随着经济科技不断发展,人类对能源的需求量越来越大,能源危机和环境污染已成为人类面临的两大难题。天然生物质中15-35%是木质素,其内含有丰富的苯环和碳元素,为解决这两大难题提供了结构基础。通过降解使木质素降解为小分子化合物。然而木质素结构的稳定性增大了化学降解的难度,故开发一种环境友好、高效的生物质降解技术迫在眉睫。离子液体具有优良的催化性能,但离子液体种类有10¹⁸种,通过实验方法进行选择不仅耗费时间也会增加实验成本。针对这一问题,本文以量子化学理论为基础,提出一种采用双核功能化离子液体高效催化降解木质素的分子设计方法,并通过与单核离子液体的实验对比,得到最佳工艺条件,具体工作如下:1.选取4种阳离子和6种阴离子通过枚举法得到24种离子液体,通过密度泛函理论,对24种离子液体及其与不同键型（β-O-4、α-O-4、4-O-5、5-5和β-1）木质素化合物形成的复合物进行模拟计算,以相互结合能和HOMO-LUMO轨道能级差为评判标准,分析了阴阳离子对降低体系能级差、增强体系稳定性和提高离子液体催化降解效率的作用,结果表明离子液体阳离子咪唑环上磺酸丙基和硫酸氢根阴离子的加入可以大大降低反应体系的能级差,增强反应体系稳定性,且可实现木质素β-O-4键高选择性断裂。2.为检验量子化学计算准确性,选取1-磺酸丙基-3-甲基咪唑硫酸氢盐、1-磺酸丙基-3-甲基咪唑氯盐和1-丁基-3-甲基咪唑硫酸氢盐进行实验探究,对比不同反应条件下3种离子液体降解木质素的催化效率。实验结果表明,[Pr SO₃HMIm]HSO₄均表现强于其余两种离子液体的催化效率,木质素的降解率最高为83.60%,而[Pr SO₃HMIm]Cl和[BMIm]HSO₄最高分别为82.22%和80.89%。以β-O-4键断裂产物之一愈创木酚的收率来评判β-O-4键的裁剪精确度。通过高效液相色谱分析可知,催化剂为[Pr SO₃HMIm]HSO₄时,愈创木酚的收率最高为24.23%,比[Pr SO₃HMIm]Cl和[BMIm]HSO₄分别高0.64%和1.4%,且催化剂循环多次仍保有高催化活性。实验结果与模拟结果一致,验证了量子化学计算的准确性。3.提出一种双核功能化离子液体的分子设计方法。利用自然键轨道、电荷转移结合前线轨道理论和相互结合能分析双核离子液体的催化效率。双核功能化离子液体与[Pr SO₃HMIm]HSO₄相比会大大降低反应体系的HOMO-LUMO能级差,且反应体系更稳定。NBO分析可知,离子液体阴阳离子与木质素间的氢键作用是促进木质素β-O-4键断裂的关键;电荷转移分析结果表明电荷转移主要集中于C_α-OH、C_β-O和C_β-H等原子,且双核离子液体的总电荷转移大于[Pr SO₃HMIm]HSO₄,即双核离子液体的催化效果要强于[Pr SO₃HMIm]HSO₄。4.合成制备双核磺酸型离子液体（[Pr SO₃HMIm]₂ 2HSO₄）,通过红外表征、核磁和质谱等表征手段,说明合成离子液体结构的准确性,并用于木质素的降解实验中。结果表明木质素降解率在反应3h后达到最高93.72%,比[Pr SO₃HMIm]HSO₄和[Pr SO₃HMIm]Cl分别高10.12%、11.15%;愈创木酚的最高收率为27.23%,比[Pr SO₃HMIm]HSO₄和[Pr SO₃HMIm]Cl分别高3%、4.4%,且催化剂可以循环利用多次以上仍保持原有的高催化活性。