煤、石油、天然气等化石资源储存量有限,其持续稳定供应面临着巨大挑战。生物质是自然界中可持续再生的有机碳资源,储量丰富。高效开发利用生物质平台化合物制备生产生活中需要的有机化学品,对于降低温室效应,减少环境污染以及缓解能源危机均具有重要的科学意义和应用背景。3-羟甲基环戊酮(HCPN)和3-羟甲基环戊醇(HCPL)作为环戊酮衍生物,是制备香料、药物、聚合物以及其他化学品的重要精细化工中间体,主要由石油基化学品经多步反应合成或由生物质平台化合物-5-羟甲基糠醛(HMF)经水相中加氢重排获得。目前HMF水相中加氢重排合成环戊酮衍生物存在着催化剂制备及催化体系复杂、贵金属催化剂增加反应成本、催化剂循环稳定性差以及反应物浓度低等问题。本论文针对上述存在的问题进行研究,筛选得到具有较高催化活性的廉价金属催化剂,并对反应条件进行优化。同时考察催化剂稳定性,分析催化剂的失活原因,为规模化生产环戊酮衍生物提供理论基础。本论文主要工作内容如下:首先对催化HMF合成环戊酮衍生物的廉价金属催化剂进行筛选。结果表明,活性金属种类是影响催化活性的重要因素,其中CuZnAl催化效果最好。铜金属相对HMF中羰基选择性吸附而对呋喃环强烈排斥,使呋喃环中的C=C键不容易被加氢,从而提高目标产物选择性。同时,金属铜颗粒高度分散,有利于催化活性提高。催化剂中各组分含量以及催化剂制备方法也会影响催化效果,由共沉淀法制备Cu:Zn:Al摩尔比为1:4:5的CuZnAl催化剂具有最高的催化活性,反应温度140℃、H2压力4MPa、反应时间4h时,HMF完全转化,HCPN和HCPL的产率分别达到57.7%,21.9%。通过物理吸附和NH3程序升温脱附表征发现,催化剂的物理结构性质以及表面酸强度与催化活性没有明显联系,而表面酸量与催化剂活性呈负相关,即随着表面酸量的降低催化活性增加。在HMF合成HCPN过程中,催化剂中Cu含量增加、反应温度提高、H2压力提升以及反应时间延长都会导致HCPN过度加氢,从而降低其选择性。反应温度过高则容易造成C-C键断裂,产生积碳;还会使生成的活性中间体发生聚合反应,出现结焦现象,导致催化剂失活。通过对反应条件优化,HCPN产率最高可达69.9%,HMF转化率为100%。在本论文的催化反应体系下,推测HMF合成环戊酮衍生物的反应路线如下:首先催化剂对HMF的醛基加氢生成2,5-二羟甲基呋喃(BHMF),随后BHMF发生开环反应生成1-羟基-3-己烯-2,5-二酮(HHED),大部分HHED通过分子内羟醛缩合得到4-羟基-4-羟甲基-2-环戊烯酮(HHCPEN),再通过脱水和加氢反应最终得到HCPN。另一方面,HHED会加氢生成1-羟基-2,5-己二酮(HHD),通过分子内羟醛缩合生成3-羟甲基-2-环戊烯酮(HCPEN),再加氢得到HCPN。HCPN中C=O键进一步加氢生成HCPL。在HMF合成HCPL过程中,反应温度是影响HCPL产率的主要因素,随着反应温度提高,HCPL产率呈现出递增趋势,随后逐渐趋于稳定。H2压力和反应时间对HCPL产率没有明显影响。通过对反应条件优化,HCPL产率最高达到67.2%,HMF完全转化。催化剂的稳定性研究表明,CuZnAl系列催化剂具有良好的稳定性。三次循环后,HMF转化率和环戊酮衍生物总产率基本保持不变。第4次反应时目标产物总产率由约87%下降为47.0%。催化活性降低,一方面是由于反应后催化剂颗粒粒径增大导致团聚现象严重,同时催化剂表面发生了严重的积碳现象,导致催化剂失活;另一方面起主要催化作用的Cu0组分在反应过程中和催化剂回收过程中发生了氧化作用,使催化剂活性降低。