有机化学反应中非金属有机催化剂的应用研究

2020-01-18张立超江苏极易新材料有限公司江苏徐州221700

化工管理 2020年18期

张立超（江苏极易新材料有限公司，江苏徐州221700）

0 引言

目前，85%的现代化学工业产品其实都是在催化剂的作用下被生产出来的，因此在化工行业的产品生产过程中，催化剂有着极其重要的地位和作用。每种催化工艺的研制成功，或是每种新的催化剂被发现，在整个化工行业都能够引起重大的革新。正是在这样的形势背景下，许多简单有机分子成为了重点研究开发对象，在有机化学反应中，其被作为了重要的催化剂。论文以非金属有机催化剂作为研究对象，深入探究探讨其在有机化学反应中的具体应用，无疑具有尤为重要的意义和作用，有利于推动非金属有机催化剂行业的发展。

1 非金属有机催化剂概述

1.1 非金属有机催化剂介绍

在现代化工行业中，各种化学反应要想实现顺利进行，其中一个非常重要的条件就是加入催化剂，部分化工产品要想成功生产出来甚至必须加入相应的催化剂。催化剂的地位和作用可见一斑。而在在化学反应中，非金属有机催化剂的加入也能够发挥出较好的作用，从而使得其在整个催化剂市场拥有比较大的发展前景。相比于金属有机催化剂来说，两者之间还是有一些共性存在的，但需要看到非金属有机催化剂并没有金属离子配位[1]。对于一般的催化剂而言，其催化导向作用主要是通过质子酸来实现的，苯磺酸类有机催化剂等包括在内。而非金属有机催化剂则不同，分子中的P、N等富电子中心是其得以发挥相应催化作用的关键所在。在一定化学键的作用下，相应反应物和分子转换成为活化中间体，然后，产品的特性被其自身的结构元素有效地控制。除了部分特殊情况，非金属有机催化剂有着比较高的安全性，毒性较低，市场成本不高，再加之在化学反应中能够起到很好的催化作用，从而使得其在化工行业的产品生产过程中获得了较为广泛的应用，其重要性越发突显了出来。

1.2 非金属有机催化剂种类

手性醇类质子（Chiral alcohol protons）、有机胺类（Organic amine）以及有机磷类（Organophosphate class）等等都属于非金属有机催化剂。其中有机胺类催化剂其代表主要是N-杂环卡宾类催化剂（N-heterocyclic carbine catalysts）、金鸡纳碱类催化剂（Cinchona base catalysts）等；有机磷类催化剂其代表主要是三烷基膦类催化剂（Trialkyl phosphine catalysts）、三芳基膦类催化剂（Triaryl phosphine catalysts）等。在使用非金属有机催化剂之前，使用人员需要对各种催化剂的特性有一个清楚正确的了解和掌握，通过合理选择，从而确保化学反应的顺利进行。总的来说，大多数非金属有机催化剂在实际应用过程中都具有较好的催化活性，在许多化学反应中都有着良好的催化表现，适用于一些不对称合成，可以帮助化学反应较好地实现目标。虽然非金属有机催化剂在实际生产中有着较大发展，但还需要看到还有很多化学反应没有合适的非金属有机催化剂，因此应加大这方面的研究。

2 有机化学反应中非金属有机催化剂的应用

2.1 重排反应

有机化合物分子部分基因在一定反应条件下会进行分子间或分子内的重排[2]。在重排反应（Rearrangement reaction）的进行过程中，基团会出现迁移的情况，从而使得分子骨架C原子被改变了，新的分子因此而生成。比如在乙醇（Ethanol）中戊基溴（Amyl bromide）的分解和联苯胺（Benzidine）重排。而分子间的重排非金属有机催化剂也可以参与进来，并在其中发挥重要的催化作用。如在盐酸（Hydrochloric acid）作用下N-氯代乙酰苯（N-chloroacetobenzene）的重排。

2.2 环加成反应

环加成反应（Cycloaddition reaction）主要是指两个共轭体系结合，两个环状分子生成为一个双分子的反应[3]。在反应中，非金属有机催化剂主要是利用两类物质来完成其催化使命。一类是原有的烯结构，在非金属有机催化剂的作用下会形成大型环状分子，比如贫电子烯烃（Electron-poor olefin）和丁二烯酸酯（Butadienate）之间所发生的环加成反应，芳烃（Aromatic hydro⁃carbons）和丁二烯酸甲酯（Methyl butadienate）之间所发生的环加成反应；另一类是借助反应中间体醛加成形成环加成产物，比如三氯乙醛（Chloral）和乙烯酮（ketene）之间所发生的反应等。

2.3 缩合反应

缩合反应（Condensation reaction）主要是指有机分子在非金属有机催化剂的作用下，以共价键结合，从而生成一个大分子，同时在反应过程中HCl和H2O等小分子会失去[4]。主要包括斯托贝缩合反应（Stobbe condensation reaction）、苯偶姻缩合反应（Benzoin condensation reaction）、珀金缩合反应（Perkin conden⁃sation reaction）等。

2.4 共轭加成

共轭加成（Conjugate addition）主要是指在共轭体系中能够发生加成反应，在共轭体系两端进行的加成叫做1，4加成或1，6加成，而在单一双键的加成叫做1，2-加成[5]。比如硫醇（Mer⁃captan）、多氮化合物（Polynitrogen compound）等的共轭加成就是在两端进行的。发生加成反应的原理在于在非金属有机催化剂的作用下共轭体系的双键断开，新物质在双键处得以加成形成。在有机化学反应中，正是由于非金属有机催化剂的参与，从而使得整个反应过程效果好、速度较快，同时对映选择性高。

2.5 氢氰化反应

过去氢氰化反应的催化剂主要选择的是氰酶，如今则主要选择的是非金属有机催化剂[6]。手性氰醇（Chiral cyanohydrin）通常由氰化钾（Potassium cyanide）或氰化氢（Hydrogen cyanide）对酮和醛进行不对称亲核加成来予以制取。氰化氢和醛在手性氰酶催化下进行加成是目前比较常用的一个好方法，有着相对较高的对映选择性和产率，但是缺点是酶的选择和制取比较复杂，操作过程较为繁琐。而如果使用非金属有机催化剂则不会出现上述情况。