非金属有机催化剂在有机化学反应试验中的应用研究

邹可可

（河南省平顶山水文水资源勘测局,河南平顶山467000）

随着现代有机合成化学工业的发展，化工领域涉及的内容也越来越多，在此背景下，催化剂的作用和地位表现出举足轻重的作用[1]。 如今，我国化工产业发展速度较快，很多产品的生产都会需要用到化学反应，使用适当的催化剂可加速反应速率。 随着化工产业进一步发展，人民对催化剂的要求也越来越高， 希望可进一步促进反应快速发展。所谓的催化剂，并不会对反应物造成改变，只是属于一种高效的活性物质， 可促进反应发展进程，且在反应发生前后，催化剂不发生任何变化。

在现代化学工业产品过程中，以催化的方式对生产效率进行控制已经成为了行业内的主流趋势，有统计结果显示：有85%以上的化工企业选择这样的方式对实际生产进行控制。 不同类型催化剂的催化效果和机制也不尽相同，以此为基础， 对于新型催化剂的研究开始受到广泛关注，由此也在化学工业中掀起了一股革新浪潮[2]。

有机催化剂根据其化学特性，可将其分为非金属类和金属类， 目前在化工行业中被广泛应用的是非金属类有机催化剂，其分子结构简单，且大部分都属于小分子化合物。 为进一步促进化工行业发展， 故对非金属类有机催化剂进行研究。

非金属的有机催化剂在进行催化反应时可快速催动反应物发生反应，并逐渐成为了有机反应试验中的主流选择[3]。 就现阶段而言，非金属有机催化剂的应用还处于发展阶段，仍存在较大的扩展空间，因此，对非金属有机催化剂的应用进行研究对于推进其在更大范围内的使用具有重要意义。

基于此，本文针对非金属类有机催化剂在有机化学反应试验中的应用进行研究。 对非金属有机催化剂的应用机理以及对应的效果进行分析。通过本文研究，以期为有机化学反应试验中非金属有机催化剂的使用提供有价值的参考。

1 非金属类有机催化剂概述

目前我国化工行业生产都会涉及一部分的化学反应，部分化学反应易受环境影响，导致其反应速率不高，为其添加适量催化剂可促使其快速反应，完成生产过程[4]。 所谓的非金属类有机催化剂是指化学分子组成中没有金属元素，且具有一定催化能力的化合物。 在化学反应之中，很多非金属类有机催化剂中的N、P 等元素与反应物的化学键相结合形成中间体，进而控制化学反应效率，达到快速反应的目的[5]。

根据其分子组成可将非金属有机催化剂进一步分类，其分类方式如图1 所示。

图1 非金属类有机催化剂的分类

2 非金属类有机催化剂作用机理

2.1 反应物表面活性提升

甲物质的加入能够降低乙液体的表面张力，则认为甲对乙有表面活性。 由于水是最常用的溶剂，故通常称有表面活性均是指对水而言的[6]。 非金属有机催化剂主要是通过对反应物分子层进行作用的方式实现催化作用的。 为了加快反应的速率，利用催化剂提高反应物表面的活性。

首先利用非金属有机催化剂的亲核性特性，对反应物进行作用，使反应物烷基之间建立一对多对应关系， 使不同烷基之间的配位键具有线性引力关系，使配位更加准确，提高烷基的利用率[7]。 在这种模式下，以非金属有机催化剂作为手性催化剂，主要是对烷基上对应的碳原子结构进行识别，将边缘的碳原子作为配位目标，以氢原子作为配位识别信号点， 对配位碳原子进行标记， 具有相同标记信号的碳原子建立对位关系，建立配位连接，使反应物表面的分子结构具有更高的活性，更容易参与到化学反应过程中，以此实现提高反应效果的目标。

对于某些不对称烯丙基化反应，催化剂对配位键的标记以其自身携带的大π 键芳环结构作为标记信号， 利用大π 键芳环结构的亲核性，将其安插在与反应物分子核中心最近的位置，使其标记更加稳定[8]。 在不同大π 键芳环结构之间形成识别关系时，则其对应的两个分子进行配位操作，形成联合结构，增加产物回收率，以此起到催化作用。

2.2 反应基转化

在上述基础上，对反应物中参与反应的结构转化，以此实现更深层次的物质反应。 此时非金属有机催化剂主要起到对反应物分子的支链基体进行转化的作用，通过手性中间体对分子间的连接键进行扭转[9]。 因此，本文通过将具有反应基衍生基体类型的反应物作为对话对象，利用衍生基与反应基之间的内在关系，对分子中的碳原子排布方式进行修正，在此过程中，衍生基体所携带的氢原子以及氧原子会出现脱落，原本的分子质量大小会出现相应的变化，因此，可以减少催化过程中的能量开销[10]。 同时，脱落的碳原子和氢原子可以作为反应物表面活性激活过程中的标记信号。 通过这样的方式，实现对反应基衍生基的转变，使反应物种具有更多满足反应条件的分子结构，反应手性得以提升，加深反应程度。 例如：利用非金属催化剂对氰醇进行制取时，以氰化氢作为主要目标物质，通过对其进行不对称亲核处理。 在处理过程中，会受空间位阻的影响，因此需要利用非金属催化剂，使羰基向定向活化趋势转化，形成相应产物。 以此提高反应中氢氰化收率，使反应效果更加理想。

3 非金属类有机催化剂在有机反应中的应用

3.1 重排反应

所谓重排反应就是指在部分化学反应中，化合物分子中的某些基团会在分子内或分子间重新排列。 根据重排反应的机理，可将其分为周环反应与基团迁移重排反应。 随着重排反应进程的推进，分子基团会逐渐发生迁移，而C 骨架也会发生改变，成为异构体，形成新的分子。 非金属的有机催化剂会参与分子内的亲核重排和亲电重排反应， 如新戊基溴的乙醇分解和联苯胺重排等。

非金属催化剂的催化原理大致相同，如有机叔磷在催化反应时，通常与化学键中的三键相遇产生加成反应，催化反应发生，三苯基膦脱除后与三苯基膦加成，生成共轭二烯酮。 添加该物质能够帮助反应化合物直接生产中间体，缩短反应发生的时间，大幅提升反应速率，可将其广泛应用于大型生产之中，提升生产效率。

3.2 环加成反应

所谓环加成反应就是将2 个共轭体系相结合， 利用2 个环状分子生成一个双分子。 如丁二烯与乙烯的反应就是环加成反应，两个共轭体系的碳原子反应生产两个σ 键，之后两个分子再结合成为体格环状分子。

在化工生产之中，这种反应的应用实例有很多，大致可分为两类：第一类就是将反应物中的烯结构催化生产偶电子，然后再进行加成，生成环状分子。 属于该类反应的实例有丁二烯酸酯和贫电子烯烃的反应；第二类就是利用反应生产的中间体，让醛加成，形成环状分子，现实中乙烯酮和三氯乙醛的反应属于该类反应。

3.3 缩合反应

所谓的缩合反应就是指两个或两个以上的化学物质反应生产化合物，当然在反应的过程中会应用到非金属类有机催化剂，化合物也是通过共键的形式生成的，并且在反应的过程中还会生成小分子化合物，如：H2O、HCl、-COOH 等。 该反应的应用实例包括羟醛缩合反应、米希尔加成反应等。

3.4 共轭加成

所谓共轭加成的反应主要发生在具有共轭体系的化合物中，共轭体系的两端可以发生加成反应，并且其加成还可发生在体系中的任何一个双键之中。 在有机化学中，人们将单一双键发生的加成称为1,2～加成，而在体系两端发生的加成反应称为共轭加成，或1,4 加成、1,6～加成等。 在现实应用过程中，硫醇或多氮化合物都会发生加成反应，其应用的主要原理就是非金属类的有机催化剂催化化合物共轭体系的两个原子发生反应形成新的化合物。 并且其反应的对应选择性越高，其反应效果越好。

3.5 氢氰化反应

所谓氢氰化反应就是在非金属类有机催化剂的影响下，氰化氢和醛类发生反应生产手性氰醇的过程。 在过去很长一段时间，化工产业通常采用氰酶取催化反应反应，因为该类物质在进行催化过程中极易产生手性氰醇，但与本文所研究的非金属类有机催化剂的反应效率相比，其的反应效果并不理想。 并且该类物质的结构复杂，稳定性也较差，所以后期化工产业很少应用该类物质进行催化反应。 将非金属类催化剂应用该类反应的过程中，其反应效率大大增加，手性氰醇的产出效率大大增加。

3.6 烷基化反应

所谓的烷基化反应就是化学反应中烷基逐渐取代氢原子的过程。 其反应过程主要包括：1）碳原子的烷基化；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。 利用非金属类的有机催化剂可完成该类反应的快速催化，并不断提高反应效率。

4 应用效果分析

根据上述的分析可知，非金属类的有机催化剂对于有机化学反应有一定催化作用。 本文分别从三个角度对其催化效果进行了研究，具体的分析结果如下。

4.1 分子结构的重排

利用非金属有机催化剂的重排反应可对反应物的结构进行改变，完成分子重排，使其能够以更大规模的反应底物作为反应进行的基础条件。 同时，分子结构在重新排布过程中，不仅会对其反应基的数量产生影响，同时也会改变原本的碳骨架结构，产生新排列，因此其会出现结构上的明显改变，而非金属有机催化剂可以利用该过程中分子结构的松动变化，将原子中的取代基进行转移，使其他原子能够获得参与反应所需的结构。

重排后的分子结构具有更多的反应结合键，可以增加反应物之间的结合次数，提高不同分子同时结合的数量。 基于此，在催化剂应用过程中，其能够实现对化学反应的加速作用，并且在操作上更加灵活、简便，使反应中间体的生成率更高。

4.2 加强共轭加成

非金属有机催化剂通过对分子表面活性进行激活，可以满足反应物表面对环加成操作的环境的需求。

在高活性环境中，反应物的共轭体系稳定性降低，共轭体系中的分子连接作用减弱，在此环境下，不同的共轭体系更加容易产生连接，形成的环状结构也更加多样化，其大小、种类及反应要求的拟合度更高。 例如：非金属有机催化剂可以利用丁二烯酸酯和贫电子烯烃的特殊属性，促进二者之间发生联动反应，生成环戊烯，使化学反应的阻力减小，提高反应深度，也可以使十二烯酸甲酯和芳环发生反应，生成环加成结构。

对于部分反应较为特殊的化学反应， 包括：对称环结构与不对称环结构之间的加成， 以及Diels-Alder 反应等， 非金属有机催化剂也能实现对其的催化。

4.3 调整分子大小

非金属有机催化剂通过对反应物表面活性进行调节， 能够通过对分子结构转化的方式，改变反应物原分子结构的大小，使其更能满足反应的需求。 催化剂通过对大分子进行去羟醛操作，使不同分子之间能够联合为一个更大的分子结构，产生缩合反应。 在缩合过程中，大分子上失去的分子结构一般相对简单，主要是水分子或小规模的碳-氧结构， 因此对其的去除处理不会消耗反应过程中的过多能量，对于反应程度的影响可以忽略不计，但通过缩合反应形成的分子结构具有更多的反应结合点，可以为反应提供更多的结合空间， 以此最大限度地提升其参与反应的程度，使分子之间的结果趋近于极限，以此提高反应产物的质量和纯度。

5 非金属有机催化剂的未来趋势

近年来，非金属类有机催化剂被广泛应用在化工行业生产过程之中，其能够帮助反应快速发生，提高生产效率，并且还凭借成本低、节能环保等优点备受化工行业喜爱，对其进行深入研究具有一定价值，未来发展趋势较好。

根据对我国化工行业进行调查分析可知，非金属类有机催化剂在未来中具有较好的发展趋势，其主要应用在以下几个方面：

1）非金属催化剂不仅能对反应速率进行控制，还能控制化学反应产物的种类，具有较好的发展前景。

2）如不采用非金属类催化剂进行催化，化工企业在生产过程中不能完全发生反应，得到的产物也不尽如人意， 所以其经济成本得以增加，所以其可帮助企业获得更高的经济利益。

3）非金属类催化剂可扩大化学反应发生的范围，使其可在各类溶剂中发生反应，所以可帮助部分想象中的反应变成现实。

4）非金属类催化剂在催化反应过程中不会发生任何变化，且极易在反应物中分离，可对其进行回收再利用，减少生产成本。

5）在未来还可对非金属催化剂的用量进行控制，减少用量，加快反应速率。

6 结束语

对于有机化学反应试验，其主要是面向成分检测、材料生成等领域。 因此，实用价值相对较高，在生活中的应用也比较广泛。 加快其反应效率对于提高实际的生产工作效率都有十分重要的意义。 本文提出非金属有机催化剂在有机化学反应试验中的应用研究，分析了合理地运用非金属有机催化剂实现提高反应产物纯度和反应速度的作用机理。 通过该研究，以期为相关领域的实际生产活动提供有价值的参考。