【所属领域】

生物基材料

【痛点问题】

随着碳中和概念的提出，生物基材料，乃至生物基可降解材料，凭借其良好的环保特性而受到人们的广泛关注。糠醛来源于自然界的C5糖，是已大规模工业化生产的生物质基化工产品，其原料来源是农业和林业的废料，包括玉米芯、稻壳、木材废料等。由于这些可再生资源数量非常庞大，且其综合利用不与人类竞争粮食，通过它们生产糠醛，进而发展生物质糠醛基化工产品具有非常大的潜力。关键挑战在于糠醛是单官能团化的化合物，在聚合物工业中难以发挥重要作用，因此尽管其生产原料广泛、工业生产技术成熟，但市场容量非常有限，严重限制了以糠醛为基础原料的聚合物工业应用。

【解决方案】

针对糠醛所存在的单官能团化缺陷，将其呋喃环双功能团化、使其具备作为聚合物单体或添加剂的功能而替代源于石油资源的相应苯环结构单体，为发展可再生、易降解的糠醛基聚合物提供极大的发挥空间。与石油化工单体相比，1）基于糠醛的单体具有源于生物质，资源可持续性，2）可以充分利用各种农林副产物，减少资源浪费及其无序焚烧所带来的空气污染，3）与苯环类单体相比，呋喃类单体应该具有更好的环境兼容性和生物可降解性，能够更好、更快地被自然环境所降解，属于环境友好的石油基单体替代品。本课题组经多年探索，已逐渐发展了系列源于生物质糠醛双功能团化的呋喃基单体，可以替代相关的石油化工单体或添加剂应用于聚合物工业，它们包括：

1. 2,5-呋喃二甲酸催化合成技术

2,5-呋喃二甲酸已被公认为是对苯二甲酸的替代品，而对苯二甲酸单体聚酯广泛用于化学纤维、轻工、电子、建筑等领域。目前国内外的2,5-呋喃二甲酸生产是以生物基羟甲基糠醛(HMF)为原料，通过催化氧化技术获得。该工艺路线的技术瓶颈在于羟甲基糠醛目前是从单糖或二糖生产，无法直接从纤维素大规模生产，因此作为对苯二甲酸的替代品目前存在源头技术挑战。

本课题组发展的新催化技术以糠醛的现有下游产品糠酸为出发点，通过两步法合成2,5-呋喃二甲酸：1）通过溴化法合成5-溴糠酸，2）通过负载型催化技术，以一氧化碳为羰基源水相羰化5-溴糠酸合成2,5-呋喃二甲酸。其中溴化法合成5-溴糠酸为常规有机合成技术，水相羰化技术是新发展催化技术。本技术特点：1）低压一氧化碳、负载型催化剂、水相反应；2）催化剂与产物易分离，催化剂可循环使用。与基于羟甲基糠醛(HMF)的技术相比，本技术的基础原料糠醛可以从农林副产物大规模工业化生产。目前我们的2,5-呋喃二甲酸催化合成技术已完成实验室小试及催化剂循环使用测试，已获中国专利授权，正寻求工业放大实验的合作伙伴。

2. 5,5’-双呋喃二甲酸单体催化合成技术

5,5’-双呋喃-二甲酸是对4,4’-联苯二甲酸的替代品，而 4,4’-联苯二甲酸是合成液晶材料、具有阻燃性能的聚氨酯或聚酯类高分子的重要单体。本课题组发展的5,5’-双呋喃二甲酸合成技术也是以糠醛的下游产品糠酸为出发点，通过两步法合成：1）通过溴化法合成5-溴糠酸，2）通过负载型催化技术，以一氧化碳为羰基源水相羰化5-溴糠酸合成5,5’-双呋喃二甲酸。其中溴化法合成5-溴糠酸为常规有机合成技术，水相羰化技术是新发展催化技术。本技术特点：1）常压一氧化碳、负载型催化剂、水相反应；2）催化剂与产物易分离，催化剂可循环使用。目前该技术无国内外可替代生产技术，已获中国专利授权，目前我们已完成实验室小试及催化剂循环使用测试，寻求工业放大实验的合作伙伴。

【应用场景】

应用于聚合物材料领域等。

【知识产权】

该成果已申请多项中国发明专利，下表是部分展示：

【合作方式】

技术许可、技术转让、作价入股、技术开发、咨询服务、面谈等。

【专家介绍】

尹国川，教授，博士生导师，1990年获得浙江大学化学学士学位， 1995 和 1998 年分别获得中国科学院大连化学物理研究所硕士学位和博士学位。2001年起在日本、美国工作8年后，于2008 年全职回国加入华中科技大学化学与化工学院。主要研究方向为催化化学中的催化氧化领域，包括阐明催化氧化中的基本科学问题，如氧化过程中各活性物种间的氧化性能关系及添加助剂如何影响氧化催化剂的反应性能、发展新的催化技术应用于有机废水的治理与利用、从生物资源中获取石油化工的替代品以及实际的工业催化应用等。作为项目负责人 主持国家自然科学基金面上项目 5 项，以第一作者或通讯作者身份在 Acc. Chem. Res.、J. Am. Chem. Soc.、Angew, Chem. Intl. Ed.、ACS Catal.、 Green Chem.等国际学术期刊上发表论文累计 100 余篇，获国家授权 发明专利 9 项。

【联系方式】

成果编号：CG21062