非金属有机催化剂在有机化学反应中的应用

刘浩吉（河北师范大学汇华学院，河北石家庄050091）

非金属有机催化剂在有机化学反应中的应用

刘浩吉（河北师范大学汇华学院，河北石家庄050091）

通过阅读大量的有关非金属有机催化剂应用在有机化学中的文献，对目前国内外非金属有机催化剂的研究现状及其在各种有机反应中的应用进行总的概述。并对其今后非金属有机催化剂的发展前景进行了展望。

非金属有机催化剂；有机化学；应用

现代化学工业产品的85%都是通过催化过程生产的。催化剂是一种在化学反应里不改变化学平衡但是反应物的化学反应速率发生改变，同时自身的质量、化学性质在化学反应前后均未发生任何的改变的物质，在有机合成化学及化工中有非常重要的地位。催化剂主要分两种即非金属有机催化剂、金属有机催化剂。目前，简单有机物分子被直接用作有机反应的催化剂，非金属有机催化剂逐渐引起了人们的兴趣，越来越多的非金属有机催化剂成为现代合成化学的前沿领域之一。本文将从非金属有机催化剂的特征出发，就非金属有机催化剂在各类反应中的应用进行阐述，同时对其发展前景进行展望。

1　非金属有机催化剂的定义及特征

非金属有机催化剂具有催化剂的基本性能，但与金属有机催化剂相反，非金属有机催化剂元素中不包含金属离子配位的低分子量有机化合物。它是通过分子中所含的氮，磷等元素与被反应物通过化学键或范德华力从而形成活化的中间体，同时利用自身结构因素来形成不同的产物。目前非金属有机催化剂主要有三大类：

（1）有机胺类：脯氨酸、二酮哌嗪类、胍类、脲及硫脲类等；

（2）有机膦类：三芳基（三烷基）膦类等；

（3）手性醇类质子催化剂：如TADDOL类催化剂.

2　非金属有机催化剂在有机反应中的应用

2.1重排反应

重排反应（rearrangement reaction）按反应机理，可分为两种：周环反应、基团迁移重排反应。主要是这类化学反应即分子的碳骨架重排生成结构异构体，重排反应通常指取代基在同一分子上一个原子转移到另一个原子上。在非金属有机催化剂的催化过程中，使用的是同样的原理。如催化剂有机叔磷，化学反应中叔磷和三键发生加成反应，三苯基膦脱除后与三苯基膦加成，生成共轭二烯酮。这样的反应效率很高，能够用于大生产中直接生成中间体。

2.2环加成反应

环加成反应指的是两个共轭体系结合成环状分子的一种双分子反应。通过环加成反应，两个共轭体系分子的端基碳原子彼此头尾相接，形成两个σ键，使这两个分子结合成一个较大的环状分子，如丁二烯与乙烯的加成反应。非金属有机催化剂用于这样的催化反应实例很多，一类是通过原有物质中的烯的结构，在非金属有机催化剂的作用下，生成偶电子，在加成形成大型环状分子，如丁二烯酸酯和贫电子烯烃发生环加成反应生成环戊烯、丁二烯酸甲酯和芳烃发生环加成生成相应的产物；另一类是利用反应过程中生成的中间体，非金属有机催化剂使醛加成形成环加成产物，如乙烯酮和三氯乙醛的加成反应等。

2.3缩合反应

缩合反应指的是在非金属有机催化剂的作用下，两个或两个以上有机分子相互作用后以共价键结合成一个大分子，并有失去小分子（如H2O、HCl、醇等），包括羟醛缩合反应（即烯胺上的氮原子核羧基上的氧原子）、醛羰基上的氧原子共享同一个氢原子发生缩合反应、米希尔加成、罗宾森环化反应等。

2.4共轭加成

在共轭体系中，加成可以发生在共轭体系的两端，也可以发生在其中任何一个双键上。发生在单一双键上的加成称为1，2～加成，而在共轭体系两端发生的加成称为共轭加成（1，4加成或1，6～加成等）。包括硫醇的共轭加成、多氮化合物的共轭加成，原理主要是：在非金属有机催化剂的作用下，共轭体系中的两个原子加成形成新的物质，反应的对映选择性高，反应效果好。

2.5氢氰化反应

氢氰化反应是通过氰化氢和醛在非金属有机催化剂的作用下生成一种非常重要的反应中间体手性氰醇，原先氰醇的生成需要使用复杂的氰酶进行催化，由于非金属有机催化剂的使用，大大提高了手性氰醇的生产效率以及高对映性。还有一种亚胺的氢氰化，原理与手性氰醇的类似。

2.6烷基化反应

烷基化反应是指有机化合物分子中的氢原子（连在C、N和O上的）被烷基取代的反应。烷基化反应主要包括①碳原子上的烷基化；②活泼亚甲基的烷基化；③相转移催化的烷基化以及不饱和双键烯丙基化等不同种类的烷基化反应等。非金属有机催化剂可以催化此类反应的进行，提高产物的生产效率以及高对映性。

3　展望

有机合成在现代工业生产中有着举足轻重的地位，金属有机催化剂、非金属有机催化剂等各自有其优缺点，非金属有机催化剂的优点：（1）是金属有机催化剂很好的配体例如叔膦；（2）类似于酶的特性和催化机理；（3）较高的催化活性，尤其是用在不对称合成中，其催化的反应大具有高效率和高的选择性且毒性低、价低廉、易制备、稳定性好、易于高分子固载等。

随着越来越多的非金属有机催化剂的发现，将在以下几个方面有很大的发展空间：（1）提高反应的选择性（包括化学、区域、立体、对映选择性）；（2）提高原子经济性；（3）实现反应在非常规溶剂中非常规溶剂如固相、水相、氟相、高分子溶剂、超临界流体等中进行；（4）增加催化剂的回收率及重复使用率，通过与高聚物载体进行支载实现；（5）为增加反应环境友好性，通过催化有机反应在无溶剂条件下进行；（6）催化剂从化学计量、半催化量减少至催化量；（7）使反应条件趋于温和。

随着对非金属有机催化剂进一步广泛深入的探索研究，非金属有机催化剂会被越来越多的应用到各种有机反应中，为一些反应中间体的高效率合成提供了强有力的工具。

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