2004年，美国能源部从300多种源于生物质的化合物出发，筛选出了最具有代表性的12种生物基平台化合物，其中2,5-呋喃二甲酸（FDCA）是芳族生物基平台化学品的代表，被认为是石油衍生物对苯二甲酸的最合适的替代物。FDCA 的含碳数目与葡萄糖相同，而且芳香性比苯环弱，易于降解，其发展前景十分广阔。

例如，与年产量超过 7000 万吨的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）相比，聚呋喃二甲酸乙二醇酯（PEF）不仅可持续性和再生性强，在性能上如耐热性、力学强度、气体阻隔性处于明显的优势，下图是常见参数的对比。

数据来源：中科院宁波材料技术与工程研究所团队

然而PEF价格很大程度上取决于FDCA的价格，FDCA的合成技术与价格是限制PEF推广使用的重要障碍，因此，FDCA成本的降低是业内发展的趋势和目标之一。

FDCA 的合成技术路线主要包括5-羟甲基糠醛（HMF）路线、己糖二酸路线、糠醛路线和二甘醇酸路线，如下图所示。其中，HMF路线最受重视，已取得显著进展，并有望率先实现工业化生产。HMF路线通常分为两步法和一锅法，两步法即首先从糖类脱水得到HMF，将HMF分离、纯化后，再氧化合成FDCA。一锅法是通过糖类脱水得到HMF，HMF不经分离直接被氧化得到目标产物FDCA。

FDCA 合成路线

目前已有多篇论文从原料和催化剂的角度对糖类脱水合成HMF和HMF氧化合成FDCA进行了综述，以下是部分信息分享。

众所周知，在酸催化下糖类经脱水反应可转化为 HMF。2000—2002 年，SERI 等以镧系氯化物为催化剂，比较研究了单糖在水中的脱水反应，发现果糖转化 HMF的产率明显高于葡萄糖、甘露糖、半乳糖等其他单糖。果糖被认为在溶液中以开链、α-吡喃、β-吡喃、α-呋喃、β-呋喃5种形式存在，其中，呋喃型果糖更易脱水生成HMF，而葡萄糖、甘露糖等单糖可通过异构化反应转化为果糖。由果糖脱水合成HMF具有特殊的重要性，是廉价易得的葡萄糖等其他糖类脱水合成HMF 研究的基础。

D-果糖的互变异构体

果糖脱水合成HMF

水体系

由于果糖等糖类在水中溶解度高而在大多数有机溶剂中难溶，最初人们大多使用水作为溶剂来进行糖类脱水合成HMF。水是糖类的优良溶剂，因而可采用高的原料浓度。但水分子的强极性和氢键的强相互作用使得许多固体酸催化剂在水中不稳定，导致催化剂上酸位点的流失。因此，水体系中通常使用均相催化剂，同时又存在难以回收利用的难题。此外，在酸性条件下，HMF易发生再水合反应，生成副产物乙酰丙酸与甲酸，如下图所示，导致 HMF产率下降。

FDCA 合成中主要的副反应

高沸点有机溶剂

具有较强极性的高沸点有机溶剂如二甲基亚砜（DMSO，Tb为189℃）和N，N-二甲基甲酰胺（DMF，Tb 为 153℃）对糖类的溶解性较强，因而逐渐被用作糖类脱水的溶剂。

当前大量的研究使用了高沸点有机溶剂，得到的HMF选择性和产率往往比水溶剂高得多，其中DMSO效果最佳。但高沸点溶剂也存在显著的缺陷，它们与水和许多普通有机溶剂相溶，使得产物通过萃取分离较为困难；沸点高导致产物通过减压蒸馏分离不仅能耗高，而且溶剂难以除净。高沸点溶剂用于HMF的大规模生产仍有赖于这些问题的解决。

低沸点有机溶剂

相比于高沸点溶剂，低沸点溶剂在产物的分离上具有优势，产物溶液能够在较低温度下减压蒸馏去除溶剂，实现产物与溶剂的低能耗分离，因此应受到更多的关注。由于在分离上的优势，在HMF合成中应优先考虑低沸点溶剂。但当前对低沸点溶剂体系中HMF合成的研究相对较少，HMF的选择性和产率有待进一步提高。

两相体系

两相体系由水和难溶于水的有机溶剂组成，生成的HMF可以持续地从水相萃取到有机相中，在提高 HMF 生成速率的同时，抑制了 HMF 再水合副反应的发生。甲基异丁基酮（MIBK）/水是报道最多的两相体系。由于HMF 在水中溶解度大，有机溶剂对 HMF 的萃取效率低，使得 HMF 总产率难以提高，两相体系仍需要更深入的研究。

离子液体

离子液体（ILs）因具有结构/性能可设计性强、挥发性低等特点，作为绿色溶剂广泛用于反应和分离。近年来，出现了多篇离子液体用于糖类脱水合成HMF体系的报道。目前，在离子液体中进行果糖脱水，已有多篇报道得到了高于90%的HMF产率。但与高沸点溶剂类似，采用常规的减压蒸馏方法无法去除离子液体，需要采用萃取剂如乙醚，从离子液体中将HMF分离出来。然而，该法需要大量的循环溶剂，而且萃取时间很长，萃取出的 HMF仍存在与萃取剂二次分离的问题。

综上所述，水是单糖的优良溶剂，但在酸性条件下水会导致 HMF 再水合生成副产物；高沸点有机溶剂和离子液体均有利于果糖的选择性脱水，但都与水和其他普通有机溶剂相溶且沸点过高或挥发度过低，导致分离困难；两相体系的设计仍有待改进，目前产物产率不够理想；低沸点溶剂与产物的分离较易实现，能耗较低，是较为理想的选择。因此，寻找合适的低沸点溶剂应是不错的选择。

HMF氧化合成FDCA 

在HMF氧化合成 FDCA的研究中，已报道的溶剂体系可分为碱性水溶液、酸性水溶液、无碱水溶液以及有机溶剂等。其中，酸性水溶液腐蚀设备严重，且HMF在其中产生大量副产物，使得 FDCA 产率相对较低（＜60%），因此基本不具备产业化的可能。

碱性水溶液

在碱性水溶液中，采用贵金属催化剂催化氧化HMF可以获得接近100%的FDCA产率。由于昂贵的价格，贵金属催化剂的应用要求其具有可回收性和催化稳定性，然而在实际应用中这些催化剂均会由于副产物和中间体在其活性位点上的沉积而出现钝化作用。目前也有采用过渡金属催化剂甚至不用金属催化剂的报道，同样取得了良好的效果。可见，在碱性水溶液中，贵金属催化剂虽然能高效催化HMF氧化合成FDCA，但并非必不可少。使用廉价的过渡金属催化剂甚至无需催化剂，可以避免贵金属催化剂成本高的问题，为 FDCA 的合成提供了新的选择，但产率有待提高。

无碱水溶液

在无碱水溶液中，采用碱性载体负载的或本身呈碱性的贵金属氧化催化剂进行HMF氧化，可取得很高的产率。研究表明，在无碱水溶液中，催化剂的碱性对HMF氧化合成FDCA起到重要作用；但另一方面，在无碱水溶液中使用非碱性氧化催化剂也取得了成功，表明碱性对HMF氧化过程并非是必要条件。相比碱性水溶液，无碱水溶液中的HMF氧化过程避免了溶剂的后处理，对环境更加友好，值得关注并深入研究。

有机溶剂

HMF氧化合成FDCA也可以在有机溶剂中进行。DMSO、DMF 等有机溶剂用于 HMF氧化合成FDCA 的重要性在于，同时可以作为果糖脱水合成HMF的高效溶剂，因而果糖脱水合成 HMF和HMF氧化合成FDCA这两步反应可以在溶剂上得到统一，实现在单一溶剂中以果糖为原料，中间产物HMF 不经分离，直接低廉、高效地合成FDCA。因此有机溶剂体系中的HMF氧化反应研究似乎更有前景。

糖类直接合成FDCA

相比于由糖类脱水合成HMF，HMF 氧化合成FDCA 的两步法，糖类一锅法合成FDCA更值得关注。实现一锅法合成FDCA不仅要避免糖类被直接氧化，还要保证中间体HMF被及时氧化，避免生成副产物，这需要通过设计合适的催化剂和溶剂体系，以分别适应两步反应的各自特点来实现。

将脱水和氧化两种催化剂隔离可以实现一锅法合成FDCA。曾有科学家设计了如下的反应体系，实现果糖在水相中经固体酸催化，生成的HMF经PTFE 膜扩散到MIBK相，最终经Pt-Bi/C 催化生成 FDCA。然而，由于水相中生成了大量的副产物乙酰丙酸，FDCA产率仅为25%。

膜反应器一锅法合成FDCA

值得一提的是有人设计制备了含两种催化剂的双功能催化剂，实现了FDCA的一锅法合成。以 Co(acac)₃/SiO₂为催化剂，其中酸性载体 SiO₂和Co(acac)₃分别起到脱水和氧化作用，在MIBK-水体系中实现了果糖一锅法制备 FDCA，果糖转化率72%，FDCA 选择性达 99%。但该反应条件较为苛刻（165℃、20bar 空气）。

虽然，糖类一锅法合成 FDCA 可将繁琐的两步法合并为一步，避免了HMF的分离和提纯过程，使得FDCA合成的成本大大降低。与两步法相比，一锅法显然更有吸引力，但当前一锅法的目标产物产率偏低，需要更加合理有效的催化剂和反应体系设计。

发展展望

FDCA是合成生物基聚酯的重要单体，其能否实现低廉、高效的大规模生产，是高性能生物基聚酯开发的关键。从HMF路线的两步法分别来看，果糖脱水合成 HMF是酸催化反应，高沸点有机溶剂的使用有利于反应进行，但从产物分离的角度考虑，寻找合适的低沸点有机溶剂是今后重要的研究方向。对于HMF 氧化合成 FDCA，贵金属催化剂在碱性和无碱水溶液中都表现出优异的催化效果，但从成本和可持续性的角度考虑，以非贵金属作为催化剂或不使用金属催化剂，在无碱水溶液或有机溶剂中，进行高活性、高选择性氧化 HMF合成FDCA的新方法依然是今后研究开发的重点。

从HMF路线的整体来看，通过设计多相体系、开发多功能催化剂以及寻找单一溶剂体系均能初步实现一锅法合成FDCA，但当前FDCA产率偏低，反应体系设计有待优化。

以上部分信息节选自文献《HMF路线合成生物基单体 2,5-呋喃二甲酸的研究进展》

关于FDCA及其衍生物的研究探索可谓任重道远，2019国际生物基材料技术与应用论坛将在会前一天（4月17日）组织召开FDCA及其衍生物发展闭门研讨会，近期将发布研讨会规划，欢迎各位同仁积极关注参与。

更多信息可浏览官方网站http://www.bio-basedconf.com/

联系咨询

马老师

电话：0574-87130379

邮箱：xiaoleima@polydt.com