从生物质衍生原料到2,5-呋喃二甲酸产品的合成研究进展

郭重阳，王玉高，申峻，牛艳霞，刘刚，盛清涛

（太原理工大学化学化工学院，山西太原030024）

在经济高速发展的今天，随着环境污染的不断增加和化石燃料的逐渐枯竭，寻找绿色可再生的生物基原料来代替传统化石原料的问题越来越为人们所关注[1]。2,5-呋喃二甲酸（2,5-FDCA）作为一种敏感性强、稳定性好的化工中间体，可用于合成多种精细化学品和呋喃衍生聚合物。在碱性条件下2,5-FDCA 可溶于水，酸性条件下为白色粉末状固体，是制备耐腐蚀塑料的重要单体。而且由于具有与石油基单体对苯二甲酸（PTA）相类似的芳环体系[2]和合成聚酯所需的二酸结构，2,5-FDCA成为一种适合与二醇和二胺进行缩聚反应的单体[3]。

在2004 年，美国能源部首次提出了12 种具有高附加值的生物基化学物质，其中就包含2,5-FDCA。该名单于2010年更新后，2,5-FDCA再次被列入其中，由于具有巨大的市场潜力而被称为“沉睡的巨人”[4]。2,5-FDCA 作为一种绿色生物基物质，可应用于合成聚酯、塑化剂、消防及医药领域[5]。特别是在聚酯行业，2,5-FDCA无论是合成聚酯还是共聚酯，其热力学性能都与传统的PTA 聚酯和共聚酯比较接近。近年来聚酯下游产品需求旺盛，PTA作为重要的石油基化工单体，产能和产量得以迅猛发展。截止2019 年，我国PTA 产量占全球比例约为57.4%，PTA表观消费量已经达到4514万吨/年。据公开资料显示，预计2020—2022 年，PTA 将迎来新一轮产能投放周期，至2022 年底，PTA 合计有2930 万吨的产能投放计划。但由于化石能源的不可再生性，所以寻找绿色节能的PTA替代物成为社会发展的需要，而2,5-FDCA 作为最理想的PTA 替代物[6]必将成为未来研究发展的重点。

发展至今，2,5-FDCA的制备得到了广泛研究，故已有多篇文献[5-8]从原料、氧化剂、溶剂体系以及产品应用等方面展开了综述。原料的选择不仅决定反应的难易程度，更影响着产物的环保绿色生产。目前5-羟甲基糠醛（HMF）、糠酸等多种原料均可用于制备2,5-FDCA，且HMF作为常规路线受到研究者们的大量关注。但由于HMF 主要来源于己糖等可食用生物质，故本文在对HMF 路线的研究基础上也注重于不可食用生物质为来源的糠酸合成路线。以绿色高效合成2,5-FDCA 为目标对各种原料的合成方法、反应机理以及面临的挑战进行了总结，并通过对比分析各路线的优缺点论述了近年来2,5-FDCA合成的研究进展。

1 HMF氧化路线

HMF 作为一种生物基化学品，可由己糖或果糖等六碳糖脱水生成。其化学性质比较活泼，通过氧化、氢化和缩合等反应可以制备多种衍生物，被公认为一种多功能平台化学品，是重要的精细化工原料。

1.1 直接氧化法

HMF 的直接氧化法是以HMF 为原料，通过氧化剂将呋喃环侧位的醛基和羟甲基分别氧化为羧基的方法[7]。华南理工大学陈天明等[9]以HMF为原料，研究了KMnO4对其进行催化氧化制备2,5-FDCA 的方法。在该项研究中以1mmol HMF 为定量，考察了KMnO4用量、碱溶液的浓度和反应时间对反应的影响。经实验优化可知当反应温度为25℃、KMnO4用 量 为HMF 的2.4 倍[n(KMnO4)∶n(HMF)=2.4∶1]、NaOH 碱溶液的浓度为2.2mol/L 时，反应10min即可得到收率为76.3%的2,5-FDCA。与之相似，常萌等[10]也对碱性条件下利用KMnO4氧化法催化氧化HMF制备2,5-FDCA进行了系统研究和条件优化。KMnO4氧化法制备2,5-FDCA，是一种不用贵金属催化剂、在室温下就可进行的简便方法，然而该方法中KMnO4的用量较大。通过使用化学计量的KMnO4作为末端催化剂，催化氧化HMF 生产2,5-FDCA，产品收率不理想，还会产生大量的重金属废弃物，环境效益有待提升。

与KMnO4相比，H2O2是一种有效的绿色强氧化剂。Zhang 等[11]在碱性和无催化剂条件下，使用H2O2作为氧化剂直接氧化HMF，有效地制备了2,5-FDCA。在系统研究了反应参数对实验的影响后得出：当n(HMF)∶n(KOH)∶n(H2O2)=1∶4∶8、70℃的反应温度下反应15min，2,5-FDCA 可得到55.6%的最高产率，纯度达到99%。该制备技术具有工艺简单、反应时间短、产物易于分离等优势，而且这种合成方法无需加入催化剂，可降低2,5-FDCA 的生产成本，是一种有益于环境友好发展的绿色生产技术。

1.2 金属催化氧化法

1.2.1 有碱存在的氧化体系

碱性环境对于提高HMF 选择性氧化的活性和产物的收率非常有利，产物2,5-FDCA 以盐形式存在，极大地提高了产物在水相中的溶解度，便于与催化剂分离，同时也减少了酸性产物对活性中心的毒化。因此，在碱性条件进行HMF 的催化氧化得到了广泛研究。

（1）O2氧化法 催化HMF制备2,5-FDCA的研究大部分以O2作为氧化剂，是一条环境友好型的可持续发展道路。一直以来，基于贵金属的高活性，贵金属催化HMF 氧化的研究陆续被报道。Miao 等[12]首次提出以Ce 基材料为载体，制备了可高 效 催 化HMF 氧 化 的Pt/Ce0.8Bi0.2O2-δ催 化 剂。Pt高度分散在所有载体中，有效地催化HMF 氧化为2,5-FDCA，在室温下反应30min，即可获得收率为98%的2,5-FDCA，且多次使用后催化剂仍保持着高催化活性，2,5-FDCA的选择性也没有太大损失。与Pt和Pd相比，Au具有相对较高的抗水性和抗O2性。虽然Au 在反应中易失活，但可以通过与其他金属生成合金的方式来提高其催化活性和稳定性。Gui 等[13]利用沉积-沉淀法合成了以羟基碳酸锌（ZOC）为载体的Au-Pd 双金属催化剂。制备的Au-Pd/ZOC 催化剂在碱性NaHCO3存在下，于80℃和3bar（1bar=105Pa）O2的温和条件，对水中的HMF 氧化表现出优异的催化活性，从而可定量获得 2,5-FDCA，产率超过99%。加入碱不仅可以提高2,5-FDCA 的收率，还可以稳定载体ZOC，使催化剂在经过6 次回收利用后未发生明显失活，产物收率基本保持在96%左右。

目前，以O2为氧化剂，利用含贵金属的负载型催化剂将HMF氧化为2,5-FDCA已得到广泛的研究。在反应条件下，贵金属催化剂表现出优异的催化性能，收率较高，碱性添加剂则通过与形成的羧酸中间体/产物反应生成相应的盐来使得催化剂活性得到保持。然而，由于贵金属催化剂成本较高，寻找在较温和条件下可以高效转化HMF 为目标产物的廉价金属催化剂受到了日益广泛的关注。此外，若能在反应过程中减少碱的用量，则可以进一步提高生产过程中的环境和成本效益，更加有利于此路线工业化的发展。

（2）空气氧化法 直接选择空气作为氧化剂避免了过高的O2压力，在一定程度上降低了生产的成本，但是也同样需要贵金属或贵金属合金催化剂对其进行催化氧化。载体的选择关系到催化剂的稳定性，碱的种类和数量则直接影响着HMF 的降解和氧化，增加碱的用量可明显提高整体催化活性，但过量的碱溶液不利于2,5-FDCA 的工业化生产及环境保护。Xu 等[14]报道了一种将硫卟啉钴（CoPz）分散在g-C3N4（简称CoPz/g-C3N4）的光催化剂，在模拟光下，以空气中的氧分子作为良性氧化剂，于弱碱溶液中对HMF选择性氧化为2,5-FDCA表现出良好的催化活性。氧化过程的初步机理如图1所示，在该光催化体系中，CoPz/g-C3N4合成催化剂具有很强的吸光能力，与g-C3N4结合的CoPz 通过能量传递离子将3O2转化为1O2。1O2具有合适的氧化能力，可以选择性地将HMF 氧化成所需的2,5-FDCA。实验表明催化剂中的CoPz 与g-C3N4具有较强的相互作用，且在弱碱（pH=9.18）溶液中，光催化氧化HMF 在CoPz/g-C3N4催化剂上可以达到极好的效果，HMF的转化率和2,5-FDCA的选择性在反应过程中逐渐增加，14h 后分别达到99.1%和97.0%。

该反应在常温常压下，通过改变为弱酸性条件进行，还可应用于选择性氧化HMF 制2,5-二甲酰基呋喃（DFF）体系。催化剂可循环使用，而作为温和条件下以优异的收率将HMF 选择性光催化氧化为2,5-FDCA 的一个典型反应，为从生物质衍生物生产增值化学品的研究提供了启发。

图1 CoPz/g-C3N4光催化氧化HMF成为2，5-FDCA的可能机理

1.2.2 无碱存在的氧化体系

在HMF选择性氧化为2,5-FDCA的反应中，碱溶液的存在可以解除酸在催化剂表面的强吸附，从而促进整个氧化反应体系的进行[8]。但由于HMF的不稳定性，碱溶液也会使HMF 逐渐降解，且碱溶液的使用不利于产物的工业化生产和环境友好型发展。考虑到产物酸化提纯等后处理带来的一系列问题，无碱环境的HMF 选择性氧化研究逐渐引起研究者的关注。据报道[15]，通过为金属纳米颗粒选择合适的载体，可以绕过向反应物中添加碱基的步骤，另一种方法是基于使用水滑石之类的碱性载体。Gupa等[16]通过将Au负载于水滑石（HT）上制得Au/HT 催化剂，在1bar O2的环境条件下，该催化剂于水中催化氧化HMF生成2,5-FDCA，且产率可达到99%。水滑石在HMF 的氧化过程中代替了液体碱的作用，但水滑石性质不稳定，在反应过程中会逐渐溶解。所以近年来无碱氧化体系中催化剂的研究主要集中于选择合适的非碱性载体。

（1）碳材料载体 催化HMF 选择性氧化为2,5-FDCA 是由生物质及其衍生原料生产化学品的重要组成部分，而研发在温和条件下催化活性高且易于回收的催化剂则是当前面临的巨大挑战。Zhou等[17]发现碳纳米管（CNT）负载的Au-Pd 合金（简称Au-Pd/CNT）催化剂可以在不添加碱的水中催化HMF有氧氧化为2,5-FDCA。CNT因其自身的碳结构、纯度高、与负载的金属纳米颗粒的可控相互作用、出色的电子和热传递等特点，可被用来作为良好的催化剂或催化剂载体。由此制备出的Au-Pd/CNT 催化剂在无碱水相体系中可催化氧化HMF获得收率为96%的2,5-FDCA。在上述发现基础上，该团队[18]进一步研究了CNT 上负载贵金属（Pt/CNT、Au/CNT、Pd/CNT、Ru/CNT和Ir/CNT）在无碱条件下于水中对HMF的有氧氧化。结果显示，在基于碳材料的催化剂中，Pt/CNT 是最有效的催化剂。该催化剂在7次循环使用后，HMF的转化率和2,5-FDCA的选择性仍分别保持在100%和98%，未见显著降低。Pt/CNT 催化HMF 氧化反应中，羟基优先氧化形成DFF作为主要产物，DFF随后通过两次串联氧化生成2,5-FDCA。如图2 所示，偕二醇中间体可能由DFF 水合形成，然后在Pt 纳米颗粒存在的情况下，氧化脱氢生成5-甲酰基呋喃-2-甲酸（FFCA）。同样，FFCA 的醛基水合作用可能会产生另一种偕二醇中间体，并在后续反应中被氧化为2,5-FDCA。

在无液体碱条件下，O2氧化氧原子利用率高，而且仅有水这一副产物，环境友好，是一种较理想的反应体系。CNT等碳材料由于具有较高的比表面积和良好的吸附能力可使催化剂的催化性能大幅提升，但要获得含氧官能团以功能化制备催化剂，则需要使用浓HCl 和HNO3等对其进行预处理。另一方面在O2的氧化反应中，碳材料可以在高温条件下被氧化[19]从而阻碍工业化的生产，故需要开发更加简单、稳定的催化剂以促进反应的进行。

（2） 金属氧化物载体 Danilo 等[15]以纳米NiO(nNiO)为载体，选择特定的Au、Pd 金属成分（原子比为6∶4）合成催化剂。该催化剂与氧分子在90℃无碱条件下催化氧化HMF为2,5-FDCA，实现了95%的转化率和70%的收率。在该双金属催化剂的重复使用实验表明，三次重复使用中催化剂稳定性较高，活性没有降低。在无碱水溶液中将HMF 氧化为2,5-FDCA，使用金属氧化物作为载体比使用碳材料（如CNT 等）的选择性低得多，这主要是由于金属氧化物较低的表面积和传统方法较低的金属负载量导致金属活性位点对反应物/中间体的催化活性和吸附能力较差。Shen等[19]报道了利用原子层沉积在低表面积氧化锆（ZrO2）上沉淀Pt纳米粒子，将HMF高效氧化为2,5-FDCA。在不添加碱的情况下，HMF在2h内完全转化，2,5-FDCA的收率为34.1%，反应6h 后，2,5-FDCA 的收率为85.9%，反应12h后，2,5-FDCA的收率达到97.3%。该研究中使用的Pt/ZrO2催化剂在无碱条件下对HMF 的选择性氧化具有较好的催化性能，活性与碳材料负载的Pt 基催化剂非常接近。这为HMF 催化氧化反应中基于金属氧化物作为载体的高效催化剂开发提供了很好的借鉴作用，但该类催化剂的稳定性还需要进一步地证实。

图2 Pt/CNT催化DFF和FFCA在有O2存在的水中发生转化可能的反应机制

1.3 生物酶催化剂

使用化学催化的方法使HMF转化为2,5-FDCA存在一系列的成本和环境问题，不利于2,5-FDCA的大规模工业化生产，而生物酶催化剂的使用为绿色环保生成2,5-FDCA提供了另一种可能性。

2014 年荷兰格列宁根大学Dijkman 等[20]通过研究发现了一种FAD 依赖性酶，该酶可以在常温常压下将2,5-呋喃二甲醇经过4个连续氧化反应，高产率得到2,5-FDCA。其反应机理如图3 所示，对基本机理的研究表明，氧化酶只作用于醇基，并依赖于形成2,5-FDCA 所需氧化反应的醛的水合作用。这种FAD 依赖性酶对HMF 的催化反应主要以路线A 的方式进行反应，反应结果显示2,5-FDCA的收率达到99%。而Mckenna等[21]采用半乳糖氧化酶M3-5和醛氧化酶PaoABC 的一锅串联酶反应，在室温和接近中性pH 的条件下可实现HMF 到2,5-FDCA 的高转化率。研究结果表明，在温和条件下该酶表现出较好的活性，可使呋喃环侧位的羟基和醛基得到高效的转化，生成产率为74%的2,5-FDCA。

生物酶催化剂的出现，克服了贵金属催化剂的一些缺点，合成条件温和，经济环保，具有独特的优势。然而由于酶的使用常常具有在各种环境和工业条件下稳定性和可重复使用性较差[22]，以及在化学反应中的直接利用会受到过程寿命较短的限制等问题，因而阻碍了酶在生物催化工业中的实际应用。

HMF 路线的原料由可食用葡萄糖和果糖等脱水得到，葡萄糖、果糖和半乳糖均是食品原料，价格相对低廉，若短期小规模制备2,5-FDCA，原料来源和价格均可满足需求。就制备方法而言，相比于己糖二酸路线存在的异构化和碳化副反应，HMF 路线因收率高和副产物少得到了学术界和工业界大量深入而广泛的研究。但是若要进行长期大规模的工业化生产，则需要考虑实现食品行业与工业生产的协调发展。而采用不可食用的木质纤维素水解制备HMF，由于副反应较多、分离困难，现研究大多集中在实验室阶段，所以采用木质纤维素生成HMF 成本较高[23]，这也是制约HMF 衍生物发展的重要因素。

2 糠酸路线

2.1 歧化法

2013 年，荷兰Thiyagarajan 等[24]对糠酸作原料转化为2,5-FDCA 的路线进行了研究，发现该路线可以实现糠酸的金属盐对呋喃二甲酸（FDCA）的有效转化，且FDCA的总收率可以达到90%，反应机理如图4所示。中国科学技术大学的潘涛[25]也对催化糠酸歧化反应生成FDCA进行了研究。将糠酸盐固体加入ZnCl2催化剂，在250℃的温度下固相无溶剂反应3h，糠酸钾转化率为61%，得到2,5-FDCA的最高选择性为86%。

图3 酶催化HMF氧化的两条途径

图4 歧化反应合成FDCA

采用该方法虽然具有原料价格低的优势，但在糠酸盐对FDCA的转化过程中存在异构化反应，从而生成2,5-FDCA和2,4-FDCA。由于两者物化性质较为接近，产品混合物分离困难，若直接用于高分子合成会破坏高分子链的规整排列，影响性能，不利于该路线的实际应用。

2.2 C—H羧基化法

为解决糠酸转化合成2,5-FDCA 反应中的异构化分离问题，2016 年美国斯坦福大学Kanan 课题组[26]以CO2为碳源，在反应体系中加入了Cs2CO3进行辅助催化。如图5所示，含有铯或钾离子的中温（200～350℃）熔融盐可使碳酸根离子（CO）脱去糠酸弱酸性C—H 键的质子，从而生成碳酸氢盐（MHCO3）和以碳为中心的亲核试剂（M+C-）。M+C-与CO2形成羧酸盐（C—CO2M），MHCO3的分解则导致每生成一定量的C—CO2M 净消耗一半当量的CO和CO2，然后通过加入HCl使C—CO2M质子化得到2,5-FDCA。该反应生成的2,5-FDCA具有高收率和高选择性，解决了糠酸路线制备2,5-FDCA 选择性差的问题。用电渗析法再生酸和碱，HCl被循环用于质子化步骤，而金属氢氧化物（MOH）与CO2反应生成金属碳酸盐（M2CO3），实现了在不添加其他化学试剂的条件下C—H 和CO2净转化为C—CO2H的循环反应。

随后，Kanan 课题组[27]对其进行了放大研究，实验结果表明，在百克级制备规模下2,5-FDCA 的收率可达89%，且纯度为100%，这为其后续小试生产奠定了坚实基础。羧基化反应中不使用溶剂或催化剂，消除了回收和补充这些组分的负担，其简单性更有利于工业化的开发。此外，羧基化反应在相对较低纯度的CO2（99.5%）下表现良好，CO2还可以很容易地在大规模的工业过程中进行再循环，以最大程度地转化利用CO2，避免了昂贵且耗能的CO2纯化操作。而碱金属离子的可回收性也使得该路线更加有利于2,5-FDCA 的工业化生产。更重要的是，糠酸易由糠醛制得，而糠醛的木质纤维素制备工艺已非常成熟，因此，该路线描绘了一种基于木质纤维素生产2,5-FDCA的方法。

为从糠醛原料出发合成2,5-FDCA，Zhou 等[28]合成出一种单原子钴-氮掺杂碳（CoSAs/N@C）催化剂。该催化剂加入1.5 当量的Cs2CO3不仅可以将糠醛选择性氧化为糠酸，还可以将糠醛氧化得到的糠酸盐与CO2反应生成2,5-FDCA。在制备2,5-FDCA 的过程中，将糠醛氧化所得的含糠酸盐和Cs2CO3的混合物直接于流动CO2中进行羧基化反应。与此报道使用工业纯糠酸原料在相同条件下制备2,5-FDCA的结果（2,5-FDCA收率为76%，选择性为82.6%）相比，使用糠醛氧化衍生物得到了收率为71.7%的2,5-FDCA，选择性为82.9%。在糠醛氧化过程中，Cs2CO3被用作碱添加剂，在随后的反应中还可以促进糠酸盐的5 位C—H 羧基化，从而使CO2作为原料合成所需的2,5-FDCA。

就原料而言，与常规基于己糖的路线相比，这种利用糠酸生成2,5-FDCA 的羧基化路线具有很多潜在优势。因为糠酸可由糠醛制成，而糠醛由不可食用的木质纤维素生物质工业化生产已有一百多年，生产原料为玉米芯等半纤维素废弃物，从而避免了与食物链产生竞争[29]；糠醛氧化为糠酸也较容易且该路线避免了反应后期产物的氧化。与现存的其他反应路线相比，Kanan团队报道的反应在糠酸羧基化过程中无需使用高能试剂或过渡金属催化剂，这极大地降低了生产的成本。Cs2CO3可以循环使用，产物也可以很容易地从反应混合物中分离出来，这两个特点都有助于扩大反应规模。木质纤维素是地球上最丰富的可再生生物质资源，由木质纤维素衍生原料糠酸合成2,5-FDCA，在绿色协调可持续的条件下，具有不与人争粮和不与粮争地的独特优势。CO2来源丰富，价格低，不易燃且比工业过程中广泛使用的大多数化学药品毒性小[30]，但因为其反应活性相对较弱，很难被活化，所以将CO2作为合成原料进行化学品和工业燃料的生产一直是化学领域的长期目标[31-32]。在该路线中使用M2CO3促进C—H羧基化的方法，不仅使CO2得到了利用，而且在C—C 键的形成过程中不需要消耗昂贵的高能试剂，故此路线提供的羧基化路径为CO2的高效利用和基于不可食用的废弃生物质制备精细化学品提供了一条有效方案。

图5 CO促进的C—H羧基化与金属离子的回收

2.3 羰基化合成法

Chen等[33]首先通过连续的溴化、酯化、羰基化和水解有效地将糠酸转化为2,5-FDCA，如图6 所示。每一步的收率均在80%以上，其中最关键的5-溴-呋喃-2-羧酸乙酯的羰基化步骤，在进行克级规模实验中，也保持着90%的分离收率。在温和条件下，糠酸四步反应得到2,5-FDCA 的总收率达到了65%。在后续的发展中，Chen等[34]又报道了一种新型的5-溴糠酸羰基化催化剂体系，将0.2mmol 的5-溴糠酸在含有5%（物质的量比）PdCl2/PPh3/Xantphos、25当量的水、CO气体环境的催化体系中加入3 当量NaHCO3，可使转化率达到99%，2,5-FDCA 的产率为90%。在10bar CO 气体条件下进行的克级2,5-FDCA 合成实验中，仅添加0.5%的催化剂，2,5-FDCA 的分离产率就达到91%。该工艺既突出了羰基化反应中催化剂的高活性，也为糠酸高产率制备2,5-FDCA 的发展提供了一条新方法，但工艺路线较为繁琐，且使用了卤族元素，经济效益和环保效益有待提高。

2.4 其他方法

Payne等[35]发现纯化得到的重组HmfF酶能够在体外脱羧2,5-FDCA 为糠酸，但不能进一步脱羧糠酸为呋喃。为了研究HmfF 酶催化逆反应将糠酸羧基化生成2,5-FDCA 的能力，将纯化的PtHmfF 和GkHmfF 酶 与50mmol/L 糠 酸 和1mol/L MHCO3在50℃的条件下温育一夜。结果显示，加入1mol/L KHCO3，无论是在1atm（1atm=1.013×105Pa）的N2还是32bar 的CO2气体条件下均没有显著差异，生成约2mmol/L 的2,5-FDCA。没有MHCO3存在时，在32bar 的CO2气体条件下约有150μmol/L 的2,5-FDCA 生成，而在N2条件下则没有检测出2,5-FDCA。虽然HmfF 酶催化生成2,5-FDCA 提供了一种新的酶催化方法，但即使在高CO2压力环境下，其产量依旧很低。

刘浪等[36]以糠酸为原料，经过酯化、氯甲基化、水解、氧化四步反应得到2,5-FDCA，并对各步反应进行了优化。以糠酸为起始原料，与甲醇反应制得Ⅱ，然后经氯甲基化得到中间体Ⅲ，水解得到Ⅳ，最后经KMnO4氧化制得目标化合物Ⅰ，反应过程如图7 所示。该工艺顺利完成了3 次20L 扩试反应，平均收率可达47.3%，产品纯度大于99.4%。

3 其他路线

3.1 呋喃路线

中国科学院宁波材料所的生物基高分子材料课题组[37-40]利用纤维素水解、环化制备的生物基化学品呋喃为原料，以乙酸酐为酰化剂，在60℃条件下合成2-乙酰基呋喃。以甲磺酸为催化剂时，2-乙酰基呋喃的收率达到98.3%。将得到的2-乙酰基呋喃用乙酸酐进一步酰基化，甲磺酸催化的Friedel-Crafts 反应在120℃进行，合成的2,5-二乙酰基呋喃（2,5-DAF）收率仅为40.2%。最后通过碘仿反应将乙酰基转化为羧基得到2,5-FDCA，收率为97.1%，产物纯度＞99%。合成路线如图8所示。

图6 羰基化反应合成2，5-FDCA

图7 四步反应合成2，5-FDCA

图8 酰基化碘仿反应生成2，5-FDCA

该反应在温和的条件下进行，无有害催化剂，具有简单高效、流程短和副产物易回收等特点。原料呋喃和乙酸酐是由可再生原料生产的大宗化学品，催化剂为常用的液体酸，且没有检测到有毒废物，故此方法对绿色合成2,5-FDCA 具有重大意义。呋喃通过两步酰基化反应生成2,5-DAF，反应中生成的乙酸副产物可直接回收脱水制备原料乙酸酐。碘仿反应无需复杂催化剂在室温下即可较快进行，生成的副产物碘仿作为重要的工业原料也容易回收。若该方法可进一步提高收率，有望实现纤维素到2,5-FDCA 的低成本、规模化制备。然而，以呋喃为原料，虽然方法简单，但从呋喃到2,5-FDCA 总产率仅为38.4%，需要开发温和高效的酸性催化剂。

3.2 己糖二酸路线

Lewkowsk[41]以半乳糖氧化得到的半乳糖二酸为起始原料，将半乳糖二酸与对甲苯磺酸一水合物140℃下搅拌2h 使其脱水环化。冷却后添加4%含水氯化钙生成沉淀，过滤并添加浓HCl 酸化得到2,5-FDCA 固体，烘干后产品收率为52%，如图9所示。

图9 半乳糖二酸路线合成2，5-FDCA

Brǎtulescu[42]则以葡萄糖氧化得到的葡萄糖二酸为起始原料，在微波反应器中，以苯磺酸为催化剂脱水得到2,5-FDCA，收率为58%。

葡萄糖二酸和半乳糖二酸通过脱水环化一步可以得到2,5-FDCA，方法简单，但原料在酸性条件下容易发生异构化和碳化副反应，导致收率较低。

3.3 二甘醇酸路线

在KOH 的作用下1,2-二羰基化合物与二甘醇酸二甲酯在环己烷中回流可缩合成2,5-FDCA。李伟杰等[43]以二甘醇酸为原料，在甲醇中滴加二氯亚砜并回流搅拌6h 进行酯化。然后将反应后提纯得到的二甘醇酸二甲酯与KOH加入环己烷中回流1h，再加入二水合三聚乙二醛继续回流6～8h。反应后经分离提纯得到目标产物，收率为73.4%，合成路线如图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-水体系中，乙二醛在缩合反应的前期发生了部分重排反应。二甘醇酸路线对目标产物的生产方法最为简单，但原料价格昂贵且产率不高，不适合运用于大规模的工业化生产。

4 结语与展望

化石原料作为推动社会发展的重要力量，在人类文明的进步中扮演着重要角色，源于石化资源的各种衍生物在生活中也是随处可见。然而，由于能源需求巨大和环境污染等一系列问题，寻找可持续发展的绿色生物质原料已成为科技发展的重要方向。

2,5-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，是生物基聚酯开发的关键。在本文介绍的各合成路线中，HMF合成路线在工业化的应用中需解决原料来源、成本以及绿色环保问题，对于HMF 氧化合成2,5-FDCA，贵金属催化剂在碱性和非碱性水溶液中都催化效果显著，但就工业化成本以及可持续性而言还是应该对非贵金属催化剂于非碱性条件下进行高效氧化的新方法进行研发；呋喃、己糖二酸和二甘醇酸路线由于收率较低，不利于工业化的生产；CO促进的糠酸C—H羧基化路线不仅原料易得，而且可以使温室气体CO2得到利用，在金属离子得到回收的同时仅需少量的能量。整个反应体系中无需使用高能试剂，合成路线较简单，与HMF路线相比可持续、更经济，不仅绿色环保而且为在较温和条件下低成本高效制备2,5-FDCA 提供了一条重要通道。

综上所述，生物基单体2,5-FDCA 的制备应选择以废弃或不可食用的木质纤维素生物质为起始原料。在未来的研究中需要更加注重于开发简单高效的促进糠酸C—H 羧基化方法，以实现2,5-FDCA低成本、批量化生产，最终实现高性能生物基高分子材料的可持续发展。从更广泛的意义上讲，化工生产的研究应以植物光合作用为例，在追求可再生的基础上发展为有效利用CO2来合成我们所需的原料和产品。

图10 二甘醇酸两步合成2，5-FDCA