综述：基于2,5-呋喃二甲酸聚合物的研究进展

《European Polymer Journal》：Advances in the research of 2,5-furandicarboxylic acid (FDCA)-based polymers

本综述系统阐述了以2,5-呋喃二甲酸（FDCA）这一关键生物基平台化合物为单体，合成高性能聚合物（如聚酯、聚酰胺、聚酰亚胺等）的研究进展。文章重点介绍了FDCA的合成、聚合物性能优化及其在可生物降解包装、柔性电子、生物医学和防火等领域的应用，并展望了其作为可持续化学构建模块所面临的挑战与未来前景，为生态友好型材料的设计与商业化提供了重要指导。

　　

Abstract

随着环境问题日益突出、化石燃料储量减少以及消费持续增长，对可持续材料的需求激增，使得生物基材料的开发成为至关重要的任务。2,5-呋喃二甲酸（FDCA）是一种前景广阔的生物质衍生二元酸，具有可再生性、低碳足迹和结构可设计性。其多功能性使得生产各种高性能可生物降解聚合物成为可能，包括聚酯、聚酰胺和聚酰亚胺，这使其成为石油衍生对苯二甲酸（TPA）的主要生物基替代品。本综述系统考察了基于FDCA的高性能聚合物的进展。我们介绍了FDCA合成、性能优化及其在可生物降解包装、柔性电子、生物医学和防火领域应用的最新进展。最后，我们讨论了FDCA作为可持续化学构建模块所面临的挑战和未来前景，旨在指导生态友好型材料的设计和商业化。

Introduction

化石燃料虽然在现代工业发展中起着关键作用，但不可再生，并导致严重的环境问题，包括空气和水污染、生态系统退化以及温室气体排放。持续大规模的化石燃料开采，加上能源枯竭和日益增加的环境压力，构成了重大的全球性挑战。在全球追求碳中和的驱动下，化学工业正在经历战略转型。建立基于可再生资源（如生物质）的原料体系对于实现绿色制造、重塑工业价值链和构建循环经济至关重要。因此，探索和开发替代清洁能源已成为研究的焦点。生物质是一种存在于有机生命体中的丰富可再生资源，由于其可用性、碳中和性及成本效益，为聚合物生产提供了一种有前景的替代原料。

FDCA是一种可再生、环境友好的二元酸，具有芳香呋喃环结构。作为一种高价值的生物基化学品，它被公认为生物质衍生的十二种关键平台化学品之一，并且是其中唯一的芳香族化合物。呋喃环表现出弱芳香性和高二烯活性的双重特性。与苯相比，其较低的共振能和受限的电子离域导致FDCA单体在缩聚反应中具有更高的反应活性，但热稳定性较差。同时，增强的二烯特性使得FDCA衍生物能够通过狄尔斯-阿尔德反应容易地形成动态共价网络，从而赋予材料自修复和可回收性。这种独特的电子结构使FDCA成为构建多种高性能功能聚合物的有前途的生物基单体。

近年来，呋喃二甲酸（FDCA）已成为石油衍生对苯二甲酸（TPA）的生物基替代品，用于合成具有重要市场潜力的高价值聚合物。除了聚合物合成，FDCA还可作为有机合成、药物和金属有机框架中的多功能中间体。例如，在适当催化剂作用下，FDCA开环加氢生成己二酸，为可持续生产己二酸（AA）提供了一条有吸引力且具有挑战性的绿色路线。己二酸是尼龙6,6生产的关键单体，也是众多化学应用（包括聚氨酯、树脂、增塑剂以及食品/药品添加剂）中的重要中间体。目前工业上通过石油基环己烷或环己烯氧化法生产己二酸。这些过程能耗高、产率低，并且由于使用硝酸会产生大量氮氧化物排放。如图所示，生物质衍生的四氢呋喃-2,5-二甲酸（THFDCA）为AA生产提供了一种有前景的可再生替代品，呈现出一条有待进一步开发的途径。

本综述总结了当前关于FDCA基聚合物的研究，重点关注其合成、性能以及针对高价值应用的优化，包括聚酯、聚酰胺、环氧树脂和聚酰亚胺。文章重点介绍了合成技术的最新进展，为这些材料的未来设计和合成提供了见解。讨论了在可生物降解包装、电子、涂料、医疗器械和防火等方面的应用。最后，我们系统地分析了FDCA作为可持续化学构建模块所面临的挑战和未来前景，为高性能FDCA基聚合物的发展提供了展望。

Sustainability: A green cornerstone derived from renewable resources

作为关键的生物基平台单体，FDCA的核心优势在于其源自可再生碳源的低碳足迹——这是其与常规石油基路径的根本区别。这种可持续性优势主要基于其原料的广泛可得性及高转化效率。目前FDCA的合成方法大致分为生物合成和化学合成。化学合成路线主要涉及...

FDCA-based polyesters

使用FDCA作为主要单体合成FDCA基聚酯的主要方法包括氯化法、酯化缩聚、酯交换缩聚、改性酯交换缩聚以及开环聚合。当前的工业聚酯生产主要采用酯化缩聚和酯交换缩聚法（与石油基PET合成兼容），但这些过程需要较高的反应...

Conclusions and future perspectives

对化石资源枯竭日益加剧的环境担忧正在推动材料研究的根本性转变，可再生生物质衍生聚合物正作为战略性替代品出现。通过级联生物精炼过程实现生物质的可持续增值正在革新材料科学，特别是在开发生物基聚合物体系以替代传统的石化类似物方面。微生物生物合成、酶催化、化学催化和材料加工技术的融合正在加速这一转变。FDCA作为关键的生物基平台分子，凭借其独特的芳香呋喃环结构和可衍生化位点，展现出替代对苯二甲酸（TPA）等石油基单体的巨大潜力。基于FDCA的聚酯、聚酰胺、聚酰亚胺等材料在机械性能、阻隔性能、热稳定性以及可生物降解性方面表现出色，为其在包装、电子、生物医学等领域的应用奠定了基础。然而，FDCA及其聚合物的商业化仍面临成本、合成效率、规模化生产以及特定性能优化等挑战。未来的研究需要集中在开发更高效、绿色的FDCA合成路线，优化聚合工艺以控制分子量和立构规整度，深入理解聚合物结构与性能的关系，以及探索新的应用领域。通过跨学科合作和持续的技术创新，FDCA基聚合物有望在可持续材料领域发挥越来越重要的作用，为构建绿色、循环的经济发展模式做出贡献。

CRediT authorship contribution statement

Shuping Wei:写作-审阅和编辑，写作-初稿，监督，方法论，调查，形式分析，概念化。 Leipeng Liu:写作-审阅和编辑，写作-初稿，监督，方法论，概念化。 Yuanduo Duan:写作-审阅和编辑，方法论。 Xiaofei Chen:写作-初稿，形式分析。 Boyi Tian:监督，方法论。 Pengfei Yuan:形式分析，概念化。 Shenghua Lv:写作-初稿，...

Declaration of competing interest

作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文报告的工作。

Acknowledgement

这项工作得到了国家自然科学基金（批准号52203011）和中国博士后科学基金（批准号2019TQ0257）的资助。