关注非金属有机催化剂。催化剂的研究成为现代合成化学的重要方向。

1 非金属有机催化剂

非金属有机催化剂具备所有催化剂的基本性能，与金属有机催化剂相比，非金属催化剂中不含金属离子。与金属催化剂含有配位金属离子、形成配合有机化合物不同，非金属催化剂以活性中间体的形式实现催化。非金属催化剂中含有N、P等元素，这些原子以不同的键和C原子连接在一起。在化学反应中，非金属催化剂与反应物通过化学键或范德华力形成活化中间体，进而对反应进行催化。目前常用的非金属类催化剂主要有3种：有机胺类，如脯氨酸（Proline）、二酮哌嗪类、胍类（Carbamidine）、脲和硫脲类等；有机膦类，如三芳基（三烷基）膦类等；手性醇类质子催化剂，如TADDOL类催化剂。

2 在有机化学反应中的应用

2.1 重排反应

一定反应条件下，有机化合物分子某些基团在分子内或分子间进行重排。伴随重排反应，基团发生迁移，分子骨架C原子发生改变，形成新的分子。非金属有机催化剂参与的有分子内亲核重排反应和分子内亲电重排反应，如新戊基溴在乙醇中的分解和联苯胺重排。非金属有机催化剂也可参与分子间重排，如N-氯代乙酰苯在盐酸作用下的重排。

2.2 环加成反应

环加成反应（Cycloaddition reaction）指2个共轭体系结合，2个环状分子生成一个双分子的反应。通过环加成反应，2个共轭体系分子连接在一起，头尾部碳原子彼此相接，形成2个σ键。通过反应，2个分子结合成一个较大的分子，如丁二烯与乙烯的加成反应。环加成反应是分子轨道对称守恒原理的较好的例子，非金属有机催化剂主要利用两类物质催化环加成反应，一类是原有的烯结构，在催化剂的作用下形成大型环状分子，如丁二烯酸酯和贫电子烯烃的环加成反应，丁二烯酸甲酯和芳烃发生的环加成反应；另一类是利用反应中间体，醛加成形成环加成产物，如乙烯酮和三氯乙醛的反应等。

2.3 缩合反应

在非金属有机催化剂的作用下，有机分子以共价键结合，生成一个大分子，在反应过程中失去H2O、HCl等小分子。包括羟醛缩合反应（在羰基化合物羰基附近形成新的C-C键，把两个分子连接起来）、克莱森缩合反应（交叉酯缩合、迪克曼反应）、珀金缩合反应、苯偶姻缩合反应和斯托贝缩合反应等。

2.4 共轭加成

在共轭体系中可发生加成反应，加成在共轭体系两端，叫共轭加成（1，4加成或1，6加成），在单一双键的加成为1，2-加成。硫醇的共轭加成在两端进行，多氮化合物的共轭加成同样如此。加成反应的原理主要是共轭体系的双键在非金属有机催化剂的作用下断开，在双键处加成形成新物质。非金属有机催化剂参加的反应速度快、效果好、对映选择性高。

2.5 氢氰化反应

以往氢氰化反应的催化剂多选择复杂的氰酶，现在多采用非金属有机催化剂，如氰化氢和醛生成氰醇的反应。非金属有机催化剂大大加快了手性氰醇的生产，在效率和对应性上有了很大进步。另外，亚胺的氢氰化也会用到非金属有机催化剂。

2.6 烷基化反应

烷基化反应是常见有机反应。有机化合物分子中连在C、O、N的氢原子可能被烷基取代。烷基化反应类型有：①碳原子上的烷基化，羰基α碳上的H有弱酸性，在强碱作用下，与卤代烷反应；②活泼亚甲基的烷基化，醇钠作用下的两个活性基团之间的亚甲基烷基化。转移催化的烷基化常用四级铵盐、四级磷盐、冠醚等催化剂，非金属有机催化剂可有效催化此类反应的进行。

3 结语

在化学反应中，非金属有机催化剂的类别多，适用的化学反应范围有所不同。不同的化学反应特别是有机反应对催化剂的要求不同，不能随意使用非金属有机催化剂进行反应[2]。催化剂选择不当会产生安全隐患，在化学反应时，必须合理分析化学反应的实际情况，选合适的非金属有机催化剂。非金属有机催化剂可促进化学反应更快达到化学反应平衡[3]。非金属有机催化剂的催化效果具有多面性，在操作时要反复试验。

[1]吴仙花.非金属有机催化剂及其在有机化学反应中的应用[J].科技与企业,2015,24(17):209.

[2]侯言超,刘宏超,朱建华.利用化学反应的多定态特性筛选动力学模型[J].化工学报,2014,65(2):570-575.

[3]刘丽丽,台夕市,刘美芳,等.Au/MOF-5催化剂在三组分偶联反应中的催化性能[J].化工学报,2015,66(5):1738-1747.

Application of Non-Metallic Organic Catalysts in Organic Chemistry

Liu Zhuo-hang
(Changsha Zhounan High School, Hunan Changsha 410005)

Among the chemical reaction that studied in high school, the non-metallic organic catalysts are very interesting. It plays an important role in organic reaction, which can increase the rate of chemical reaction. The occurrence and result of organic reaction are influenced by the external factors, and the use of non-metallic organic catalysts in chemical reactions can speed up the progress of the reaction. Based on this, this paper introduced the role of non-metallic organic catalysts.

Non-metallic organic catalysts; Organic chemistry; Application

O643.3

A

2096-0387（2017）01-0085-03

刘卓航（1999-），男，湖南长沙人，研究方向：化学生物类。