從生物質(zhì)衍生原料到2,5-呋喃二甲酸產(chǎn)品的合成研究進(jìn)展

郭重陽(yáng)，王玉高，申峻，牛艷霞，劉剛，盛清濤

（太原理工大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，山西太原030024）

在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的今天，隨著環(huán)境污染的不斷增加和化石燃料的逐漸枯竭，尋找綠色可再生的生物基原料來代替?zhèn)鹘y(tǒng)化石原料的問題越來越為人們所關(guān)注[1]。2,5-呋喃二甲酸（2,5-FDCA）作為一種敏感性強(qiáng)、穩(wěn)定性好的化工中間體，可用于合成多種精細(xì)化學(xué)品和呋喃衍生聚合物。在堿性條件下2,5-FDCA 可溶于水，酸性條件下為白色粉末狀固體，是制備耐腐蝕塑料的重要單體。而且由于具有與石油基單體對(duì)苯二甲酸（PTA）相類似的芳環(huán)體系[2]和合成聚酯所需的二酸結(jié)構(gòu)，2,5-FDCA成為一種適合與二醇和二胺進(jìn)行縮聚反應(yīng)的單體[3]。

在2004 年，美國(guó)能源部首次提出了12 種具有高附加值的生物基化學(xué)物質(zhì)，其中就包含2,5-FDCA。該名單于2010年更新后，2,5-FDCA再次被列入其中，由于具有巨大的市場(chǎng)潛力而被稱為“沉睡的巨人”[4]。2,5-FDCA 作為一種綠色生物基物質(zhì)，可應(yīng)用于合成聚酯、塑化劑、消防及醫(yī)藥領(lǐng)域[5]。特別是在聚酯行業(yè)，2,5-FDCA無論是合成聚酯還是共聚酯，其熱力學(xué)性能都與傳統(tǒng)的PTA 聚酯和共聚酯比較接近。近年來聚酯下游產(chǎn)品需求旺盛，PTA作為重要的石油基化工單體，產(chǎn)能和產(chǎn)量得以迅猛發(fā)展。截止2019 年，我國(guó)PTA 產(chǎn)量占全球比例約為57.4%，PTA表觀消費(fèi)量已經(jīng)達(dá)到4514萬噸/年。據(jù)公開資料顯示，預(yù)計(jì)2020—2022 年，PTA 將迎來新一輪產(chǎn)能投放周期，至2022 年底，PTA 合計(jì)有2930 萬噸的產(chǎn)能投放計(jì)劃。但由于化石能源的不可再生性，所以尋找綠色節(jié)能的PTA替代物成為社會(huì)發(fā)展的需要，而2,5-FDCA 作為最理想的PTA 替代物[6]必將成為未來研究發(fā)展的重點(diǎn)。

發(fā)展至今，2,5-FDCA的制備得到了廣泛研究，故已有多篇文獻(xiàn)[5-8]從原料、氧化劑、溶劑體系以及產(chǎn)品應(yīng)用等方面展開了綜述。原料的選擇不僅決定反應(yīng)的難易程度，更影響著產(chǎn)物的環(huán)保綠色生產(chǎn)。目前5-羥甲基糠醛（HMF）、糠酸等多種原料均可用于制備2,5-FDCA，且HMF作為常規(guī)路線受到研究者們的大量關(guān)注。但由于HMF 主要來源于己糖等可食用生物質(zhì)，故本文在對(duì)HMF 路線的研究基礎(chǔ)上也注重于不可食用生物質(zhì)為來源的糠酸合成路線。以綠色高效合成2,5-FDCA 為目標(biāo)對(duì)各種原料的合成方法、反應(yīng)機(jī)理以及面臨的挑戰(zhàn)進(jìn)行了總結(jié)，并通過對(duì)比分析各路線的優(yōu)缺點(diǎn)論述了近年來2,5-FDCA合成的研究進(jìn)展。

1 HMF氧化路線

HMF 作為一種生物基化學(xué)品，可由己糖或果糖等六碳糖脫水生成。其化學(xué)性質(zhì)比較活潑，通過氧化、氫化和縮合等反應(yīng)可以制備多種衍生物，被公認(rèn)為一種多功能平臺(tái)化學(xué)品，是重要的精細(xì)化工原料。

1.1 直接氧化法

HMF 的直接氧化法是以HMF 為原料，通過氧化劑將呋喃環(huán)側(cè)位的醛基和羥甲基分別氧化為羧基的方法[7]。華南理工大學(xué)陳天明等[9]以HMF為原料，研究了KMnO4對(duì)其進(jìn)行催化氧化制備2,5-FDCA 的方法。在該項(xiàng)研究中以1mmol HMF 為定量，考察了KMnO4用量、堿溶液的濃度和反應(yīng)時(shí)間對(duì)反應(yīng)的影響。經(jīng)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化可知當(dāng)反應(yīng)溫度為25℃、KMnO4用 量 為HMF 的2.4 倍[n(KMnO4)∶n(HMF)=2.4∶1]、NaOH 堿溶液的濃度為2.2mol/L 時(shí)，反應(yīng)10min即可得到收率為76.3%的2,5-FDCA。與之相似，常萌等[10]也對(duì)堿性條件下利用KMnO4氧化法催化氧化HMF制備2,5-FDCA進(jìn)行了系統(tǒng)研究和條件優(yōu)化。KMnO4氧化法制備2,5-FDCA，是一種不用貴金屬催化劑、在室溫下就可進(jìn)行的簡(jiǎn)便方法，然而該方法中KMnO4的用量較大。通過使用化學(xué)計(jì)量的KMnO4作為末端催化劑，催化氧化HMF 生產(chǎn)2,5-FDCA，產(chǎn)品收率不理想，還會(huì)產(chǎn)生大量的重金屬?gòu)U棄物，環(huán)境效益有待提升。

與KMnO4相比，H2O2是一種有效的綠色強(qiáng)氧化劑。Zhang 等[11]在堿性和無催化劑條件下，使用H2O2作為氧化劑直接氧化HMF，有效地制備了2,5-FDCA。在系統(tǒng)研究了反應(yīng)參數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響后得出：當(dāng)n(HMF)∶n(KOH)∶n(H2O2)=1∶4∶8、70℃的反應(yīng)溫度下反應(yīng)15min，2,5-FDCA 可得到55.6%的最高產(chǎn)率，純度達(dá)到99%。該制備技術(shù)具有工藝簡(jiǎn)單、反應(yīng)時(shí)間短、產(chǎn)物易于分離等優(yōu)勢(shì)，而且這種合成方法無需加入催化劑，可降低2,5-FDCA 的生產(chǎn)成本，是一種有益于環(huán)境友好發(fā)展的綠色生產(chǎn)技術(shù)。

1.2 金屬催化氧化法

1.2.1 有堿存在的氧化體系

堿性環(huán)境對(duì)于提高HMF 選擇性氧化的活性和產(chǎn)物的收率非常有利，產(chǎn)物2,5-FDCA 以鹽形式存在，極大地提高了產(chǎn)物在水相中的溶解度，便于與催化劑分離，同時(shí)也減少了酸性產(chǎn)物對(duì)活性中心的毒化。因此，在堿性條件進(jìn)行HMF 的催化氧化得到了廣泛研究。

（1）O2氧化法 催化HMF制備2,5-FDCA的研究大部分以O(shè)2作為氧化劑，是一條環(huán)境友好型的可持續(xù)發(fā)展道路。一直以來，基于貴金屬的高活性，貴金屬催化HMF 氧化的研究陸續(xù)被報(bào)道。Miao 等[12]首次提出以Ce 基材料為載體，制備了可高 效 催 化HMF 氧 化 的Pt/Ce0.8Bi0.2O2-δ催 化 劑。Pt高度分散在所有載體中，有效地催化HMF 氧化為2,5-FDCA，在室溫下反應(yīng)30min，即可獲得收率為98%的2,5-FDCA，且多次使用后催化劑仍保持著高催化活性，2,5-FDCA的選擇性也沒有太大損失。與Pt和Pd相比，Au具有相對(duì)較高的抗水性和抗O2性。雖然Au 在反應(yīng)中易失活，但可以通過與其他金屬生成合金的方式來提高其催化活性和穩(wěn)定性。Gui 等[13]利用沉積-沉淀法合成了以羥基碳酸鋅（ZOC）為載體的Au-Pd 雙金屬催化劑。制備的Au-Pd/ZOC 催化劑在堿性NaHCO3存在下，于80℃和3bar（1bar=105Pa）O2的溫和條件，對(duì)水中的HMF 氧化表現(xiàn)出優(yōu)異的催化活性，從而可定量獲得 2,5-FDCA，產(chǎn)率超過99%。加入堿不僅可以提高2,5-FDCA 的收率，還可以穩(wěn)定載體ZOC，使催化劑在經(jīng)過6 次回收利用后未發(fā)生明顯失活，產(chǎn)物收率基本保持在96%左右。

目前，以O(shè)2為氧化劑，利用含貴金屬的負(fù)載型催化劑將HMF氧化為2,5-FDCA已得到廣泛的研究。在反應(yīng)條件下，貴金屬催化劑表現(xiàn)出優(yōu)異的催化性能，收率較高，堿性添加劑則通過與形成的羧酸中間體/產(chǎn)物反應(yīng)生成相應(yīng)的鹽來使得催化劑活性得到保持。然而，由于貴金屬催化劑成本較高，尋找在較溫和條件下可以高效轉(zhuǎn)化HMF 為目標(biāo)產(chǎn)物的廉價(jià)金屬催化劑受到了日益廣泛的關(guān)注。此外，若能在反應(yīng)過程中減少堿的用量，則可以進(jìn)一步提高生產(chǎn)過程中的環(huán)境和成本效益，更加有利于此路線工業(yè)化的發(fā)展。

（2）空氣氧化法 直接選擇空氣作為氧化劑避免了過高的O2壓力，在一定程度上降低了生產(chǎn)的成本，但是也同樣需要貴金屬或貴金屬合金催化劑對(duì)其進(jìn)行催化氧化。載體的選擇關(guān)系到催化劑的穩(wěn)定性，堿的種類和數(shù)量則直接影響著HMF 的降解和氧化，增加堿的用量可明顯提高整體催化活性，但過量的堿溶液不利于2,5-FDCA 的工業(yè)化生產(chǎn)及環(huán)境保護(hù)。Xu 等[14]報(bào)道了一種將硫卟啉鈷（CoPz）分散在g-C3N4（簡(jiǎn)稱CoPz/g-C3N4）的光催化劑，在模擬光下，以空氣中的氧分子作為良性氧化劑，于弱堿溶液中對(duì)HMF選擇性氧化為2,5-FDCA表現(xiàn)出良好的催化活性。氧化過程的初步機(jī)理如圖1所示，在該光催化體系中，CoPz/g-C3N4合成催化劑具有很強(qiáng)的吸光能力，與g-C3N4結(jié)合的CoPz 通過能量傳遞離子將3O2轉(zhuǎn)化為1O2。1O2具有合適的氧化能力，可以選擇性地將HMF 氧化成所需的2,5-FDCA。實(shí)驗(yàn)表明催化劑中的CoPz 與g-C3N4具有較強(qiáng)的相互作用，且在弱堿（pH=9.18）溶液中，光催化氧化HMF 在CoPz/g-C3N4催化劑上可以達(dá)到極好的效果，HMF的轉(zhuǎn)化率和2,5-FDCA的選擇性在反應(yīng)過程中逐漸增加，14h 后分別達(dá)到99.1%和97.0%。

該反應(yīng)在常溫常壓下，通過改變?yōu)槿跛嵝詶l件進(jìn)行，還可應(yīng)用于選擇性氧化HMF 制2,5-二甲?；秽―FF）體系。催化劑可循環(huán)使用，而作為溫和條件下以優(yōu)異的收率將HMF 選擇性光催化氧化為2,5-FDCA 的一個(gè)典型反應(yīng)，為從生物質(zhì)衍生物生產(chǎn)增值化學(xué)品的研究提供了啟發(fā)。

圖1 CoPz/g-C3N4光催化氧化HMF成為2，5-FDCA的可能機(jī)理

1.2.2 無堿存在的氧化體系

在HMF選擇性氧化為2,5-FDCA的反應(yīng)中，堿溶液的存在可以解除酸在催化劑表面的強(qiáng)吸附，從而促進(jìn)整個(gè)氧化反應(yīng)體系的進(jìn)行[8]。但由于HMF的不穩(wěn)定性，堿溶液也會(huì)使HMF 逐漸降解，且堿溶液的使用不利于產(chǎn)物的工業(yè)化生產(chǎn)和環(huán)境友好型發(fā)展?？紤]到產(chǎn)物酸化提純等后處理帶來的一系列問題，無堿環(huán)境的HMF 選擇性氧化研究逐漸引起研究者的關(guān)注。據(jù)報(bào)道[15]，通過為金屬納米顆粒選擇合適的載體，可以繞過向反應(yīng)物中添加堿基的步驟，另一種方法是基于使用水滑石之類的堿性載體。Gupa等[16]通過將Au負(fù)載于水滑石（HT）上制得Au/HT 催化劑，在1bar O2的環(huán)境條件下，該催化劑于水中催化氧化HMF生成2,5-FDCA，且產(chǎn)率可達(dá)到99%。水滑石在HMF 的氧化過程中代替了液體堿的作用，但水滑石性質(zhì)不穩(wěn)定，在反應(yīng)過程中會(huì)逐漸溶解。所以近年來無堿氧化體系中催化劑的研究主要集中于選擇合適的非堿性載體。

（1）碳材料載體 催化HMF 選擇性氧化為2,5-FDCA 是由生物質(zhì)及其衍生原料生產(chǎn)化學(xué)品的重要組成部分，而研發(fā)在溫和條件下催化活性高且易于回收的催化劑則是當(dāng)前面臨的巨大挑戰(zhàn)。Zhou等[17]發(fā)現(xiàn)碳納米管（CNT）負(fù)載的Au-Pd 合金（簡(jiǎn)稱Au-Pd/CNT）催化劑可以在不添加堿的水中催化HMF有氧氧化為2,5-FDCA。CNT因其自身的碳結(jié)構(gòu)、純度高、與負(fù)載的金屬納米顆粒的可控相互作用、出色的電子和熱傳遞等特點(diǎn)，可被用來作為良好的催化劑或催化劑載體。由此制備出的Au-Pd/CNT 催化劑在無堿水相體系中可催化氧化HMF獲得收率為96%的2,5-FDCA。在上述發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)[18]進(jìn)一步研究了CNT 上負(fù)載貴金屬（Pt/CNT、Au/CNT、Pd/CNT、Ru/CNT和Ir/CNT）在無堿條件下于水中對(duì)HMF的有氧氧化。結(jié)果顯示，在基于碳材料的催化劑中，Pt/CNT 是最有效的催化劑。該催化劑在7次循環(huán)使用后，HMF的轉(zhuǎn)化率和2,5-FDCA的選擇性仍分別保持在100%和98%，未見顯著降低。Pt/CNT 催化HMF 氧化反應(yīng)中，羥基優(yōu)先氧化形成DFF作為主要產(chǎn)物，DFF隨后通過兩次串聯(lián)氧化生成2,5-FDCA。如圖2 所示，偕二醇中間體可能由DFF 水合形成，然后在Pt 納米顆粒存在的情況下，氧化脫氫生成5-甲?；秽?2-甲酸（FFCA）。同樣，F(xiàn)FCA 的醛基水合作用可能會(huì)產(chǎn)生另一種偕二醇中間體，并在后續(xù)反應(yīng)中被氧化為2,5-FDCA。

在無液體堿條件下，O2氧化氧原子利用率高，而且僅有水這一副產(chǎn)物，環(huán)境友好，是一種較理想的反應(yīng)體系。CNT等碳材料由于具有較高的比表面積和良好的吸附能力可使催化劑的催化性能大幅提升，但要獲得含氧官能團(tuán)以功能化制備催化劑，則需要使用濃HCl 和HNO3等對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理。另一方面在O2的氧化反應(yīng)中，碳材料可以在高溫條件下被氧化[19]從而阻礙工業(yè)化的生產(chǎn)，故需要開發(fā)更加簡(jiǎn)單、穩(wěn)定的催化劑以促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行。

（2） 金屬氧化物載體 Danilo 等[15]以納米NiO(nNiO)為載體，選擇特定的Au、Pd 金屬成分（原子比為6∶4）合成催化劑。該催化劑與氧分子在90℃無堿條件下催化氧化HMF為2,5-FDCA，實(shí)現(xiàn)了95%的轉(zhuǎn)化率和70%的收率。在該雙金屬催化劑的重復(fù)使用實(shí)驗(yàn)表明，三次重復(fù)使用中催化劑穩(wěn)定性較高，活性沒有降低。在無堿水溶液中將HMF 氧化為2,5-FDCA，使用金屬氧化物作為載體比使用碳材料（如CNT 等）的選擇性低得多，這主要是由于金屬氧化物較低的表面積和傳統(tǒng)方法較低的金屬負(fù)載量導(dǎo)致金屬活性位點(diǎn)對(duì)反應(yīng)物/中間體的催化活性和吸附能力較差。Shen等[19]報(bào)道了利用原子層沉積在低表面積氧化鋯（ZrO2）上沉淀Pt納米粒子，將HMF高效氧化為2,5-FDCA。在不添加堿的情況下，HMF在2h內(nèi)完全轉(zhuǎn)化，2,5-FDCA的收率為34.1%，反應(yīng)6h 后，2,5-FDCA 的收率為85.9%，反應(yīng)12h后，2,5-FDCA的收率達(dá)到97.3%。該研究中使用的Pt/ZrO2催化劑在無堿條件下對(duì)HMF 的選擇性氧化具有較好的催化性能，活性與碳材料負(fù)載的Pt 基催化劑非常接近。這為HMF 催化氧化反應(yīng)中基于金屬氧化物作為載體的高效催化劑開發(fā)提供了很好的借鑒作用，但該類催化劑的穩(wěn)定性還需要進(jìn)一步地證實(shí)。

圖2 Pt/CNT催化DFF和FFCA在有O2存在的水中發(fā)生轉(zhuǎn)化可能的反應(yīng)機(jī)制

1.3 生物酶催化劑

使用化學(xué)催化的方法使HMF轉(zhuǎn)化為2,5-FDCA存在一系列的成本和環(huán)境問題，不利于2,5-FDCA的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，而生物酶催化劑的使用為綠色環(huán)保生成2,5-FDCA提供了另一種可能性。

2014 年荷蘭格列寧根大學(xué)Dijkman 等[20]通過研究發(fā)現(xiàn)了一種FAD 依賴性酶，該酶可以在常溫常壓下將2,5-呋喃二甲醇經(jīng)過4個(gè)連續(xù)氧化反應(yīng)，高產(chǎn)率得到2,5-FDCA。其反應(yīng)機(jī)理如圖3 所示，對(duì)基本機(jī)理的研究表明，氧化酶只作用于醇基，并依賴于形成2,5-FDCA 所需氧化反應(yīng)的醛的水合作用。這種FAD 依賴性酶對(duì)HMF 的催化反應(yīng)主要以路線A 的方式進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)果顯示2,5-FDCA的收率達(dá)到99%。而Mckenna等[21]采用半乳糖氧化酶M3-5和醛氧化酶PaoABC 的一鍋串聯(lián)酶反應(yīng)，在室溫和接近中性pH 的條件下可實(shí)現(xiàn)HMF 到2,5-FDCA 的高轉(zhuǎn)化率。研究結(jié)果表明，在溫和條件下該酶表現(xiàn)出較好的活性，可使呋喃環(huán)側(cè)位的羥基和醛基得到高效的轉(zhuǎn)化，生成產(chǎn)率為74%的2,5-FDCA。

生物酶催化劑的出現(xiàn)，克服了貴金屬催化劑的一些缺點(diǎn)，合成條件溫和，經(jīng)濟(jì)環(huán)保，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。然而由于酶的使用常常具有在各種環(huán)境和工業(yè)條件下穩(wěn)定性和可重復(fù)使用性較差[22]，以及在化學(xué)反應(yīng)中的直接利用會(huì)受到過程壽命較短的限制等問題，因而阻礙了酶在生物催化工業(yè)中的實(shí)際應(yīng)用。

HMF 路線的原料由可食用葡萄糖和果糖等脫水得到，葡萄糖、果糖和半乳糖均是食品原料，價(jià)格相對(duì)低廉，若短期小規(guī)模制備2,5-FDCA，原料來源和價(jià)格均可滿足需求。就制備方法而言，相比于己糖二酸路線存在的異構(gòu)化和碳化副反應(yīng)，HMF 路線因收率高和副產(chǎn)物少得到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界大量深入而廣泛的研究。但是若要進(jìn)行長(zhǎng)期大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)，則需要考慮實(shí)現(xiàn)食品行業(yè)與工業(yè)生產(chǎn)的協(xié)調(diào)發(fā)展。而采用不可食用的木質(zhì)纖維素水解制備HMF，由于副反應(yīng)較多、分離困難，現(xiàn)研究大多集中在實(shí)驗(yàn)室階段，所以采用木質(zhì)纖維素生成HMF 成本較高[23]，這也是制約HMF 衍生物發(fā)展的重要因素。

2 糠酸路線

2.1 歧化法

2013 年，荷蘭Thiyagarajan 等[24]對(duì)糠酸作原料轉(zhuǎn)化為2,5-FDCA 的路線進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)該路線可以實(shí)現(xiàn)糠酸的金屬鹽對(duì)呋喃二甲酸（FDCA）的有效轉(zhuǎn)化，且FDCA的總收率可以達(dá)到90%，反應(yīng)機(jī)理如圖4所示。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的潘濤[25]也對(duì)催化糠酸歧化反應(yīng)生成FDCA進(jìn)行了研究。將糠酸鹽固體加入ZnCl2催化劑，在250℃的溫度下固相無溶劑反應(yīng)3h，糠酸鉀轉(zhuǎn)化率為61%，得到2,5-FDCA的最高選擇性為86%。

圖3 酶催化HMF氧化的兩條途徑

圖4 歧化反應(yīng)合成FDCA

采用該方法雖然具有原料價(jià)格低的優(yōu)勢(shì)，但在糠酸鹽對(duì)FDCA的轉(zhuǎn)化過程中存在異構(gòu)化反應(yīng)，從而生成2,5-FDCA和2,4-FDCA。由于兩者物化性質(zhì)較為接近，產(chǎn)品混合物分離困難，若直接用于高分子合成會(huì)破壞高分子鏈的規(guī)整排列，影響性能，不利于該路線的實(shí)際應(yīng)用。

2.2 C—H羧基化法

為解決糠酸轉(zhuǎn)化合成2,5-FDCA 反應(yīng)中的異構(gòu)化分離問題，2016 年美國(guó)斯坦福大學(xué)Kanan 課題組[26]以CO2為碳源，在反應(yīng)體系中加入了Cs2CO3進(jìn)行輔助催化。如圖5所示，含有銫或鉀離子的中溫（200～350℃）熔融鹽可使碳酸根離子（CO）脫去糠酸弱酸性C—H 鍵的質(zhì)子，從而生成碳酸氫鹽（MHCO3）和以碳為中心的親核試劑（M+C-）。M+C-與CO2形成羧酸鹽（C—CO2M），MHCO3的分解則導(dǎo)致每生成一定量的C—CO2M 凈消耗一半當(dāng)量的CO和CO2，然后通過加入HCl使C—CO2M質(zhì)子化得到2,5-FDCA。該反應(yīng)生成的2,5-FDCA具有高收率和高選擇性，解決了糠酸路線制備2,5-FDCA 選擇性差的問題。用電滲析法再生酸和堿，HCl被循環(huán)用于質(zhì)子化步驟，而金屬氫氧化物（MOH）與CO2反應(yīng)生成金屬碳酸鹽（M2CO3），實(shí)現(xiàn)了在不添加其他化學(xué)試劑的條件下C—H 和CO2凈轉(zhuǎn)化為C—CO2H的循環(huán)反應(yīng)。

隨后，Kanan 課題組[27]對(duì)其進(jìn)行了放大研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在百克級(jí)制備規(guī)模下2,5-FDCA 的收率可達(dá)89%，且純度為100%，這為其后續(xù)小試生產(chǎn)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。羧基化反應(yīng)中不使用溶劑或催化劑，消除了回收和補(bǔ)充這些組分的負(fù)擔(dān)，其簡(jiǎn)單性更有利于工業(yè)化的開發(fā)。此外，羧基化反應(yīng)在相對(duì)較低純度的CO2（99.5%）下表現(xiàn)良好，CO2還可以很容易地在大規(guī)模的工業(yè)過程中進(jìn)行再循環(huán)，以最大程度地轉(zhuǎn)化利用CO2，避免了昂貴且耗能的CO2純化操作。而堿金屬離子的可回收性也使得該路線更加有利于2,5-FDCA 的工業(yè)化生產(chǎn)。更重要的是，糠酸易由糠醛制得，而糠醛的木質(zhì)纖維素制備工藝已非常成熟，因此，該路線描繪了一種基于木質(zhì)纖維素生產(chǎn)2,5-FDCA的方法。

為從糠醛原料出發(fā)合成2,5-FDCA，Zhou 等[28]合成出一種單原子鈷-氮摻雜碳（CoSAs/N@C）催化劑。該催化劑加入1.5 當(dāng)量的Cs2CO3不僅可以將糠醛選擇性氧化為糠酸，還可以將糠醛氧化得到的糠酸鹽與CO2反應(yīng)生成2,5-FDCA。在制備2,5-FDCA 的過程中，將糠醛氧化所得的含糠酸鹽和Cs2CO3的混合物直接于流動(dòng)CO2中進(jìn)行羧基化反應(yīng)。與此報(bào)道使用工業(yè)純糠酸原料在相同條件下制備2,5-FDCA的結(jié)果（2,5-FDCA收率為76%，選擇性為82.6%）相比，使用糠醛氧化衍生物得到了收率為71.7%的2,5-FDCA，選擇性為82.9%。在糠醛氧化過程中，Cs2CO3被用作堿添加劑，在隨后的反應(yīng)中還可以促進(jìn)糠酸鹽的5 位C—H 羧基化，從而使CO2作為原料合成所需的2,5-FDCA。

就原料而言，與常規(guī)基于己糖的路線相比，這種利用糠酸生成2,5-FDCA 的羧基化路線具有很多潛在優(yōu)勢(shì)。因?yàn)榭匪峥捎煽啡┲瞥?，而糠醛由不可食用的木質(zhì)纖維素生物質(zhì)工業(yè)化生產(chǎn)已有一百多年，生產(chǎn)原料為玉米芯等半纖維素廢棄物，從而避免了與食物鏈產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)[29]；糠醛氧化為糠酸也較容易且該路線避免了反應(yīng)后期產(chǎn)物的氧化。與現(xiàn)存的其他反應(yīng)路線相比，Kanan團(tuán)隊(duì)報(bào)道的反應(yīng)在糠酸羧基化過程中無需使用高能試劑或過渡金屬催化劑，這極大地降低了生產(chǎn)的成本。Cs2CO3可以循環(huán)使用，產(chǎn)物也可以很容易地從反應(yīng)混合物中分離出來，這兩個(gè)特點(diǎn)都有助于擴(kuò)大反應(yīng)規(guī)模。木質(zhì)纖維素是地球上最豐富的可再生生物質(zhì)資源，由木質(zhì)纖維素衍生原料糠酸合成2,5-FDCA，在綠色協(xié)調(diào)可持續(xù)的條件下，具有不與人爭(zhēng)糧和不與糧爭(zhēng)地的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。CO2來源豐富，價(jià)格低，不易燃且比工業(yè)過程中廣泛使用的大多數(shù)化學(xué)藥品毒性小[30]，但因?yàn)槠浞磻?yīng)活性相對(duì)較弱，很難被活化，所以將CO2作為合成原料進(jìn)行化學(xué)品和工業(yè)燃料的生產(chǎn)一直是化學(xué)領(lǐng)域的長(zhǎng)期目標(biāo)[31-32]。在該路線中使用M2CO3促進(jìn)C—H羧基化的方法，不僅使CO2得到了利用，而且在C—C 鍵的形成過程中不需要消耗昂貴的高能試劑，故此路線提供的羧基化路徑為CO2的高效利用和基于不可食用的廢棄生物質(zhì)制備精細(xì)化學(xué)品提供了一條有效方案。

圖5 CO促進(jìn)的C—H羧基化與金屬離子的回收

2.3 羰基化合成法

Chen等[33]首先通過連續(xù)的溴化、酯化、羰基化和水解有效地將糠酸轉(zhuǎn)化為2,5-FDCA，如圖6 所示。每一步的收率均在80%以上，其中最關(guān)鍵的5-溴-呋喃-2-羧酸乙酯的羰基化步驟，在進(jìn)行克級(jí)規(guī)模實(shí)驗(yàn)中，也保持著90%的分離收率。在溫和條件下，糠酸四步反應(yīng)得到2,5-FDCA 的總收率達(dá)到了65%。在后續(xù)的發(fā)展中，Chen等[34]又報(bào)道了一種新型的5-溴糠酸羰基化催化劑體系，將0.2mmol 的5-溴糠酸在含有5%（物質(zhì)的量比）PdCl2/PPh3/Xantphos、25當(dāng)量的水、CO氣體環(huán)境的催化體系中加入3 當(dāng)量NaHCO3，可使轉(zhuǎn)化率達(dá)到99%，2,5-FDCA 的產(chǎn)率為90%。在10bar CO 氣體條件下進(jìn)行的克級(jí)2,5-FDCA 合成實(shí)驗(yàn)中，僅添加0.5%的催化劑，2,5-FDCA 的分離產(chǎn)率就達(dá)到91%。該工藝既突出了羰基化反應(yīng)中催化劑的高活性，也為糠酸高產(chǎn)率制備2,5-FDCA 的發(fā)展提供了一條新方法，但工藝路線較為繁瑣，且使用了鹵族元素，經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益有待提高。

2.4 其他方法

Payne等[35]發(fā)現(xiàn)純化得到的重組HmfF酶能夠在體外脫羧2,5-FDCA 為糠酸，但不能進(jìn)一步脫羧糠酸為呋喃。為了研究HmfF 酶催化逆反應(yīng)將糠酸羧基化生成2,5-FDCA 的能力，將純化的PtHmfF 和GkHmfF 酶 與50mmol/L 糠 酸 和1mol/L MHCO3在50℃的條件下溫育一夜。結(jié)果顯示，加入1mol/L KHCO3，無論是在1atm（1atm=1.013×105Pa）的N2還是32bar 的CO2氣體條件下均沒有顯著差異，生成約2mmol/L 的2,5-FDCA。沒有MHCO3存在時(shí)，在32bar 的CO2氣體條件下約有150μmol/L 的2,5-FDCA 生成，而在N2條件下則沒有檢測(cè)出2,5-FDCA。雖然HmfF 酶催化生成2,5-FDCA 提供了一種新的酶催化方法，但即使在高CO2壓力環(huán)境下，其產(chǎn)量依舊很低。

劉浪等[36]以糠酸為原料，經(jīng)過酯化、氯甲基化、水解、氧化四步反應(yīng)得到2,5-FDCA，并對(duì)各步反應(yīng)進(jìn)行了優(yōu)化。以糠酸為起始原料，與甲醇反應(yīng)制得Ⅱ，然后經(jīng)氯甲基化得到中間體Ⅲ，水解得到Ⅳ，最后經(jīng)KMnO4氧化制得目標(biāo)化合物Ⅰ，反應(yīng)過程如圖7 所示。該工藝順利完成了3 次20L 擴(kuò)試反應(yīng)，平均收率可達(dá)47.3%，產(chǎn)品純度大于99.4%。

3 其他路線

3.1 呋喃路線

中國(guó)科學(xué)院寧波材料所的生物基高分子材料課題組[37-40]利用纖維素水解、環(huán)化制備的生物基化學(xué)品呋喃為原料，以乙酸酐為?；瘎?0℃條件下合成2-乙?；秽Ｒ约谆撬釣榇呋瘎r(shí)，2-乙?；秽氖章蔬_(dá)到98.3%。將得到的2-乙酰基呋喃用乙酸酐進(jìn)一步?；?，甲磺酸催化的Friedel-Crafts 反應(yīng)在120℃進(jìn)行，合成的2,5-二乙?；秽?,5-DAF）收率僅為40.2%。最后通過碘仿反應(yīng)將乙?；D(zhuǎn)化為羧基得到2,5-FDCA，收率為97.1%，產(chǎn)物純度＞99%。合成路線如圖8所示。

圖6 羰基化反應(yīng)合成2，5-FDCA

圖7 四步反應(yīng)合成2，5-FDCA

圖8 ?；夥路磻?yīng)生成2，5-FDCA

該反應(yīng)在溫和的條件下進(jìn)行，無有害催化劑，具有簡(jiǎn)單高效、流程短和副產(chǎn)物易回收等特點(diǎn)。原料呋喃和乙酸酐是由可再生原料生產(chǎn)的大宗化學(xué)品，催化劑為常用的液體酸，且沒有檢測(cè)到有毒廢物，故此方法對(duì)綠色合成2,5-FDCA 具有重大意義。呋喃通過兩步酰基化反應(yīng)生成2,5-DAF，反應(yīng)中生成的乙酸副產(chǎn)物可直接回收脫水制備原料乙酸酐。碘仿反應(yīng)無需復(fù)雜催化劑在室溫下即可較快進(jìn)行，生成的副產(chǎn)物碘仿作為重要的工業(yè)原料也容易回收。若該方法可進(jìn)一步提高收率，有望實(shí)現(xiàn)纖維素到2,5-FDCA 的低成本、規(guī)?；苽?。然而，以呋喃為原料，雖然方法簡(jiǎn)單，但從呋喃到2,5-FDCA 總產(chǎn)率僅為38.4%，需要開發(fā)溫和高效的酸性催化劑。

3.2 己糖二酸路線

Lewkowsk[41]以半乳糖氧化得到的半乳糖二酸為起始原料，將半乳糖二酸與對(duì)甲苯磺酸一水合物140℃下攪拌2h 使其脫水環(huán)化。冷卻后添加4%含水氯化鈣生成沉淀，過濾并添加濃HCl 酸化得到2,5-FDCA 固體，烘干后產(chǎn)品收率為52%，如圖9所示。

圖9 半乳糖二酸路線合成2，5-FDCA

Brǎtulescu[42]則以葡萄糖氧化得到的葡萄糖二酸為起始原料，在微波反應(yīng)器中，以苯磺酸為催化劑脫水得到2,5-FDCA，收率為58%。

葡萄糖二酸和半乳糖二酸通過脫水環(huán)化一步可以得到2,5-FDCA，方法簡(jiǎn)單，但原料在酸性條件下容易發(fā)生異構(gòu)化和碳化副反應(yīng)，導(dǎo)致收率較低。

3.3 二甘醇酸路線

在KOH 的作用下1,2-二羰基化合物與二甘醇酸二甲酯在環(huán)己烷中回流可縮合成2,5-FDCA。李偉杰等[43]以二甘醇酸為原料，在甲醇中滴加二氯亞砜并回流攪拌6h 進(jìn)行酯化。然后將反應(yīng)后提純得到的二甘醇酸二甲酯與KOH加入環(huán)己烷中回流1h，再加入二水合三聚乙二醛繼續(xù)回流6～8h。反應(yīng)后經(jīng)分離提純得到目標(biāo)產(chǎn)物，收率為73.4%，合成路線如圖10所示。

2,5-FDCA 收率低的主要原因在于所用的1,2-二羰基化合物二水合三聚乙二醛中含有水，在KOH-水體系中，乙二醛在縮合反應(yīng)的前期發(fā)生了部分重排反應(yīng)。二甘醇酸路線對(duì)目標(biāo)產(chǎn)物的生產(chǎn)方法最為簡(jiǎn)單，但原料價(jià)格昂貴且產(chǎn)率不高，不適合運(yùn)用于大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。

4 結(jié)語與展望

化石原料作為推動(dòng)社會(huì)發(fā)展的重要力量，在人類文明的進(jìn)步中扮演著重要角色，源于石化資源的各種衍生物在生活中也是隨處可見。然而，由于能源需求巨大和環(huán)境污染等一系列問題，尋找可持續(xù)發(fā)展的綠色生物質(zhì)原料已成為科技發(fā)展的重要方向。

2,5-FDCA 是合成生物基聚酯的重要單體，其能否實(shí)現(xiàn)低廉、高效的大規(guī)模生產(chǎn)，是生物基聚酯開發(fā)的關(guān)鍵。在本文介紹的各合成路線中，HMF合成路線在工業(yè)化的應(yīng)用中需解決原料來源、成本以及綠色環(huán)保問題，對(duì)于HMF 氧化合成2,5-FDCA，貴金屬催化劑在堿性和非堿性水溶液中都催化效果顯著，但就工業(yè)化成本以及可持續(xù)性而言還是應(yīng)該對(duì)非貴金屬催化劑于非堿性條件下進(jìn)行高效氧化的新方法進(jìn)行研發(fā)；呋喃、己糖二酸和二甘醇酸路線由于收率較低，不利于工業(yè)化的生產(chǎn)；CO促進(jìn)的糠酸C—H羧基化路線不僅原料易得，而且可以使溫室氣體CO2得到利用，在金屬離子得到回收的同時(shí)僅需少量的能量。整個(gè)反應(yīng)體系中無需使用高能試劑，合成路線較簡(jiǎn)單，與HMF路線相比可持續(xù)、更經(jīng)濟(jì)，不僅綠色環(huán)保而且為在較溫和條件下低成本高效制備2,5-FDCA 提供了一條重要通道。

綜上所述，生物基單體2,5-FDCA 的制備應(yīng)選擇以廢棄或不可食用的木質(zhì)纖維素生物質(zhì)為起始原料。在未來的研究中需要更加注重于開發(fā)簡(jiǎn)單高效的促進(jìn)糠酸C—H 羧基化方法，以實(shí)現(xiàn)2,5-FDCA低成本、批量化生產(chǎn)，最終實(shí)現(xiàn)高性能生物基高分子材料的可持續(xù)發(fā)展。從更廣泛的意義上講，化工生產(chǎn)的研究應(yīng)以植物光合作用為例，在追求可再生的基礎(chǔ)上發(fā)展為有效利用CO2來合成我們所需的原料和產(chǎn)品。

圖10 二甘醇酸兩步合成2，5-FDCA