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[摘 要]非金属有机催化剂在化学反应中应用非常广泛，不但可以使化学反应正常进行，而且能提高化学反应速度。本文主要探讨了非金属有机催化剂在有机化学反应中的应用问题，希冀能为化学行业发展提供一定支持。
[关键词]非金属；有机催化剂；有机化学反应
中图分类号：O643.36 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）05-0024-01
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。大部分现代化学工业产品都是通过催化过程生产的。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，非金属有机催化剂逐渐引起了人们的兴趣，因其催化性能比较好，逐渐取代了其他的催化剂，成为有机化学反应中催化剂的主流。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。
一、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。相比较于金属有机催化剂，非金属有机催化剂有更好的催化性，在尤其是当应用与不对称合成的时候，经其催化的反应大都有很好的收率和对映选择性。另一方面，非金属有机催化剂具有成本比较低廉、更容易制造、更容易保存等优势，使得其不断替代金属有机催化剂，成为有机催化剂的主流。目前，我国对于非金属有机催化剂的利用还是刚刚起步阶段，对于非金属有机催化剂的理论研究比较多，但在实际应用中仍然不多，许多化学反应还仍然未找到合适的非金属有机催化剂，只能够使用金属有机催化剂，因此，对于非金属有机催化剂的各个方面的研究实验还是十分必要的。本文就目前已经有的非金属有机催化剂的利用原理做一个简单的汇总，对于一些新的非金属有机催化剂的利用做一个简单的展望。
二、非金属有机催化剂在有机化学反应中的应用
（一）重新排列分子结构
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。
（二）环加成反应
环加成反应指的是两个共轭体系的分子结合成一个环状分子的反应，是使得两个小分子结合形成一个比较大的环状分子的过程。像是利用丁二烯酸酯和贫电子烯烃在非金属有机催化剂的催化作用下发生环加成反应，形成了环戊烯，或者是通过非金属有机催化剂的催化作用，使得丁二烯酸甲酯和芳环发生环加成反应生成相应的环加成产物，两种反应都是通过原有物质中的烯的结构，在非金属有机催化剂的催化作用下，生成偶极子，再通过加成的方式形成了大型环状分子；另外一种环加成的方式是利用反应的过程中生成的中间体，利用非金属有机催化剂的催化作用使得醛逐渐加成形成环加成的产物，像是乙烯酮和三氯乙醛的加成反应；此外，环加成的原理还包括不对称的环加成反应，Diels-Alder反应等等不同的方式。
（三）缩合反应
缩合反应是指一个以上的有机分子在催化剂的作用下形成一个大分子的反应，在这一过程中往往会失去比较小的分子像是水分子或者是一些结构比较简单的分子。在有机化学反应中，缩合反应包括羟醛缩合反应即烯胺上的氮原子與羧基上的氧原子以及醛羰基上的氧原子共享同一个氢原子从而发生缩合反应，也包括米希尔加成、罗宾森环化反应等等。
（四）共轭加成
共轭加成是指共轭体系的两侧或者是中间的原子发生加成从而形成共轭加成反应体。共轭加成包括硫醇的共轭加成、多氮化合物的共轭加成。其原理都是在非金属有机催化剂的作用下，共轭体系中的两个原子发生了加成反应形成新的物质，其反应的对映选择性比较高，因此反应的效果比较好。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。
（五）氢氰化反应
氢氰化反应通过醛和氰化氢在非金属有机催化剂的催化作用下生成手性氰醇，作为一种十分重要的反应中间体。原本手性氰醇的生成比较复杂需要使用氰酶进行催化，但由于非金属有机催化剂的使用，同样能实现反应过程中的高转化率和高对映性，因此极大的提高了手性氰醇的生产效率。另外一种是亚胺的氢氰化，其原理与手性氰醇生成的原理是类似的。
（六）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。
三、结语
综上所述，非金属有机催化剂优势显著，将在以下几个方面有很大发展空间：（1）提高反应的选择性；（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强有力的工具。
参考文献
[1]刘卓航.非金属有机催化剂及其在有机化学反应中的应用[J].生物化工，2017，3（01）：85-86.
[2]罗伟宏.非金属有机催化剂及其在有机化学反应中的应用探讨[J].辽宁化工，2016，45（07）：879-881.
[3]刘浩吉.非金属有机催化剂在有机化学反应中的应用[J].化工管理，2016（12）：138.
[关键词]非金属；有机催化剂；有机化学反应
中图分类号：O643.36 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）05-0024-01
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。大部分现代化学工业产品都是通过催化过程生产的。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，非金属有机催化剂逐渐引起了人们的兴趣，因其催化性能比较好，逐渐取代了其他的催化剂，成为有机化学反应中催化剂的主流。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。
一、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。相比较于金属有机催化剂，非金属有机催化剂有更好的催化性，在尤其是当应用与不对称合成的时候，经其催化的反应大都有很好的收率和对映选择性。另一方面，非金属有机催化剂具有成本比较低廉、更容易制造、更容易保存等优势，使得其不断替代金属有机催化剂，成为有机催化剂的主流。目前，我国对于非金属有机催化剂的利用还是刚刚起步阶段，对于非金属有机催化剂的理论研究比较多，但在实际应用中仍然不多，许多化学反应还仍然未找到合适的非金属有机催化剂，只能够使用金属有机催化剂，因此，对于非金属有机催化剂的各个方面的研究实验还是十分必要的。本文就目前已经有的非金属有机催化剂的利用原理做一个简单的汇总，对于一些新的非金属有机催化剂的利用做一个简单的展望。
二、非金属有机催化剂在有机化学反应中的应用
（一）重新排列分子结构
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。
（二）环加成反应
环加成反应指的是两个共轭体系的分子结合成一个环状分子的反应，是使得两个小分子结合形成一个比较大的环状分子的过程。像是利用丁二烯酸酯和贫电子烯烃在非金属有机催化剂的催化作用下发生环加成反应，形成了环戊烯，或者是通过非金属有机催化剂的催化作用，使得丁二烯酸甲酯和芳环发生环加成反应生成相应的环加成产物，两种反应都是通过原有物质中的烯的结构，在非金属有机催化剂的催化作用下，生成偶极子，再通过加成的方式形成了大型环状分子；另外一种环加成的方式是利用反应的过程中生成的中间体，利用非金属有机催化剂的催化作用使得醛逐渐加成形成环加成的产物，像是乙烯酮和三氯乙醛的加成反应；此外，环加成的原理还包括不对称的环加成反应，Diels-Alder反应等等不同的方式。
（三）缩合反应
缩合反应是指一个以上的有机分子在催化剂的作用下形成一个大分子的反应，在这一过程中往往会失去比较小的分子像是水分子或者是一些结构比较简单的分子。在有机化学反应中，缩合反应包括羟醛缩合反应即烯胺上的氮原子與羧基上的氧原子以及醛羰基上的氧原子共享同一个氢原子从而发生缩合反应，也包括米希尔加成、罗宾森环化反应等等。
（四）共轭加成
共轭加成是指共轭体系的两侧或者是中间的原子发生加成从而形成共轭加成反应体。共轭加成包括硫醇的共轭加成、多氮化合物的共轭加成。其原理都是在非金属有机催化剂的作用下，共轭体系中的两个原子发生了加成反应形成新的物质，其反应的对映选择性比较高，因此反应的效果比较好。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。
（五）氢氰化反应
氢氰化反应通过醛和氰化氢在非金属有机催化剂的催化作用下生成手性氰醇，作为一种十分重要的反应中间体。原本手性氰醇的生成比较复杂需要使用氰酶进行催化，但由于非金属有机催化剂的使用，同样能实现反应过程中的高转化率和高对映性，因此极大的提高了手性氰醇的生产效率。另外一种是亚胺的氢氰化，其原理与手性氰醇生成的原理是类似的。
（六）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。
三、结语
综上所述，非金属有机催化剂优势显著，将在以下几个方面有很大发展空间：（1）提高反应的选择性；（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强有力的工具。
参考文献
[1]刘卓航.非金属有机催化剂及其在有机化学反应中的应用[J].生物化工，2017，3（01）：85-86.
[2]罗伟宏.非金属有机催化剂及其在有机化学反应中的应用探讨[J].辽宁化工，2016，45（07）：879-881.
[3]刘浩吉.非金属有机催化剂在有机化学反应中的应用[J].化工管理，2016（12）：138.