乙烯、丙烯、丁烯、1,3-丁二烯和异戊二烯等 C2–C5 烯烃，是塑料、橡胶、化纤等大宗化学品的重要基础原料。随着石油资源的日益紧张、下游化学工业对烯烃原料需求的持续增长，以生物质和 CO2 等可再生碳源制备的生物基烯烃，正成为绿色化工与生物制造的重要发展方向。

[SynBioCon] 获悉，围绕这一趋势，近日，青岛科技大学邹慧斌教授团队联合中国科学院青岛生物能源与过程研究所团队，对 C2–C5 生物基烯烃的主要全生物合成、半合成路线进行了系统梳理和分析。

本文重点总结了两类合成路线：一是由工程微生物利用糖、木质纤维素水解液或 CO2 直接生物合成烯烃；二是先通过发酵生物质原料获得生物基醇、二醇、有机酸及其他含氧中间体，再经催化生成烯烃的半合成路线。

在此基础上，本文结合原子经济性（AE）、理论碳效率（CE）、热力学趋势和主导工艺瓶颈对不同路线进行统一评价，并利用 AI 辅助工具预测了 10 条有较高应用潜力的新合成路线。

全球烯烃市场的数据也显示生物基烯烃转型的必要性和现实瓶颈：2020–2025 年，商业化生物乙烯供应由 0.22 Mt 增至 0.40 Mt；而 2025 年石油基乙烯、丙烯、1,3-丁二烯和异戊二烯的供应规模分别约为 237.26、187.9、20.3 和 1.9 Mt。除生物乙烯外，C3–C5 生物基烯烃总体仍处于实验室、中试示范或早期商业化阶段，下一步的关键已不只是“能否生成”，而是能否在可接受的碳损失、能耗、分离负担和设备投资下实现稳定放大。

图文解读

从“能生成”到“可放大”：两类路线、一套标尺

直接生物合成的优势是目标产物可在细胞内形成并以气体或挥发性产物释放，有机会减少外置催化反应器和液相分离步骤；其代价是代谢通量、辅因子、宿主负担、氧传递、遗传稳定性与在线气体捕集往往相互耦合。半合成路线则把问题拆成“生物基含氧中间体供给 + 催化升级”两段，便于复用既有乙醇、异丙醇或丁醇平台，但需要处理稀发酵液脱水、湿料催化剂寿命、产物分布和积炭等工程约束。

因此，评价路线时不能只比较最终产率。本文中AE参数用于描述目标产物占反应物总质量的理论比例；CE参数描述在明确边界内有多少碳保留在目标产物中；ΔG°–T热力学参数可用于初筛某些离散反应的热力学趋势；而工艺成熟度、分离负荷、催化剂或宿主稳定性以及气体回收，决定了理论优势能否转化为连续运行性能。对多步代谢路线和反应网络，单一终端反应的 AE/CE 不能直接代表整条路线，更不能与边界不同的路线作无条件横向比较。

C2–C5 并非同一道题：路线选择必须以目标为中心

C2 乙烯：近期的商业化制备主要依托生物基乙醇脱水。乙醇到乙烯这一步的 AE 为 60.9%，在该终端边界内的CE为 100%，该制备路径比较成熟；但产业化真正的负担集中在乙醇浓缩、湿料耐受和催化剂的长周期稳定性。由乙烯形成酶（EFE）驱动的直接路线可从糖、木质纤维素水解液甚至光合固定 CO2 出发，具有潜在的应用优势，但目前仍处于实验室研究阶段。

C3 丙烯：生物基异丙醇（bio-IPA）的脱水制备路线具有较好的评价参数，终端 AE 为 70.0%、CE 为 100%，但上游 IPA 供给和 IPA–水分离仍不成熟，限制其工业化应用。乙醇制丙烯（ETP）可以复用强大的乙醇平台，却进入复杂的烃池反应网络，选择性、积炭和混合 C2–C5 产物回收成为主要代价。OleT 型直接生物催化已经证明丙烯可由可再生 C4 前体生成，但仍属于需要强化前体供给、短链底物识别和氧化稳定性的探索路线。

C4 烯烃：这一家族包含异丁烯、1-丁烯、2-丁烯和 1,3-丁二烯，多数合成路线处于实验室评价阶段。其中异丁醇脱水制备异丁烯的合成路线有较好的评价参数；正丁醇半合成路线受丁烯异构体选择性的影响；2,3-丁二醇制 2-丁烯的路线受限于脱氧步骤。1,3-丁二烯的全生物合成路线已在实验室水平建立，是C4 烯烃全生物合成最具代表性的案例，但双脱羧带来的碳损失、溶氧控制与气体产品安全回收工艺仍需要优化。

C5 烯烃：异戊二烯的生物合成是目前验证最充分、研究最广泛的直接 C5烯烃生物合成路线。工程化大肠杆菌可通过较高效的MVA 通路合成异戊二烯；其下一步主要优化方向是提高发酵产量和得率。C5 烯烃的半合成路线中，线性戊烯和支链异戊烯受异构体分布与分离难题的限制，而3-MTHF/3-MBDO 制异戊二烯的半合成路线以及 2-MTHF/2,3-戊二醇制 1,3-戊二烯的半合成路线需要进行模块化优化。

真正可迁移的，是共享骨架和工程模块

综合比较后，作者将路线网络归纳为五条互联骨架：乙醇中心骨架、C3 含氧化合物骨架、C4 含氧化合物骨架、C5 含氧化合物骨架和直接挥发性烯烃骨架。其中，乙醇仍是近期最具平台价值的共享节点，可分流至乙烯、丙烯和 1,3-丁二烯；bio-IPA 为丙烯提供更清洁的下游路线；C4 含氧化合物兼具“跨碳数”连接能力；C5 含氧化合物池适合发展戊烯、异戊二烯和戊二烯；直接挥发性骨架则代表更长期、可能更具颠覆性的生物制造模式。

在未来工程化应用方面，比寻找“最优路线”更重要的，是催化剂再生、选择性脱氧、连续气提分离工艺和 CO2 闭环等工程模块。未来生物炼制厂也不必在直接与间接路线之间二选一：稳定的大宗烯烃产品制备可由成熟度高、产量大的半合成平台承担，而生产规模低的烯烃产品可直接使用全生物合成工艺。

AI 预测的生物基烯烃合成路线：提前预判，而不是“替实验给答案”

本文进一步利用AI工具构建了10条满足门槛条件的 C2–C5 烯烃新合成路线，并采用 ASKCOS 前向反应预测，结合热力学、已知反应先例和 AE/CE 等指标对各条路线进行了评价。需要注意的是，多数路线的预测结果更多指向醇/烯醇、不饱和羰基、羟基羰基等含氧中间体，提示部分设想更可能需要分步或串联转化。

在论文定义的 10 分证据框架下，R1–R3 和 R7 得分 7 分，被列为中等实验优先级；R4–R6 与 R8–R10 得分 4 分，仍属探索级。这个排序的价值在于决定“先测什么”：对醇形成型路线，先验证羰基还原再做脱水；对 C–C 偶联型路线，先捕获含氧 C4/C5 中间体再开展脱氧；对只有热力学支持、模型证据较弱的路线，先拆成基本反应步骤。

进一步分析表明，其中 7 条路线更适合按两步、双床层或串联催化体系开展验证，而不是追求单催化剂“一步到位”。AI 工具在本文中的作用是帮助确定优先监测的中间体、需要调控的催化功能和可能出现的失败路径，为后续实验设计提供排序依据，而不能替代催化剂开发、动力学验证和过程数据。因此未来的实验验证仍需要进一步开展。

总结

综合来看，并不存在适用于所有 C2–C5 烯烃的单一合成路线。近期来看，以生物基乙醇及其他生物基含氧平台中间体为原料的半合成路线更具工业应用价值；但从长期来看，直接生物合成目标烯烃的制备路线具有工艺单元较少、可减少中间体分离步骤等潜在优势。但无论采用哪类路线，都需要在统一的评价边界下综合考察原子经济性、稳定性、选择性、挥发性成分的收集和安全性。

未来将有更多的AI、绿色化学和合成生物学工具用于新生物基烯烃工艺的开发，并仍需通过各种实验指标和工程放大进行检验。本文最终提出的“共享骨架 + 工程模块 + 证据分级”开发思路，为后石油时代 C2–C5 烯烃的已有合成路线优化和新合成路线开发提供了学术参考。

团队简介与项目支持

青岛科技大学邹慧斌教授团队长期围绕生物基异戊二烯、萜类、苦味酸、芳香族和杂环化合物的生物合成研究。此项工作进一步结合青岛科技大学在橡胶与高分子材料领域的学科特色，提出了生物基烯烃的潜在发展前景。

本研究获得国家重点研发计划（2022YFC2104700）和山东省自然科学基金（ZR2022MB014）资助。

来源：该综述以“Post-petrol C2–C5 olefins: biosynthetic or semisynthetic production of biobased olefins”为题，于 2026 年 8 月 3 日在线发表于 Green Chemistry。青岛科技大学博士研究生李燕超为第一作者，青岛科技大学为第一通讯单位。原文链接：DOI: 10.1039/d6gc03751h

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