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化石资源枯竭和温室效应加剧是人类目前面临的两大难题。生物质储量丰富、可再生，经合理设计的化学/生物反应过程，可转化为一系列的燃料和化学品，从而部分取代化石资源;木质生物质的生长过程会消耗CO2，所以在生物质利用和再生的碳循环中，CO2净排放量为零，从而缓解温室效应。
木质生物质主要是由纤维素、半纤维素和木质素组成，其中纤维素和半纤维素大约占2/3。（半）纤维素可以水解生成五碳糖和六碳糖。目前的研究集中在将五碳糖和六碳糖分别转化为不同的目标产物，存在原料利用率、产物总收率低，分离成本高等问题。为了解决这些问题，本文将五碳糖和六碳糖同时催化转化为同一种具有高附加值的产物。选取的目标产物为乳酸甲酯和乙酰丙酸甲酯。研究内容概括如下:
首先，均相催化生物质转化可以得到较高的乳酸甲酯收率，尤其是在部分金属氯化物的催化下，但是并没有研究详细报道不同金属氯化物对此反应的催化规律。所以探究了近临界甲醇中，15种金属氯化物对五碳糖和六碳糖同时催化转化制备乳酸甲酯的影响。结果表明:不同金属氯化物对五碳糖和六碳糖的催化转化表现出相似的规律。乳酸甲酯收率随着金属离子pKa值的增大呈现出先上升后下降的趋势，这说明中等强度的Lewis酸有利于乳酸甲酯生成。在InCl3(pKa=4.4)催化下，乳酸甲酯收率最高，以葡萄糖、果糖、木糖以及葡萄糖和木糖混合物为原料时，乳酸甲酯的收率分别为45.9％、57.4％、32.3％和35.8％。根据实验结果提出了近临界甲醇中五碳糖和六碳糖同时催化转化制备乳酸甲酯可能的反应路径。
其次，虽然均相催化可以得到较高的乳酸甲酯收率，但是均相催化剂回用困难，所非均相催化剂更具吸引力。有研究发现NiO对此反应具有较好的催化效果，并且价格低廉，具有磁性反应后容易分离，但是并没有对NiO的催化机制进行研究。所以探究了近临界甲醇中NiO催化转化果糖制备乳酸甲酯的机制。NiO分别在300、400、500和600℃下焙烧。TGA、FT-IR以及XPS的表征结果显示NiO表面存在NiOOH。实验结果发现随着焙烧温度的升高，NiOOH的数量和乳酸甲酯收率都呈出下降趋势，所以推测NiO表面的NiOOH可以促进果糖转化为乳酸甲酯。另外，NiOOH也会影响中间产物1，3-二羟基丙酮和丙酮醛的催化转化，对果糖以及中间产物的影响程度为:果糖＞1，3-二羟基丙酮＞丙酮醛。探究了NiO的重复使用性能，结果发现回用效果较差，可能是因为反应结束后有一些含碳高聚物吸附在NiO表面，覆盖了活性位点。
接着，探究了水对反应的影响。因为目前从生物质出发制备乳酸甲酯的原料多为模型物质，如果可以直接将生物质原料进行转化将大大降低成本。但是生物质原料一般都含有水，水可能会促进乳酸甲酯水解。以葡萄糖、木糖、果糖、蔗糖、乳糖和麦芽糖等生物质糖为原料，NiO为催化剂，探究了含水量对近临界甲醇中生物质糖催化转化制备乳酸甲酯的影响。结果表明:对于不同生物质糖的催化转化，随着含水量增大，乳酸甲酯收率都呈现出先上升后下降的趋势，这是因为水可以促进部分副产物尤其是羟基乙醛二甲基缩醛(GADMA)转化为主产物乳酸甲酯。推测反应过程为:GADMA水解生成乙醇醛，乙醇醛发生羟醛缩合反应生成六碳糖，六碳糖再进一步转化为乳酸甲酯。在适当含水量的条件下，乳酸甲酯的生成速率要大于其分解速率。在不同生物质糖的催化转化中，乳酸甲酯收率达到峰值所需的含水量不同。探究了含水量对GADMA催化转化和乳酸甲酯稳定性的影响。反应结束后，经250℃焙烧可以去除NiO表面吸附的含碳高聚物，重复使用性能较好，并且水对NiO的重复使用性能几乎没有影响。用NiO直接催化含水的工业原料高果糖浆制备乳酸甲酯，探究了原料浓度对乳酸甲酯收率的影响，在200℃下反应3h后，乳酸甲酯收率可达42.4％。
最后，与乳酸甲酯相比，五碳糖和六碳糖同时催化转化制备乙酰丙酸甲酯的反应更难进行。因为在五碳糖的催化转化制备乙酰丙酸甲酯的过程中涉及加氢反应，通常分步进行，但是本研究提出了一种近临界甲醇中在非临氢条件下，三聚甲醛强化、分子筛催化五碳糖和六碳糖同时转化制备乙酰丙酸甲酯的新方法。三聚甲醛分解产生的甲醛与糠醛/糠醛衍生物发生羟甲基化反应从而生成5-羟甲基糠醛/5-羟甲基糠醛衍生物是反应的关键步骤。以木糖为原料，探究了三聚甲醛加量和分子筛种类（Hβ、MCM-22、MCM-41、Mordenite和SAPO-11）对反应的影响，其中Hβ的催化效果最好，可能是因为Hβ同时具有较强Lewis和Br(φ)nsted酸性，二者可以协同催化木糖转化为乙酰丙酸甲酯。对木糖的催化转化进行了工艺优化，得到最优条件为:在160℃下反应18h后，乙酰丙酸甲酯的最高收率为47.4％。考察了三聚甲醛对不同生物质糖催化转化的影响。结果发现，与五碳糖催化转化不同的是，在六碳糖的催化转化中无需三聚甲醛，进一步说明了三聚甲醛只在羟甲基化反应中发挥作用。在分子筛催化、三聚甲醛强化下，在160℃下反应18h后，葡萄糖和木糖同时催化转化制备乙酰丙酸甲酯的收率可达50.4％。根据实验结果提出了五碳糖和六碳糖同时催化转化为乙酰丙酸甲酯可能的反应路径。并且以糠醛、5-羟甲基糠醛为原料进一步验证了反应路径。Hβ分子筛在重复使用五次后依然保持良好的活性。
木质生物质主要是由纤维素、半纤维素和木质素组成，其中纤维素和半纤维素大约占2/3。（半）纤维素可以水解生成五碳糖和六碳糖。目前的研究集中在将五碳糖和六碳糖分别转化为不同的目标产物，存在原料利用率、产物总收率低，分离成本高等问题。为了解决这些问题，本文将五碳糖和六碳糖同时催化转化为同一种具有高附加值的产物。选取的目标产物为乳酸甲酯和乙酰丙酸甲酯。研究内容概括如下:
首先，均相催化生物质转化可以得到较高的乳酸甲酯收率，尤其是在部分金属氯化物的催化下，但是并没有研究详细报道不同金属氯化物对此反应的催化规律。所以探究了近临界甲醇中，15种金属氯化物对五碳糖和六碳糖同时催化转化制备乳酸甲酯的影响。结果表明:不同金属氯化物对五碳糖和六碳糖的催化转化表现出相似的规律。乳酸甲酯收率随着金属离子pKa值的增大呈现出先上升后下降的趋势，这说明中等强度的Lewis酸有利于乳酸甲酯生成。在InCl3(pKa=4.4)催化下，乳酸甲酯收率最高，以葡萄糖、果糖、木糖以及葡萄糖和木糖混合物为原料时，乳酸甲酯的收率分别为45.9％、57.4％、32.3％和35.8％。根据实验结果提出了近临界甲醇中五碳糖和六碳糖同时催化转化制备乳酸甲酯可能的反应路径。
其次，虽然均相催化可以得到较高的乳酸甲酯收率，但是均相催化剂回用困难，所非均相催化剂更具吸引力。有研究发现NiO对此反应具有较好的催化效果，并且价格低廉，具有磁性反应后容易分离，但是并没有对NiO的催化机制进行研究。所以探究了近临界甲醇中NiO催化转化果糖制备乳酸甲酯的机制。NiO分别在300、400、500和600℃下焙烧。TGA、FT-IR以及XPS的表征结果显示NiO表面存在NiOOH。实验结果发现随着焙烧温度的升高，NiOOH的数量和乳酸甲酯收率都呈出下降趋势，所以推测NiO表面的NiOOH可以促进果糖转化为乳酸甲酯。另外，NiOOH也会影响中间产物1，3-二羟基丙酮和丙酮醛的催化转化，对果糖以及中间产物的影响程度为:果糖＞1，3-二羟基丙酮＞丙酮醛。探究了NiO的重复使用性能，结果发现回用效果较差，可能是因为反应结束后有一些含碳高聚物吸附在NiO表面，覆盖了活性位点。
接着，探究了水对反应的影响。因为目前从生物质出发制备乳酸甲酯的原料多为模型物质，如果可以直接将生物质原料进行转化将大大降低成本。但是生物质原料一般都含有水，水可能会促进乳酸甲酯水解。以葡萄糖、木糖、果糖、蔗糖、乳糖和麦芽糖等生物质糖为原料，NiO为催化剂，探究了含水量对近临界甲醇中生物质糖催化转化制备乳酸甲酯的影响。结果表明:对于不同生物质糖的催化转化，随着含水量增大，乳酸甲酯收率都呈现出先上升后下降的趋势，这是因为水可以促进部分副产物尤其是羟基乙醛二甲基缩醛(GADMA)转化为主产物乳酸甲酯。推测反应过程为:GADMA水解生成乙醇醛，乙醇醛发生羟醛缩合反应生成六碳糖，六碳糖再进一步转化为乳酸甲酯。在适当含水量的条件下，乳酸甲酯的生成速率要大于其分解速率。在不同生物质糖的催化转化中，乳酸甲酯收率达到峰值所需的含水量不同。探究了含水量对GADMA催化转化和乳酸甲酯稳定性的影响。反应结束后，经250℃焙烧可以去除NiO表面吸附的含碳高聚物，重复使用性能较好，并且水对NiO的重复使用性能几乎没有影响。用NiO直接催化含水的工业原料高果糖浆制备乳酸甲酯，探究了原料浓度对乳酸甲酯收率的影响，在200℃下反应3h后，乳酸甲酯收率可达42.4％。
最后，与乳酸甲酯相比，五碳糖和六碳糖同时催化转化制备乙酰丙酸甲酯的反应更难进行。因为在五碳糖的催化转化制备乙酰丙酸甲酯的过程中涉及加氢反应，通常分步进行，但是本研究提出了一种近临界甲醇中在非临氢条件下，三聚甲醛强化、分子筛催化五碳糖和六碳糖同时转化制备乙酰丙酸甲酯的新方法。三聚甲醛分解产生的甲醛与糠醛/糠醛衍生物发生羟甲基化反应从而生成5-羟甲基糠醛/5-羟甲基糠醛衍生物是反应的关键步骤。以木糖为原料，探究了三聚甲醛加量和分子筛种类（Hβ、MCM-22、MCM-41、Mordenite和SAPO-11）对反应的影响，其中Hβ的催化效果最好，可能是因为Hβ同时具有较强Lewis和Br(φ)nsted酸性，二者可以协同催化木糖转化为乙酰丙酸甲酯。对木糖的催化转化进行了工艺优化，得到最优条件为:在160℃下反应18h后，乙酰丙酸甲酯的最高收率为47.4％。考察了三聚甲醛对不同生物质糖催化转化的影响。结果发现，与五碳糖催化转化不同的是，在六碳糖的催化转化中无需三聚甲醛，进一步说明了三聚甲醛只在羟甲基化反应中发挥作用。在分子筛催化、三聚甲醛强化下，在160℃下反应18h后，葡萄糖和木糖同时催化转化制备乙酰丙酸甲酯的收率可达50.4％。根据实验结果提出了五碳糖和六碳糖同时催化转化为乙酰丙酸甲酯可能的反应路径。并且以糠醛、5-羟甲基糠醛为原料进一步验证了反应路径。Hβ分子筛在重复使用五次后依然保持良好的活性。