利用分布广泛而廉价的木质纤维资源代替石油资源生产重要的精细化工产品已成为国内外资源和能源领域的研究热点之一。木质纤维的组成和结构复杂,如何高效地催化木质纤维转化为粮食和精细化学品,以满足人类社会发展的需要是关键所在。生物质炭磺酸催化剂在催化木质纤维的水解中具有产物易分离,反应操作简单,催化剂廉价等优势,但催化剂存在着的催化活性不高且循环使用性能差等缺点。针对木质纤维的高效转化问题,从催化化学、绿色环保和降低生产成本的角度,设计了一系列的仿酶催化剂催化木质纤维素水解体系。1.设计了采用化学接枝法把离子液体(Si(MeO3)PMIMCl)嫁接到生物质炭磺酸(BCSA)表面得到催化剂(BCSA-IL-Cl),该仿酶催化剂在微波辐射下能有效催化纤维素多相水解。考察了加热方式、反应时间、温度、微波功率和反应介质对催化剂催化纤维素水解反应的影响。在优化条件下(纯水介质中,微波辐射功率350 W,反应温度90 oC,反应时间120 min),催化剂(BCSA-IL-Cl)催化纤维素水解的产物总还原糖得率(RSs)为33.40%,转化数高达3.22,比普通生物质炭磺酸催化剂(BCSA)的转化数高出一倍多,而且催化剂(BCSA-IL-Cl)具有良好的循环使用性能。结合31P MAS NMR表征、TG-DTA表征和催化剂对β-1,4-糖苷键的吸附性能结果,我们发现由于催化剂(BCSA-IL-Cl)表面的离子液体是通过柔性碳链连接在炭材料表面,且离子液体上的阴离子Cl-具有较大电负性,易与炭磺酸表面的-SO3H基团之间形成氢键,相互之间产生协同效应,不但增强了-SO3H基团的热稳定性,还增强了催化剂的酸性。同时Cl-易与纤维素分子上的β-1,4-糖苷键产生静电作用,增大了催化剂对纤维素分子的亲和力,使得催化剂具有类似于纤维素酶结构域的功能,强酸性-SO3H基团能有效打断了纤维素基本单元之间的醚键,类似于纤维素酶功能域。基于实验结果,我们推测出该仿酶催化剂催化纤维素水解的机理。2.为了进一步提高生物质炭磺酸(BCSA)催化剂对纤维素水解的催化活性,我们设计了氯酸锌离子液体(IL-ZnCl2)功能化生物质炭磺酸,得到一种新型的高效仿酶催化剂(BCSA-IL-Zn)。该催化剂BCSA-IL-Zn在纯水介质中,优化条件下催化纤维素水解,其总还原糖的得率达58.70%,转化数高达5.91。由于催化剂上的路易斯酸ZnCl2能与-SO3H之间的相互作用更强,使得催化剂BCSA-IL-Zn的酸强度增大,-SO3H的热稳定性更好。同时催化剂上高密度的Cl-促进了催化剂对β-1,4糖苷键的吸附作用,有效提高了催化剂BCSA-IL-Zn催化纤维素水解的催化活性。3.针对木质纤维素的直接转化,我们设计了一个具有有效脱木质素(BDL)功能的仿酶催化剂:氯酸铜离子液体(IL-CuCl2)功能化生物质炭磺酸催化剂BCSA-IL-Cu。该催化剂在纯水介质中优化条件下(反应温度110 oC,时间120 min、微波辐射功率750 W)直接催化木质纤维水解,还原糖的收率达22.50%,5-羟甲基糠醛(HMF)的收率为1.50%。根据实验结果探讨了催化剂催化木质纤维素水解的作用机制。催化剂BCSA-IL-Cu可以有效地实现在纯水介质中催化木质纤维的水解是由于IL-CuCl2功能团与-SO3H共同作用的结果,脱木质素功能域(BDL)的CuCl2能降低木质纤维素上致密的木质素结构,有效促进了结构域和功能域的协同作用。4.采用阴离子交换法制备了一系列含F原子的仿酶催化剂BCSA-IL-F1-3s,这类催化剂在纯水介质中,微波辐射下能有效催化纤维素水解转化到还原糖和HMF。在优化条件下(微波辐射功率350 W,反应温度80 oC,反应时间3 h),催化剂BCSA-IL-F1-3s催化纤维素水解转化的转化数TON达4.34-4.89,特别是HMF的收率最高可达27.94%。催化剂BCSA-IL-F1-3s由于功能团IL-F1-3s的存在,增强了磺酸的酸性,提高了催化剂对纤维素分子的亲和力,降低了纤维素水解的活化能。同时催化剂表面的-SO3H与IL-F1-3s之间的协同效应有效地促进了纤维素的水解和还原糖转化到HMF的反应。5.针对木质纤维催化转化到HMF,我们设计了聚酰亚胺改性生物质炭磺酸的仿酶催化剂,该催化剂在微波辐射下催化纤维素水解反应中显示了优异的催化活性和选择性,在纯水介质中,温和条件下,催化纤维素水解的总还原糖和HMF的得率分别达25.60%和23.10%,选择性高达47.43%。研究结果表明催化剂上的聚酰亚胺片段对β-1,4糖苷键具有较强的吸附能力,促进了纤维素水解到还原糖。同时聚酰亚胺具有弱碱性,能催化糖异构到HMF。