1 同样含有呋喃环，为什么反应和用途不同

        呋喃、糠醛、5-羟甲基糠醛、2,5-呋喃二甲酸、呋喃硼酸、苯并呋喃和四氢呋喃都含有五元含氧环，但它们在化学反应中的作用并不相同。糠醛常作为多路径转化中间体，呋喃硼酸用于交叉偶联，2,5-呋喃二甲酸用于缩聚反应，苯并呋喃可作为刚性稠合杂环骨架，四氢呋喃则主要表现为饱和环醚。

这些差异由分子的完整结构决定，主要包括三个方面：

1. 取代基种类与取代位置改变环上电子分布，并增加新的反应中心；

2. 环稠合方式改变共轭范围、骨架刚性和平面性；

3. 氢化程度决定环系是否保留芳香共轭结构。

        反应试剂和催化剂会进一步选择环上碳原子、侧链官能团或碳—卤键等具体部位。因此，含有相同呋喃环的化合物，可以沿不同反应路线转化，并进入有机合成、聚合物、能源、生物活性和分析检测等不同研究方向。

2 呋喃环的共同电子结构

2.1 五元含氧杂芳环

        呋喃由四个碳原子和一个氧原子构成五元环，环内含有两个碳—碳双键。氧原子的一对孤电子位于垂直于环平面的p轨道中，并与两个双键形成连续π共轭；另一对孤电子主要位于环平面内，不直接参与该六π电子体系。

        该环系含有六个离域π电子，符合休克尔 (4n+2) 规则，属于杂芳烃。按照环编号规则，氧原子为1位，与氧相邻的2位和5位通常称为α位，3位和4位称为β位。[1]

        呋喃糖与芳香呋喃并非同一类结构。呋喃糖是单糖形成的五元环状半缩醛，其环骨架属于四氢呋喃型饱和含氧环，不具有芳香呋喃的连续π共轭。[2]

2.2 氧原子如何影响环上电子分布

        环内氧原子同时产生诱导效应和共轭效应。

        从σ键方向看，氧的电负性较高，会吸引邻近化学键中的电子；从π体系看，氧原子的孤电子可以向环内离域，使呋喃表现为相对富电子的杂芳环。两种效应共同作用后，呋喃通常比苯容易发生亲电取代，但也较容易受到强酸、强氧化剂和高活性亲电试剂的影响。

        未取代呋喃发生亲电取代时，反应通常优先出现在2位。亲电试剂进攻2位后形成的σ络合物，可以通过多个共振结构分散正电荷；3位进攻形成的中间体，其正电荷离域方式相对受限。因此，2位路径通常具有较低的能量要求。

        这一位置规律会受到已有取代基影响。吸电子基团、给电子基团、空间位阻、金属配位和反应可逆性均可能改变区域选择性，不能把“2位优先”视为所有取代呋喃的固定结果。[3]

2.3 芳香杂环与共轭二烯的双重反应特征

        呋喃具有芳香性，但其两个双键仍可在适当条件下作为一个四π电子共轭二烯参与Diels–Alder反应。Diels–Alder反应属于［4+2］环加成，呋喃提供四π电子组分，烯烃或马来酰亚胺类化合物提供二π电子组分。[1]

反应可概括为：

呋喃基团 + 亲双烯体 ⇌ 氧桥环己烯型加成物

以马来酰亚胺为例：

呋喃基团 + 马来酰亚胺基团 ⇌ 7-氧杂降冰片烯型加成物

        呋喃取代基会改变其最高占据分子轨道能级、空间位阻和加成物稳定性，从而影响反应速率、区域选择性以及内型、外型产物比例。吸电子醛基通常会降低呋喃的二烯反应性，但适当的反应介质、温度和亲双烯体仍可使糠醛类化合物发生直接Diels–Alder反应。[4,5]

3 三类结构变化如何改变反应方式

3.1 取代基：改变电子分布并增加反应中心

取代基既能改变呋喃环的电子性质，也能自身参与反应。不同取代基的主要作用如下。

3.1.1 醛基和羟甲基：形成多条氧化还原路线

        糠醛是呋喃2位连接醛基形成的化合物。其分子同时含有富电子杂芳环和缺电子醛羰基，因此亲电反应与亲核反应可分别发生在不同部位。

两种典型侧链转化为：

呋喃-2-甲醛 + H₂ → 呋喃-2-甲醇

呋喃-2-甲醛 + [O] → 呋喃-2-甲酸

        第一条路线还原醛基并保留呋喃环，得到糠醇；第二条路线氧化醛基，得到呋喃-2-甲酸。若提高加氢强度或改变催化剂，呋喃环本身也可能继续被氢化，因此产物选择性取决于羰基加氢与环加氢的相对速率。

        5-羟甲基糠醛（5-hydroxymethylfurfural，HMF）同时含有醛基和羟甲基。两个侧链处于不同氧化态，可沿两条主要氧化顺序转化为2,5-呋喃二甲酸（2,5-furandicarboxylic acid，FDCA）：

HMF → 5-羟甲基-2-呋喃甲酸 → 5-甲酰基-2-呋喃甲酸 → FDCA 或：

HMF → 2,5-呋喃二甲醛 → 5-甲酰基-2-呋喃甲酸 → FDCA

        第一条路线先氧化醛基，第二条路线先氧化羟甲基。两条路线均汇合于5-甲酰基-2-呋喃甲酸，随后继续氧化得到FDCA。催化剂类型及活性位环境、反应介质、pH、氧化剂和温度会改变中间体分布。[6,7]

3.1.2 羧基和二羧基：由小分子转化转向链增长反应

        呋喃甲酸只含一个羧基，主要用于成盐、酯化、酰胺化和结构修饰。FDCA在呋喃环2位和5位各含一个羧基，可与二元醇或二胺发生逐步缩聚。

以乙二醇缩聚为例，可简化表示为：

n HOOC—呋喃—COOH + n HO—CH₂CH₂—OH

→ [—OC—呋喃—COO—CH₂CH₂—O—]ₙ + 水

        产物为聚(2,5-呋喃二甲酸乙二醇酯)（poly(ethylene furanoate)，PEF）。缩聚过程中，每形成一个酯键脱去一分子水；实际水生成量取决于聚合度和端基组成。

FDCA能够作为缩聚单体，源于以下结构组合：

①两个羧基提供双向链增长位点；

②2,5-取代结构使分子具有较高对称性；

③呋喃环将刚性和极性引入聚合物主链。

        FDCA可以由果糖经HMF进一步氧化制备，并已用于PEF等聚合物研究。原料可再生性与具体工艺的环境表现需要分别评价，酸碱用量、催化剂、溶剂回收、分离和能耗都会影响全过程结果。[7]

3.1.3 卤素和有机硼基团：控制呋喃片段的连接位置

        卤代呋喃中的碳—卤键可参与金属催化氧化加成；呋喃硼酸或硼酸酯可在碱存在下进行转金属化。两类结构可通过Suzuki–Miyaura反应连接不同芳基或杂芳基。

反应可概括为：

杂芳基—X + 呋喃基—B(OH)₂

在钯催化剂和碱作用下 → 杂芳基—呋喃

其中X通常为溴、碘或适当活化的氯。反应价值来自碳—卤键和碳—硼键的可选择转化。

        5-甲酰基-2-呋喃硼酸同时含有硼酸基和醛基。硼酸基可先完成交叉偶联，醛基随后继续进行Wittig烯化、还原胺化或缩合，由此实现分步构建共轭杂芳分子。[8]

3.1.4 硝基和含氮侧链：完整分子决定生物反应

        部分5-硝基呋喃化合物可由硝基还原酶进行还原活化。以大肠杆菌为例，NfsA、NfsB和AhpF等酶可参与5-硝基呋喃的电子转移过程，生成亚硝基、羟胺或自由基相关中间体。不同化合物的活化效率、细胞摄取和作用部位还受侧链结构影响。

        这类生物作用并非呋喃环的普遍性质，也不能由“含硝基呋喃”直接推断具体活性。呋喃环、硝基、侧链结构、代谢酶和细胞环境共同决定最终结果。[9]

3.2 稠合：改变共轭范围和骨架刚性

苯并呋喃由苯环与呋喃环共享一条碳—碳键形成。稠合后，两个环不再是彼此独立的苯基和呋喃基，而是构成连续的稠合π体系。

与单环呋喃相比，苯并呋喃通常具有以下结构特征：

①稠合骨架较刚性，构象自由度降低；

②共轭范围扩大，环上电子分布重新排列；

③可取代位置由单环呋喃的四个碳位扩展为完整稠合环系；

④芳香表面积增加，分子间π作用和疏水相互作用可能增强。

        继续增加稠合芳环可形成二苯并呋喃及其他多环结构。共轭和刚性增加可能有利于特定光学、电子或分子识别性质，也可能降低溶解性并增强分子堆积。稠合并不意味着硬度、稳定性、生物活性和溶解性同时提高，各项性质之间常存在相互制约。

        苯并呋喃骨架也存在于部分天然产物中。例如，propolisbenzofuran B的全合成研究利用级联成环构建其苯并呋喃核心，说明稠合呋喃可作为复杂天然产物合成中的结构单元。[10]

3.3 氢化：由芳香杂环转变为环醚

呋喃环加氢会逐步破坏连续π共轭。二氢呋喃和四氢呋喃虽然保留五元含氧环，但反应性质已发生明显改变。

        二氢呋喃的反应中心主要是剩余双键。双键是否与氧原子相邻，会影响烯醚特征、加成方向和开环倾向。

        四氢呋喃（tetrahydrofuran，THF）的氧孤电子不参与芳香共轭，可与有机锂试剂、格氏试剂和金属中心配位。THF还可发生阳离子开环聚合，生成聚四氢呋喃链段。已有研究在金(I)催化的糖基化体系中，由原位形成的糖基活性物种引发THF阳离子开环聚合，说明饱和环醚的反应逻辑与芳香呋喃不同。[11]

氢化程度增加所对应的主要变化可概括为：

芳香呋喃反应 → 不饱和环醚反应 → 饱和环醚反应

4 同一分子中的反应位点如何被选择

4.1 试剂性质决定优先进攻部位

含多个官能团的呋喃化合物，往往具有两个以上可能反应部位。

以糠醛为例：

①亲核试剂通常进攻醛羰基；

②亲电试剂可能进攻呋喃环；

③加氢催化剂可选择还原醛基，也可能继续还原环上双键；

④氧化催化剂可将醛基氧化为羧酸，也可能在较强条件下破坏呋喃环。

反应选择性来源于各反应位点的电子性质、空间可接近性和催化剂吸附方式。

4.2 催化剂改变不同反应路径的相对速率

        HMF氧化可以先从醛基开始，也可以先从羟甲基开始。某些催化剂优先生成5-羟甲基-2-呋喃甲酸，另一些体系则优先形成2,5-呋喃二甲醛。最终是否获得FDCA，取决于各中间体继续氧化的速率以及呋喃环能否保持稳定。[6]

        交叉偶联中，钯催化剂优先活化碳—卤键，使碳—碳键连接过程压过普通的环上亲电反应。Diels–Alder反应中，亲双烯体结构和取代基电子效应则决定呋喃是否表现为有效二烯。[4,8]

4.3 反应条件决定呋喃环是否保留

温和、选择性的氧化还原条件可以主要转化侧链；提高温度、压力、酸度或氧化强度后，呋喃环可能发生加氢、开环、缩合或聚合。

实验评价中需要同时确认：

5 结构差异如何对应不同应用

        呋喃—马来酰亚胺体系可用于热响应交联材料。成键时形成氧桥双环结构，升温后部分体系可发生逆Diels–Alder反应，使交联点解离。实际可逆程度受取代基、交联密度、加热时间、副反应和材料扩散过程影响。以2,5-双(羟甲基)呋喃（BHMF）基聚酯为例，研究已利用双马来酰亚胺进行可逆交联，并评价其流变和热学行为。[12]

6 呋喃类化合物的选择与安全使用

6.1 先确定所需环系

选择化合物时，可先判断研究所需的环电子结构：

①需要芳香杂环取代、共轭或Diels–Alder反应时，选择未氢化呋喃；

②需要烯醚加成、氧化或开环时，选择相应二氢呋喃；

③需要饱和环醚溶剂、配位介质或聚醚原料时，选择THF及其衍生物；

④需要刚性稠合共轭骨架时，选择苯并呋喃或其他稠合呋喃。

6.2 再确定反应官能团

取代位置也需要与合成路线对应。2-取代、3-取代和2,5-二取代结构在剩余反应位点、空间方向、分子对称性和聚合连接方式上均可能不同。

6.3 稳定性与安全注意事项

        呋喃类化合物的挥发性、易燃性、氧化稳定性和毒理性质差异较大，应根据具体化合物判断。

        呋喃为挥发性、易燃物质，并存在需要控制的急性吸入暴露风险。[13] THF同样易燃，长期接触空气时还可能形成过氧化物。[14] 糠醛、卤代呋喃、硝基呋喃和多环稠合呋喃具有各自不同的刺激性、反应性或毒理特征。储存和操作条件应依据具体产品的安全技术说明书、稳定剂信息和实验规模确定。

        生物质来源只说明原料来源或碳来源，不直接代表化合物无毒、易降解或合成过程环境负荷较低。原料预处理、催化剂、溶剂、能耗、收率和分离过程均会影响整体评价。

7 呋喃类化合物结构调控、官能团转化与反应应用相关代表化学品分类及科研应用

表1 呋喃母核、烷基及芳基取代化合物

表2 呋喃醛、酮、醇、胺、醚及反应型衍生物

表3 呋喃羧酸、酯、酰胺、酰氯及腈类化合物

表4 卤代呋喃、有机硼及双官能偶联砌块

表5 苯并呋喃、多环稠合呋喃及呋喃香豆素

表6 二氢呋喃、四氢呋喃及聚醚材料相关化合物

表7 硝基呋喃及代谢标志物分析相关化合物

表8 呋喃［4+2］环加成与可逆交联配套试剂

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参考文献

[1] International Union of Pure and Applied Chemistry. Heteroarenes; Aromaticity; Hückel (4n + 2) Rule; Cycloaddition. In IUPAC Compendium of Chemical Terminology (the Gold Book), 5th ed.; IUPAC, 2025.

[2] International Union of Pure and Applied Chemistry. Furanoses. In IUPAC Compendium of Chemical Terminology (the Gold Book), 5th ed.; IUPAC, 2025.

[3] Alvarez-Idaboy, J. R.; Montero, L. A. Theoretical Modelling of the Electrophilic Substitution Mechanism in Furan. Journal of Molecular Structure: THEOCHEM, 1992, 253, 243–259.

[4] Alves, T. V.; Fernández, I. Understanding the Reactivity and Selectivity of Diels–Alder Reactions Involving Furans. Organic & Biomolecular Chemistry, 2023, 21(38), 7767–7775.

[5] Cioc, R. C.; Lutz, M.; Pidko, E. A.; Crockatt, M.; van der Waal, J. C.; Bruijnincx, P. C. A. Direct Diels–Alder Reactions of Furfural Derivatives with Maleimides. Green Chemistry, 2021, 23(1), 367–373.

[6] Kar, S.; Zhou, Q.-Q.; Ben-David, Y.; Milstein, D. Catalytic Furfural/5-Hydroxymethyl Furfural Oxidation to Furoic Acid/Furan-2,5-dicarboxylic Acid with H₂ Production Using Alkaline Water as the Formal Oxidant. Journal of the American Chemical Society, 2022, 144(3), 1288–1295.

[7] Motagamwala, A. H.; Won, W.; Sener, C.; Alonso, D. M.; Maravelias, C. T.; Dumesic, J. A. Toward Biomass-Derived Renewable Plastics: Production of 2,5-Furandicarboxylic Acid from Fructose. Science Advances, 2018, 4(1), eaap9722.

[8] Parry, P. R.; Bryce, M. R.; Tarbit, B. 5-Formyl-2-furylboronic Acid as a Versatile Bifunctional Reagent for the Synthesis of π-Extended Heteroarylfuran Systems. Organic & Biomolecular Chemistry, 2003, 1(9), 1447–1449.

[9] Le, V. V. H.; Davies, I. G.; Moon, C. D.; Wheeler, D.; Biggs, P. J.; Rakonjac, J. Novel 5-Nitrofuran-Activating Reductase in Escherichia coli. Antimicrobial Agents and Chemotherapy, 2019, 63(11), e00868-19.

[10] Jones, B. T.; Avetta, C. T.; Thomson, R. J. Total Synthesis of Propolisbenzofuran B. Chemical Science, 2014, 5(5), 1794–1798.

[11] Li, Y.; Yu, B. Glycosylation Initiated Cationic Ring-Opening Polymerization of Tetrahydrofuran to Prepare Neo-Glycopolymers. Chemical Communications, 2010, 46(33), 6060–6062.

[12] Post, C.; van den Tempel, P.; Herrera Sánchez, P.; Maniar, D.; Bose, R. K.; Voet, V. S. D.; Folkersma, R.; Picchioni, F.; Loos, K. Thermoreversible Diels–Alder Cross-Linking of BHMF-Based Polyesters: Synthesis, Characterization and Rheology. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2025, 13(9), 3543–3553.

[13] Dotson, G. S.; Maier, A.; Parker, A.; Haber, L. Immediately Dangerous to Life or Health (IDLH) Value Profile: Furan. DHHS (NIOSH) Publication No. 2016-171; National Institute for Occupational Safety and Health: Cincinnati, OH, 2016.

[14] National Institute for Occupational Safety and Health. Tetrahydrofuran. In NIOSH Pocket Guide to Chemical Hazards; Centers for Disease Control and Prevention. Accessed July 28, 2026.

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