生物质水热催化转化制取液体燃料是生物质利用最具前景的路线之一,以5-羟甲基糠醛(HMF)和糠醛为代表的呋喃类平台化合物是该路线中的关键中间产品,也是连接生物质与液体燃料的桥梁。本文依托国家重点研发计划项目、国家杰出青年科学基金和国家自然科学基金面上项目的支持,开发了基于离子液体催化的丁酮-水绿色反应体系,实现了生物质及其衍生糖类向呋喃类平台化合物的高效定向转化。首先以生物质中含量最为丰富的五碳糖单元木糖作为研究对象,探究了离子液体催化剂中金属盐组分和咪唑组分对其脱水转化生成糠醛的影响规律。通过对木糖转化关键中间产物木酮糖的定量分析,结合离子液体的详细结构表征,发现合适的催化剂组分配比有助于促使木糖经过活化能较低的异构化-脱水路径生成糠醛,而某一组分过多会导致副反应频发,使得糠醛产率随反应时间延长而降低。在140℃条件下于优选的离子液体催化剂催化下得到了75%糠醛产率。离子液体催化体系同样适用于生物质原料,由玉米秆可得到48%的糠醛产率。基于实验结果借助分子动力学模拟计算研究了离子液体催化下丁酮的有机溶剂效应对木糖转化制备糠醛反应过程的作用机制。结果表明有机溶剂一方面能够增加水分子与木糖分子间的结合强度,促进木糖质子化脱水反应的发生,从而提高木糖转化率;另一方面能够对水分子起屏蔽作用,避免聚合副反应的发生。阿拉伯糖是生物质中含量仅次于木糖的五碳糖单元,同时也是反应活性最低的戊醛糖。选用阿拉伯糖作为原料在140℃的丁酮-水体系中经由离子液体催化转化可得到60%的最大糠醛产率。反应动力学分析结果表明,副反应主要来自于糠醛与阿拉伯糖脱水中间产物间的缩合副反应,而糠醛自身的降解反应对其产率的影响较小。此外,丁酮-水绿色溶剂体系有助于提高糠醛降解反应所需的活化能,从而抑制副产物的生成。在C5糖类脱水转化制取糠醛的机理实验研究基础上,将相同的催化反应体系应用于C6糖类转化制备HMF。选用蔗糖、麦芽糖、纤维二糖、乳糖、菊糖、纤维素等能够由生物质广泛获取的糖类作为原料,采用微波加热方法,并将离子液体催化剂进行磺酸化处理以提高转化效果。结果表明本反应体系能够实现双糖与多糖的高选择性快速转化,在反应时间1min内即实现了双糖的全部转化并得到了65.1%的HMF产率。其中富含果糖单元的蔗糖与菊糖对HMF的选择性最高。其次是以葡萄糖单元为主的麦芽糖、纤维二糖与纤维素,它们生成了较多的含氧脂肪族副产物。而乳糖对HMF的选择性最差,在反应过程中易生成呋喃类副产物。