林木剩余物质子极化体系定向演化形成平台化合物过程机理研究

Conducting the fundamental study on thermochemical refining of forest lignocellulosic residues provides a potential industry application with high value and low cost at a large scale. Conventional liquefied process generates low conversion yield, poor catalytic selectivity and high complex products, which can not be applied for industrial application directly. In this project, carbon solid catalyst /polar aprotic solvents /water hydrion polarized synergetic system is established as specific liquefied solvent for its remarkable selective performance for levulinic acid. The refining behavior of lignocellulosic biomass is investigated for better understanding of steerable mechanism based on single component stability research of levulinic acid, furfural and low-molecular-weight phenols. The interaction betweeen carbon solid catalyst /polar aprotic solvents /water hydrion polarized synergetic system and supermolecule chemical structure of lignocellulose will be be investigated, and the formation mechanism for final products will be proposed. The conversion mechanism for transition intermediates of levoglucosenone, xyloligosaccharide and polyphenols will also be discussed, and steerable structure evolution for final products will be proposed. This project will calarify the steerable refining mechanism of lignocellulose in hydrion polarized synergetic system, which will develop an effective solution and provide solid scientific basis for practical utilization of lignocellulosic residues with low cost and high value.

开展木质纤维热化学精细化基础研究对于实现林木剩余物木质纤维资源高值化、低成本的大规模利用具有重要的应用基础科学价值。针对木质纤维常规液化体系传质效率低，催化剂选择性差，产物组分复杂难以工业化应用等问题，本项目构建对木质纤维组分具有优良选择特性和亲和性的炭基固体酸-非质子极性溶剂-水质子极化协同体系，以平台化合物乙酰丙酸、糠醛和小分子酚的单组分演化路径研究为基础，探明木质纤维超分子结构定向演化的过程机理：研究炭基固体酸选择性催化和复合溶剂溶剂化效应耦合的质子极化协同体系与木质纤维超分子结构的交互作用，明晰质子极化体系的协同作用规律；研究过渡态中间体左旋葡萄糖酮、低聚木糖和多酚的结构演化过程，揭示目标平台化合物的稳定化机制。进而阐明木质纤维质子极化体系中定向演化形成平台化合物的过程机理，解决木质纤维热化学精细化过程可控性的基础科学问题，为林木剩余物资源低成本高值化利用提供坚实的理论基础。

开展木质纤维热化学精细化基础研究对于实现林木剩余物木质纤维资源高值化、低成本的规模化利用具有重要的应用基础科学价值。围绕木质纤维常规液化体系传质效率低，催化剂选择性差，产物组分复杂难以工业化应用等问题，项目针对小分子的林源平台化合物（呋喃类、单酚类）的含氧结构特征，基于对称微扰理论，创新构建了非经典的极性非质子溶剂/盐溶液质子极化双相体系，应用于木质纤维可控解聚和平台化合物定向演化过程：1）研究了不同质子极化体系中溶剂（极性非质子溶剂、水、极性质子溶剂）和催化剂（炭基固体酸、熔融盐水合物）组成结构与解离活化能调控及平台化合物稳定化之间的构效关系，揭示了质子极化体系通过改变过渡态中间体C-O键强度影响解离活化自由能从而调控平台化合物演化路径的过程机制；2）研究了模型化合物（木糖、葡萄糖、酶解木质素）、过渡态中间体（糠醛、5-HMF、单酚）和木质纤维（竹粉）在极性非质子溶剂/盐溶液双相体系中的解聚、演化和迁移路径，阐明了木质纤维可控定向演化形成平台化合物的过程机理。在上述研究基础上，提出了木质纤维可控分级解聚和平台化合物定向催化转化的新策略，进一步集成了连续浆态化预处理、同步催化转化和高效分离纯化等关键技术与装备，完成国际先进的木质纤维定向液化新工艺，实现将低值林木剩余物转化为高值含氧化学品，木质纤维解聚效率和呋喃类产品得率较传统酸蒸煮工艺提高30%以上，为低值林木剩余物高效转化为高值含氧化学品的规模化应用提供理论支撑与技术储备。