果糖一鍋法合成2，5-呋喃二甲酸的研究進(jìn)展

李振環(huán)，李瀟然，蘇坤梅

（1.天津工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津300387；2.天津工業(yè)大學(xué) 化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院，天津300387）

隨著化石資源的日益枯竭，人們開始大力開發(fā)石油產(chǎn)品的生物基替代品，以期降低不可再生資源的消耗，并減輕環(huán)境污染。生物質(zhì)碳水化合物可以通過各類氧化途徑轉(zhuǎn)變?yōu)楸姸嗟幕A(chǔ)生物基化合物，如：2，5-呋喃二甲酸（FDCA）、5-羥甲基糠醛（HMF）、乙酰丙酸（LA）等。這些化合物具有優(yōu)良的反應(yīng)特性，可作為許多高附加值生物基化學(xué)品或材料的前驅(qū)體，對于緩解化石資源短缺危機(jī)具有重要的意義[1]。作為HMF的氧化衍生物，F(xiàn)DCA因具有和對苯二甲酸（PTA）相似的化學(xué)結(jié)構(gòu)而備受關(guān)注[2]，被認(rèn)為是用于生產(chǎn)可持續(xù)聚合物材料最具發(fā)展前景的生物基單體之一。PTA是一種由石油資源衍生出的單體，主要用于生產(chǎn)一些重要聚合物或增塑劑，如聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）。PET大量用于生產(chǎn)纖維、薄膜、塑料，廣泛應(yīng)用于服裝、工程、食品包裝等各個領(lǐng)域。但是PET的使用不僅會造成石油資源的巨大消耗，引發(fā)能源危機(jī)，而且其無法自然降解，會造成白色污染。以FDCA為原料合成的聚呋喃二甲酸乙二醇酯（PEF）是PET的生物基替代物，不光易于降解、環(huán)?？稍偕?，而且在機(jī)械強(qiáng)度、力學(xué)強(qiáng)度等方面也具有更顯著的優(yōu)勢[3]。但是，PEF能否大規(guī)模應(yīng)用主要受制于FDCA的生產(chǎn)成本。因此，開發(fā)廉價制備FDCA的生產(chǎn)工藝是現(xiàn)階段研究的重點(diǎn)，如何低成本地生產(chǎn)FDCA以滿足工業(yè)化發(fā)展需求是當(dāng)前急需攻克的難題。將碳水化合物（例如果糖、葡萄糖和纖維素）通過“一鍋法”直接轉(zhuǎn)化為FDCA是近年來研究的熱點(diǎn)，也是生物質(zhì)資源直接轉(zhuǎn)化為功能性小分子的成功探索?！耙诲伔ā睂⒋蟠鬁p少能源的消耗，簡化生產(chǎn)工序，降低FDCA的生產(chǎn)成本。本文主要綜述迄今為止利用“一鍋法”合成FDCA的研究進(jìn)展。

1 FDCA的轉(zhuǎn)化制備途徑

FDCA的分子結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 石油基來源的PTA、PET和生物基來源的FDCA、PEFFig.1 PTA and PET from petroleum and FDCA and PEF from biological sources

FDCA的分子結(jié)構(gòu)由1個呋喃環(huán)和2個羧基組成，是一種具有剛性、對稱平面結(jié)構(gòu)的生物基高分子材料單體。其合成方法眾多，根據(jù)不同的原料來源，主要有5條技術(shù)路線[4]：呋喃?；肪€、糠酸歧化路線、二甘醇酸環(huán)化路線、己糖二酸環(huán)化路線、HMF氧化路線。由于HMF主要由生物質(zhì)碳水化合物轉(zhuǎn)化得到，制備原料來源廣泛、可再生、成本低，因此，HMF氧化路線被認(rèn)為是FDCA規(guī)?；苽渥钣邪l(fā)展前景的一條路線。由HMF氧化制備FDCA為多過程連續(xù)反應(yīng)，如圖2所示。

圖2 HMF氧化制備FDCA的轉(zhuǎn)化路徑Fig.2 Transformation path of HMF oxidation to FDCA

根據(jù)HMF結(jié)構(gòu)中的羥基和醛基被氧化的先后順序，可以分為2種路徑：路徑A，羥基先被氧化成醛基，生成2，5-二甲?；秽―FF）；路徑B，醛基先被氧化成羧基，得到5-羥甲基-2-呋喃甲酸（HMFCA）。在某些催化劑存在條件下，醛基和羥基的轉(zhuǎn)化也可同步進(jìn)行，能同時檢測到DFF和HMFCA 2兩種物質(zhì)。生成的DFF或HMFCA繼續(xù)氧化生成5-甲?；?2-呋喃甲酸（FFCA），最終被氧化生成產(chǎn)物FDCA。連續(xù)的氧化過程會產(chǎn)生至少3種中間產(chǎn)物，如何提高FDCA的選擇性和產(chǎn)率一直是研究該反應(yīng)時的難點(diǎn)。

而HMF一般由單糖脫去三分子水制得，二糖和多糖作為原料首先要經(jīng)過水解過程解聚為單糖。在目前的研究中，將自然界儲量較多的多糖化合物水解為單糖化合物，再進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為HMF等生物質(zhì)平臺化合物，是生物質(zhì)資源化與能源化利用的重要方式，如圖3所示。

圖3 生物質(zhì)原料制備HMF的轉(zhuǎn)化路徑Fig.3 Transformation path of HMF prepared from biomass raw material

1875年，Grote等[5]就在通過糖類制備LA的過程中發(fā)現(xiàn)了HMF的存在。1895年，Kiermayer等[6]從果糖/草酸水溶液的水解產(chǎn)物中首次分離出HMF。1977年，Kuster等[7-8]以果糖為原料制得產(chǎn)率為30%的HMF。2008年，Williams等[9]利用核磁技術(shù)，在果糖轉(zhuǎn)化為HMF的反應(yīng)中實(shí)時檢測出果糖脫水反應(yīng)的發(fā)生。Ishida等[10-12]科學(xué)家比較研究了果糖、半乳糖、甘露糖、葡萄糖等單糖的脫水反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)由果糖轉(zhuǎn)化為HMF的產(chǎn)率最高，并且葡萄糖等其他單糖可以通過異構(gòu)化為果糖來生產(chǎn)HMF。因此，由果糖脫水合成HMF具有十分重要的地位，是葡萄糖等其他更廉價易得的糖類合成HMF的研究基礎(chǔ)[13]。所以，本文將著重討論以果糖為起始原料，經(jīng)由HMF氧化路線生產(chǎn)FDCA的合成方法。

2 果糖“一鍋法”直接合成FDCA概述

從果糖出發(fā)，經(jīng)HMF路線合成FDCA具體包括2個步驟：①酸催化劑催化果糖脫水生成HMF；②HMF氧化為FDCA。根據(jù)2個反應(yīng)步驟之間是否需要從反應(yīng)體系中分離出HMF，HMF路線又可分為“兩步法”和“一鍋法”?！皟刹椒ā笔悄壳吧a(chǎn)FDCA的常用方式，即由糖脫水得到的HMF必須經(jīng)過分離、精制才能用于氧化合成FDCA；“一鍋法”則是將糖類脫水得到的HMF原液，不經(jīng)分離、精制直接原位氧化得到目標(biāo)產(chǎn)物FDCA，整個反應(yīng)可以“一鍋”完成。目前已有大量報道利用多種催化劑和反應(yīng)介質(zhì)對“兩步法”進(jìn)行廣泛的研究，并得到許多理想的結(jié)果。遺憾的是，正如研究者們[14-15]所指出的，F(xiàn)DCA的宏量、經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)還面臨著各種技術(shù)壁壘。

（1）由于HMF具有很高的沸點(diǎn)、超強(qiáng)的吸濕性和較差的熱/光穩(wěn)定性，使其即使在溫和的環(huán)境下也很難被分離、純化、儲存和運(yùn)輸，這就使得單從原料來源角度考慮，F(xiàn)DCA的生產(chǎn)成本就十分高昂。

（2）在中等溫度（例如373 K）下，特別是存在酸或堿的情況下，不良縮合反應(yīng)導(dǎo)致HMF具有不穩(wěn)定性，使其氧化過程只能在較低底物濃度下進(jìn)行，否則就會造成嚴(yán)重的副反應(yīng)，影響產(chǎn)品純度。

（3）FDCA在常用溶劑（例如水）中的溶解度較低，使得氧化平衡很難向生成FDCA的方向移動。

（4）HMF向FDCA的不完全氧化會產(chǎn)生大量氧化中間體，即FFCA和HMFCA，這些中間體會在下游聚合過程中終止鏈生長，導(dǎo)致低質(zhì)量聚合物的生成。

（5）兩步過程本身就會伴隨著能源、溶劑和時間的巨大消耗，導(dǎo)致生產(chǎn)成本大大增加。

因此，從果糖出發(fā)，廉價、高效地合成FDCA仍然是迄今為止的一個巨大挑戰(zhàn)。鑒于HMF分離問題在FDCA工業(yè)生產(chǎn)中的難度和成本，本文將著眼于“一鍋法”，對果糖經(jīng)由HMF路線合成FDCA的研究進(jìn)展進(jìn)行評述。

“一鍋法”直接合成FDCA又分為“一鍋一步”法和“一鍋兩步”法。要想實(shí)現(xiàn)“一鍋法”合成FDCA，不但要防止果糖未經(jīng)脫水直接被氧化，還要確保中間產(chǎn)物HMF被及時氧化。“一鍋一步”法主要通過設(shè)計復(fù)雜的反應(yīng)器或高效雙功能催化劑避免果糖的直接氧化，而“一鍋兩步”法主要是通過開發(fā)適當(dāng)?shù)娜軇┫到y(tǒng)、尋找用于兩步串聯(lián)反應(yīng)最適宜的酸催化劑和氧化催化劑，將果糖脫水的原液不經(jīng)分離、精制直接用于氧化合成FDCA。

3 果糖“一鍋一步法”制備FDCA

3.1 膜/間歇反應(yīng)器支持下的“一鍋一步法”

如前所述，直接從果糖合成FDCA存在著果糖未經(jīng)脫水被直接氧化的風(fēng)險，這就需要將2種催化劑實(shí)現(xiàn)隔離。Kr?ger等[16]創(chuàng)造性地構(gòu)建了一種“膜反應(yīng)”裝置和“間歇反應(yīng)”裝置來達(dá)到這一目的，如圖4所示。膜反應(yīng)裝置是由2個半室組成的恒溫玻璃反應(yīng)器，中間采用孔徑為0.45 μm的聚四氟乙烯（PTFE）平板膜隔開。2個反應(yīng)室分別由水/固體酸催化劑（德國拜耳公司生產(chǎn)的朗盛牌SPC 108離子交換樹脂）和甲基異丁基酮（MIBK）/氧化催化劑（PtBi/C）（法國法蘭克福德固賽公司生產(chǎn)的一款碳負(fù)載催化劑，其中金屬鉑和鉍的負(fù)載量都為5%）填充，每個反應(yīng)室單獨(dú)攪拌，HMF在水相中形成后經(jīng)膜擴(kuò)散到MIBK相中，被通入的氧氣氧化成FDCA。果糖、水與MIBK并不互溶，所以果糖不能進(jìn)入有機(jī)相，這有效避免了其與氧化催化劑的接觸，阻止了果糖氧化副產(chǎn)物的形成。這一系統(tǒng)的原理是用平板膜將含有PtBi/C催化劑的MIBK相與水相分隔，實(shí)現(xiàn)HMF的“原位氧化”。但是，整個反應(yīng)過程的反應(yīng)速率會受到擴(kuò)散速度的限制，水相中形成的HMF并不能及時地擴(kuò)散到MIBK相中，導(dǎo)致HMF大量水解為副產(chǎn)物L(fēng)A（LA產(chǎn)率高達(dá)25%），F(xiàn)DCA的最終產(chǎn)率僅為25%。為解決HMF不能及時擴(kuò)散的問題，Kr?ger等又構(gòu)建了一種“間歇反應(yīng)裝置”，利用有機(jī)硅包覆氧化催化劑的方式實(shí)現(xiàn)“HMF間歇式一鍋原位氧化”過程，其主要思想是在純水相中開發(fā)一種氧化HMF但不氧化果糖的高選擇性氧化催化劑。MIBK是HMF的良溶劑，但不是果糖的溶劑。將由疏水活性炭負(fù)載的PtBi催化劑嵌入到有機(jī)硅微球中，利用硅樹脂在水和MIBK中的溶脹性能不同（在MIBK中的溶脹因子為1.4，水中無溶脹）使有機(jī)相在催化劑周圍穩(wěn)定下來，一同被封裝于硅膠珠內(nèi)，硅膠珠懸浮在水相中將進(jìn)入珠內(nèi)的HMF氧化成FDCA（總產(chǎn)率25%）。研究表明，在這種間歇裝置中反應(yīng)速率不再受HMF擴(kuò)散速度的限制，而是受中間產(chǎn)物HMF濃度的影響。調(diào)整酸催化劑/氧化催化劑的比例，可以顯著提高FDCA的產(chǎn)率，但最高產(chǎn)率仍未超過25%。Kr?ger等雖然證實(shí)了“HMF一鍋原位氧化”這一概念的可行性，但是反應(yīng)系統(tǒng)復(fù)雜、產(chǎn)率過低（FDCA產(chǎn)率25 %）、形成大量副產(chǎn)物L(fēng)A等問題限制了此方法的工業(yè)化應(yīng)用。

圖4 “膜反應(yīng)”和“間歇反應(yīng)”的裝置原理Fig.4 Principle of“membrane reaction”device and“batch reaction”device

后來，Yi等[17]同樣利用MIBK是HMF的良溶劑設(shè)計了一套“三相”協(xié)同體系，實(shí)現(xiàn)了“HMF的一鍋原位氧化”。該反應(yīng)體系由3個階段組成：第Ⅰ階段，果糖脫水轉(zhuǎn)化為HMF；第Ⅱ階段，通過橋相將HMF提取、純化并轉(zhuǎn)移到第Ⅲ階段發(fā)生相；第Ⅲ階段，HMF氧化為FDCA。根據(jù)這一原理，設(shè)計了一套連通器裝置，如圖5所示，將果糖、溴化四乙基銨（TEAB）、水、固體酸催化劑Amberlyst-15添加至連通器的左室（第Ⅰ階段，灰色）；將Au8Pd2/HT催化劑（氧化催化劑）、Na2CO3和水加入到連通器的右室（第Ⅲ階段，藍(lán)色），最后在左室上方覆蓋MIBK（第Ⅱ階段，紅色）。在整個反應(yīng)過程中，反應(yīng)器被放置于油浴中保持95℃恒溫，氧氣以恒定流速被通入右室做氧化劑。從果糖到FDCA的整個反應(yīng)過程耗費(fèi)近20 h，總產(chǎn)率為78%。經(jīng)過分析，反應(yīng)的瓶頸是HMF通過MIBK從第Ⅰ階段到第Ⅲ階段的傳質(zhì)速率太慢，減緩了整個過程，說明對HMF的萃取和純化效率（即第Ⅱ階段）是整個三相體系的關(guān)鍵，這與Kr?ger等[16]在“膜反應(yīng)器”中遇到的傳質(zhì)限制相似。

圖5 “三相”協(xié)同體系Fig.5“Three-phase”collaborative system

3.2 雙功能協(xié)同催化下的“一鍋一步法”

從果糖到HMF的反應(yīng)通常由酸、離子交換樹脂等酸性物質(zhì)催化[18-20]，而從HMF到FDCA的反應(yīng)通常由Pd、Pt、Bi、Co或其他包裹在各種基體中的金屬化合物催化[21]。因此，果糖一鍋直接合成FDCA就需要一種特殊的催化劑，它能將酸催化劑和金屬催化劑的特性結(jié)合在一起，協(xié)同脫水和氧化兩個過程同時進(jìn)行，并保證中間體HMF能被迅速氧化生成FDCA，以使中間體HMF的損失達(dá)到最小化。

巴西科學(xué)家Schuchardt等[21]證明包覆在溶膠-凝膠二氧化硅基體中的乙酰丙酮鈷（Co（acac）3）是一種非常有效的雙功能酸性和氧化催化劑。這種催化劑將金屬配合物包覆在酸性的二氧化硅基體中，表現(xiàn)出酸堿協(xié)同效應(yīng)。他們將去離子水、果糖和催化劑置于高壓反應(yīng)釜中，在2 MPa空氣、160°C下磁力攪拌65 min，F(xiàn)DCA的產(chǎn)率達(dá)到99%。在這種條件下，所有的化合物都是水溶性的，很容易與Co（acac）3/SiO2凝膠相互作用，所以水是唯一的反應(yīng)溶劑。另外，在給定的條件下，這種催化劑只在果糖轉(zhuǎn)化為FDCA的“一鍋”反應(yīng)中表現(xiàn)出優(yōu)良的催化性能，在做HMF直接轉(zhuǎn)化為FDCA的“單步”對照反應(yīng)時并沒有表現(xiàn)出催化活性。經(jīng)過分析，反應(yīng)的第1步可能發(fā)生在二氧化硅基體的表面，果糖在酸位處脫水，HMF一旦形成就進(jìn)入基體孔道，被其中的金屬氧化。由于中間體HMF的轉(zhuǎn)化迅速發(fā)生，避免了其降解為LA和甲酸，整個體系無副產(chǎn)物生成，催化體系表現(xiàn)出極高的選擇性。但是，酸性基質(zhì)與其所包覆的金屬配合物的協(xié)同效應(yīng)在較劇烈的反應(yīng)條件（160℃，2 MPa）下才有效，這一點(diǎn)使得利用這種催化劑通過“一鍋一步法”工業(yè)化生產(chǎn)FDCA時，不得不面臨對生產(chǎn)設(shè)備要求高、損耗嚴(yán)重、能耗較大等實(shí)際問題。

2018年，Yan等[22]以強(qiáng)酸型陽離子交換樹脂Amberlyst-15做輔助，在Fe-Zr-O酸堿催化劑的催化作用下，首次報道了一種在離子液體[Bmim]CI中將果糖“一鍋一步”直接轉(zhuǎn)化為FDCA的經(jīng)濟(jì)方法。在此反應(yīng)過程中，HMF通過圖6所示路徑氧化為FDCA，在同一個反應(yīng)容器中，果糖通過Amberlyst-15、Fe-Zr-O和[Bmim]Cl的共同催化有效地脫水轉(zhuǎn)化為HMF，隨后Fe-Zr-O又作為氧化催化劑，催化HMF被進(jìn)一步原位氧化生成FDCA。在無外加堿條件下，果糖轉(zhuǎn)化率為100%，F(xiàn)DCA產(chǎn)率為46.4%。經(jīng)4次循環(huán)實(shí)驗(yàn)后，果糖轉(zhuǎn)化率和FDCA的產(chǎn)率分別保持在100%和38.2%，說明這2種催化劑在4次循環(huán)實(shí)驗(yàn)中仍能保持相對穩(wěn)定。值得注意的是，在循環(huán)實(shí)驗(yàn)中不可避免地形成了一些腐殖質(zhì)。但是，由于[Bmim]Cl具有獨(dú)特的溶解能力，可以使這些腐殖質(zhì)在反應(yīng)條件下完全溶解，從而避免了其在催化劑活性中心的吸附，保證了催化劑在重復(fù)利用時的穩(wěn)定性。這也就是為什么隨著循環(huán)次數(shù)的增加，溶液中腐殖質(zhì)的累積只造成了FDCA產(chǎn)量的輕微損失的原因。離子液體（ILs）促進(jìn)的非貴金屬催化體系將果糖直接轉(zhuǎn)化為FDCA是一個很有發(fā)展?jié)摿Φ倪^程[23-24]。雖然，此過程現(xiàn)階段只表現(xiàn)出較低的FDCA產(chǎn)率，而且轉(zhuǎn)化溫度和所需壓強(qiáng)也仍然偏高（160℃，2 MPa O2，24 h），使得其在工業(yè)化應(yīng)用方面還存在一定距離。但使用[Bmim]Cl作為一種獨(dú)特的反應(yīng)溶劑，可以避免反應(yīng)中堿添加劑的使用，這就意味著整個過程可以避免因酸化沉淀產(chǎn)品FDCA而導(dǎo)致的酸污染。

圖6 果糖“一鍋一步法”制備FDCA的機(jī)理Fig.6 Mechanism of preparation of FDCA from fructose via“one-pot one-step”

4 果糖“一鍋兩步法”制備FDCA

高極性的HMF很難從強(qiáng)極性反應(yīng)介質(zhì)中分離出來，而將脫水和氧化這2個反應(yīng)步驟串聯(lián)可以避免HMF的分離和精制，所以“一鍋兩步法”也是從果糖出發(fā)制備FDCA的高效方法，并且其在催化劑和反應(yīng)裝置的設(shè)計難度上要明顯小于“一鍋一步法”，因此，成為更有望實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的發(fā)展方向。大量研究表明，堿添加劑在HMF氧化步驟中會起到關(guān)鍵作用，因?yàn)镺H-的親核攻擊有利于HMF的醛基向羧基轉(zhuǎn)化，所以堿的存在可以促進(jìn)FDCA的形成[25]。而且反應(yīng)結(jié)束后，F(xiàn)DCA以鹽形式存在于反應(yīng)體系中，極大提高了產(chǎn)物在水相中的溶解度，便于與催化劑分離，同時也減少了可能因酸性產(chǎn)物存在對催化劑活性中心造成的毒化。但是堿添加劑的使用也會導(dǎo)致一些不利影響?！耙诲亙刹健狈磻?yīng)中HMF的穩(wěn)定性是影響FDCA最終產(chǎn)率的關(guān)鍵因素，HMF在強(qiáng)堿環(huán)境中容易生成可溶或不可溶的腐殖質(zhì)[26]或發(fā)生其他副反應(yīng)，導(dǎo)致FDCA產(chǎn)率降低。并且反應(yīng)過程中使用的大量堿添加劑后續(xù)又需要過量濃鹽酸中和，這造成了嚴(yán)重的酸污染。所以，是否使用堿添加劑以及如何使用堿添加劑是“一鍋兩步法”中不可忽視的關(guān)鍵問題。

4.1 雙功能連串催化下的“一鍋兩步法”

某些雙功能催化劑雖然在糖脫水和HMF氧化兩個過程中均表現(xiàn)出良好的活性，但是由于氧化步驟有時必須添加“堿基啟動子”（如K2CO3），以促進(jìn)中間產(chǎn)物的形成和轉(zhuǎn)化[27]，所以反應(yīng)并不能一步完成。這就可以利用單一催化劑通過“一鍋兩步法”實(shí)現(xiàn)果糖到FDCA的轉(zhuǎn)化。

由生物質(zhì)生成的碳質(zhì)催化劑由于具有較高的比表面積和大量的氧官能團(tuán)，使得其表面可以負(fù)載金屬[28]。2018年，印度科學(xué)家Jadhav等[29]通過葡萄糖碳化合成了碳基催化劑，在催化劑表面引入酸性、堿性官能團(tuán)和鈀（Pd）金屬，并研究了Pd/CC在FDCA合成中的催化活性，從果糖出發(fā)，利用Pd/CC催化劑“一鍋兩步”合成FDCA。第1步，將果糖溶于水并加入Pd/CC催化劑，在N2氛圍下于140℃反應(yīng)9 h，果糖完全轉(zhuǎn)化為HMF；第2步，在體系中加入K2CO3，通入O2做氧化劑（20 mL/min），繼續(xù)反應(yīng)30 h，F(xiàn)DCA的最終產(chǎn)率為64%，HMFCA和FFCA總產(chǎn)率為27%。經(jīng)研究，Pd/CC催化劑表面具有—SO3H、—OH、—COOH、—NH2等活性官能團(tuán)，如圖7所示。其中，-SO3H等酸性官能團(tuán)可以催化果糖脫水生成HMF，而催化劑表面的氧化位能促進(jìn)對HMF的吸收和轉(zhuǎn)化。反應(yīng)中添加的堿量（K2CO3）對FDCA的產(chǎn)率有顯著影響，堿在氧化反應(yīng)中起著重要的作用，在無堿添加劑的情況下進(jìn)行反應(yīng)，不發(fā)生HMF的氧化。因此，利用Pd/CC催化劑無法通過“一鍋一步”直接由果糖合成FDCA，必須增加“堿添加”步驟。過量堿的使用不僅加快了反應(yīng)速率，而且使生成的呋喃類產(chǎn)物以羧酸鹽的形式存在于水中，防止了酸在催化劑活性中心上的吸附。但是添加的堿量如果超出一定范圍也會使反應(yīng)體系中產(chǎn)生雜質(zhì)，經(jīng)過對照研究，K2CO3與果糖物質(zhì)的量之比為3/1是此條件下HMF氧化的最佳堿量。從總體來說，此研究獲得的FDCA產(chǎn)率仍然偏低（64%），反應(yīng)條件與利用Co（acac）3/SiO2凝膠的“一鍋一步法”相比沒有太明顯的優(yōu)化，而且總耗時長達(dá)近40 h。雙功能催化劑能在避免交叉催化的前提下，高效促進(jìn)兩步反應(yīng)，但是其不僅設(shè)計難度大，而且在實(shí)際應(yīng)用中對反應(yīng)條件的要求也相對苛刻，所以這一細(xì)分領(lǐng)域仍需更多的探索研究。

圖7 Pd/CC催化劑表面結(jié)構(gòu)Fig.7 Surface structure diagram of Pd/CC catalyst

4.2 單一溶劑體系基礎(chǔ)上的“一鍋兩步”串聯(lián)反應(yīng)

要想使不經(jīng)分離純化的HMF直接用于氧化步驟，就要求在果糖脫水步驟中有更高的產(chǎn)率（理想情況下是100%的產(chǎn)率）和更少的胡敏素等副產(chǎn)物。否則，殘留在溶液中的胡敏素在下一步中不可避免地會使氧化催化劑失活，使產(chǎn)品變黑[30-31]。在近20年中，許多文獻(xiàn)都報道了HMF合成的研究成果，雖然HMF的高效液相（HPLC）產(chǎn)率已經(jīng)能夠達(dá)到90%以上的水平，但仍有一系列問題亟待解決：

（1）首先是果糖濃度的選擇。在HMF合成效果較好的報道中，果糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)大多集中于1%～10%范圍內(nèi)。如Jeong等[32]、Morales等[33]、Aelling等[34]使用果糖起始質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%～10%。更多研究者使用了低于5%的果糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)，如Ohara等[35]和Gou等[36]。合適的果糖濃度可以確保HMF產(chǎn)率高、副產(chǎn)物少。果糖脫水合成HMF時，會有副產(chǎn)物腐黑素（HMF衍生低聚物）生成，尤其是在高果糖濃度、高溫條件下，腐黑素的存在不僅使得HMF產(chǎn)物顏色較深，而且在“一鍋法”中也將導(dǎo)致后續(xù)氧化反應(yīng)催化劑的失活，以及反應(yīng)產(chǎn)物顏色的加深。

（2）其次是溶劑的選擇。優(yōu)良的溶劑不僅要對果糖有良好的溶解性，也要易于與產(chǎn)物分離，對反應(yīng)沒有不利影響。Shimizu等[37]報道了高達(dá)50%的果糖起始質(zhì)量分?jǐn)?shù)，以DMSO為單一反應(yīng)溶劑，尺寸為0.053～0.15 mm的Amberlyst-15粉末為催化劑，在120℃下反應(yīng)，HMF產(chǎn)率可達(dá)100%。DMSO作為高穩(wěn)定性、強(qiáng)極性、高沸點(diǎn)（189℃）有機(jī)溶劑可以較好地溶解果糖，并且在果糖脫水生成HMF反應(yīng)中表現(xiàn)出極高的選擇性，所以被認(rèn)為是糖類脫水的良溶劑，但也存在明顯的弊端。DMSO的強(qiáng)極性使其與水和大多數(shù)有機(jī)溶劑互溶，使得同樣具有強(qiáng)極性的HMF通過萃取分離較為困難；同時，高沸點(diǎn)也決定了其在減壓蒸餾分離時難以完全去除，而且能耗極高[13]。所以利用DMSO作為溶劑、在非均相催化劑催化下，從高起始果糖濃度“一鍋兩步”串聯(lián)合成FDCA，避免HMF的分離，就有相當(dāng)重要的現(xiàn)實(shí)意義。

Wang等[38]就利用DMSO為單一溶劑，以2種磁性非貴金屬材料為催化劑，在無堿條件下實(shí)現(xiàn)了果糖一鍋兩步合成FDCA。第1步，將果糖溶于DMSO并加入磁性固體酸催化劑Fe3O4@SiO2·SO3H，在100℃下反應(yīng)2 h，HMF達(dá)到最大產(chǎn)率93.1%，然后磁性收集Fe3O4@SiO2·SO3H催化劑；第2步，將nano-Fe3O4·CoOx催化劑和體積分?jǐn)?shù)為70%的t-BuOOH的水溶液加入反應(yīng)體系，在80℃下攪拌15 h后，F(xiàn)DCA最終產(chǎn)率為59.8%。此研究還對比考察了H2O2、O2等常見HMF氧化劑在磁性nano-Fe3O4·CoOx為催化劑時的氧化活性，發(fā)現(xiàn)在同樣條件下，分別以H2O2、O2為氧化劑時FDCA的產(chǎn)率僅為1.0%和4.2%，遠(yuǎn)低于以70%的t-BuOOH溶液做氧化劑時FDCA的產(chǎn)率。在整個反應(yīng)過程中，t-BuOOH與HMF的實(shí)際摩爾反應(yīng)比高達(dá)7，遠(yuǎn)大于理論值3，這可能是t-BuOOH在反應(yīng)過程中分解成其他產(chǎn)物所致。Wang等[38]的研究使得兩步反應(yīng)在溶劑上得到統(tǒng)一，避免了中間產(chǎn)物HMF的分離。2個步驟均采用磁性非貴金屬材料作為催化劑，不僅降低了成本，還可通過簡單地固液分離除去，在反應(yīng)條件和催化劑分離等方面較前所述的以雙功能催化劑完成兩步的研究都有所優(yōu)化。而且氧化步驟不需堿添加劑，避免了后續(xù)使用酸沉淀FDCA時可能存在的酸污染。但是，F(xiàn)DCA的HPLC產(chǎn)率偏低，需要消耗大量非環(huán)境友好型氧化劑等現(xiàn)實(shí)問題也使得這種催化劑的大規(guī)模應(yīng)用受到掣肘。

4.3 復(fù)合溶劑系統(tǒng)基礎(chǔ)上的“一鍋兩步”串聯(lián)反應(yīng)

一般來說，化學(xué)反應(yīng)的效率受反應(yīng)溶劑的影響很大，因?yàn)槊糠N溶劑都有特定的極性、介電常數(shù)、空間位阻因子和酸堿性質(zhì)。許多研究表明，在糖脫水為HMF的反應(yīng)中，用ILs[39-41]（如前所述Yan等[22]的研究）或高沸點(diǎn)強(qiáng)極性溶劑（如二甲基亞砜（DMSO））[42-44]比用水[45-46]或低沸點(diǎn)溶劑[47-48]更有效。這是由于ILs能催化脫水反應(yīng)，而DMSO能抑制產(chǎn)物HMF的水合和縮聚等副反應(yīng)。但對于HMF氧化為FDCA的反應(yīng)而言，在水[49-50]或堿性水溶液[51-52]中比在有機(jī)溶劑中更有效。這種矛盾使得要利用單一溶劑完成FDCA的“一鍋兩步”串聯(lián)合成對催化劑和氧化劑的選擇性要求極高，如上所述，Wang等[38]的研究需要消耗大量非環(huán)境友好型氧化劑。所以，利用復(fù)合溶劑系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)HMF的“一鍋兩步”原位氧化就顯得十分重要。合適的溶劑系統(tǒng)使其不僅適用于糖脫水和HMF氧化，而且能利用更加普適的氧化劑（如O2）實(shí)現(xiàn)HMF的氧化、顯著提高產(chǎn)物的選擇性，所以如何設(shè)計合適的溶劑系統(tǒng)是這個方向的研究重點(diǎn)。

4.3.1 以DMSO/H2O為復(fù)合溶劑系統(tǒng)

Qi等[53]以和Wang等[38]相似的思路，采用簡單堿沉淀法合成了磁性ZnFe1.65Ru0.35O4催化劑。第1步，將果糖（質(zhì)量分?jǐn)?shù)7.9%）和磁性Fe3O4-RGO-SO3H催化劑加入DMSO中，在110℃空氣氣氛下加熱，HMF產(chǎn)率在2 h達(dá)到最大值（81.3%），然后磁分離Fe3O4-RGO-SO3H催化劑；第2步，加入DMSO、H2O、磁性ZnFe1.65Ru0.35O4催化劑，通入O2（20 mL/min）做氧化劑，升溫至130℃，觸發(fā)HMF氧化。主產(chǎn)品FDCA的產(chǎn)率隨著反應(yīng)時間的延長而提高，16 h后達(dá)到最大值70.5%。與前述方法相比，此反應(yīng)第2步需在DMSO和水的混合溶劑中進(jìn)行。經(jīng)過研究，在純水中進(jìn)行HMF的氧化，僅有59.3%的HMF轉(zhuǎn)化為FDCA，選擇性為48.5%；而在純DMSO存在下，HMF可以完全轉(zhuǎn)化，但FDCA選擇性較低（僅為18.6%）。這些結(jié)果表明，在使用ZnFe1.65Ru0.35O4為催化劑進(jìn)行的HMF氧化反應(yīng)中，DMSO有利于HMF的轉(zhuǎn)化，而水能提高主產(chǎn)物FDCA的選擇性。采用控制變量法最終確定，最合適的反應(yīng)介質(zhì)為H2O/DMSO混合溶劑，體積比為1∶2。在本研究中，反應(yīng)體系與Wang等[38]相同，依舊為無堿體系，加入堿添加劑反而會降低FDCA的產(chǎn)率和選擇性，對FDCA的形成造成消極的影響。此方法最大的缺陷在于氧化溫度偏高、總耗時相對較長（18 h）、產(chǎn)率偏低，在大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的應(yīng)用中會造成較大的能耗和設(shè)備損耗，進(jìn)而增加生產(chǎn)成本。

2018年，Chen等[54]同樣利用DMSO/H2O作為復(fù)合溶劑系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了果糖“一鍋兩步法”合成FDCA。第1步，在Amberlyst-15催化下，果糖（質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%）在DMSO中脫水1 h，得到HMF溶液。在果糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%和催化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)（基于果糖）為40%時，HMF的HPLC產(chǎn)率高達(dá)97.1%，產(chǎn)品溶液出現(xiàn)輕微的藏紅花色，表明胡敏素產(chǎn)率較低。分析結(jié)果表明，HMF的水化和縮聚等副反應(yīng)在低果糖濃度下被抑制。簡單過濾除去脫水催化劑后，在得到的HMF粗產(chǎn)物中加入K2CO3的水溶液和Pt/C催化劑，F(xiàn)DCA的最終HPLC產(chǎn)率高達(dá)88.4%（氧化條件為100～120℃，0.1 MPa O2）。如前所述，Qi等[53]報導(dǎo)了使用H2O/DMSO（質(zhì)量比為1/2）作為HMF氧化反應(yīng)介質(zhì)的類似工作，主要區(qū)別在于Chen等使用堿性（K2CO3）H2O/DMSO而不是中性H2O/DMSO體系，以及用于兩步串聯(lián)反應(yīng)的催化劑也不同。受Qi等的啟發(fā)，Chen等進(jìn)一步增加混合溶劑中的H2O含量，以最大限度地提高FDCA產(chǎn)率。結(jié)果表明，隨著堿性水含量的增加，F(xiàn)DCA的合成速率明顯加快。當(dāng)堿性H2O/DMSO混合溶劑的質(zhì)量比增加到3/1時，反應(yīng)11 h后，F(xiàn)DCA出現(xiàn)最大產(chǎn)率88.4%，如圖8所示。在混合溶劑中，弱堿性水溶液對氧化反應(yīng)的促進(jìn)作用和少量DMSO對HMF副產(chǎn)物形成的抑制作用相互協(xié)同，這是FDCA獲得高產(chǎn)率的關(guān)鍵。堿性添加劑還可以與FDCA反應(yīng)生成溶解性更好的FDCA鹽，進(jìn)而導(dǎo)致HMF氧化反應(yīng)平衡向生成FDCA[27]的方向移動。這種體系具有FDCA的HPLC產(chǎn)率高、反應(yīng)總耗時短（12 h）、反應(yīng)條件相對溫和（100～120℃，0.1 MPa O2）等優(yōu)點(diǎn)，為果糖直接制備FDCA的簡單連續(xù)工藝提供了發(fā)展方向。但是，此方法也存在明顯的缺陷：起始果糖濃度低（質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%），導(dǎo)致后續(xù)生成的目標(biāo)化合物的液相濃度過低（質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.87%）；利用鹽酸酸化沉淀困難，F(xiàn)DCA分離產(chǎn)率過低（39.4%），與HPLC產(chǎn)率（88.4%）對比差距較大；而且，Pt/C催化劑的價格昂貴，用量大（Pt/C/HMF質(zhì)量比為1.57），單程處理量低，O2對貴金屬Pt的毒化作用嚴(yán)重，可重復(fù)利用性不佳，循環(huán)再利用時需用氫氣高溫活化。異常昂貴的生產(chǎn)成本，限制了此方法的大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用。

圖8 不同溶劑比例下FDCA的產(chǎn)率變化Fig.8 Changes of FDCA yield under different solvent ratios

2019年，Liu等[55]基于Chen等[54]的研究思路使用工業(yè)Ru/C催化劑做了跟蹤研究，主要在果糖起始濃度方面做了重大突破，將果糖起始質(zhì)量分?jǐn)?shù)從5%提高到了19%。第1步，濃縮果糖（質(zhì)量分?jǐn)?shù)19%）在Amberlyst-15（120℃，2 h，N2氣氛）催化下，在DMSO中脫水生成HMF，產(chǎn)率為80%；第2步，過濾分離Amberlyst-15后，繼續(xù)加入水和NaHCO3形成堿性DMSO/H2O混合溶劑，其中DMSO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為66%（見圖9）。第1步生成的HMF（質(zhì)量分?jǐn)?shù)8.5%）直接被通入的O2原位氧化，在商業(yè)Ru/C催化劑的催化下，F(xiàn)DCA的最大HPLC產(chǎn)率可達(dá)到65%。與Chen等所用添加劑不同是因?yàn)檫x用催化劑種類不同，在混合溶劑DMSO質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)66%的前提下，碳酸鹽和碳酸氫鹽在體系中的溶解度均很低（＜1%），且都能達(dá)到相同效果，所以選擇了堿度相對較低的NaHCO3，以減輕HMF在堿性水中的副反應(yīng)。催化劑重復(fù)使用到第5次，由于Ru的氧化出現(xiàn)了失活現(xiàn)象，與Pt/C催化劑相同，需在H2中高溫還原（250℃）后才可繼續(xù)使用。在高溫條件下極易發(fā)生氧中毒是傳統(tǒng)貴金屬催化劑的一個顯著的缺陷，在貴金屬催化劑中引入非貴金屬制備雙金屬催化劑，如Rass等[52]在Pt/C催化劑中引入金屬鉍能顯著提高貴金屬納米顆粒的穩(wěn)定性、避免活性組分的流失，這是貴金屬催化劑未來優(yōu)化的重點(diǎn)。

圖9 堿性DMSO（66%）/H2O混合物中的“一鍋兩步”串聯(lián)機(jī)制Fig.9“One-pot two-step”tandem mechanism in alkaline DMSO（mass fraction 66%）/H2O mixture

由于HMF的穩(wěn)定性相對較差，高濃度HMF的原位氧化是大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)FDCA最大的挑戰(zhàn)之一[56]。高濃度HMF的催化氧化需要大量的堿性添加劑，但這也會大大促進(jìn)HMF在堿性環(huán)境中的副反應(yīng)。所以在果糖起始濃度較高時，DMSO的存在就有很大意義。脫水步驟中生成的HMF將優(yōu)先被DMSO/H2O混合溶劑中的DMSO溶解，這降低了HMF易受親核攻擊的脆弱性，使其免受再水合作用和胡敏素生成等副反應(yīng)的影響[57]。DMSO的引入不僅可以通過溶劑化作用保護(hù)HMF不受有害副反應(yīng)的影響，而且可以降低堿添加劑的溶解度，很大程度上減小了由于堿基添加劑存在而形成的對腐殖質(zhì)的影響，大大提高了HMF在DMSO/H2O混合體系中的穩(wěn)定性。DMSO/H2O混合物是從濃縮HMF或果糖中生產(chǎn)FDCA的一種很有潛力的介質(zhì)，為FDCA的廉價大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)開拓了新的視角。

4.3.2 以γ-戊內(nèi)酯（GVL）/H2O為復(fù)合溶劑體系

Won等[58]報導(dǎo)了一種在γ-戊內(nèi)酯（GVL）/H2O復(fù)合溶劑體系下將高濃度果糖（質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%）轉(zhuǎn)化為FDCA的工藝，如圖10所示。在這個過程中：第1步，果糖溶解在復(fù)合溶劑體系中，以HCI或者FDCA為催化劑脫水生成HMF（180℃、1～1.5 h），產(chǎn)率70%，原液經(jīng)離子交換樹脂去除CI-，經(jīng)活性炭吸附脫除胡敏素；第2步，在5%Pt/C催化劑存在下被氧氣氧化為FDCA，HMF轉(zhuǎn)化率為100%，F(xiàn)DCA的產(chǎn)率為93%。關(guān)鍵的是FDCA在此溶劑體系中溶解度可達(dá)9%以上（110℃時），這在一定程度上避免了氧化反應(yīng)對堿添加劑的依賴，減輕了整個反應(yīng)過程對環(huán)境的不良影響。隨著反應(yīng)體系的冷卻，F(xiàn)DCA可以從混合溶劑中析出，從而實(shí)現(xiàn)結(jié)晶、產(chǎn)物分離和溶劑循環(huán)。值得注意的是，F(xiàn)DCA并不能完全析出。其在277 K下的結(jié)晶會形成2個相：①純度＞99%的FDCA結(jié)晶固體相，占氧化步驟中產(chǎn)生的FDCA的94%，可直接用于下游工藝，無需進(jìn)一步精制；②溶解著約5% FDCA分子的復(fù)合溶劑相。在果糖脫水條件下FDCA是穩(wěn)定的，因此，結(jié)晶后得到的液體相可以循環(huán)到HMF生產(chǎn)反應(yīng)器中作為脫水催化劑，這可以避免使用其他礦物酸，引入雜質(zhì)陰離子。以溶解著FDCA分子的復(fù)合溶劑相作為脫水步驟的催化劑，經(jīng)過兩步反應(yīng)，F(xiàn)DCA的產(chǎn)率最終可達(dá)91%，這無疑是所述所有“一鍋兩步”過程所能達(dá)到的最高產(chǎn)率。用FDCA取代HCI做脫水步驟的催化劑，創(chuàng)造了一個可循環(huán)的系統(tǒng)，提高了工藝的經(jīng)濟(jì)性。并且因?yàn)镃I-被消除，則兩步之間的離子交換步驟在后續(xù)循環(huán)反應(yīng)中可直接省略。此外，因?yàn)镕DCA沒有礦物酸的強(qiáng)腐蝕性，反應(yīng)過程中的設(shè)備損耗也將大大降低。但是這一方法仍沒有突破反應(yīng)條件苛刻（脫水步驟需180℃高溫，氧化步驟需4 MPa O2，110℃連續(xù)反應(yīng)20 h）、脫水步驟中HMF的產(chǎn)率偏低的瓶頸，這限制了GVL/H2O（50/50）溶劑體系的大規(guī)模應(yīng)用。

圖10 復(fù)合溶劑體系GVL/H2O中的“一鍋兩步”串聯(lián)機(jī)制Fig.10“One-pot two-step”tandem mechanism of GVL/H2O complex solvent system

5 結(jié)語與展望

FDCA是合成生物基聚酯的重要單體，實(shí)現(xiàn)其高效、廉價的工業(yè)化生產(chǎn)，是生物基聚酯大規(guī)模應(yīng)用的前提[13]。從氧化反應(yīng)源頭來看，HMF的價格較高是制約HMF衍生物FDCA及其聚酯發(fā)展的重要因素之一，這主要是因?yàn)镠MF極不穩(wěn)定，分離純化困難；從脫水反應(yīng)源頭來看，隨著上游糖類加工的技術(shù)日益成熟，葡萄糖和果糖的價格逐漸降低[59]，生產(chǎn)HMF的原料十分廉價易得。在這種現(xiàn)實(shí)情況下，利用“一鍋法”直接由葡萄糖、果糖等六碳糖制備FDCA，避免HMF的分離提純是降低HMF衍生物生產(chǎn)成本的重要舉措。誠然，相比于傳統(tǒng)的“兩步法”，果糖“一鍋法”直接合成FDCA更具競爭力。但是，現(xiàn)階段由“一鍋法”合成FDCA的研究還處于初期階段，直接轉(zhuǎn)化仍然面臨反應(yīng)器設(shè)計難度大、貴金屬催化劑可重復(fù)利用性差、反應(yīng)體系果糖濃度低、反應(yīng)條件不夠溫和等瓶頸，這都限制了“一鍋法”的工業(yè)化應(yīng)用。由于貴金屬催化劑極易氧中毒且價格昂貴，近年來對非貴金屬催化劑的研究也成為熱點(diǎn)。但非貴金屬催化體系目前還存在氧化條件苛刻（高溫、高壓等）、對氧化劑種類要求高[38]（如t-BuOOH）、催化劑單程處理量過低[60]等關(guān)鍵問題。因此，提高非貴金屬催化劑的活性和選擇性，以期在溫和條件下利用環(huán)境友好型氧化劑實(shí)現(xiàn)高濃度HMF氧化制備FDCA是未來研究的主要方向。

在果糖“一鍋法”轉(zhuǎn)化為FDCA的研究中，合理評估有堿和無堿體系的經(jīng)濟(jì)性也是實(shí)現(xiàn)FDCA工業(yè)化廉價生產(chǎn)需要考慮的關(guān)鍵問題之一。在有堿體系中，堿添加劑使得呋喃類產(chǎn)物以鹽的形式存在，這可以避免酸性產(chǎn)物對活性中心的毒化作用，并加速HMF和中間產(chǎn)物的脫氫轉(zhuǎn)化過程[59]，但產(chǎn)物需經(jīng)過濃酸酸化沉淀等后處理過程，這不可避免地造成了環(huán)境的酸污染。面對這樣的情況，無堿體系的開發(fā)是大勢所趨。但在目前“一鍋”無堿體系的研究中，為了減少副反應(yīng)的發(fā)生，大多選擇較低濃度的反應(yīng)物，使得催化劑的空時產(chǎn)率低，導(dǎo)致整個生產(chǎn)過程并不十分經(jīng)濟(jì)，所以如何更好地保證無堿體系的經(jīng)濟(jì)性也是下一步研究的重點(diǎn)。