众所周知,不可再生的石油、煤炭、天然气等化石资源总有一天将要耗尽。太阳能、水能、风能等可产生能量但无法制造化学物质。为此,人类必须利用可再生生物质资源创造新的化合物。纤维素作为植物细胞壁的主要成分,是光合作用的产物、自然界中储量最为丰富的生物质资源。纤维素最基本的结构单元是葡萄糖,它可作为制备醇类、有机酸和呋喃类等平台化合物的重要原料。这些平台化合物在食品、医药、日化及化工领域有广阔应用。因此,由纤维素转化成各种高附加值的平台化合物具有重要的战略意义。本工作涉及高分子科学、农业化学、环境化学、有机化学和分析化学等多个领域。主要研究钌基均相催化剂催化降解纤维素以及纤维素在均相碱性水溶液中的降解方法和产物。对纤维素的选择性降解条件、降解产物分析以及建立产物分离和分析新方法等进行了大量研究。同时也查阅了相关文献报道并进行结果对比。由此在纤维素降解为平台化合物上作出了创新性贡献。本论文的主要创新包括以下几点：(1)合成了新的钌催化剂,并在水／异丙醇的均相溶剂体系中使用该钌基化合物成功催化葡萄糖转化为山梨醇,并揭示其反应机理。催化剂用量少、选择性高、反应活性高；(2)首次将钌基均相催化剂用于纤维素的催化转化,成功制备出高产率的山梨醇,该催化反应选择性高,产物体系简单、易分离；(3)首次在不添加异相催化剂条件下,利用纤维素NaOH/ZnO水溶液体系作为均相溶液进行氧化降解,将纤维素一步转化为有机酸小分子化合物,并证明该反应选择性和产率都很高。本论文主要研究内容及结论简述如下。为了解决生物质转化的基础科学问题,需要选用葡萄糖进行氢化转化为醇的催化剂体系研究。创新性设计与合成了一种钌催化剂,并确定其晶体结构。首次成功完成钌基均相催化葡萄糖的氢化转化反应。在温和的反应条件下得到主要产物山梨醇,其产率高达95.2%,而且钌基均相催化剂表现出很高的反应活性。实验结果证明反应机理为葡萄糖的醛基还原为羟基,从而转化为山梨醇。通过物理和化学方法对产物进行分离,并用高效液相色谱和质谱对产物进行分析。结果证明氢化产物为山梨醇,同时伴有少量山梨醇的脱水产物。在100℃,50 atm H2, 24 h,0.1 mol% Rul的反应条件下,葡萄糖转化率达97%,己糖醇产率达95.8%。与异相催化剂相比,本钌基催化剂具有以下优点：使用价廉易得的原料合成,合成步骤简单；钌基均相催化葡萄糖转化的产物组分单一；催化剂用量少,效率高；可避免异相催化剂回收和污染环境的问题；反应条件温和,较低的反应温度下可完成反应。本工作开辟了葡萄糖转化中均相催化的新思路和新方法。利用纤维素原料高效、高选择性转化为有机平台化合物是目前资源利用中的重要课题之一。这里以纤维素为原料,催化降解为有机化合物,拟开辟纤维素转化为有价值的平台化合物的新方法。首次研究使用钌基均相化合物做催化剂,用于纤维二糖和纤维素在酸性条件下的的高选择性转化制备己糖醇。采用黏度法测定纤维素原料和球磨纤维素的黏均分子量。同时,对降解产物分离方法作进一步改进。高效液相色谱和质谱分析的结果,确定纤维二糖和纤维素的氢化产物为山梨醇。实验证明球磨纤维素可明显提高其产物转化率,最适宜的反应温度为100℃,Ru1用量为0.1 mo1%。研究表明由纤维二糖转化为己糖醇产率达94.5%,由纤维素制备的己糖醇产率达56.4%,达文献报道最高值之一,其中约50%纤维素发生碳化损失掉。因此,该催化体系表现出高转化效率；温和的反应条件；低催化剂用量,仅为相关异相催化剂Ru/C的二十分之一。反应机理为组成纤维二糖和纤维素的葡萄糖单元间的糖苷键在酸性条件下发生断裂变成葡萄糖。Ru-H过渡态插入到葡萄糖醛式的C=O中,并且质子转移到氧原子上,转化为山梨醇。该钌基均相催化剂为纤维素转化为己糖醇开辟了新途径,在生物质转化的研究和应用中具有重要意义和前景。首次将纤维素低温溶解在NaOH/ZnO水溶液中形成透明溶液,无催化剂下通过水热法氧化降解生成有机酸。采用黏度法测定微晶纤维素的黏均分子量。在该体系中,ZnO用量很少,而且它起到助溶和均相催化的双重作用。溶剂、温度、O2压力和时间均对纤维素氧化降解有影响。在150℃,O2压力为1.3 MPa的条件下反应2h,溶液中的纤维素成功转化为甲酸、草酸、乙酸、乳酸、乙醇酸等多种有机酸小分子化合物。当温度为150℃,O2压力为2.5MPa时纤维素溶液反应2 h,其产物有机酸总产率可达97%,其中甲酸为主要产物,最高产率达68.3%,达文献报道最高值。该体系主要优点包括：纤维素在溶解状态下均相反应产生降解,易实现转化；使用NaOH/ZnO录色溶剂,对环境无污染；反应条件温和,产物选择性高；无需添加催化剂,避免异相催化中催化剂合成和回收的问题。本工作开辟了纤维素在绿色溶剂中溶解,并进行高效均相转化的新途径。在生物质转化领域,该降解体系在工业化生产中具有广‘阔的发展前景。上述有关葡萄糖、纤维二糖和纤维素在钌基均相催化剂作用下的转化和有关纤维素溶液在NaOH/ZnO绿色溶剂体系中的无催化氧化降解的研究成果清晰地阐明研究纤维素转化为有机化合物的新思路和新方法。同时建立了生物质降解为小分子产品的分离和分析方法,并对纤维素在不同反应条件下的降解产物进行了分离和分析,得到山梨醇、1,4-山梨聚糖和小分子有机酸等多种有价值的平台化合物。同时系统研究了催化剂用量、反应时间、反应温度、O2压力等诸多因素对纤维素降解反应的影响。本工作对钌基均相催化剂和碱性纤维素溶液的降解机理分别进行阐述,由此为纤维素乃至木质素、甲壳素等重要生物质温和条件下的转化研究提供有价值的理论依据,并为生物质转化制备各种平台化合物开辟了新途径,在生物质转化研究领域具有重要的学术意义和应用前景。