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鉴于生物质的负碳特性和减少塑料污染的需要，生物基聚合物作为传统化石基材料的可持续替代品，受到越来越多的关注。生物基单体合成领域正在经历快速发展。2,5-呋喃二甲酸（FDCA）是美国能源部推荐的 12 种价值最高的结构单元中唯一具有芳香环和二元酸结构的生物基单体，可用于合成完全可再生的聚酯、聚酰胺、环氧树脂和其他聚合物。例如，聚呋喃乙烯酸乙二醇酯（PEF）是一种由 FDCA 聚合而成的植物基塑料，与石油基包装材料相比，其碳足迹低约 50%，气体阻隔性更好，机械性能更好。
目前，FDCA可以通过多种途径合成，如黏糠酸和5-羟甲基糠醛（HMF）等。其中，由纤维素、葡萄糖或果糖转化而来的HMF被认为是合成FDCA的最佳底物。基于葡萄糖转化为果糖的工业化进程，从果糖脱水制备HMF，再经过实验室条件下的HMF到FDCA的催化氧化，已成为FDCA生产的主流策略。然而，这一方法存在一些障碍，如原材料的限制、HMF的不稳定性、中间产物的分离和纯化等，从而导致FDCA的生产成本较高，市场竞争力不足。
图1. FDCA生产策略
近日，南京工业大学生物与制药工程学院武红丽教授、曹飞教授、化学与分子工程学院先进化学制造研究院（IAS）赵莉莉教授以及欧阳平凯院士团队在《Green Chemistry》杂志联合发表了题为“Chemo-enzymatic cascades producing 2,5-furandicarboxylic acid precursors via D-gluconate “barbell-oxidation” and dehydration”的研究论文，该研究提出了一种新型化学法-酶法级联生产策略，成功从廉价工业底物D-葡萄糖酸钠通过“杠铃式生物氧化”和脱水高效生产2,5-呋喃二甲酸（FDCA），产率达到77.9%。
研究团队选择以廉价的D-葡萄糖酸钠为底物，通过生物合成5-酮-D-葡萄糖酸（5KGA），再通过化学方法生产FDCA。首先对葡萄糖酸5-脱氢酶（Ga5DH）进行了详细表征。发现G. oxydans菌株H24是一种产生葡萄糖酸（GA）衍生物的醋酸菌，其高氧化速率与低生物量产量相关，非常适合工业应用。通过蛋白质序列比对，筛选出G. oxydans H24中的新型葡萄糖酸5-脱氢酶序列。对Ga5DH进行了克隆和表达，并证实其在NADP+辅因子的作用下对GA具有催化活性。通过高分辨质谱分析，确认Ga5DH能够将GA转化为5KGA。性质表征显示Ga5DH在40℃下具有较好的热稳定性，半衰期为187小时，并对有机溶剂，特别是正丁酸酯和正辛烷具有较好的耐受性。
研究者进一步构建了高效生物催化系统，用于制备2,5-呋喃二甲酸（5KGA）。系统由Ga5DH和PsCR组成，PsCR以COBE为底物，再生NADP+促进5KGA合成。优化条件下，系统表现出较佳催化活性，在2小时内完成葡萄糖酸到5KGA的转化并同时得到(S)-CHBE药物中间体。优选pH 8.0和温度30°C为较佳条件。优化底物/辅基比例，150 U PsCR时达到最佳效果，GA转化率和5KGA产率分别为89%和83%。进一步利用全细胞系统构建易分离的两相催化系统，5KGA产率提高至109.5 g/L。
图2. 生物催化系统的反应曲线
在此基础上，研究团队建立了完备的“杠铃式氧化”系统，通过高效的串联生物氧化和反应分离模块，实现了COBE的完整转化。该“杠铃式氧化”系统由两种菌株构成，可以在有机相中将COBE转化为(S)-CHBE同时再生胞内NADP+，并在无需额外分离的情况下，将葡萄糖转化为GA，并进一步催化生产5KGA。这个系统可以最大程度地提高原子经济性，节约能源和材料。通过该系统，可以高效、连续地生产5KGA和(S)-CHBE，实现了目标产物的顺序和完全收获，最大程度地实现原子经济性。
图3. “杠铃式氧化”系统
研究者进一步研究了从葡萄糖酸制备2,5-二羧基呋喃（FDCA）的新途径。通过生物氧化和脱水步骤，将葡萄糖酸转化为nBu-FFCA中间体，再经过氧化反应制得FDCA。研究优化了5KGA的脱水过程，发现n-丁醇/H2SO4体系得到最高77.9%的nBu-FFCA收率。初步试验中使用DMSO溶剂获得42.7%的FFCA收率，但伴随不期望的糠醛生成。其他溶剂导致FFCA收率降低和糠醛增加。固体Brønsted酸催化剂TfOH、H2SO4、MSA和TsOH产率超过30%，而HBr和HCl的产率不到15%。最终选择n-丁醇/H2SO4体系，经优化得到77.9%的nBu-FFCA收率，总产率达70.9%。该途径具有工业化潜力，利用易得原料和稳定中间体nBu-FFCA，总产率高于常规方法。可持续性评估结果也有利，具有更高的碳效率和质量效率，有助于可持续化学制造。
图4. 新型催化途径和以往方法的对比
研究还探索了5KGA脱水的反应机制。果糖脱水生成丙酮酸和甲酸，而5KGA脱水导致了副产物，影响产率。研究发现，5KGA以多种构象存在，其中环形5KGA（c-5KGA）是主要形式。硫酸催化5KGA从线性转变为c-5KGA，作为脱水反应的前体。高分辨质谱（HRMS）分析显示，脱水产生了三类中间产物：c-5KGA脱水中间产物，FFCA和nBu-FFCA。副产物FF由c-5KGA中间体脱羧形成。理论计算揭示了5KGA脱水的具体路径。硫酸首先攻击c-5KGA的羟基，形成中间体IM1。随后去水步骤生成IM2，再次攻击甲基的氢原子，形成IM3。整个反应过程中，去水步骤是速率决定步骤。研究揭示了5KGA脱水的机制，有助于理解天然糖类脱水反应。
图5.对反应自由能的理论计算
总的来说，该研究开发了一种新颖的化学-酶级联策略，可以从商业化的葡萄糖酸中合成FDCA前体。该方法为实现FDCA的大规模生产提供了重要的参考和启示，为生物基聚合物的工业化应用开辟了新的道路。这将有助于推动生物基聚合物在取代传统塑料中的应用，为环境保护和可持续发展做出积极贡献。
来源：生物基能源与材料
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