有机催化剂种类及其应用

有机催化剂及其应用概述

摘要：本文通过查阅大量文献，对现今国内外有机催化剂的研究现状以及在各种有机反应中的应用作出了一个总体概述。同时，还重点对不对称合成中比较新式的有机催化剂进行了简单介绍。最后，对今后有机催化剂的发展前景进行了展望。关键词：金属有机催化剂非金属有机催化剂不对称合成：非MAO-茂金属催化剂

Abstract :Through an extensive literature on the current situation at home and abroad as well as organic catalysts in organic reactions to a general overview. At the same time, also focused on the more modern asymmetric synthesis of organic catalysts were brief. Finally, the catalyst for future development of organic prospect.

Keyword: Organometallic-catalysts Non-metallic-organic-catalyst Asymmetric-Synthesis Non-MAO-metallocene-catalyst

催化剂在现代有机合成化学及化工中有着举足轻重的地位．现代化学工业产品的85％都是通过催化过程生产的。每种新催化剂的发现及催化工艺的研制成功，都会引起化学工业的重大革新。众所周知，有机催化剂中主要分为金属有机催化剂和非金属有机催化剂。金属有机催化剂凭借其优异的催化性能成为有机反应催化剂的主流．在金属有机催化剂蓬勃发展的同时，催化剂的另一个新分支——非金属有机催化剂引起了人们的浓厚兴趣，越来越多的简单有机物分子被直接用作有机反应的催化剂，成为现代合成化学的前沿领域之一。当然，在不对称有机合成中还涌现了一些新兴的有机催化剂，我们将对其一一介绍。

1.非金属有机催化剂及其应用

1.1 非金属有机催化剂的定义及其特征

与金属有机催化剂相反，非金属有机催化剂是指具备催化剂基本特征的一类不包含金属离子配位的低分子量有机化合物．此类非金属有机催化剂不同于通常的单纯以质子酸中心起主导作用的有机羧酸类、苯磺酸类有机催化剂，它是通过分子中所含的N，P等富电子中心与反应物通过化学键或范德华力形成活化中间体，同时利用本身的结构因素来控制产物的立体选择性．目前非金属有机催化剂主要有如下三类：

(1)有机胺类：脯氨酸、咪唑啉酮类、金鸡纳碱类、Ⅳ．杂环卡宾类、二酮哌嗪

类、胍类、脲及硫脲类等；

(2)有机膦类：三烷基膦类、三芳基膦类等；

(3)手性醇类质子催化剂：如TADDOL类催化剂．

非金属有机催化剂和金属有机催化剂以及生物有机催化剂有着非常密切的联系，有的非金属有机催化剂例如叔膦本身又是金属有机催化剂很好的配体，还有些非金属有机催化剂显示出类似于酶的特性和催化机理．大量的研究发现大多数非金属催化剂有较高的催化活性，尤其是应用在不对称合成中，经其催化的反应大都有很好的收率和对映选择性，并且具有毒性低、价格低廉、容易制备、稳定性好、易于高分子固载等一系列优点，所以越来越受到各国化学家的重视．1.2 非金属有机催化剂在各类有机反应中的应用

1.2.1 重排反应(炔酮异构化为双烯酮)

1992年，Trost小组[1]首次报道了在三苯基膦的催化下，α、β炔酮异构化为α、β、γ共轭双烯酮。1993年，陆熙炎小组[2．3]对此类反应进行了详细的研究并将此类催化剂范围扩展到有机叔膦，在随后的研究中提出并逐步完善了反应中叔膦的催化机理。

1.2.2 环加成反应

1.2.2.1 [3+2]环加成反应(1，3-偶极环加成反应)

1995年，陆熙炎等报道了一种形成环戊烯的新方法，即2，3一丁二烯酸酯(3a)或2一丁炔酸酯和贫电子烯烃4在有机催化剂三烷基膦的作用下进行[3+2]环加成反应。

2000年，MacMillan等使用手性咪唑啉酮类有机物为催化剂，实现了硝酮和不饱和醛的[3+2]环加成，生成异噁唑啉类化合物。

1.2.2.2 [2+2]环加成

1982年，Wynberg报道了首例使用金鸡纳碱类有机催化剂奎尼定催化乙烯酮和三氯乙醛发生[2+2]环加成反应，反应给出良好收率和高对映选择性的产物β-内酯。

1.2.2.3 [4+3]环加成

烯丙基阳离子与二烯的[4+3]环加成反应是构建七元环的重要手段．

2003年，Harmata等报道了首例有机催化剂催化的不对称[4+3]环加成反应．此反应是在有机催化剂和三氟乙酸共同作用下，以CH2Cl2为溶剂，γ位取代的共轭双烯醛和呋喃发生环加成反应，生成七元环产物。

1.2.3 缩合反应

1.2.3.1 羟醛缩合反应

List等_研究了以(S)-Proline为催化剂的丙酮和一系列醛的分子间Aldol反应。

1.2.3.2 Michael加成

Hanessian和Pharn使用催化量的有机催化剂(s)-Proline和化学计量的辅助物二甲基哌嗪，完成了硝基环戊烷和环状不饱和烯酮的不对称Michael加成，反应有较高的ee值(62％～99％)．此反应表现出明显的非线性效应，表明反应过程中包含多组分催化剂．实验证实，醇类溶剂会降低此反应的对映选择性，并且水的存在对反应产生不利影响。

1.2.3.3 Robinson环化反应

Wiechert和najose最早在20世纪70年代就报道使用脯氨酸作为Robinson环化反应的催化剂。

1.2.4 共轭加成

1.2.4.1 硫醇的共轭加成

早在20世纪80年代，Wynberg和Hiems就报道了由手性金鸡纳碱类催化的硫醇对环状α，β-不饱和酮的对映选择性共轭加成反应。

1.2.4.2 叠氮化合物的共轭加成

碱催化的叠氮化物对烯酮的共轭加成产物是制备β-叠氮酸、β-氨基酸的良好前体，在有机合成中应用比较广泛，但是易爆、高毒性的反应物HN3不利于该反应的操作．Guerin和Horstmann采用了包含γ-苯甲基组氨酸的短链缩氨酸来催化叠氮化合物对不饱和酮的共轭加成，收到了良好的效果。

1.2.5 氢氰化反应

1.2.5.1 醛的氢氰化

手性氰醇是非常重要的手性中间体，可以顺利地转化为α-羟基酸、a-羟基醛、a-羟基酮、β-羟基胺、a-氨基酸．手性氰醇一般由氰化氢(或氰化钾)对醛或酮进行不对称亲核加成来制取，目前通用的最好方法是醛和氰化氢在氰酶催化下进行加成，产率和对映选择性都很高(>98％ ee)，不足的是

酶的选择和制取都非常复杂，不利于操作．有机催化剂的使用则避免了上述缺点．Inoue发现二酮哌嗪在氰化氢对苯甲醛的不对称加成反应生成手性氰醇的

过程中起到了很好的催化作用．此反应是在2 mo1％的催化剂的作用下，以甲苯为溶剂，在-20℃条件下，氰化氢对苯甲醛进行不对称

加成生成(R)-苯乙醇腈，产物具有很高的转化率和对映选择性。

1.2.5.2 亚胺的氢氰化

氰化氢对亚胺的不对称加成是一个非常有用的反应，用此反应的产物进行水解便可以很容易得到具有光学活性的氨基酸．Lipton小组发现使用手性催化剂二酮哌嗪催化苯甲醛亚胺的氢氰化时，并未发现有不对称产物的生成．据推测可能是因为苯甲醛亚胺中的N原子有足够的碱性因而导致在氢氰化的过程中催化剂中的咪唑侧链不能促进质子的转移，把上述催化剂中的咪唑部分换作胍基后则有了突破性的进展．在一25℃条件下，催化量的(2 mo1％)就可以使N-二苯甲基亚胺的氢氰化产物α氨基腈有非常高的收率和对映选择性。

1.3 展望

非金属有机催化剂在有机反应中的适用范围虽然不如金属有机催化剂广泛，在催化效率和选择性方面不如生物有机催化剂高，而且个别反应中催化剂使用量偏大，但是仍然在催化有机反应尤其是不对称合成中起着十分重要的作用．随着越来越多的非金属有机催化剂的发现以及对其催化性能的研究和改进，非金属有机催化剂在有机合成中将起到越来越重要的作用，并且在如下几个方面将会有很大的发展空间：(1)进一步提高反应的选择性(包括化学选择性、区域选择性、立

体选择性、对映选择性)；(2)提高反应的原子经济性；(3)使反应在固相、水相、氟相、高分子溶剂、超临界流体等非常规溶剂中进行；(4)与高聚物载体进行支载，增加催化剂的回收率及重复使用率；(5)催化有机反应在无溶剂条件下进行，增加反应环境友好性；(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，操作简便．

随着对非金属有机催化剂进一步广泛的深入研究。会有越来越多的有机催化剂被发现并应用到各种有机反应中，同时也为不对称合成提供了又一强有力的工具．

2.金属有机催化剂及其应用

2.1 金属有机催化剂的发展

众所周知，在高分子合成中，凭借新的催化剂，新结构和新性能的高分子才能出现，新的聚合反应过程才能发生，从而推动聚合物科学不断向前发展，取得惊人的成效．本世纪五十年代Ziegler—Natta配位催化剂的出现，开创了一个新的高分子研究领域定向聚合，不仅使一些难聚合的单体进行聚合，而且比较容易获得高规整结构，性能优良的高分子材料．六十年代，我国长春应化所开创了稀土络合催化体系，应用于高分子合成，制得了高度顺式定向、分子量大、凝肢含量低、性能优良的顺丁胶。九十年代，由Kaminsky发现的MAO一茂金属催化体系首次工业化获得成功，为高分子材料工业，尤其是聚烯烃工业的技术革命拉开了序幕，产生一代全新的聚烯烃．MAO-茂金属催化体系是以二茂金属化合物为主催化剂，甲基铝氧烷齐聚物(MAO)为共催化剂组成的新型均相催化剂。其用于烯烃聚合，与传统的Ziegler—Natta催化剂相比，具有几大优势t高催化效率、单一活性中心、可设计的催化剂结构和可活性聚合．从而可实现对聚合参数和过程的控制，使分子裁剪成为可能，制备多种性能优异的新一代聚烯烃．这是高分子材料工业，尤其是聚烯烃工业发展的新里程碑．由于MAO-茂金属催化体系已经比较成熟，在这里不作过多的展望。尽管MAO-茂金属催化体系有许多优势，但由于其需要用大量昂贵的MA0，与茂金属化合物的摩尔比高达1000～2000倍．MAO合成困难，工艺危险性大，重现性差，因此近几年来，非MAO的茂金属催化体系的研究竟相涌现。实际上，这类富有生命力的新催化体系，是由IVB族金属二茂化合物与硼化物为代表的Lewis酸系列助催化剂组成的催化体系，称为NCA-茂金属催化体系．另外，以VIIIB族元素为代表的后过渡金属及稀土金属有机络合物催化体系，在烯烃及其衍生物聚合，尤其是非极性单体与极性单体共聚中也显示了很强的生命力．

2.2 NCA-茂金属催化体系

如前所述，由于MAO一茂金属催化体系，存在一一些难以克服的缺点，因而近些年来人们致力于开发一些新型的茂金属催化体系，其中最引人注目的是9O 年代发展起来的阳离子型茂金属催化体系．它由IVB族茂金属化合物与以硼化物为代表的Lewis酸系列助催化剂组成．这类催化剂无需使用大量昂贵的MAO作为助催化剂，而是使用比MAO更有效的、易制备、稳定、成本低的硼化物．硼化合物有硼酸盐、硼的五氟苯化合物，硼烷的羰基化合物等．其作用是获得一个烷基，促进形成阳离子型的二茂金属催化中心．硼的化合物不参与反应，称为非配位阴离子化合物(简称NCA)．所以这类催化体系又称为NCA-茂金属催化体系．它不仅可以使丙烯等规聚合，而且可以使MMA、非共轭二烯烃、环烯烃、苯乙烯、以及含有极性官能团的烯烃进行立体选择性聚合。

以硼化物作助催化剂的阳离子茂金属催化剂，按照催化剂的组分可分为三

类，即单组分、双组分和三组分催化剂。

2.2.1 单组份体系

这类单组分催化剂一般由茂金属的烷基化合物与硼的季胺盐或三苯基硼反应生成，硼化物离子以非配位形式与茂金属阳离子形成离子对．硼化合物有四种形式：苯基硼，氟取代苯基硼，一三氟甲基取代的苯基硼和金属碳硼烷。

2.2.2 双组分体系

这种催化剂主要由阳离子茂金属和中性茂金属两组分组成，可催化极性乙烯基单体聚合．1992年，Scollins用THF体系于室温催化MMA聚合得高分子量(Mr= 150，000)，窄分布(MWD=1.2～1.4)，高转化率(100%)．高间规的PMMA[4]

2.2.3 三组分体系

这种催化剂主要由中性甲基锆茂、中性硼化物和烷基锌组成，可催化极性乙烯基单体聚合．1994年K．Soga et al用ZnEt2体系于0度催化MMA聚合得高分子量(100，000)，窄分布(1．25)的闻规PMMA．还用ZnEt2催化MMA聚合得到高等规的PMMA[5]

2.3 单组分茂稀土金属催化剂(不用助催化剂)

我国拥有特别丰富的稀土资源，蕴藏量占世界的首位，稀土金属催化剂在高分子合成中的应用，已成为我国在国际高分子研究领域中的一大特色，占有领先地位．茂稀土金属催化剂与常规Ziegler-Natta催化剂，MAO一茂金属催化剂相比．对极性单体(如丙烯酸、甲基丙烯酸及其醇等)的聚合，显示了独特优越的催化特性，能获得高分子量、单分散、高立构规整的聚合物，同时对乙烯聚合也具有活性聚合的特征，显示高的催化活性和高的分子量．因此，茂稀土金属催化荆是实现极性与非极性单体共聚，获得具有结构和性能特点的聚合物的理想催化体系．由于Ziegler—Natta催化剂和MAO一茂金属催化剂易受极性单体毒化，失去催化功能而无法实现极性单体聚合．因此，发展茂稀土金属催化荆在高分子合成中的应用．具有重要的科学和实际意义．

单组分茂稀土金属催化剂可以催化极性单体聚合、非极性单体聚合、烯烃和极性单体共聚、环烯烃开环聚合等多方面的有机合成反应，限于篇幅原因在这里不再一一赘述。

2.4 结语

烯烃与极性单体的共聚是聚烯烃工业中的一个诱人的目标和重要的发展分支．由于配位聚合在聚合物组成、规整性、分子量和分子量分布、以及聚合物徽观结构控制等方面都具有独到的特点，因此研究开发金属络舍物体系催化烯烃与极性单体共聚已引起人们的共同关注和兴趣．

综上所述，进行烯烃与极性单体共聚，可从如下三个方面人手；(1)采用非过渡金属络合物催化体系，尤其是稀土金属络合物催化体系，这方面以日本的Yasuda教授的工作为代表，已初步取得了好的结果．(2)发展弱亲氧性的前过渡金属络合物催化体系．加拿大的S．Collins教授提出的硼一茂锫催化体系(即NCA 一茂话催化体系)，避免了极性单体对前过渡金属催化荆的毒害，用于MMA聚合得到了很好的结果，同时对烯烃聚合具有活性，因而可发展用于烯烃与极性单体的共聚．(3)对非极性烯烃显示高催化活性的后过渡金属体系．Brookhart和Novak 两位教授分别研究的含Pd或Ni络合物体系催化极性和非极性烯烃共聚合。

3.不对称合成中有机催化剂的应用

不对称催化是当今化学发展最为活跃的领域之一，是开发手性药物、材料及香料等化学品的强大理论基础和学术依据．酶和金属络合物是两类最主要和最有

效的催化剂．其中金属络合物是研究的最为普遍的化学催化剂，并且取得世人瞩目的成就，有些已被应用于工业生产，2001年的诺贝尔化学奖授予了该领域做出突出贡献的三位科学家．

金属络合物催化蓬勃发展的同时，近几年来，不含金属的有机小分子催化越来越受到关注，正在成为化学领域继金属催化剂之后研究的另一热点．有机催化是指使用低于化学计量的不含金属的有机小分子进行的催化反应．20世纪70年代，Hajos小组和Wiechert小组[6]分别报道了应用简单的氨基酸脯氨酸进行催化的高效和高对映选择性的分子内羟醛缩合反应，此后很长一段时期，有机催化反应未引起大家的重视．最近几年，有机催化的研究得到前所未有的发展．有机小分子可以象酶一样发挥作用，有可能在前生命物质(如糖类)的合成中起着重要作用．有机催化剂具有容易操作和一些“绿色”的优点：(1)不需金属来引发，不必担心有毒的金属泄漏到环境；(2)有机催化剂通常价格低廉，容易修饰和制备；

(3)有机催化剂通常可以在湿溶剂或空气中进行反应，不必用到苛刻的无水无氧条件；(4)有机催化剂容易从产物中分离和回收．如脯氨酸易溶于水，难溶于有机溶剂，利用此特点很容易从反应体系中分离。

3.1 有机磷催化剂

有机磷不仅在金属络合物催化方面是广泛应用的配体，同时也可单独作为有机催化剂来使用．由于磷原子体积比较大，可极化性大，因此烷基膦亲核性比较强，而碱性远远弱于相应的胺．如三烷基膦的亲核性是三乙胺的100倍，而碱性仅是它的1％．烷基磷或芳基磷在Baylis-Hillman反应中显示出比较好的催化活性[7]，用三苯基膦催化不饱和酮与Ⅳ_磺酰基苯甲酰亚胺反应提供67％~92％收率的偶联产物，如改用含膦和羟基的双官能团催化剂47进行该反应时，收率达到

90%。

3.2 醇、酚型催化剂

手性醇、酚类质子催化剂在有机催化反应中显示出良好的催化活性和对映选择性，其催化过程往往是通过双氢键活化羰基进行的．

Schaus等应用二酚53催化不饱和环己酮与各种醛进行Baylis-Hillman偶联反应，给出比较好的收率和对映选择性．尤其是脂肪醛对共轭不饱和酮的加成比芳香醛有更好的选择性．该反应是三乙基膦与联苯二酚化合物共同催化的结果．

3.3 硫脲类催化剂

Ricci等利用硫脲衍生物54催化硝基共轭烯对各种芳香体系的傅-克烷基化反应，无溶剂条件下往往得到收率比较高的产物，有的甚至高达100％．其双氢键活化硝基的机理如下图所示．比较脲类及硫脲类催化剂的反应性能，硫脲呈现更好的催化活性．

3.4 总结

除了以上评述的几类有机小分子催化剂之外，还有其它许多种，随着时间的推移，新结构类型的催化剂将不断涌现，新催化反应的应用将不断被发掘．尽管有些反应机理不十分清楚，但已在不对称合成中得到应用，尤其是在形成碳一碳键的不对称反应中显示出潜在的应用前景．

4.结束语

有机合成在现代工业生产中有着举足轻重的地位，现在已经发展起来的金属有机催化剂、非金属有机催化剂、微粒有机催化剂有各自的优点，但又有各自的

缺点，如何综合所有有机催化剂的优点，避免其缺点，称为今后发展的主要方向。而且，在今后的研究中，在不对称合成中有机催化剂的合成研究比较重要。

目前的大部分有机催化反应对反应底物依赖性比较大，底物结构稍一改变就有可能导致产率和对映选择性的大大下降，如何使催化剂更具有普遍适用性，提高基团的兼容性，提高催化选择性(包括化学选择性、区域选择性、立体选择性)，仍然是面临的挑战性问题．与金属催化相比，有机催化剂通常用量比较大，反应时间较长，而以离子液体为溶剂、将催化剂固载化等手段有利于提高催化剂的活性和催化剂回收使用率；总之如何降低催化剂的用量，提高催化剂的效率，仍然有巨大的发展空间．随着量化计算对结构与性能关系的介入和催化反应机理研究的深入，新的高效和高对映选择性的有机催化剂将不断涌现，有机小分子催化的有机合成必将为资源的合理利用、生态环境的保护和人类的生命健康提供又一强有力的工具．

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