离子液体是近年来发展起来的一类高效“绿色”溶剂。由于离子液体具有蒸汽压极低,热稳定性高,不燃烧,溶解能力强,电化学窗口宽,易回收,结构、性质可调控等优点,应用范围广泛。近年来,离子液体用于木质纤维素组分的溶解与分离的研究已取得许多重要进展。然而,绝大多数研究集中在纤维素的溶解,有关半纤维素的溶解还很少报道,同时对纤维素在离子液体中的溶解机理尚缺乏系统的认识。作为国家自然科学基金资助项目(No.21133009)的组成部分,本文通过设计、合成不同结构的离子液体,研究了离子液体的阳离子在纤维素溶解中的作用,离子液体的结构对木聚糖(半纤维素的模型化合物)溶解性能的影响,以及水的加入对木聚糖溶解的促进作用。分析了纤维素和木聚糖在离子液体中的溶解机理,解释了水分子在纤维素和木聚糖溶解中的不同作用。主要研究内容如下:1、设计合成了30种不同结构的离子液体,包括咪唑羧酸盐类、哌啶羧酸盐类、吡咯烷羧酸盐类、吗啉羧酸盐类、苯并咪唑羧酸盐类、苯并三氮唑羧酸盐类离子液体等。利用1H NMR对合成的离子液体进行了结构鉴定。测定了这些离子液体的玻璃化转变温度Tg、熔点Tm、热分解温度Td以及离子液体在不同温度下的K-T极性参数(α,β和π*值),研究了离子液体的结构对这些性质的影响。实验结果表明,离子液体阳离子正电荷的离域性愈强,其Tg和Tm值愈低,离子液体的热稳定性愈高。在阳离子侧链上引入极性基团会使离子液体的Tg和Tm值升高。离子液体的α值主要取决于其阳离子的结构,且受温度的影响较大;β值主要取决于其阴离子的结构,且基本不受温度影响。含有饱和杂环阳离子的离子液体,其阳离子的氢键给予能力较弱,α值较小,而其阴阳离子间的相互作用较强,具有较大的π*值。2、测定了纤维素在具有不同阳离子结构的离子液体中的溶解度,考察了阳离子的结构对纤维素溶解性能的影响,以及不同温度下纤维素的溶解度随离子液体α,β和π*值的变化规律,并结合13C NMR光谱研究了纤维素在离子液体中的溶解机理。结果表明,在纤维素的溶解过程中,离子液体的阴阳离子均发挥了不同程度的作用。离子液体阴离子的羰基氧原子与纤维素的羟基氢原子形成氢键,同时离子液体阳离子杂环上的酸性氢原子与纤维素的醚氧原子形成氢键,破坏了纤维素分子中固有的氢键网络结构,促使纤维素溶解。其中,离子液体的阴离子与纤维素的作用强于阳离子与纤维素的作用。因此,在纤维素的溶解过程中,离子液体的阴离子起主要作用,但阳离子的作用也不可或缺。3、测定了木聚糖在具有不同阴离子和阳离子结构的离子液体中的溶解度,分析了阴阳离子的结构以及离子液体的K-T值对木聚糖溶解性能的影响,利用红外光谱,考察了离子液体与木聚糖分子的相互作用。结合离子液体、木聚糖的13C NMR化学位移测定,研究了木聚糖在离子液体中的溶解机理。实验结果表明,在木聚糖的溶解过程中,离子液体的阴阳离子都发挥着重要作用。离子液体阳离子环上的酸性氢与木聚糖分子中的醚氧原子、桥氧原子发生氢键作用,离子液体阴离子上的羰基氧原子与木聚糖分子中的羟基氢原子形成氢键,使木聚糖分子中的固有氢键断裂,从而溶解。与纤维素的溶解机理不同,在木聚糖的溶解中,离子液体的阳离子与木聚糖的作用强于离子液体的阴离子与木聚糖的作用。因此,离子液体阳离子的作用是木聚糖溶解的主要驱动力。4、测定了木聚糖在离子液体-水混合物中的溶解度,研究了水的加入对离子液体溶解木聚糖的影响。利用红外光谱和13C NMR光谱研究了水分子与木聚糖分子的作用以及木聚糖在离子液体-水混合物中的溶解机理,解释了水在木聚糖溶解中的作用。结果表明,水的加入对木聚糖的溶解有明显的助溶作用,当水的摩尔分数为0.4时,水的助溶作用达到最大。水分子对木聚糖的助溶作用主要通过两种途径实现:水分子直接与木聚糖分子形成氢键;水分子通过对离子液体阴离子的溶剂化,使离子液体阴阳离子对的解离度增大,自由阳离子的浓度增大,与木聚糖的作用增强。这些结果对发展半纤维素的预处理技术具有重要的意义。