非金屬有機(jī)催化劑及其在有機(jī)化學(xué)反應(yīng)中的應(yīng)用

劉卓航

（長沙市周南中學(xué)，湖南長沙410005）

非金屬有機(jī)催化劑及其在有機(jī)化學(xué)反應(yīng)中的應(yīng)用

劉卓航

（長沙市周南中學(xué)，湖南長沙410005）

在高中學(xué)習(xí)的化學(xué)反應(yīng)中，非金屬有機(jī)催化劑是很有趣的內(nèi)容。他們在有機(jī)反應(yīng)中起著重要作用，能提高化學(xué)反應(yīng)速率。有機(jī)反應(yīng)的發(fā)生和結(jié)果受外界因素影響較大，在化學(xué)反應(yīng)中使用非金屬有機(jī)催化劑，可加快反應(yīng)進(jìn)度?；诖?，介紹非金屬有機(jī)催化劑的作用。

非金屬有機(jī)催化劑；有機(jī)化學(xué)；應(yīng)用

現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)對催化劑的需求量很大，85%的化學(xué)產(chǎn)品是通過催化生產(chǎn)的。催化劑是一種效果十分明顯的高效活性物質(zhì)。在化學(xué)反應(yīng)中，催化劑參與反應(yīng)但不改變化學(xué)平衡，化學(xué)反應(yīng)正逆反應(yīng)速率均加快，同時(shí)催化劑的質(zhì)量、化學(xué)性質(zhì)在反應(yīng)前后不發(fā)生變化。在有機(jī)合成化學(xué)中經(jīng)常用到催化劑，催化劑在化工生產(chǎn)中占據(jù)十分重要的地位[1]。催化劑種類多，應(yīng)用廣泛，其中非金屬有機(jī)催化劑在有機(jī)反應(yīng)中得到較多的應(yīng)用。研究發(fā)現(xiàn)，許多簡單的非金屬有機(jī)物分子可在反應(yīng)中起催化作用，這些小分子被直接用作催化劑，引起了人們的興趣，越來越多的科研工作者關(guān)注非金屬有機(jī)催化劑。催化劑的研究成為現(xiàn)代合成化學(xué)的重要方向。

1 非金屬有機(jī)催化劑

非金屬有機(jī)催化劑具備所有催化劑的基本性能，與金屬有機(jī)催化劑相比，非金屬催化劑中不含金屬離子。與金屬催化劑含有配位金屬離子、形成配合有機(jī)化合物不同，非金屬催化劑以活性中間體的形式實(shí)現(xiàn)催化。非金屬催化劑中含有N、P等元素，這些原子以不同的鍵和C原子連接在一起。在化學(xué)反應(yīng)中，非金屬催化劑與反應(yīng)物通過化學(xué)鍵或范德華力形成活化中間體，進(jìn)而對反應(yīng)進(jìn)行催化。目前常用的非金屬類催化劑主要有3種：有機(jī)胺類，如脯氨酸（Proline）、二酮哌嗪類、胍類（Carbamidine）、脲和硫脲類等；有機(jī)膦類，如三芳基（三烷基）膦類等；手性醇類質(zhì)子催化劑，如TADDOL類催化劑。

2 在有機(jī)化學(xué)反應(yīng)中的應(yīng)用

2.1 重排反應(yīng)

一定反應(yīng)條件下，有機(jī)化合物分子某些基團(tuán)在分子內(nèi)或分子間進(jìn)行重排。伴隨重排反應(yīng)，基團(tuán)發(fā)生遷移，分子骨架C原子發(fā)生改變，形成新的分子。非金屬有機(jī)催化劑參與的有分子內(nèi)親核重排反應(yīng)和分子內(nèi)親電重排反應(yīng)，如新戊基溴在乙醇中的分解和聯(lián)苯胺重排。非金屬有機(jī)催化劑也可參與分子間重排，如N-氯代乙酰苯在鹽酸作用下的重排。

2.2 環(huán)加成反應(yīng)

環(huán)加成反應(yīng)（Cycloaddition reaction）指2個(gè)共軛體系結(jié)合，2個(gè)環(huán)狀分子生成一個(gè)雙分子的反應(yīng)。通過環(huán)加成反應(yīng)，2個(gè)共軛體系分子連接在一起，頭尾部碳原子彼此相接，形成2個(gè)σ鍵。通過反應(yīng)，2個(gè)分子結(jié)合成一個(gè)較大的分子，如丁二烯與乙烯的加成反應(yīng)。環(huán)加成反應(yīng)是分子軌道對稱守恒原理的較好的例子，非金屬有機(jī)催化劑主要利用兩類物質(zhì)催化環(huán)加成反應(yīng)，一類是原有的烯結(jié)構(gòu)，在催化劑的作用下形成大型環(huán)狀分子，如丁二烯酸酯和貧電子烯烴的環(huán)加成反應(yīng)，丁二烯酸甲酯和芳烴發(fā)生的環(huán)加成反應(yīng)；另一類是利用反應(yīng)中間體，醛加成形成環(huán)加成產(chǎn)物，如乙烯酮和三氯乙醛的反應(yīng)等。

2.3 縮合反應(yīng)

在非金屬有機(jī)催化劑的作用下，有機(jī)分子以共價(jià)鍵結(jié)合，生成一個(gè)大分子，在反應(yīng)過程中失去H2O、HCl等小分子。包括羥醛縮合反應(yīng)（在羰基化合物羰基附近形成新的C-C鍵，把兩個(gè)分子連接起來）、克萊森縮合反應(yīng)（交叉酯縮合、迪克曼反應(yīng)）、珀金縮合反應(yīng)、苯偶姻縮合反應(yīng)和斯托貝縮合反應(yīng)等。

2.4 共軛加成

在共軛體系中可發(fā)生加成反應(yīng)，加成在共軛體系兩端，叫共軛加成（1，4加成或1，6加成），在單一雙鍵的加成為1，2-加成。硫醇的共軛加成在兩端進(jìn)行，多氮化合物的共軛加成同樣如此。加成反應(yīng)的原理主要是共軛體系的雙鍵在非金屬有機(jī)催化劑的作用下斷開，在雙鍵處加成形成新物質(zhì)。非金屬有機(jī)催化劑參加的反應(yīng)速度快、效果好、對映選擇性高。

2.5 氫氰化反應(yīng)

以往氫氰化反應(yīng)的催化劑多選擇復(fù)雜的氰酶，現(xiàn)在多采用非金屬有機(jī)催化劑，如氰化氫和醛生成氰醇的反應(yīng)。非金屬有機(jī)催化劑大大加快了手性氰醇的生產(chǎn)，在效率和對應(yīng)性上有了很大進(jìn)步。另外，亞胺的氫氰化也會用到非金屬有機(jī)催化劑。

2.6 烷基化反應(yīng)

烷基化反應(yīng)是常見有機(jī)反應(yīng)。有機(jī)化合物分子中連在C、O、N的氫原子可能被烷基取代。烷基化反應(yīng)類型有：①碳原子上的烷基化，羰基α碳上的H有弱酸性，在強(qiáng)堿作用下，與鹵代烷反應(yīng)；②活潑亞甲基的烷基化，醇鈉作用下的兩個(gè)活性基團(tuán)之間的亞甲基烷基化。轉(zhuǎn)移催化的烷基化常用四級銨鹽、四級磷鹽、冠醚等催化劑，非金屬有機(jī)催化劑可有效催化此類反應(yīng)的進(jìn)行。

3 結(jié)語

在化學(xué)反應(yīng)中，非金屬有機(jī)催化劑的類別多，適用的化學(xué)反應(yīng)范圍有所不同。不同的化學(xué)反應(yīng)特別是有機(jī)反應(yīng)對催化劑的要求不同，不能隨意使用非金屬有機(jī)催化劑進(jìn)行反應(yīng)[2]。催化劑選擇不當(dāng)會產(chǎn)生安全隱患，在化學(xué)反應(yīng)時(shí)，必須合理分析化學(xué)反應(yīng)的實(shí)際情況，選合適的非金屬有機(jī)催化劑。非金屬有機(jī)催化劑可促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)更快達(dá)到化學(xué)反應(yīng)平衡[3]。非金屬有機(jī)催化劑的催化效果具有多面性，在操作時(shí)要反復(fù)試驗(yàn)。

[1]吳仙花.非金屬有機(jī)催化劑及其在有機(jī)化學(xué)反應(yīng)中的應(yīng)用[J].科技與企業(yè),2015,24(17):209.

[2]侯言超,劉宏超,朱建華.利用化學(xué)反應(yīng)的多定態(tài)特性篩選動力學(xué)模型[J].化工學(xué)報(bào),2014,65(2):570-575.

[3]劉麗麗,臺夕市,劉美芳,等.Au/MOF-5催化劑在三組分偶聯(lián)反應(yīng)中的催化性能[J].化工學(xué)報(bào),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

劉卓航（1999-），男，湖南長沙人，研究方向：化學(xué)生物類。