随着全球经济的快速发展，化石燃料的过度消耗导致气候变暖和自然灾害频发。生物质炼制逐渐成为石化工业的可持续替代方案，其中木质纤维素因其丰富性被广泛用于生物化学品和材料的生产。5-羟甲基糠醛（HMF）的选择性氧化生成2,5-呋喃二甲酸（FDCA）是其中重要的研究热点。然而，传统化学方法存在选择性低、反应条件苛刻等问题，而生物催化具有温和、高效、绿色的优势，但仍面临技术挑战，尤其是在选择性氧化二甲酰基呋喃（DFF）为FDCA时。为解决此问题，本研究提出结合光催化和酶催化的新策略，通过光催化原位生成过氧化氢驱动酶促氧化反应，以太阳能为驱动力实现一步法生产FDCA。自由基捕获实验和分子对接模拟阐明了串联反应机制。研究结果显示，该光酶催化体系在温和、节能和环保的条件下展现了对生物基平台化合物的优异选择性氧化能力（方案1）。
实验表明，提高H₂O₂的光催化产量是实现脂肪酶催化DFF选择性氧化的关键。在纯叔丁醇缓冲液中，使用均相光催化剂2-乙基蒽醌在可见光下产生H₂O₂时，其浓度随光催化剂剂量增加而提升，但过量催化剂会因质子供体不足而降低产量。光强的增加也能提高产氢效率，但超过7W后效果趋于平缓。为兼顾H₂O₂产量和酶的稳定性，优化后的混合溶剂体系采用叔丁醇和乙醇的比例调整，实现了显著提升的H₂O₂生成率。引入空气进一步增强氧化反应，9:1和6:4比例的混合缓冲液均表现出较高的H₂O₂生成量，优于单一叔丁醇体系。这些优化策略为光酶协同催化FDCA的绿色生产提供了可行方案（图1）。
随后探讨了光催化-酶催化耦合体系用于选择性氧化DFF为FDCA的过程。首先，通过优化条件提高了H₂O₂的光催化产量，并将其与脂肪酶催化的DFF氧化反应耦合。在实验中，添加过量的乙醇对脂肪酶活性产生抑制作用，而纯叔丁醇缓冲液则能够较好地维持脂肪酶的活性，优化的缓冲体系为叔丁醇与乙醇的混合物。通过气体吹送进一步促进了H₂O₂的生成，提高了FDCA的产率。在不同缓冲液中，FDCA的产率随时间变化，其中9:1的叔丁醇/乙醇混合物体系在48小时内能完全将FFCA转化为FDCA，最终达到84.14%的FDCA产率。回收的脂肪酶稳定性良好，表明该体系具有较好的催化性能和可重复使用性。这项研究展示了光酶协同催化在生物基平台化学品选择性氧化中的潜力，提供了一种绿色、节能且高效的方法（图2-3，表1）。
接下来探讨了2-乙基蒽醌光催化与脂肪酶催化联用的反应机理。在光催化过程中，2-乙基蒽醌在可见光照射下产生电子-空穴对，电子将氧气还原为超氧化物自由基（•O₂⁻），空穴则氧化反应体系中的电子供体（叔丁醇和乙醇）生成H⁺。H₂O₂的生成通过两条途径进行：一种是间接途径，经过超氧化物与H⁺反应，再通过电子还原形成H₂O₂；另一种是通过一步两电子还原氧气生成H₂O₂。实验表明，H₂O₂在该系统中的生成对脂肪酶催化DFF氧化为FDCA具有关键作用。脂肪酶通过催化乙酸乙酯转化为过氧乙酸，后者具备强氧化性，推动DFF的逐步氧化反应。通过分子对接模拟进一步验证了乙酸乙酯在脂肪酶活性位点的结合情况，H₂O₂作为亲核试剂进攻乙酸乙酯中的酯键碳原子，生成过氧乙酸并驱动DFF的选择性氧化。综合分析光催化和酶催化的机理，本研究展示了一种绿色、可持续的一锅法FDCA生产流程，该流程无需外加H₂O₂，并且避免了传统方法中高温和有害试剂的使用，具有显著的环境友好性和可持续性（图4-6）。
综上，本研究首次构建了一锅式光酶催化工艺，选择性地将DFF氧化成生物复合材料的重要组成部分FDCA。在该工艺中，2-乙基蒽醌被用作均相光催化剂，而脂肪酶被用作生物催化剂。重点研究了缓冲液组成和通气条件对底物H2O2和FDCA生成的影响。在优化条件下，反应120小时后获得84.14％±4.68％的FDCA产率。通过进行自由基清除实验和分子对接模拟，进一步阐明了一锅式工艺中涉及的耦合反应的机理。在此过程中，光反应产生的H2O2通过脂肪酶将乙酸乙酯转化为过乙酸，脂肪酶作为氧化剂，使DFF中的醛基高选择性地氧化为FDCA中的羧基。该可见光驱动的光酶催化体系拓展了人工光合作用的反应途径，解决了传统工艺选择性低、H2O2储存和运输困难等技术难题，在拓展更广泛的含醛生物质衍生化合物的价值方面具有重要前景。
文章信息：Photo-enzyme-coupled catalysis for selective oxidation of 2,5-diformylfuran into 2,5-furandicarboxylic acid
文章链接：DOI https://doi.org/10.1039/D4GC05475J
