2,5-二甲酰基呋喃（DFF）是制備多種化學品中間體、聚合物材料、藥物、液體燃料等的重要前驅體，通常通過5-羥甲基糠醛（HMF）選擇性氧化制備。HMF含有多種官能團（C=O，C=C，C-O），是一種重要的生物基平臺化合物，其催化氧化制備DFF反應過程主要采用金屬（如Ru、Au，Pt，Pd，Co、V、Cu和Mo等）催化劑，成本較高，且金屬組分易因流失、燒結和積碳等失活。

　　
中國科學院山西煤炭化學研究所山西省生物煉制工程技術研究中心研究員侯相林帶領的研究團隊，提出使用非金屬功能化石墨烯材料作為HMF選擇性氧化的催化劑。利用氧化石墨烯邊緣未成對電子與羧基協同作用，同時以2,2,6,6-四甲基吡啶氮氧化物（TEMPO）作為共催化劑，以氧氣為氧化劑，在相對溫和的條件下，實現了HMF的高轉化 (100%)和DFF的高選擇性(99%) (ACS Catal., 2015, 5, 5636-5646)。

　　
利用經高溫氨氣熱處理得到的氮摻雜石墨烯材料，通過在石墨烯骨架中引入具有類金屬性質的石墨型氮元素，獲得了比氧化石墨烯更高效的催化活性(Catal. Sci. Technol., 2016. DOI: 10.1039/C5CY01149C)。

　　
HMF的制備通常需要酸催化糖類化合物脫水來實現，使用果糖為原料一步法制備DFF可以減少反應操作，降低原料成本。氧化石墨烯同時具有酸性與氧化還原性能，以果糖為原料，二甲基亞砜作為反應溶劑，在適宜的反應溫度下（140 oC），通過控制反應氣氛，可以使氧化石墨烯選擇性發揮其酸催化劑與氧化還原催化劑的雙性能，實現果糖一步法制備DFF，DFF的最高收率可達72.5%。氧化石墨烯作為非金屬雙功能催化劑對催化反應的理論研究和實際應用具有重要意義（Green Chem., 2016, DOI:10.1039/C5GC02794B）。

　　
此外，該團隊在氧化石墨烯催化糖類轉化制備5-乙氧基甲基糠醛（Green Chem.，2013， 15(9):2379）、果糖脫水制備HMF（ChemCatChem，2014，6,728）、HMF醚化制備5’（氧代-雙（亞甲基））二-糠醛（Catal. Commun.，2015，59,127）等方面也取得了階段性成果。

　　
該研究得到了國家重點基礎研究發展計劃（“973”計劃）（2012CB215305）、國家自然科學基金（21403273）和山西省自然科學基金（2013011010-6）的支持。
 

 

圖1 氧化石墨烯/TEMPO體系催化5-羥甲基糠醛氧化制2,5-二甲酰基呋喃

 

圖2 非金屬雙功能氧化石墨烯催化果糖轉化一步法制2,5-二甲酰基呋喃