二氧化碳（CO₂）的大量排放已经造成全球变暖、海平面上升等一系列环境影响。但CO₂也是一种丰富、无毒、廉价的C1资源。如果可以将CO₂转化成碳资源加以利用则不仅可以改善环境,而且能缓解传统碳资源日益枯竭而引发的能源危机。虽然CO₂的利用途径众多,但是由于CO₂的热力学稳定性和动力学惰性极高,这些转化途径实施起来存在一定困难。CO₂和环氧化合物通过环加成反应合成环状碳酸酯是CO₂化学转化的重要途径之一。反应需要在高温高压条件下才能完成,加入催化剂是降低反应条件,确保反应在温和条件下进行的一种行之有效的方法。关于这个反应催化剂的研发历史可以追溯到二十年前,已经开发的催化剂种类众多。其中,离子液体以其独特的物理化学性质,从众多的催化剂中脱颖而出。离子液体具有几乎可以忽略的蒸气压,不易挥发,对环境污染小。更为重要的是,离子液体的结构多变,调整阴、阳离子的结构就可以改变离子液体的性质。而且,离子液体既是反应的催化剂又是反应的溶剂,无需添加其他有机溶剂,是一种“绿色”催化剂。迄今为止,已经开发了众多针对这个反应的单组份离子液体催化剂。这些离子液体催化剂所面临的共同问题还是催化反应中压强和温度仍然过高,反应条件还不能称之为温和。另外,还需要考虑催化剂用量以及离子液体的循环使用次数等问题。针对上述问题,本论文合成了4种氨基吡唑和10种羧基吡唑离子液体,用它们催化CO₂的环加成反应。与烷基吡唑或者烷基咪唑类离子液体相比,催化反应条件大幅降低,催化效率相当或者更高。并且这些离子液体合成与纯化简单、产率高、适合大规模使用。具体研究内容如下:1)利用烷基化反应和中和反应,通过2步法合成了4种氨基吡唑离子液体,2-（2-氨丙基）-1-甲基-吡唑溴盐（APMPzBr）,2-（2-氨乙基）-1-甲基-吡唑溴盐（AEMPzBr）,2-（2-氨乙基）-1-乙基-吡唑溴盐（AEEPzBr）和2-（3-氨丙基）-1-乙基-吡唑溴盐（APEPzBr）,使用¹H NMR,¹³C NMR,MS（ESI）等方法表征了所合成离子液体的结构。在110℃的反应温度,1.5 MPa的CO₂初始压强,1.0 mol%的催化剂用量和4 h反应时间的条件下,用上述4种氨基吡唑离子液体催化CO₂和环氧丙烷（PO）的环加成反应。APEPzBr的催化效果最好,产率为94%。当吡唑环上N1原子上的烷基取代基固定后,催化活性随着N2原子上烷基取代基链长的增加而逐渐增强,APMPzBr（92%）>AEMPzBr（89%）以及APEPzBr（94%）>AEEPzBr（76%）。当吡唑环上N2原子上的烷基取代基固定时,最好是在N1原子上连接乙基而不是甲基。随后,我们逐一优化了催化剂用量、反应温度、CO₂初始压强和反应时间,得到了最优反应条件。以APEPzBr为例研究了循环使用次数,APEPzBr可以重复利用五次且催化活性没有明显的降低。还以APEPzBr为例,研究了底物适用性。实验结果表明APEPzBr对大多数环氧化合物都有很好的适用性。最后,采用密度泛函理论研究了CO₂的环加成反应的机理,得到了最优反应途径,比较了各个催化剂的反应能垒,理论计算结果和实验结果完全吻合。并且采用非共价相互作用（NCI）和分子中的原子（AIM）方法分析了弱相互作用对反应过程的影响。2)利用烷基化反应合成了10种羧基吡唑离子液体,2-（羧甲基）-1-甲基-吡唑溴盐（CMMPzBr）,2-（羧甲基）-1-乙基-吡唑溴盐（CMEPzBr）,2-（2-羧乙基）-1-甲基-吡唑溴盐（CEMPzBr）,2-（2-羧乙基）-1-乙基-吡唑溴盐（CEEPzBr）,2-（3-羧丙基）-1-甲基-吡唑溴盐（CPMPzBr）,2-（3-羧丙基）-1-乙基-吡唑溴盐（CPEPzBr）,2-（4-羧丁基）-1-甲基-吡唑溴盐（CBMPzBr）和2-（4-羧丁基）-1-乙基-吡唑溴盐（CBEPzBr）,2-（羧甲基）-1-乙基-吡唑氯盐（CMEPzCl）,2-（羧甲基）-1-乙基-吡唑碘盐（CMEPzI）,并且用MS,¹H NMR和¹³C NMR方法表征了相应的结构。在110℃的反应温度、2.0 MPa的CO₂初始压强、1.0 mol%的催化剂用量、4 h反应时间条件下,用上述合成的离子液体催化CO₂的环加成反应,催化产率在60%以上。其中,CMEPzBr的催化产率最高,达99.4%。根据以往的研究经验,羧基功能化离子液体如果想得到较为理想的催化效果,则需要与较长的烷基链相连（至少为丙基）。但是,带有长烷基链的羧基功能化离子液体的制备会随着烷基链的增长而变得困难,反应条件越来越苛刻,合成产率越来越低。而本文的研究发现,即使与短烷基链相连,羧基吡唑离子液体也具有良好的催化效果,并且CMEPzBr在重复使用七次后催化活性没有明显地下降,碳酸丙烯酯（PC）的产率仍然在99%左右。更为重要的是,即使降低反应温度（70℃）和反应压强（1.0 MPa）,CMEPzBr也可以催化CO₂的环加成反应并且得到90%的产率。在M06/6-311+G（2d,2p）水平下,计算了最优反应路径,并且分析了CMEPzBr的催化性能优于其他几种羧基吡唑离子液体的微观原因。