ChemSusChem：生物质衍生5-羟甲基糠醛及其衍生物作为可再生原料的不同应用

背景介绍

随着化石资源的消耗及其带来的日益严峻的环境污染，可再生生物质资源及其衍生物的应用开发越发重要。5-羟甲基糠醛（HMF），是一种从生物质中衍生的六碳化合物，其分子特有的结合了羟基、醛基和呋喃环官能团，使得其反应活性好，在医药合成、高分子化学、材料功能调控等领域引起了广泛的研究，被称为“沉睡的巨人”。 

基于此，加拿大康考迪亚大学的Pat Forgione教授团队通过本文综述了5-羟甲基糠醛和相关呋喃作为合成精细化学品和材料的新兴基础原料的最新进展，重点介绍了其在医药、高分子化学以及纳米材料方面的应用。

图文解读

1.HMF在医药合成中的应用

生物医药往往需要大分子化合物，HMF三种活性官能团使得其可以作为大分子结构组件，成为组建大分子化合物的“桥梁”。一种途径是通过羟醛缩合反应，以HMF为原料合成类HMF结构。目前，已被用于合成查尔酮和萜烯，各种海因也可以通过与HMF羟醛缩合得到。另一种是通过醛基加成反应形成杂环化合物，HMF醛基部分已被作为碳氮键形成的基底，包括胺和亚胺。HMF不仅可以用作更复杂的杂环体系的构建，同时发现可作为前体合成天然产物。通过对HMF羟基部分的修饰和对呋喃环的反应杂化均显示出其在生物医药领域的巨大研究和应用潜力。如Shao et al. 报道了以HMF为单体，合成不对称姜黄素衍生物。他们利用羟甲基糠醛中的羟基作为手柄，将呋喃部分与2-氯三酰氯树脂共价结合，然后与硼酸-乙酰丙酮配合物进行羟醛缩合（如Scheme 1所示）。

Scheme 1. Aldol condensation reactions using HMF towards biologically relevant compounds

Euler和他的同事通过乙二胺二乙酸在甲醇中促进醛醇缩合，合成了合成了硫代海丹-托因，这是一类新的罗丹宁衍生物，具有重要的医学意义，已成为一类醛糖还原酶抑制剂，用于治疗糖尿病神经病变（如Scheme 2所示）。

Scheme 2. HMF-derived hydantoins with interesting biological properties

HMF丰富的官能团和良好的反应活性使得其成为生物医药大分子化合物合成的理想原料之一。虽然在许多情况下需要大量工作来筛选临床候选药物，但目前的文献表面呋喃以及潜在的生物质衍生化合物作为治疗药物合成原料具有广泛的适用性。

2.在生物基聚酯合成中的应用

由于HMF的对称结构和刚性呋喃环的存在，其被作为替代化石基聚合物的有利竞争者。其中研究最广泛的是聚2,5-呋喃二甲酸二乙酯（PEF），PEF的生产通常是由HMF氧化衍生物2,5-呋喃二甲酸（FDCA）与乙二醇聚合（如Scheme 3A所示）。PEF作为全生物基聚酯有望替代石油基聚酯PET。然而，当前生产高纯度FDCA仍然存在一定的难度，而通过乙二醇与2,5-呋喃二甲基羧酸盐反应可一定程度避免FDCA纯度较低的问题（如Scheme 3B所示）。

Scheme 3. (A) Retrosynthesis of PEF production from FDCA. (B) Alternative synthesis to produce high-quality PEF from FDMC and HEFDC.

与将醛基氧化为羧基类似，HMF含有羟基官能团，可以通过化学转化，如加氢、缩合，将甲酰转化为二醇单体。同时，HMF衍生单体中常见的羟基官能团也有利于通过缩聚或聚加成反应构建聚合物（如Scheme 4所示）。如Sutton等人通过多次Grignard反应，以HMF为原料合成了一个新的低分子量不对称二醇单体，该研究对单甲基二醇42和单乙基二醇43进行的体外分析显示，它们没有内分泌活性，显示了它们在聚合物化学中作为双酚A（BPA）替代品的潜力（Scheme 4）。

Scheme 4. Synthesis of HMF-derived diol monomers as BPA replacements

此外，HMF被用于制备光致聚合物及其交联情况也受到了广泛的关注。诸多研究表明，从HMF出发，可以通过衍生合成取代BPA单体，生产多种热塑性塑料，通过交联提高材料的刚度。HMF衍生聚合物有望与石油基塑料和粘合剂竞争，并可能真正实现聚合物可回收，显示出了HMF在聚合应用中的巨大潜力。

3.HMF在功能材料合成中的应用

自2012年首次发现HMF聚集物中的纳米颗粒以来，HMF及其衍生物已被证明是合成功能纳米材料有用的底物。近年来，HMF及其衍生物已被用作碳前驱体来获得碳纳米球，以及作为金属有机框架/材料的配体。

如HMF在加热条件下通过聚合和炭化法制备碳纳米球。Li等人通过将HMF涂布在二氧化硅微球表面然后进行碳化，该材料对CO₂表现出相当好的捕获性能（如Figure 1所示）。同时研究表明，在较低的温度下，HMF的碳化不完全，使得碳基纳米结构的合成保留了一些共轭呋喃基和羟基特征，这赋予了材料特殊的性能，如光致发光特性。

Figure 1. Synthesis of hollow carbon nanospheres from HMF

HMF衍生的FDCA已成为新型生物金属有机骨架(MOFs)的通用构建模块。FDCA上的羧酸官能团被协调到一个金属簇上，以构建广泛的空心框架（如Figure 2所示）。研究发现，FDCA配体的极性和共轭赋予了MOFs材料用于与金属结合和通过光致发光检测的独特性质。可见，HMF及其衍生物的添加使得材料具有从光致发光生物成像和气体捕获，到催化的广泛的应用。

Figure 2. General process for MOF synthesis with FDCA.

总结与展望

本篇综述总结了目前利用5-羟甲基糠醛（HMF）和相关呋喃作为精细化学合成原料和先进材料合成配体的研究进展。HMF及其衍生物作为高价值平台化学品的突出价值被广泛的研究和更多应用所进一步凸显。继续进行HMF和相关衍生物的合成研究，以获得具有精细调整性质的设计目标分子，这对进一步开发HMF这一宝贵资源至关重要。广泛使用生物质衍生材料对于向可持续化学工业过渡是至关重要的，而HMF是一种极有希望减少经济上对石油原料依赖的材料。未来随着HMF生产成本的降低，HMF将展现更多的价值。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/cssc.202200328.

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