5-羥甲基糠醛路線合成2，5-呋喃二甲酸的研究進展

許智揚，祝 鈞

（北京工商大學輕工科學與工程學院，北京 100048）

0 前言

隨著人們對可持續發展的關注日益增加，研究人員們對可再生資源進行了廣泛的探索。其中，FDCA是一種具有長期、廣泛的應用潛力的生物基化學品，被專家認為是替代現有石油化學品的可持續化學品的重要候選物質，在聚酯類塑料、涂料、纖維織物等多個領域具有廣闊的應用前景。相較于傳統的石油化學品，FDCA 具有較低的碳排放、更好的可降解性和更廣泛的資源來源，尋找一種綠色高效的FDCA 制備方法成為了研究的熱點之一。

目前，合成FDCA 有5 種路線，分別是己糖二酸路線（見圖1）、二甘醇酸路線（見圖2）、糠酸路線（見圖3）、呋喃路線（見圖4）和5-羥甲基糠醛（HMF）路線［1］。其中，己糖二酸路線雖然可以通過脫水環化得到產物但副反應多。二甘醇酸路線簡單但原料價格昂貴?？匪崧肪€雖然原材料成本較低，但產物為混合物，不易分離。呋喃路線的經濟性較低，其中，由HMF 路線合成FDCA 是目前研究最多、最廣泛的，也被認為是最有希望實現FDCA 規?；a的路線，具有重要的經濟效益。HMF 是一種可再生的生物質原料，具有較高的化學活性和廣泛的應用潛力。通過將HMF 經過一系列催化反應轉化為FDCA，不僅可以實現對生物質資源的高效利用，還可以減少對石油化學品的依賴，降低碳排放和環境污染。

圖1 己糖二酸路線合成FDCAFig.1 Synthesis of FDCA by hexosuccinic acid route

圖2 二甘醇酸路線合成FDCAFig.2 Synthesis of FDCA by diethylene glycol acid route

圖3 糠酸路線合成FDCAFig.3 Synthesis of FDCA by furoic acid route

圖4 呋喃路線合成FDCAFig.4 Synthesis of FDCA by furan route

由HMF 合成FDCA 有2 種路線［2］（見圖5）。2 種路線的中間產物是不同的，具體選擇哪種路線取決于反應的條件和生產的要求。在第一種途徑中，醛基優先氧化為羧基以形成5-羥甲基糠酸（HMFCA），隨后HMFCA 的羥基被氧化為醛基，產生5-甲?；匪幔‵FCA），FFCA 被進一步氧化為FDCA。在第二種途徑中，HMF 的羥基優先氧化為醛基以形成2，5-呋喃二甲醛（DFF），隨后DFF 的醛基依次氧化為羧基以通過FFCA產生FDCA。

圖5 通過HMF制備FDCA的2種路線Fig.5 Two routes of preparing FDCA through HMF

本文的目的是對通過HMF 路線制備FDCA 的研究進行綜合和總結。目前，通過HMF合成FDCA 所使用的催化方法有很多種，主要有直接氧化法、貴金屬催化法、過渡金屬催化法、光電催化法、生物酶催化法。本文將介紹各種方法目前的研究進展，并討論制備過程中的挑戰和問題。同時，還將對未來進行展望，以推動FDCA的可持續化學合成和應用。

1 直接氧化法

該方法是指直接使用強氧化性的化合物將HMF轉化為FDCA 的過程，使用這些催化劑不但會對實驗儀器有一定的腐蝕作用，還會產生較多的副產物和廢物，如果處理不當，對環境會造成較為嚴重的污染，處理它們又反過來進一步增加了生產過程中的成本。本段主要介紹的氧化劑為KMnO4、NaClO、H2O2和叔丁基氫過氧化物（t-BuOOH）。

2007年，Miura 等［3］在室溫下使用KMnO4作為氧化劑，在NaOH 的水溶液中制備了FDCA。同時，他們在對比了其他高錳酸金屬鹽的效果后，發現高錳酸鉀的效果最好，FDCA 的產率可以達到89%。2011年，陳天明等［4］發現在n（KMnO4）/n（HMF）=2.4/1，反應時間為10 min，反應溫度為25 ℃時，FDCA 的產率最高。

2014年，宋開賀等［5］以納米金屬氧化物CuO 和Co3O4為反應的催化劑，次氯酸鈉為氧化劑，在常溫常壓條件下催化氧化HMF 合成FDCA，最佳反應條件下總收率為98%。

H2O2可作為一種綠色氧化劑被用來氧化HMF，大多數雜多酸催化劑不溶于水，但它們可以溶解在H2O2的混合體系中［6-8］。H2O2的作用下，不溶性催化劑會形成可溶性活性物質，并且當H2O2用完時，催化劑沉淀以便于回收。2016年，Li 等［9］使用八鉬酸季銨和十二鎢酸季銨作為催化劑，通過H2O2直接將HMF轉化為FDCA。當與H2O2偶聯時，催化劑對FDCA 的選擇性和HMF 的轉化表現出高效的性能。該條件下，FDCA 的選擇性幾乎達到100%，HMF轉化率達到99.5%。

此外，Hansen 等［10］在含氮促進劑的存在下使用由CuCl和t-BuOOH 組成的改性氧化體系作為氧化劑，將HMF 催化氧化為FDCA。由于FDCA 幾乎不溶于反應介質，所以可以通過簡單的過濾來促進產物的有效分離。但產物的飽和可能導致FDCA 沉淀到Cu 催化劑上，或形成FDCA-Cu 鹽，產生的抑制作用會降低反應的效率［11-12］。這種方法也會產生較多的廢物，因此既不清潔也不經濟［13］。

以上，除H2O2屬于綠色氧化劑，其他氧化劑使用時都會產生副產物和大量廢物，選擇性與收率也都較低［14］。使用H2O2作為催化劑，結合適當的促進劑，可以高效地將HMF 氧化為FDCA，并且具有較高的選擇性和轉化率。這種方法也可以減少對傳統強氧化劑的依賴，減少廢物的產生，具有環境友好型和經濟可行性。

2 多相熱催化氧化法

HMF 的多相熱催化氧化法是指使用多相催化劑將HMF催化氧化為FDCA的過程［14］。

多相催化劑是指在反應體系中以固體或液固兩相形式存在的催化劑。相比于傳統的均相催化劑，多相催化劑通常具有較大的表面積和豐富的活性位點，能夠提供更多的反應活性中心，從而提高催化活性。其結構可以通過調控催化劑的制備方法和條件來進行優化，進一步提高催化活性。

不同的溶劑體系和不同的催化劑選擇也都會影響反應路徑［15-20］。關于酸性溶劑體系，使用酸性水溶液對于實驗設備的腐蝕程度往往較為嚴重，且通常會因為產生大量副產物使得產率降低。在堿性的水溶液中，使用貴金屬催化劑合成FDCA 可以獲得可觀的產率，部分產率甚至接近100%；堿的加入還可以讓生成的FDCA 以鹽的形式溶解，使得催化劑表面脫附；但過量的堿在加酸中和處理時會產生廢水，不利于大規模的生產［14］。無堿水溶液通常使用堿性載體來負載貴金屬催化劑，不需要加入過量的堿。但生成的酸性產物可能會與堿性載體發生反應，影響催化劑的使用壽命［21］。堿性對于無堿水溶液不是必需的，例如碳納米管載體對于HMF 的吸附作用也可以促進反應進行。對于DMSO、DMF 等有機溶劑的相關研究也取得了不錯的進展，在有機溶劑中通過果糖合成HMF 和HMF 合成FDCA 的兩步可以不經過分離HMF 連續進行。所以關于有機溶劑的研究在相關反應中有重要價值。

2.1 貴金屬氧化法

貴金屬催化劑催化HMF 氧化為FDCA 的研究是目前最廣泛的。研究表明，貴金屬納米顆粒表面積大、活性位點豐富，具有優異的催化性能。在促進HMF 的氧化反應時，貴金屬表面的活性位點起到了至關重要的作用。通過調節催化劑的晶面結構、表面組成和孔道結構等因素，可以有效地調控催化劑的催化活性和選擇性。例如，利用氧空位可以有效活化分子氧，與貴金屬納米顆粒進行協同作用的原理，對催化劑進行預處理增加其中的氧空位，可以提高催化劑的性能。

貴金屬催化劑還可以通過氧化還原循環來實現反應的連續進行，提高反應的效率和產物的選擇性。通過控制合成條件和添加適當的表面修飾劑，可以進一步提高貴金屬催化劑的催化活性和穩定性。此外，還可以利用載體材料、復合材料等方法來改善催化劑的分散性和穩定性，提高催化劑的循環使用性能。

目前常用的貴金屬催化劑有Pt 催化劑、Au 催化劑、Ru催化劑和Pd催化劑。Pt催化劑因其具有優異的催化性能和穩定性，在許多重要的催化反應中被廣泛應用。常見的Pt 催化劑包括Pt 納米顆粒、Pt 合金催化劑和Pt 負載型催化劑。其中，Pt 納米顆粒具有高比表面積和活性，能夠提高反應速率和產物選擇性。Pt 合金催化劑通過與其他金屬形成合金，可以調節催化劑的活性和選擇性。Pt負載型催化劑通過將Pt顆粒負載在介孔材料或碳材料上，可以提高催化劑的穩定性和再生性。

Miao等［22］將Pt納米粒子負載在Ce0.8Bi0.2O2-δ上，有效地催化HMF氧化為FDCA（見圖6），在室溫下30 min內實現了98%的FDCA 產率，即使催化劑被重復使用了5 次，對FDCA 的選擇性也沒有太大損失。通過在可還原氧化物中摻雜不同價數的雜原子使其產生新的空位，可以調節載體的氧化還原性能，因此含鉍的二氧化鈰會存在大量的氧空位，此外鉍也可以促進過氧化物中間體的裂解，共同加速了氧還原過程。綜合以上特點，我們可以知道Bi 的添加會增強催化劑的抗氧化性，同時又能抑制催化過程中Pt的流失，可以增加催化劑的穩定性，延長催化劑的使用壽命［23］。

圖6 在反應體系中同時存在Pt納米粒子和Bi摻雜的二氧化鈰的情況下HMF氧化的反應機理Fig.6 Reaction mechanism of HMF oxidation in the presence of both Pt nanoparticles and Bi doped cerium dioxide in the reaction system

Zhang 等［24］以Fe3O4為核，和表面由Pt 納米粒子團簇修飾的保護性無定形碳殼共同組成了具有核殼結構的超順磁性Pt 納米粒子催化劑（Fe3O4@C@Pt）并應用于HMF 的氧化。這種催化劑表現出比其他催化劑更高的催化活性，僅在反應4 h 后即可獲得接近于100%的FDCA 產率，且合成的微球催化劑可以重復使用3次以上，不會造成顯著的性能損失。

Au 催化劑現在被認為是許多有機合成基本反應的活性促進劑，與其他催化劑相比，Au 催化劑突出表現了自身的高選擇性。同時，Au 催化劑還表現了其他基本特性，如易于回收性和生物相容性，使用Au 催化劑與直接使用高錳酸鹽、次氯酸鹽等會產生大量廢物的方法相比，顯得更加“綠色”。

Taarning 等［25］和Gorbanev 等［26］都使用了Au-TiO2催化氧化HMF 來制備FDCA，前者在加入少量甲醇鈉（質量分數為8%）作為堿的條件下以甲醇（1/79 摩爾比）為溶劑，后者在高壓氧氣和高堿濃度的條件下在水溶液中反應。

除TiO2之外，CeO2也可以作為載體，Casanova等［27］嘗試使用CeO2作為載體，他們對Au-CeO2進行了預處理，增加了其中的氧空位和Ce3+的比例，來促進O2的活化和脫氫過程，提高催化劑性能。然后他們將其與活性炭載體金催化劑、Fe2O3載體金催化劑比較在水溶液中催化氧化HMF 所得到FDCA 的產率，在NaOH/HMF 摩爾比等于4，130 ℃，1.0 MPa O2的條件下反應8h 后，所得產率達到99%，突顯了CeO2的優勢。這證明了與其他負載型納米顆粒Au 催化劑相比，Au-CeO2是在水中將HMF 好氧氧化成FDCA 的優異催化劑。然而該催化劑需要使用堿且并不穩定，其催化活性在第二次運行中迅速下降。同時他們嘗試探究了Au-CeO2的穩定性和可重復利用性，通過在兩步升溫的過程中進行反應，減少了底物降解并增加了催化劑的壽命。

與Pt、Pd、Au 相比，使用Ru 催化劑的成本要低很多。2017年，Zheng 等［28］使用活性炭作為載體負載Ru納米顆粒，在Mg（OH）2存在的條件下，383 K 和1.0 MPa O2下FDCA 產率達到97%。在相同的反應條件下，Ru/C 在形成FDCA 方面優于Pt/C 和Pd/C 以及其他負載型Ru 催化劑。堿的存在被證明有助于提高反應速率，但堿并非必不可少。2018年，Pichler等［29］制備了不同的ZrO2負載Ru催化劑，并將其用于在無堿條件下將HMF 氧化為FDCA。使用純氧作為氧化劑，水作為溶劑，16 h 后實現了HMF 的完全轉化，FDCA 產率達到97%。Ru顆粒的尺寸對催化性能至關重要，高表面積ZrO2的利用可以使得Ru顆粒非常小，催化劑因此獲得了優異的活性。同年，Ferreira 等［30］使用Ru/Al2O3催化劑，以Na2CO3提供堿性條件（pH=11），在高氧氣壓力（30 bar O2）下氧化HMF 的FDCA 產率達到了98%，且在每次運行后催化活性完全恢復，從綠色化學的角度來看Ru/Al2O3催化劑有不錯的應用前景。

Pd 催化劑具有催化活性高、選擇性好、易合成使用、易回收再生、多種反應可行、與其他催化劑配合使用有獨特效果、對功能團容忍性好等特點。2015年，Liu等［31］以Fe2O3為核，碳層為殼，組成具有核殼結構的磁性微粒，再將Pd 納米顆粒固定在上面，制備出催化劑Pd/C@Fe2O3。在優化的反應條件下，HMF 的轉化率接近100%，FDCA 產率達到了87.8%。該催化劑的優勢在于不需要大量的堿、不需要高氧氣壓力、完成反應后可以通過磁場進行便捷回收，有利于催化劑的重復使用。

單一貴金屬催化劑存在不穩定性等缺點，因此人們引入第二種金屬來調整催化劑的結構，進一步增加催化劑的活性和穩定性。Albonetti 等［32］制備出Au-Ce催化劑，將FDCA 的產率提高到了92%。2022年，Cheng等［33］發現Pt-Cu合金納米顆粒是催化HMF 氧化為FDCA的高活性催化劑，其中Cu到Pt的電子轉移增強了催化劑的性能。

貴金屬催化劑也存在一些缺點。首先，貴金屬催化劑的制備成本較高，這使得貴金屬催化劑在大規模工業應用中的成本效益受到限制。其次，在使用過程中貴金屬催化劑的壽命會降低，影響催化劑活性和選擇性，需要定期對催化劑進行再生或更換。特別是某些對反應條件較為敏感的貴金屬催化劑，需要較嚴格的反應條件才能發揮良好的催化效果。

雖然貴金屬催化劑存在一些缺點，但其在有機合成和其他領域的應用仍然非常重要且廣泛。隨著科學技術的發展，人們正不斷努力降低其成本和對環境的影響。

2.2 過渡金屬催化劑法

過渡金屬催化劑在HMF 氧化制備FDCA 的反應中不但顯示出高催化活性、高穩定性，相對于貴金屬催化劑來說成本更加低廉。因此其在大規模的工業應用中更具有經濟可行性。雖然目前已替代或部分替代貴金屬催化劑完成HMF 的選擇性氧化，但仍存在一些問題。

Mn 基氧化物具有原材料成本低、結構多樣、低毒和環保特性。Hayashi等［34］發現MnO2會與氧氣反應生成MnOOH 使反應物活化，使得HMF 完全轉化時得到了91%的FDCA 產率。他們還發現堿濃度對產率有影響，隨著堿濃度的上升，HMF 的轉化率也會變高，但也會生成更多的副產物。Mn 基催化劑的金屬氧化物催化體系同樣成本低、相較于前者催化效率更高，但是在反應過程中需要使用大量的堿，不但對設備有所損害，還會污染環境。Neatu 等［35］在堿性水溶液中使用Mn/Fe 雙金屬氧化物作為催化劑，氧化劑為氧氣，在Mn 和Fe 物質的量比為3/1 時，FDCA 產率達到90%。在該實驗中，堿促進HMF 氧化為FFCA，Mn3+和Mn4+的混合物與赤鐵礦相共存，協同作用使FFCA 可以在溫和條件下被進一步有效地氧化為FDCA。

銅基催化劑避免了使用堿。Liu 等［36］制備了氨基官能化的SBA-15（SBA-15 是最常見的介孔二氧化硅之一，表面積、孔徑和孔體積都較大），并用來固定Cu2+和VO2+，分別得到了SBA-NH2-VO2+和SBA-NH2-Cu2+催化劑，因為氨基官能化的SBA-15對Cu2+等多種金屬陽離子表現出較高的親和力，金屬陽離子得以穩定地存在于介孔中。該實驗使用氧氣作為氧化劑，在110 ℃的甲苯和4-氯甲苯中得到了28.9%的FDCA 產率。最重要的是產物易被分離，催化劑可以循環使用，并且其催化活性沒有顯著降低。

鐵、鈷氧化物催化劑不但成本低廉、催化活性較高，其合成也簡單，更因為其屬于磁性氧化物，也可以通過磁場作用來達到分離產物的目的［37］。但多數相關催化體系都需要高壓條件，不易控制。Gawade 等［13］以MnFe2O4為催化劑，過氧化氫叔丁醇（TBHP）為氧化劑，對HMF進行氧化，Mn的價態變化使得催化劑活性較高，在100 ℃下反應5 h所得到的HMF轉化率和FDCA 的產率都較高（85%）。該實驗在反應中沒有使用堿，對環境污染小。且循環使用4次后的活性和選擇性幾乎沒有損失。

3 光電催化氧化法

與傳統的化學氧化方法相比，光電催化氧化法通常在室溫下進行，無須高溫和高壓條件；不需要使用傳統氧化劑，使用的催化劑通常是可再生、易回收的，對環境友好；可以精確控制反應的速率和產物的選擇性，滿足不同實際應用的需求。這些優點使得它成為一種有潛力的安全、清潔的綠色催化氧化法。

3.1 電催化法

相較于其他催化方法，電催化法可以通過控制電流強度或電位來調控反應的結果，以便捷地找到最合適的環境與反應條件［38-39］

Cai 等［40］首次研究了鎳基二維金屬有機骨架（2D MOFs）作為電催化劑將HMF 氧化為FDCA，2D MOFs 是由離子和對苯二甲酸（BDC）配體配位形成的。他們通過溶劑熱法成功合成了一系列金屬摻雜（Co、Fe、Mn）的2D Ni-MOFs。其中，Co 摻雜的NiCoBDC-NF 表現出優秀的催化活性、選擇性和穩定性。FDCA產率為99%，法拉第效率為78.8%。Co2+和配體使得在2D MOFs中容易形成高價態的Ni離子，是醇和醛氧化的活性位點。

Taitt 等［41］系統地比較了NiOOH、CoOOH 和FeOOH 電極在pH=13 的溶液中對HMF 電催化氧化為FDCA 的活性，發現它們具有明顯不同的催化能力。結果表明，相較于CoOOH 和FeOOH，NiOOH 是用于電化學氧化HMF 的最有效的催化劑，在1.47 V 相對可逆氫電極下實現了96.0%的FDCA 產率和96.0%的法拉第效率。CoOOH可以在相較于NiOOH 更低的電勢下催化HMF 氧化，是因為在低電勢下CoOOH 可以發生Co（OH）2/CoOOH 轉化，但CoOOH 也只在低電位有優勢，這是因為只有在低電位下才會實現該轉化；當施加更大的正電勢以增加HMF 的氧化速率時，會發生水氧化，從而降低HMF 氧化時的法拉第效率。在低于水氧化起始電位的電位下，FeOOH 對HMF 氧化并不表現出任何催化活性。但在1.71 V恒定電位的條件下進行的HMF 氧化過程中卻可以檢測到微量FDCA，這表明FeOOH也具有氧化HMF的能力。

催化劑的結構設計對催化活性也有重要作用。Gao 等［42］以導電的NiSe 納米線為核心，活性NiOx為外殼組成了NiSe@NiOx核殼納米線，并將其作為氧化HMF 的電催化劑?；钚晕稽c為NiOx殼層中的高價態Ni，NiSe 及核殼結構都是可以提高HMF 的轉化率的。其表現的Tafel 斜率較?。?3 mV/dec），同時還具有99%的法拉第效率，即使在連續電解后仍然顯示出強大的穩定性。

Zhang 等［43］制備了NiBx作為催化劑，讓對硝基苯酚還原制備對氨基苯酚的同時將HMF 氧化制備FDCA。轉化率和FDCA 產率均大于等于99%。這證明了太陽能驅動生物質轉化的可行性［15］，應該在未來的綠色化學中被具體應用，具有實際意義。

3.2 光催化法

太陽能是取之不盡用之不竭的綠色能源，因此光催化法與其他方法相比蘊含著巨大的潛力。Cha 等［44］研究了一種產氫光電電池PEC，嘗試使用太陽能進行生物質轉化，陰極為水還原產生氫，在陽極由四甲基哌啶氮氧化物（TEMPO）介導將HMF 氧化為FDCA，獲得了大于等于99%的產率和100%的法拉第效率。這表明，太陽能驅動的生物質轉化可以是一種可行的陽極反應，有可能提高太陽能電池的效率。

Xu 等［45］報道了一種分散附著在石墨相氮化碳（g-C3N4）上的硫代卟啉鈷（CoPz）光催化劑CoPz/g-C3N4，在太陽光下使用空氣中的氧分子作為氧化劑，催化HMF 選擇性氧化為FDCA（見圖7）。在環境溫度和空氣壓力下，在pH=9.18 的水溶液中最高獲得了96.1%的FDCA 產率。在pH=4.01 下會生成DFF。因此，可以通過調節反應體系的pH 來選擇目標產物。催化劑中CoPz 與g-C3N4之間存在較強的相互作用，可以促進CoPz 在光照下產生1O2（單線態氧1），同時抑制g-C3N4產生羥基自由基的能力（羥基自由基對反應選擇性有一定影響），1O2選擇性將HMF 氧化為FDCA。此外，該催化劑可以循環使用［46］。

圖7 CoPz/g-C3N4光催化氧化HMF制備FDCA的可能機理Fig.7 Possible mechanism of CoPz/g-C3N4 photocatalytic oxidation of HMF to prepare FDCA

Han 等［47］制備了由鎳納米離子修飾的超薄CdS 納米片催化劑（Ni/CdS）［48-49］，見光照射下，HMF 被催化氧化為FDCA，轉化率和產率都接近100%。HMF 中醛基與Ni/CdS 的結合親和力強，選擇性好，且催化劑比較穩定。

4 生物催化法

生物催化法是使用酶催化或全細胞催化來促進化學反應的一種方法。其通常在溫和的條件下進行，能夠以可再生的方式利用廢棄物和可再生資源，具有環境友好性和高選擇性。這使得生物催化法在多個領域具有廣泛的應用前景。

4.1 酶催化法

一種新酶活性的鑒定和開發成功，通常能夠開啟一個新的生物催化工程［48］。2014年，Dijkman 等［50］發現了一種新的HMF 氧化酶（HMFO）能夠高效轉化HMF 為FDCA，產率大于95%，雖然在FFCA 階段經常受挫，但該實驗突出了酶在生物催化氧化中的作用。

通常，需要多種酶來氧化HMF 中的羥基和羰基，因為大多數酶都只能做到兩者之一［51］。2015年，Carro等［52］報道了真菌芳醇氧化酶（AAO）氧化HMF 的能力，在幾個小時內可以將HMF 幾乎完全轉化為FFCA。之后他們發現AAO 不能直接氧化FFCA 中的羰基，只有少量的FDCA由HMF形成，這可能是AAO產生的H2O2的原因。隨后他們通過引入一種真菌非特異性血紅素過氧酶（UPO）來完成向FDCA 的轉化，通過利用AAO 產生的H2O2，該酶可以將FFCA 轉化為FDCA（見圖8）。當AAO 生產FFCA 完成時，通過添加UPO，可以得到達91%的FDCA 產率，O2是唯一需要的共底物，水為唯一副產物。

圖8 AAO和UPO的作用機理Fig.8 Mechanism of action of AAO and UPO

一鍋氧化法具有不需要分離中間產物，效率高的優點。McKanna 等［53］通過控制反應條件，使用半乳糖氧化酶Goase M3-5、周漿醛氧化酶（PaoABC）、過氧化氫酶和辣根過氧化物酶（HRP），通過HMF的一鍋反應成功制備了FDCA，產率可高達100%。PaoABC 可以直接氧化FFCA 的醛基為羧基，并且不需要水合過程［54］。但當HMF的濃度過高時，會生成副產物HMFCA。

利用酶與化學結合的方法，能夠將酶催化的選擇性與化學催化的高效性結合發揮，并且可以達到互補的效果［54］。Wang 等［55］報道了以TEMPO 為介質的磁性漆酶催化劑具有顯著的氧化HMF為FDCA 的能力。在最佳反應條件下反應96 h 后，獲得了100%的HMF轉化率和90.2%的FDCA 產率。磁性漆酶催化劑具有較好的可回收性和穩定性，在6次催化循環后仍保持較好的催化活性（84.8%）。

4.2 全細胞生物催化法

全細胞生物催化法利用完整的微生物體作為生物催化劑，細胞膜提供了一個良好的環境，使得目標產物能夠在細胞內穩定轉化，耐受性和穩定性高。同時無須對酶進行分離純化，具有成本低和效率高的優勢［48，54］。

Koopman 等［56］從貪銅菌中得到一種新的HMF 氧化還原酶，可將HMF 轉化為FDCA。他們將編碼該氧化還原酶的hmfH 基因引入惡臭假單胞菌S12 中，得到了全細胞生物催化劑，并將其用作催化HMF 合成FDCA，產率達到97%。

Yang 等［57］分離了線形硬毛藻（Chaetomorpha linum）中能夠將HMF 轉化為FDCA 的微生物，并將其用作催化HMF 氧化。其中，分離的洋蔥伯克霍爾德氏菌H-2 可在28 ℃、初始pH=7 的條件下轉化2 000 mg/L 的HMF 為1 276 mg/L 的FDCA。該研究之后，他們在當地校園土壤中富集和分離了能夠將HMF 轉化為FDCA的輻射耐受甲基桿菌G-2［58］，并對其生物轉化和生產FDCA 的能力進行了表征。該菌株在26 ℃、初始pH=7 的條件下能將1 000 mg/L 的HMF 完全轉化為最大濃度513.9 mg/L 的FDCA。隨著反應的進行，FDCA 的量變多，pH 值隨之降低。但洋蔥伯克霍爾德氏菌H-2 和輻射耐受甲基桿菌G-2 在pH=7 的環境中才具有優良的催化活性，不過增加底物后，pH 值對催化活性的影響會降低，這說明其對HMF 催化氧化的大規模工業應用具有幫助。

Rajesh 等［59］首次報道了黃曲霉生產FDCA。他們從土壤樣品中分離微生物，并分別評估其催化活性。在分離物中，黃曲霉APLS-1菌株被發現可以有效促進HMF 向FDCA 的轉化，具體表現為在14 d 內將1 g/L的HMF 轉化為0.83 g/L 的FDCA。他們還發現高于1 g/L 的HMF 濃度對生物體有毒，并且更高的細胞濃度使氧受限并降低FDCA的產率。

Yang 等［60］在Krystof 等［61］實驗的基礎上利用睪丸酮叢毛單胞菌（testosteroni Comamonas SC1588）細胞和漆酶-TEMPO系統，將HMF一鍋法合成FDCA。該反應通過HMFCA 的路徑。HMFCA 的形成使得pH值降低到酸性范圍，有利于漆酶-TEMPO 的催化氧化，在36 h 內獲得了87%的FDCA 產率。Yuan 等［62］將HMFO 和hmfH 的基因引入解鳥氨酸拉烏爾菌（Raoultella ornithinolytica BF60），通過基因的共同表達來優化生產FDCA。相較于僅使用解鳥氨酸拉烏爾菌，大大增加了HMF的轉化率和FDCA的產率。

但全細胞生物催化法仍存在缺陷，氧氣在水中的溶解度本身就有限，細胞還會與反應爭奪O2，這是一項不可避免的挑戰。目前，雙酶級聯氧化可能會解決這一問題［63］，該方法具有較低的O2依賴性，再通過H2O2的內循環，可能會實現O2的最大化有效利用。

5 結語

通過HMF 路線制備FDCA 是一項具有重要意義的研究工作。實現大規模的工業應用仍面臨著一些挑戰，貴金屬催化法雖然催化效率較高，但成本較高，不適用于大規模工業生產；過渡金屬催化法較前者成本低廉，但研究不如前者完善，反應條件苛刻，也存在污染環境的情況；電催化法易控制催化劑活性和目標產物，但所需的電解質使后處理增加了成本；光催化法所使用的能源較為環保，但能量轉化率較低；生物催化法雖然選擇性高且反應條件溫和，但反應周期長。綜合來看，光電催化法和生物催化法屬于新型催化法，更符合可持續發展的理念。

一種可能的改進方法是設計并合成具有特定結構的新型催化劑，以提高催化反應的效率和選擇性。在設計新的催化體系時，最好滿足成本低廉且催化活性可觀，同時應該注意環境友好性，例如盡量減少堿的使用。重點可以研究新型生物催化劑，生物催化劑優勢巨大但研究存在瓶頸，新生物催化劑的研究可以實現高效可持續的FDCA合成方法。

另一個改進的方向是改善現有催化劑的穩定性。由于FDCA 的制備過程中可能會發生反應催化劑的失活和壽命的降低，因此需要提高催化劑的穩定性和抗失活性能?？梢酝ㄟ^改變催化劑的結構、調控催化反應條件等手段來提高催化劑的穩定性。

為了提高FDCA 的產率和純度，未來的研究工作還可以集中在優化反應條件方面。一方面，可以通過調節反應溫度和反應時間來提高FDCA 的產率和純度。另一方面，可以研究不同的溶劑和反應氣氛對FDCA 合成的影響，并選擇最適合的條件以提高FDCA的產率和純度。

在FDCA 的合成過程中，產生了一系列中間體，這些中間體的分離和純化直接影響FDCA 的產率和純度，合適的分離和純化方法可降低生產成本和環境影響。一種可能的解決方案是應用新型的分離和純化技術，實現對中間體的高效分離和純化，并循環利用溶劑和催化劑，減少廢物的產生。另外，開發高效的、可以選擇性地轉化中間體的新催化劑來減少或避免中間體的產生，也可以簡化分離和純化的過程。

總之，隨著新催化劑的設計與合成、現有催化劑的改進、反應條件的優化以及中間體的純化和分離方法的發展，FDCA 制備方法的效率和可持續性將得到進一步提高，推進其大規模產業化進程。