综述：追踪氧原子从碳水化合物转移到可再生化学品的过程，以实现氧化还原反应的经济性和减少废物产量的合成方法

《RSC Sustainability》：Tracing oxygen-atom relocation from carbohydrates to renewable chemicals for redox-economic and waste-minimized syntheses

　　含氧官能团的小有机分子是有机化学制造行业中的关键化学构建单元。源自生物质的碳水化合物是合成具有定制分子结构、性质和功能的有机化学品的有前景的原料。有机转化的选择和顺序、试剂、合成辅助剂以及其他反应条件共同决定了合成过程的可扩展性、经济吸引力和环境可持续性。将氧原子从碳水化合物战略性地转移到可再生化学品中，可以促进开发节省氧化还原能和减少废物的合成途径。本综述介绍了一个概念框架，用于追踪氧原子从生物分子转移到可再生化学品的过程，为合理的合成设计提供了定量基础。氧化物经济指数（REI）是一种新的绿色化学指标，用于分析和评估可再生化学品多步骤合成途径的有效性，在其中氧化还原步骤被策略性地用于构建它们的分子框架。

追踪可再生化学品中糖分子的氧原子对于设计节省氧化还原能和减少废物的合成路线非常有益。各种绿色指标有助于分析和评估替代合成途径的可持续性。本综述介绍了一种新的绿色指标——氧化物经济指数（REI），它可以用来监测生产特定有机化学品的多步骤合成途径中涉及的氧化和还原过程。REI的概念已经应用于各种类别的有机产品，包括碳氢化合物燃料、溶剂、单体和化学中间体。这项工作与以下联合国可持续发展目标（SDGs）一致：负担得起的清洁能源（SDG 7）、工业、创新和基础设施（SDG 9）、负责任的消费和生产（SDG 12）以及气候行动（SDG 13）。

1. 引言

将石油转化为功能化的有机化学品和合成聚合物需要几个精心设计的分离、纯化和化学修饰步骤。将源自石油的基于碳氢化合物的大宗化学品转化为精细化学品涉及引入杂原子官能团的选择性氧化步骤。尽管这些步骤主要是催化的，但它们仍然会产生大量的有害废物，以副产物和侧产品的形式存在。少数几种源自石油的初级石化产品可以转化为几乎涵盖所有主要商业重要有机产品类别的有机分子。在过去的一个世纪中，利用石油作为主要原料，合成有机化学及相关领域（如催化和药物化学）取得了显著的进展。然而，绿色化学和可持续的合成实践只能延长使用石油这一不可再生资源生产液体燃料、有机化学品和合成聚合物的时间。在这个关键时刻，当有机化学制造行业渴望环境可持续性和循环碳经济时，必须实现替代的碳基原料。特别是陆地和水生非食用植物的生物质，在这方面受到了特别的关注。生物质在地理上多样化、可再生、大量存在，并且通常是许多废水流的一部分（例如食物废物、农作物残余物、林业废物和农业工业副产品）。在各种生物分子中，碳水化合物受到了相当大的关注，因为大多数生物质（按干物质计算）含有50-70%的碳水化合物，它们的结构相对均匀，且其衍生物化学研究发现相对充分。碳水化合物具有密集的官能团、高度的氧饱和度，并且拥有携带不同氧化态碳原子的直链碳骨架系统。因此，它们是使用节省氧化还原能的合成途径可持续生产功能化有机分子的理想原料。碳水化合物的增值策略可以从合成有机化学和石油精炼过程中获得的巨大信息和专长中受益。类似于石油精炼设置，生物精炼过程也需要将碳水化合物从其他生物分子中初步分离和纯化。例如，必须将纤维素和半纤维素从木质纤维素生物质中存在的提取物（如脂肪）和其他生物聚合物（如木质素）中分离出来。在以碳水化合物为中心的生物精炼设置中，重点是将碳水化合物（即纤维素和半纤维素）以其原始结构或转化为所需的平台化学品。在这种情况下，碳水化合物被用作主要原料来产生收入，并试图即使在牺牲其他生物质成分的情况下也能最大化其利用。通过选择性地修饰天然生物聚合物，碳水化合物可以转化为多种材料和聚合物。例如纤维素醋酸盐、烷基化纤维素和各种基于纤维素的纤维。然而，将纤维素和其他聚合碳水化合物转化为小有机分子需要显著的化学干预，包括一个解聚步骤。解聚步骤将聚合碳水化合物分解成组成单体或小有机分子，这些分子更易于下游的化学修饰。例如，纤维素通过酸水解或酶促糖化作用解聚为葡萄糖。类似地，半纤维素解聚为戊糖和己糖。脱官能化步骤去除生物分子中多余的和不希望的含氧官能团，将它们转化为下游合成增值途径的化学构建块和反应性中间体。脱水是一种常用的非氧化还原策略，用于减少生物分子中的氧含量并形成所需的可再生化学品中间体。脱水是一个吸热反应，在高温下并在酸催化下进行。C(sp3)–OH键的强度约为90 kcal mol?1，在质子化后降低约20 kcal mol?1。脱水反应保留了产物中的生物源碳原子，并产生无害的副产品水。再官能化步骤引入新的官能团或化学修饰现有的官能团（即官能团转化）和重排反应。重排步骤涉及碳-碳键的形成或断裂反应，将生物分子或其衍生的化学中间体的碳骨架重新结构化为目标有机产品（图1）。这些步骤还涉及将生物分子的骨架结构修改为所需的类型（例如将杂环转化为碳环）。

图1

从人为和生物来源的碳基原料合成功能化有机化学品的步骤。本综述讨论了利用一种新策略从碳水化合物中可再生合成含氧官能团的选定化学品，该策略在合成转化过程中追踪这些化合物中的氧原子。这种分析使得能够基于它们的氧化还原经济性评估特定分子的竞争性合成路线。已经选择并讨论了基于其应用的主要有机化合物类别的代表性例子，如碳氢化合物燃料、燃料醇酸盐、溶剂和单体。引入了一种新的绿色化学指标——氧化物经济指数（REI），用于量化竞争性合成路线的相对优势和劣势，并分析开发更高效合成路线的范围。合成过程的较低REI表示更好的氧化还原经济性和减少的废物产生。开发的初始阶段需要高度的设计自由度，像REI这样的绿色指标对于在过程开发的早期阶段做出明智的决定至关重要。通过合成路线从起始糖类追踪到可再生化学品的氧原子，结合REI，有助于证明氧化还原转化的选择，并帮助最小化废物的形成。当REI与其他绿色化学指标结合使用时，它可以帮助选择最有效的可再生有机化学品合成策略。

2. 纯化对苯二甲酸（PTA）的合成

将己糖（如葡萄糖）转化为5-(羟甲基)呋喃（HMF）是通过脱水反应脱官能化生物分子的众所周知的例子。类似地，戊糖如木糖可以脱水为呋喃（FF）。已经尝试直接从木质纤维素生物质中生产这些平台化学品，消除了之前的分离、纯化和解聚步骤的需求，确保了更好的釜效率和步骤效率。这些过程从几个角度来看都很优雅。呋喃产物保留了母糖分子中的所有生物源碳原子。糖分子中的氧含量在产物中显著减少（50-60%），同时保留了一些关键官能团。此外，糖分子的直链碳骨架系统被转化为杂芳族部分（即呋喃）。FF和HMF是呋喃平台化学品，可以合成转化为大量商业相关的有机分子。理解这些分子的反应性模式对于改进现有合成过程和扩展它们的衍生物化学至关重要。

聚对苯二甲酸（PET）是一种高产量的热塑性塑料，用于制造饮料容器和作为服装的合成纤维。生产PET的石油路线使用乙烯和对二甲苯（PX）作为构建块。乙烯主要通过在重油的催化裂解过程中产生，然后被催化氧化为环氧乙烷（EO），再水解为乙二醇（EG）。二甲苯是在石脑油的重整或甲苯的甲基化过程中产生的，然后纯化以分离PX。特别设计的具有定制孔结构的沸石催化剂有助于向PX的平衡。然后使用氧气作为终端氧化剂，将PX催化氧化为纯化的对苯二甲酸（PTA）。因此，该过程涉及多个合成步骤和相关的纯化过程。即使采用了最佳的可持续实践，由于石油是一种不可再生原料，这个过程从长远来看仍然是不可持续的。因此，人们认真考虑了寻找生产PET或其功能性替代品的可持续原料。已经确定源自生物质的碳水化合物是生产PET的可持续和商业上可行的原料。该过程从HMF开始，HMF可以由糖类直接或从聚合碳水化合物产生。然后HMF被催化还原为2,5-二甲基呋喃（DMF）。最后，DMF与乙烯通过Diels-Alder反应反应，加成物在合适的路易斯酸催化剂存在下进行脱水芳香化以形成PX（方案1）。

方案1

生物可再生生产对苯二甲酸的合成策略的氧化物经济指数。可以通过生物乙醇的脱水来可再生地生产乙烯。DMF中两个甲基的倾向使得可以专门生产PX，从而避免了复杂的分离和纯化过程。该反应在优化条件下提供了优异的选择性和单独的PX产率。然而，该过程并不具有氧化还原经济性，因为HMF到DMF的转化需要三摩尔氢。然后必须使用现有的方法将PX催化氧化为PTA。通过结合在氧化还原步骤中引入的氢原子或氧原子的数量，可以分析和评估这些过程的氧化还原经济性。路线2涉及将HMF氧化为2,5-呋喃二羧酸（FDCA）。然后FDCA与乙烯反应，随后Diels-Alder加合物进行脱水芳香化以形成PTA。较低的REI表示更好的氧化还原经济性和从生物分子向目标可再生化学品中更优化的氧原子转移。该过程所需的EG可以通过乙醇的乙烯路线来生产。如方案1所示，路线1的PTA合成REI为十二，而路线2的REI仅为三。REI之间如此显著的差异源于合成途径中的氧化还原干预。在路线1中，呋喃环取代基中的碳原子处于中间氧化状态。HMF上的官能团首先被还原为甲基基团以形成DMF，然后DMF转化为PX。然后PX中的甲基基团再次被氧化为羧酸官能团以产生PTA。在路线2中，HMF上的羟甲基和醛基团被氧化为羧酸基团，不需要氢化步骤来形成PTA。

3. 乙二醇（EG）的生产

EG是生产增值化学品和配方的重要化学中间体，用作高产量均聚物和共聚物（如PEG和PET）的单体。生产EG的石油路线从乙烯开始，乙烯是在石蜡的催化裂解过程中产生的。然后乙烯被纯化并催化氧化为EO。最后，EO在过量的水中水解（以防止寡聚物的形成）以形成EG。EG的全球市场价值接近340亿美元，预计在未来十年内将以令人尊敬的复合年增长率（CAGR）增长。EG可以通过各种替代途径从糖类和碳水化合物中可再生地生产。生物乙醇目前是通过使用zymase作为酶的发酵途径生产的。葡萄糖或纤维素可以通过成熟已知的发酵途径转化为生物乙醇。随后，生物乙醇可以通过酸促进的分子内脱水反应脱水成为生物乙烯，然后再通过已建立的石化路线转化为EG。EG的可再生生产途径的氧化还原经济性在方案2中有所描绘。通过发酵途径（途径3）生产生物乙醇的REI（环境反应指数）计算为每摩尔EG对应一个。如果生物乙醇是通过化学催化途径生产的，那么EG合成的指数增加到5（途径1）。通过葡萄糖衍生的乙二醛的氢化生产EG的计算为2（途径2）。因此，途径3是生产EG最具氧化还原经济性和减少废物的途径。然而，在技术开发的初期阶段，还必须考虑其他绿色指标以做出更明智的决策。途径3会失去葡萄糖中三分之一的生物碳原子作为二氧化碳，因此每摩尔葡萄糖只能产生两摩尔生物乙醇，而其他两种途径中所有的生物碳原子都被转化为生物乙醇。原料、中间体和产品中的氧原子已经用颜色编码，以便更清楚地显示氧化还原步骤。产物中保留的生物分子的氧原子用绿色表示，而通过氧化反应引入的氧原子用红色表示。

再生生产乙二醇的途径及其使用氧化还原经济性的比较。有趣的是，途径1的氧化还原指标为5，而途径3的仅为1。途径1的REI值较高，是因为在途径1中将葡萄糖转化为生物乙醇的过程中需要更多的氢原子来保留所有的生物碳原子。途径2中，葡萄糖通过逆醛醇反应形成三摩尔乙二醛，然后在催化氢化下形成EG。在这个途径中，每产生一摩尔EG的氧化还原指标为2，而EG中的氧原子来自葡萄糖分子。

4. 2-甲基四氢呋喃（MTHF）的生产

2-甲基四氢呋喃（MTHF）通常是通过半纤维素衍生的FF的催化氢化来制备的。MTHF是一种有前景的可再生溶剂（比THF更环保的替代品）和燃料氧化物。MTHF作为可持续溶剂的应用正在稳步增加，其作为石油衍生THF的替代品的市场潜力巨大。方案3分析和评估了从糖类生产MTHF的三种常用合成途径。在途径1中，首先将果糖（或葡萄糖）等己糖脱水成HMF。HMF可以在催化作用下脱羧成FAL。最后，FAL在催化作用下氢化成MTHF。只有第三步涉及使用分子H2，这包括C–OH键的氢解和呋喃环的氢化。在途径2中，使用糖衍生的LA作为起始材料。LA的分子内脱水内酯化生成当归内酯（AGLs）。AGLs也可以通过涉及呋喃环断裂的重新水合和重排反应从FAL生成。AGLs是基于烯烃基团位置的三种位置异构体的混合物，通常α-AGL是主要成分。最后，α-AGL的催化氢化生成MTHF。在途径1和途径2中，都涉及到C–C键的断裂反应，因为C6底物生成了C5产物。在途径1中，HMF的脱羧过程中会损失一个碳原子作为CO2，而在途径2中，生成LA的过程中会损失一个碳原子作为FA。原料、中间体和产品中的氧原子已经用颜色编码，以增强氧化还原步骤的清晰度。

5. 2-甲基呋喃（MFU）的合成

MFU具有作为燃料氧化剂的潜在应用，但作为下游增值途径的可再生化学中间体更为重要。例如，MFU可以被氢化成MTHF，用作可再生的环状醚基工业溶剂，也是一种有前景的燃料氧化物。MFU与乙烯之间的Diels–Alder反应，随后对oxanorbornene中间体进行脱水芳香化，可以生成甲苯。使用丙烯作为偶联伙伴可以在Friedel–Crafts反应中生成邻位和间位二甲苯。MFU与合适的生物基羰基化合物（例如丁醛和丙酮）作为偶联伙伴，可以生成具有更长碳链长度和骨架的燃料前体。这些燃料前体的完全脱氧可以生成喷气燃料和柴油范围的液态燃料。方案4展示了从不同呋喃平台化学品开始合成MFU的各种途径。在途径1中，使用己糖衍生的HMF作为起始材料。HMF在催化作用下脱羧成FAL，然后通过选择性C–OH键的氢解反应生成MFU。在途径2中，可以使用戊糖衍生的FF作为起始材料。FF在催化作用下还原成MFU，经过相同的FAL中间体。由于FAL是途径1中的中间体，因此途径2的REI（环境反应指数）预计高于途径1。在途径3中，起始材料可以是5-甲基呋喃（5MF）。5MF通常是通过HMF的部分还原生成的。然而，它也可以通过特定糖类（如L-鼠李糖）的酸促进脱水直接生成。然后对5MF进行催化脱羧可以得到MFU。就REI而言，途径3是最受青睐的，因为整个转化过程不需要氢。

6. 丙二酸（LA）的合成

HMF可以通过重新水合后进行环开放重排形成LA和等量的甲酸（FA）。LA处于以碳水化合物为中心的生物精炼运动的前沿，作为关键的化学构建块。LA中的两个反应性功能基团，即酮基和羧基，可以单独或组合使用来形成具有商业意义的广泛衍生物。LA的衍生物化学与来自呋喃平台化学品的衍生物化学是互补的。LA中的三个氧原子来源于葡萄糖，整个过程不涉及任何氧化还原步骤。LA也可以从戊糖（如木糖）生成。戊糖衍生的FF部分氢化成呋喃醇（FAL），然后水解成LA（方案5）。由于氢化步骤，这个过程的REI较高，但它不产生含有碳原子的任何副产品。然而，最优选途径的选择由其他参数的组合决定。含有己糖（如纤维素、几丁质和淀粉）的聚合碳水化合物比戊糖更丰富且价格更低。另一方面，即使经过数十年的研究，HMF的高产和纯化仍然具有挑战性。因此，生产LA时应该尝试不分离HMF中间体。戊糖主要来自木质纤维素生物量的半纤维素组分，后者较少且成本更高。然而，FF比HMF更稳定，且更容易从水溶液反应混合物中分离出来。

7. 己糖和戊糖脱水合成丙二酸（ADA）的比较

丙二酸（ADA）和1,6-己二胺（HMDA）是尼龙-6,6的高产量合成热塑性塑料的单体。ADA是通过环己酮-环己醇混合物（称为KA油）的氧化来生产的。全球ADA的产量约为260万吨（MMT），市场价值为50亿美元。因此，从生物基碳可再生生产ADA表现出极大的兴趣。从经济和环境的角度来看，葡萄糖被选为一个丰富且低成本的ADA生产原料。葡萄糖可以通过降解聚合物碳水化合物（如淀粉和纤维素）来生产。将葡萄糖这种C6起始材料转化为ADA不需要任何碳-碳键的形成或断裂反应。转化需要将末端碳原子氧化成羧酸，而中间的碳原子必须还原成亚甲基。根据将葡萄糖转化为ADA的平衡化学方程式，这是一个还原反应，每摩尔葡萄糖需要一摩尔H2。此外，转化涉及葡萄糖中碳原子氧化状态的广泛重新分布。方案6展示了通过化学催化过程从葡萄糖生产ADA的三种主要途径。在途径1中，葡萄糖选择性地氧化成葡萄糖酸（GRA），其中末端碳原子转化为羧酸，而不影响内部碳原子的氧化状态。然后在催化氢化条件下选择性地还原GRA以形成ADA。将GRA还原成ADA需要四摩尔H2，同时产生四摩尔水作为副产品。途径1的REI计算为11。在途径2中，葡萄糖首先被还原为1,6-己二醇（1,6-HDO）。1,6-HDO中的伯醇基团（连接到末端碳原子）然后被氧化形成羧酸功能，从而生成ADA。途径2的REI高于途径1，因为在后一种途径中葡萄糖中的醛基碳首先被还原然后再氧化。在途径3中，葡萄糖在酸催化下脱水成HMF。然后HMF在催化作用下氧化成FDCA。最后，FDCA中的呋喃环在催化作用下被还原，不影响羧酸功能，从而形成ADA。尽管途径3涉及三个不同的合成步骤，但前两个步骤可以在一个反应锅中完成。三条途径中中间体的生产和纯化的相对容易程度没有考虑在内。所有三条途径中的化学中间体在制备和纯化过程中都有各自的优点和挑战。也尝试了使用新的途径来可再生合成ADA，例如2-呋喃酸的还原-羰基化。

8. 四氢呋喃（THF）的合成

四氢呋喃（THF）是一种高产量的工业溶剂和聚合物的前体。全球每年大约生产1-1.4百万公吨THF，市场估值约为50亿美元，德国的BASF是最大的单一生产商。从石油合成THF的途径开始于n-丁烷，它是通过裂解石蜡生产的。n-丁烷在催化作用下氧化成马来酸酐（MAN）。MAN在催化作用下氢化成1,4-丁二醇（1,4-BDO）。最后，1,4-BDO的分子内脱水反应生成THF。该过程每生产一摩尔THF需要三摩尔O2和五摩尔H2（方案7）。THF中的氧原子来源于氧化剂（即O2）。另一种从人工原料生产THF的途径涉及将乙炔与两摩尔甲醛反应。中间体随后被还原为1,4-BDO，然后脱水成THF。然而，乙炔途径已经被n-丁烷途径所取代。在过去的几十年里，从可持续的生物基碳来源获取THF表现出极大的兴趣。一种重要的途径始于FF，这是一种C5呋喃平台化学品，通过半纤维素中戊糖（如木糖和阿拉伯糖）的酸催化脱水生成。FF在适当的金属基催化剂（如Pd）存在下在高温下脱羧形成呋喃。最后，呋喃在催化作用下氢化成THF。该过程避免了催化氧化步骤，并且与n-丁烷途径相比使用更少的H2当量。因此，与n-丁烷途径相比，FF途径合成THF的REI显著更低。

9. 从人工和生物基原料合成四氢呋喃乳酸（LAC）的合成

乳酸（LAC）可以通过乙醛与HCN反应生成，随后水解产生的氰醇中间体来制备。96 乙醛是通过使用金属盐基催化剂选择性氧化乙烯得到的。除了作为化学构建块外，LAC还是生产高性能、可生物降解聚合物（如聚乳酸（PLA）的有前景的单体。97 然而，从石油这种人为且不可再生资源中，使用HCN等有毒试剂来生产PLA，从可持续性的角度来看是违背直觉的。目前，超过90%的LAC是通过发酵途径从生物碳中生产的。98 尽管如此，利用化学催化途径从碳水化合物生产LAC仍有很大的潜力。99 目前正在优化催化剂系统和反应条件，以从廉价且丰富的原料出发，获得具有所需选择性和产率的LAC，这在经济上可以与酶法竞争。图8展示了从葡萄糖生产LAC的机理路径，该过程由酸性或碱性催化剂催化。第一步中，葡萄糖通过1,2-氢转移异构化为果糖。然后果糖通过涉及C3–C4键断裂的逆醇醛反应，以等摩尔量转化为甘油醛（GCL）和1,3-二羟基丙酮（DHA）。GCL脱水后发生重排，生成丙二醛。最后，丙二醛水合再经过1,2-氢转移，生成LAC。100 在酸性条件下，通常会导致环状内酯的形成和LAC的低聚。在碱性条件下，LAC保持乳酸的形式。乳酸的质子化会导致LAC的形成，并同时产生盐流。显然，将葡萄糖催化转化为两个LAC分子是一个等熵反应（一个氧化还原中性的过程）。图8

从人为和生物碳合成乳酸。

γ-丁内酯（GBL）的合成

γ-丁内酯（GBL）是一种极性的非质子性工业溶剂，同时也用于生产其他溶剂（如N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）的化学中间体。101 在石油路线中，正丁烷被催化氧化成MAN，然后通过催化加氢选择性还原为GBL。102,103 在生物质路线中，源自碳水化合物的FF可以作为GBL的起始材料，其中MAN作为中间体。或者，FF可以选择性氧化为2(5H)-呋喃酮（2FN），然后加氢生成GBL。104 通过2FN的路线比经过MAN作为氧化中间体的路线更具氧化还原经济性（见图9）。此外，将MAN加氢为GBL相对更具挑战性，需要特定的金属基催化剂、高分子H2压力和高温。另一方面，将2FN转化为GBL涉及烯烃的加氢，这可以在接近常温常压的条件下进行。然而，在FF氧化过程中必须将2FN从反应混合物中分离出来，以避免深度氧化。通常使用两相反应混合物、特定的酸催化剂和温和的反应条件，以确保在FF氧化过程中2FN的良好选择性和产率。图9展示了从葡萄糖合成GBL的机理路径，该过程由酸性或碱性催化剂催化。

丙烯酸（ACA）的合成

丙烯酸（ACA）是用于合成聚丙烯酸盐的高产量单体之一，而这些聚丙烯酸盐在各种化学制造行业中都有应用。106 全球每年丙烯酸的产量约为800万吨，其市场价值超过100亿美元。107 石油来源的丙烯酸生产始于丙烯，这是一种通过裂解得到的C3平台化学品。丙烯通过O2的催化氧化生成丙烯醛，丙烯醛是合成ACA过程中的中间体。108 在生物路线中，起始点可以是来自纤维素的葡萄糖。从葡萄糖衍生的LAC可以通过催化脱水转化为ACA，这为在生物精炼厂环境中进入大型丙烯酸盐市场提供了可能性。109,110 或者，来自葡萄糖的LA可以在碱性介质中通过H2O2氧化为3-羟基丙酸（3-HPA）。3-HPA的酸促进脱水可以导致ACA的生成。111 还提出了新的、有前景的可再生合成路线。112 如图10所示，通过丙烯生产ACA的石油路线（路线1）的REI为三，因为涉及三个氧化步骤。有趣的是，路线2的REI为零，因为不涉及外部氧化剂或还原剂的氧化或还原步骤。路线3的REI为一，因为中间体3-HPA必须通过化学或酶催化的LA氧化来生成，其中需要一摩尔的O2来生成两摩尔的3-HPA。图10

环戊酮的合成

过去十年中，从糖类合成环状化合物引起了极大的兴趣，使得能够获得更广泛的具有商业价值的有机化合物类别。113 糖类通常被转化为杂环化合物（例如呋喃类）或直链化合物（例如LA）。将这些杂环或直链中间体转化为环状化合物需要涉及C–C键形成的缩合、环化和重排反应。环戊酮（CPN）是一种用于合成高价值化合物的关键环状化合物，它由石油衍生的环己烷制备。第一步中，环己烷被选择性氧化为环己酮。进一步使用硝酸作为氧化剂氧化环己酮生成ADA。最后，ADA经过脱羧酮化生成CPN（见图11）。115 2012年首次报道了从FAL合成可再生CPN的方法，该方法在催化加氢条件下涉及Piancatelli重排。116 将木糖衍生的FF转化为CPN需要三摩尔的H2。自2012年以来，CPN的合成已经得到了发展，重点是选择性和工艺参数、机理细节以及反应动力学。24 有趣的是，石油路线的REI为五，而生物质路线的REI为六。然而，FF的REI是由于还原反应，而环己烷的REI是由于氧化反应。此外，在石油路线中，碳原子以CO2的形式损失，而通过FF的生物质路线碳效率为100%。图11

碳氢燃料的合成

从碳水化合物分子合成碳氢基液体生物燃料需要对后者进行广泛的脱氧。例如，葡萄糖甚至纤维素可以在催化加氢条件下转化为正己烷。117 计算得葡萄糖到正己烷的转化的REI为14。然而，本节重点讨论从碳水化合物选择性地合成航空燃料、柴油燃料和汽油燃料范围内的碳氢化合物，同时精确控制燃料分子的分子结构和物理化学性质。REI的概念已被用来合理选择合成途径中的有机转化及其顺序。为了保持一致性并进行更准确的比较，氧化剂和还原剂分别选择分子O2和H2。液体运输燃料总是碳氢化合物的混合物，但它们的分子结构根据发动机和炉子的设计而不同。直链或轻度支化的烷烃是航空和柴油燃料的主要成分。最近，非环状烃类作为潜在的高密度航空燃料引起了显著兴趣。汽油燃料主要由C6–C10范围内的高度支化的烷烃、单环芳香烃和各种添加剂（例如辛烷值提升剂）组成。118 过去几十年中，人们尝试从碳水化合物合成航空和柴油燃料范围内的碳氢化合物，并且已经合成了许多燃料分子。这些过程通常包括三个主要步骤：（1）将糖类和多糖类碳水化合物转化为功能化平台化学品，（2）通过缩合两个或更多平台化学品来构建/扩展所需的碳骨架系统，（3）对步骤2中产生的含氧燃料前体进行催化脱氧。从碳水化合物定向合成汽油燃料是相对较新的发展，首次报道于2014年。然而，此后已经成功尝试从糖类和碳水化合物中获取汽油范围内的碳氢化合物。该策略包括选择适当的化学构建块和有机转化，以引入目标碳氢化合物骨架所需的支化。Mascal等人报道了从LA衍生的AGLs合成C6–C10高度支化的汽油燃料。主要产品是3-乙基-4-甲基庚烷（1），它是通过angelica lactone二聚体（ALD）的氢脱氧反应得到的。119 如图12A所示，ALD转化为1的REI为14。同一研究小组在之后的报告中通过催化脱羧反应对ALD进行脱氧，实现了更经济的氢利用。然而，主要产品3,4-二甲基己烷（2）比1少两个碳原子（以CO2的形式损失）。120 因此，为了更清晰地计算，分别对产品中的每个生物碳原子计算了REI。计算显示，1中的每个碳原子的REI为1.4，而2中的REI仅为0.75。这一计算显示了在涉及氧化还原步骤的合成中使用REI作为绿色指标的有效性。图12

从碳水化合物衍生的化学品可再生合成汽油（A）和类似柴油的（B和C）碳氢燃料。已经尝试从碳水化合物合成航空和柴油范围内的碳氢燃料，特别是从呋喃类和左旋戊烯酸构建块开始。121 该策略是通过涉及各种C–C键形成反应（如醇醛缩合、Friedel–Crafts烷基化、Diels–Alder反应等）来扩展碳骨架系统。最后，含氧燃料前体通过HDO、氢脱羧、脱羧酮化等方法进行广泛脱氧。122 图12B展示了两个例子，其中CPN和FF作为合成碳氢基液体运输燃料的构建块。CPN可以通过醇醛缩合反应与其自身缩合形成C15含氧物，然后通过HDO化学反应形成3。或者，CPN可以与两个FF分子缩合形成C15含氧物，然后通过HDO化学反应形成C15碳氢化合物4。合成3和4的REI分别计算为8和24，这完全是由于它们的制备过程中涉及的HDO化学反应。显然，与4相比，合成3的REI更具氧化还原经济性。然而，在计算合成CPN的REI时也必须进行调整，以便更好地理解整个过程的REI。由于合成3需要三个CPN分子，因此整个过程的总REI为[8 + (3 × 6)] = 26。对于4，由于涉及一个CPN分子，总REI计算为[24 + (1 × 6)] = 30。图12C展示了从基于糖的呋喃类平台化学品合成6-戊基十一烷（5）的替代路线。67,123 路线1涉及将MFU水解为醛，然后与两个MFU分子通过Friedel–Crafts反应偶联。通过这条路线合成5的REI计算为20。或者，可以通过羟基烷基化/烷基化反应将FF与两个MFU分子缩合来合成5。最后，C15含氧物通过HDO化学反应完全脱氧（路线2）。这条路线的REI计算为24。有趣的是，通过FF合成MFU的REI计算为4。由于路线1中涉及三个MFU分子，因此通过这条路线合成5的总REI为[20 + (3 × 4)] = 32。图12C展示了从基于糖的呋喃类平台化学品合成6-戊基十一烷（5）的替代路线。67,123 路线1涉及将MFU水解为醛，然后与两个MFU分子通过Friedel–Crafts反应偶联。通过这条路线合成5的REI计算为20。或者，可以通过羟基烷基化/烷基化反应将FF与两个MFU分子缩合来合成5。最后，C15含氧物通过HDO化学反应完全脱氧（路线2）。这条路线的REI计算为24。有趣的是，从FF合成MFU的REI计算为4。由于路线1中涉及三个MFU分子，因此通过这条路线合成5的总REI为[20 + (3 × 4)] = 32。

REI的范围、优势和局限性

自20世纪90年代初绿色化学制度化以来，已经开发了一系列绿色指标，用于定性和定量分析和评估合成途径，以在设计早期技术准备水平（TRLs）时设计出更优越的工艺。19 自有机合成诞生以来，产品的摩尔产率一直是一个有用的指标，用于确定有机转化的效率。虽然高纯度的摩尔产率暗示了资源效率，但它并不能保证过程的总体可持续性。一个反应可以提供高的产品产率，但可能产生大量有害的副产品作为废物。原子经济性（AE）是一种由Barry Trost在1991年提出的绿色指标理论构架，它通过平衡化学方程式来研究起始物质和试剂中的原子如何重新定位到产品中。AE允许在不实际进行合成的情况下评估不同合成方案的可持续性。E因子是另一种绿色化学指标（由Roger A Sheldon在1992年提出），用于衡量每单位产品质量产生的废物质量。虽然E因子是通过实验确定的，但也可以理论上用来估计不同合成路径在废物形成方面的相对绿色程度。多年来还开发了其他各种绿色指标，如过程质量强度和碳效率。所有绿色指标都有其优势和局限性，通常结合使用这些指标能更有效地判断有机转化和过程的整体效果。氧化还原经济性（Redox economy）这一概念由Phil S. Baran等人的开创性研究推广开来。氧化还原经济性是一种理论构架，它研究多步骤有机合成方案中氧化还原步骤在构建产品分子结构中的战术和战略用途。为了避免不必要的衍生化或保护/脱保护步骤，从而确保良好的氧化还原经济性，这符合绿色化学的第八原则。然而，氧化还原经济性指标在本质上主要是定性的。本研究引入了氧化还原经济性的量化方法，以提高其在有机合成和可持续化学中的适用范围和实用性。尽管AE或E因子与REI（反应经济指数）没有直接的公式关系，但在多步骤合成中较低的REI值会促进较高的AE和较低的E因子。REI值是使用H2（还原剂）和O2（氧化剂）计算的。然而，原则上也可以计算涉及各种化学计量氧化还原剂的有机转化的REI值。在这种情况下，可以使用一个转换因子，该因子包括试剂与模型试剂（即H2用于还原，O2用于氧化）的分子量比，以及化学计量试剂与模型试剂的摩尔比。例如，HMF到FDCA的REI值被计算为3。如果使用HNO3作为化学计量氧化剂，转换因子[(MW of HNO3/MW of O2) × (mole of HNO3/mole of O2)]计算结果为7.87。因此，使用HNO3进行化学计量氧化的HMF到FDCA转化的REI值为31.5（7.875 × 4）。这样的分析可以帮助确定不同化学计量氧化还原剂在可持续性方面的相对优缺点。例如，H2O2是O2的最佳替代品，因为它们的分子量相近，并且提供了转化所需的氧化剂。使用H2O2作为氧化剂将LA氧化为3-HPA的REI值为2.12 [(34/32) × (1/0.5)]，而使用O2作为氧化剂的REI值为1（见图10）。如图2所示，通过等氢异构（氧化还原中性）过程将起始物质转化为所需结构复杂度的产品是一种理想状态，但在实践中往往难以实现。重排和偶联反应可以满足这种要求。在热水条件下从葡萄糖合成LAC是一个氧化还原中性过程的良好例子，在这个过程中，起始物质中的碳原子氧化状态被重新分布，而总体氧化状态不变。氧化还原经济性步骤线性地修改（即增加或减少）中间体中骨架原子的氧化状态。通过加速变化（呈指数级）和改善整个合成的步骤经济性，可以改善氧化还原经济性。非氧化还原经济性的过程将涉及多步骤合成，在这些过程中，中间体中骨架原子的氧化状态会波动。对于石化产品，起始物质主要是未功能化的碳氢化合物。含杂原子的官能团通过氧化还原步骤引入碳骨架系统中形成反应性中间体。相比之下，从生物分子（如碳水化合物）合成反应性中间体需要通过逐步还原步骤去除多余的杂原子（如N和O）。本研究中提出的REI概念将有助于量化有机合成中氧化还原经济的改进，特别是从可再生化学品的角度来看。较低的REI值意味着更好的氧化还原经济性，并保证了产品分子的加速合成（或步骤经济性）和减少废物。最后必须指出，作为理论构架的REI指标并不包括有机转化的实验结果。因此，反应方案中较低的REI值并不自动使其更优越，还需要考虑其他工艺参数和绿色指标（如摩尔产率）。例如，从FDCA合成可再生PTA的REI低于通过DMF路线合成的REI。然而，从FDCA和乙烯合成PTA极具挑战性，且产率很低。

15. 结论

糖类和多糖类碳水化合物中含氧官能团的存在不应被视为不便，而应被视为设计其化学催化增值途径的优势。糖分子中的碳原子处于不同的氧化状态，这使得可以通过避免氧化还原步骤及其相关的废物形成来合成功能化分子。挑战在于在官能团的转化和重排过程中去除多余的氧原子。碳水化合物中存在多个含氧官能团会复杂化反应路径，因为几种具有相似能量的竞争性反应路径可能导致多种产品的形成。因此，必须设计合适的试剂和反应条件以提高对所需产品的选择性。追踪糖类中的氧原子到可再生化学品的过程有助于分析竞争性合成路径并开发更高效的路线。糖类和碳水化合物通常被转化为少数几种小型有机分子，这些分子被称为平台化学品，它们可以作为分支到具有不同结构特征、性质和市场的可再生产品的节点。HMF、LA和LAC是一些最有前途的碳水化合物衍生平台化学品。在过去的几十年里，关于以碳水化合物为中心的生物炼制的研究已经从第一代生物质衍生物糖类发展到第二代纤维素生物质，最近又发展到第三代水生生物质衍生物碳水化合物（如壳聚糖和卡拉胶）。从第一代到第三代生物质，其可用性、成本竞争力和环境可持续性都在提高。然而，碳水化合物的结构复杂性也在增加，这通常需要更苛刻的反应条件和纯化步骤。可以通过使用氧化还原中性的脱水和缩合反应来降低糖中的氧含量。其他反应包括需要分子氢源和合适金属基催化剂的脱氧反应。脱氧反应包括脱羰基和脱羧反应。应用于糖类或多糖类碳水化合物的脱氧步骤组合取决于目标分子框架和产品中的官能团。为了合成基于碳氢化合物的替代燃料，必须大量去除其中的氧原子。该过程还涉及使用各种C-C键形成反应（如醛醇反应、Friedel–Crafts反应和Diels–Alder反应）来构建适当的碳骨架。在早期技术成熟度（TRL）阶段，当设计自由度最大时，必须关注过程效率以避免后续的复杂性。在后期技术成熟度阶段，虽然对产品和过程有了更多了解，但重点转向了生命周期环境影响。总体而言，遵守绿色化学原则（和指标）可以确保有利的生命周期环境影响。本文引入的REI绿色指标可以帮助选择最具有氧化还原经济性和最小化废物的合成设计，将碳水化合物转化为可再生化学品。REI可以与其他绿色指标一起使用，以选择合适的可再生化学品合成策略。

16. 未来展望

将碳水化合物中的杂原子追踪到可再生化学品的概念可以扩展到其他生物分子和生物聚合物。例如，可以从木质素中合成酚类化合物，从而开发更高效的合成过程。壳聚糖衍生的平台化学品可能含有氮原子，然后可以将其转化为含有氮官能团的可再生化学品。当结构复杂可再生分子的不同部分来自不同的生物质组分时，这种策略更加有用。追踪起始物质和最终产品中的杂原子可以提供关于替代合成策略及其相对优势和挑战的见解。追踪其他杂原子也是可能的，并且对于合成含有杂原子组合（即N、O和S）的结构越来越复杂的可再生产品可能有益。可以使用无机来源（如氨）将氮原子引入可再生分子。此外，氨基酸可以是含有氮官能团的可再生试剂。本研究引入的绿色化学指标REI可以潜在地扩展到可再生能源化学和一般的合成有机化学中。

作者声明没有利益冲突。

缩写


ACA????????丙烯酸
ADA????????己二酸
AGL????????当归内酯
BHMF????2,5-双(羟甲基)呋喃
GBL????????γ-丁内酯
CHN????????环己酮
CPN????????环戊酮
DFF????????2,5-二甲基呋喃
DMF????????2,5-二甲基呋喃
DMTHF????2,5-二甲基四氢呋喃
FDCA????2,5-呋喃二羧酸
2FN????????2(5H)-呋喃酮
FF????????呋喃甲醛
GRA????????葡萄糖酸
GCA????????葡萄糖酸
1,6-HDO????1,6-己二醇
3-HPA????3-羟基丙酸
HMF????????5-羟甲基呋喃
LA????????左旋醇酸
LAC????????乳酸
5MF????????5-甲基呋喃醛
MAN????????马来酸酐
PTA????????纯对苯二甲酸
REI????????氧化还原经济指数
SA????????琥珀酸
PX????????对二甲苯


数据可用性

本综述未包含任何原始研究结果、软件或代码，也没有生成或分析新的数据。

致谢

SD感谢DST-SERB在核心研究拨款（CRG）计划下的研究项目（文件编号CRG/2022/009346）。作者感谢Rachitha S. Natraj在引用文献方面的协助。参考文献