木质素模型化合物在酸性咪唑离子液体中溶解和降解机制的理论研究

Lignin is a kind of natural polyphenolic polymer widely found in wood and plant resources. Currently, the dissolution and depolymerization of lignin is a challenging topic in the application of biomass energy sources. Ionic liquids (ILs) have great potential in lignin chemistry due to their excellent capability for the dissolution and depolymerization of lignin. This proposal aims to address several scientific problems of the dissolution and depolymerization mechanisms of lignin model compounds in acidic imidazolium-based acidic ILs, by performing systematic quantum chemistry calculations and molecular dynamics simulations. Our goals are to (i) understand the dissolution mechanism of lignin model compounds in the ILs, (ii) establish the theoretical model on the catalytic hydrolysis of lignin model compounds in the ILs, (iii) show the synergetic effect of metal chlorides and imidazolium-based ILs for the catalytic hydrolysis of lignin model compounds, and (iv) discover the inhibition mechanism of imidazolium-based ILs combined by formaldehyde for the cross-linking condensation reaction of lignin. Theoretical results would provide valuable guidance and assistance for the rational design of efficient solvents and catalysts for the dissolution and depolymerization of lignin. In recent years, our group has been working on the researches in theoretical and computational chemistry field, and has built a good foundation for this proposal. We are confident of achieving these goals through united efforts of all members in our group.

木质素是存在于木质化植物组织中的一类天然聚酚类高分子化合物，其溶解和降解是当前生物质能源领域极具挑战性的研究课题。离子液体既可用溶解木质素的溶剂，又可以作为木质素催化降解的催化剂，在木质素化学领域有重要应用前景。该项目拟以性能优良的酸性咪唑离子液体和木质素模型化合物为主要研究对象，通过量子化学计算和分子动力学模拟开展深入系统的理论研究，期望（i）弄清木质素模型化合物在离子液体中的溶解机理；（ii）建立离子液体催化木质素模型化合物水解的理论模型；（iii）揭示金属氯化物和酸性咪唑离子液体协同催化木质素水解的增效机制；(iv)明确酸性咪唑离子液体-甲醛复合体系抑制木质素交联缩合反应的分子机理。本项目研究结果将为设计高效溶解和降解木质素的溶剂和催化剂奠定重要的理论基础。申请人从事相关研究多年，有较好的工作积累和研究基础，通过本项目的实施可望取得一系列创新性研究成果。

该项目以性能优良的酸性咪唑离子液体和木质素模型化合物为主要研究对象，用量子化学方法开展了深入系统的理论研究。探讨了咪唑类离子液体溶解和降解一系列木质素模型化合物的分子机制，提出了相关的理论模型；研究了金属氯化物和酸性咪唑离子液体协同催化木质素水解反应的增效机制，弄清了木质素模型化合物C–O和C–C键活化本质区别和联系；分析了酸性离子液体和甲醛复合体系对木质素降解效率的影响，找到了甲醛阻止木质素发生缩合反应的内禀因素，明确了酸性咪唑离子液体-甲醛复合体系抑制木质素交联缩合反应的分子机理；系统研究了磺酸咪唑类离子液体催化的葡萄糖转化反应，找到了金属卤化物与离子液体协同催化C–C键活化的关键因素。本项目取得了一系列创新性研究成果，受项目资助发表SCI研究论文43篇，研究结果为设计高效溶解和降解木质素的溶剂和催化剂奠定重要的理论基础，为实现碳水化合物到高附加值化学品的化学转化提供了重要的理论指导。除了完成本项目预定的研究内容，基于催化作用在化学、材料科学、生命科学、环境科学以及相关交叉学科等领域的重要应用，项目还以过渡金属催化体系为切入点，以理解催化反应机制为突破点，通过密度泛函理论计算研究了一系列有重要应用前景的新型催化反应，获得了一些创新性研究成果，为催化体系的设计提供了重要的理论依据。