综述：甲醛及其替代品作为脱碳现代社会的碳一（C1）平台

《Chemical Society Reviews》：Formaldehyde and its surrogates as a C1 platform for defossilised modern societies

甲醛作为C1化学的核心分子，在可再生能源存储（如LOHCs、e-fuels）、碳捕获与利用（CCUS）、生物质高值化等领域展现出重要应用潜力。本文系统综述了甲醛的合成路径（包括甲烷氧化、CO?电催化还原及生物质转化）、催化降解机制（光/电催化）、以及其在有机合成中的多功能应用（如多组分反应、手性C–C键形成）。同时探讨了甲醛工业生产的环境影响及毒性控制策略，提出通过酶催化、多相催化等绿色技术实现甲醛的循环利用，并推动其在可持续发展目标（SDGs 6,7,9,12,13）中的角色升级。

　　正式dehyde（甲醛）作为一种基础的C1化合物，其在化学领域的多面性和应用潜力，使其成为推动可持续发展的重要分子。在现代化学研究和工业应用中，甲醛不仅在合成化学中扮演着关键角色，还因其在能源储存、碳捕集与利用、生物质增值等领域的应用，展现出为未来绿色社会提供重要支持的可能性。本文旨在探讨甲醛及其相关替代物在可持续发展中的应用前景，包括其在能源转化、环保工艺和创新化学合成中的潜力，以及这些应用如何与联合国可持续发展目标（UNSDGs）相关联。

甲醛的自然来源与生物作用

甲醛在自然界中广泛存在，是宇宙中最简单的醛类化合物之一，其形成可以追溯到137亿年前的宇宙早期。在生物系统中，甲醛作为反应中间体，参与多种重要化学过程，如碳固定、CO?还原和生物脱毒等。在这些过程中，甲醛起到桥梁作用，能够转化为生物体所需的复杂分子，如糖类和氨基酸。然而，由于其高度反应性，甲醛在生物体内并不积累，而是通过一系列化学反应转化为二氧化碳。这一特性使得甲醛在生物代谢中具有独特的地位，既作为能量转换的中间产物，也作为生物体内潜在的毒物。人体每天的自然甲醛代谢量约为878-1310 mg/kg体重，且其半衰期仅为1-1.5分钟，说明其在体内停留时间极短，但依然对生物体具有重要影响。这种短暂的存在和高反应性使得甲醛在生物体内既是必要的中间体，也是潜在的毒性物质。

甲醛在工业中的应用

在工业领域，甲醛及其替代物（如聚甲醛、甲氧基甲烷等）广泛用于树脂、染料、化妆品、消毒剂等产品的制造。甲醛的生产主要依赖于FORMOX工艺，该工艺使用钼/铁催化剂和铁钼酸盐，将甲醇转化为甲醛。由于甲醇是目前全球重要的化工原料，甲醛的生产也高度依赖于甲醇工业。此外，甲醛还被用于合成一些重要的氢载体，如1,3,5-三氧烷、六甲基三胺等，这些分子在某些特定的工业应用中表现出良好的稳定性。然而，甲醛在工业中的使用也带来了环境和健康问题，如其在空气、水体中的排放以及对工人和消费者的潜在危害。因此，如何在工业应用中减少甲醛的使用并优化其转化路径，成为当前研究的重要课题。

甲醛的反应条件与限制

甲醛的反应特性使其在某些应用中具有独特优势，但同时也带来了挑战。其高反应性意味着在某些条件下容易发生副反应，如Cannizzaro反应，这在强碱性环境中尤为明显。此外，甲醛在水中的溶解度和稳定性也受到pH值和温度的影响，需要通过精确的pH缓冲和适当的溶剂选择来控制反应路径。例如，在碱性条件下，甲醛容易被转化为甲醇和甲酸，而这些副反应可能影响目标产物的生成效率。因此，反应条件的优化是实现甲醛高效转化的关键。

甲醛在能源存储与转化中的潜力

甲醛在能源存储和转化领域也展现出重要潜力。例如，甲醛及其替代物可作为液态有机氢载体（LOHCs）用于氢气储存，从而减少对传统氢气储存技术的依赖。此外，甲醛还可用于合成可再生燃料，如氧化甲基醚（OMEs），这些燃料在能量密度和燃烧清洁性方面具有优势，可能成为柴油和航空燃料的替代品。甲醛的氢气生成能力也受到广泛关注，特别是在光催化和电催化反应中，通过特定催化剂的调控，甲醛可以转化为氢气并释放出二氧化碳。这些反应通常需要在温和的条件下进行，以避免副反应的发生。例如，某些光催化剂在可见光照射下能够实现甲醛的高效分解，生成氢气和二氧化碳，同时减少对环境的污染。

甲醛在合成化学中的应用

在合成化学中，甲醛因其独特的反应性，成为多种反应路径的重要组成部分。例如，其与C-亲核试剂、伯胺、醇和硫醇的反应，能够生成羟甲基化产物，这些产物在不同条件下可以进一步转化为烯烃或亚胺。此外，甲醛还参与多种环化反应，如Prins型环化反应，能够生成具有高立体选择性的异构体。在金属催化条件下，甲醛可以作为C1单元参与甲基化、羟甲基化、炔化等反应，从而生成多种有机化合物。这些反应通常需要特定的催化剂和反应条件，以实现高选择性和产率。

甲醛与生物质的关联

甲醛在生物质利用方面也具有重要价值。生物质主要由碳水化合物和木质素组成，而木质素因其高能量密度，成为生产芳香化合物的重要来源。然而，由于木质素的复杂结构，其降解和转化一直是挑战。甲醛的引入能够有效稳定木质素，阻止其形成稳定的C-C键，从而提高单体的产率。此外，甲醛还可以作为生物质转化过程中的中间产物，通过催化氧化或其他反应路径，转化为有价值的产物，如甲酸和甲醇。这种转化不仅有助于减少碳排放，还能够提高生物质利用的效率。

甲醛在可持续发展中的角色

甲醛及其替代物在多个联合国可持续发展目标（UNSDGs）中具有重要意义。例如，其在可再生能源储存、碳捕集与利用（CCUS）和生物质增值方面的应用，与UNSDGs 6（清洁水和卫生）、7（可负担的清洁能源）、9（工业创新和基础设施）、12（负责任的消费和生产）以及13（气候行动）密切相关。通过优化甲醛的生产与转化路径，可以减少对化石燃料的依赖，提高能源利用效率，并减少环境污染。此外，甲醛在生物催化和光催化反应中的应用，也为开发更环保的化学工艺提供了新的思路。

未来挑战与发展方向

尽管甲醛在多个领域展现出广阔的应用前景，但其高反应性和环境影响仍然是需要克服的挑战。在工业应用中，如何减少甲醛的排放并提高其转化效率，是当前研究的重点。在合成化学中，如何通过催化策略实现甲醛的高效利用，同时避免副反应的发生，也是亟待解决的问题。此外，甲醛在生物质转化中的作用仍需进一步研究，以充分发挥其在可再生能源生产中的潜力。未来，随着技术的进步和对可持续发展的重视，甲醛及其替代物有望在更多领域得到应用，并为构建无化石燃料的社会提供重要支持。