甲醇转化制烃类这一反应利用已成熟的工艺,可以将甲醇转化成特定类型的烃类产物。在此基础上,甲醇与烷烃的共转化可以在热中性的条件下既实现甲醇的转化,又实现惰性烷烃的活化转化。目前,甲醇与烷烃共转化的研究主要集中于工艺的开发与新催化剂的设计,有关二者的共转化机理的研究,特别是初始阶段转化机理的研究,仍然比较匮乏。基于此,本文围绕着甲醇与低碳烷烃（乙烷、丙烷、丁烷）的共反应机理展开研究工作。在研究过程中,使用同位素标记的甲醇(13CH3OH)与普通烷烃在酸性分子筛上进行共反应,之后利用原位固体核磁共振技术对共反应体系进行监测,对反应进程和生成产物进行初步判断。随后使用离线GC-MS对体系中的气态产物进行监测,利用Microsoft Excel 2007规划求解对产物的同位素标记情况进行模拟。结合核磁结果与同位素标记情况,推测反应过程中的反应路径,同时阐明相应的机理过程。通过研究不同分子筛体系以及不同低碳烷烃条件下甲醇与烷烃的共反应,本文的主要研究结果与学术贡献有以下四部分内容。1)鉴定甲醇与烷烃反应初期体系中存在的反应路径,丰富了该方向上的机理研究,为甲醇与烷烃的高效转化提供机理参考。在甲醇与烷烃共转化的反应体系中普遍存在三条反应路径:甲醇与烷烃之间的共反应、甲醇的自降解反应、烷烃的裂解反应。这三条反应路径在体系中的占比和烷烃分子的大小以及体系反应时间长短等因素有关。例如,当乙烷作为共反应的反应物时,体系中主要存在的反应路径是甲醇与乙烷的共反应以及甲醇的自降解反应。而当丁烷作为共反应的反应物时,体系中主要存在的反应路径是甲醇与丁烷的共反应以及烷烃的裂解反应。2)通过分析甲醇与烷烃共反应的机理与过渡态,揭示了碳正离子化学理论在均相超酸与多相固体酸体系的普遍存在性与适用性。在甲醇与烷烃共反应的过程中,甲醇生成的表面甲氧基物种会进攻烷烃的C-H键,形成非经典碳正离子过渡态。该过渡态可以生成负氢转移产物或甲基化产物,具体经历哪种路径和分子筛的结构密切相关。这一过渡态和均相超酸体系中的非经典碳正离子具有相似性,即均相体系与多相体系存在着理论上的统一性,其遵循的理论基础都是超酸体系中建立的碳正离子化学理论。3)通过监测表面甲氧基物种在共反应体系中的生成、转化、降解的等一系列过程,证明了表面甲氧基物种的碳正离子活性,为多相体系建立相关理论提供实验依据。甲醇与烷烃的共反应的实质过程是表面甲氧基物种与烷烃的共反应。在整个反应过程中,甲醇首先转化为表面甲氧基物种,随后表面甲氧基物种经历负氢转移过程或甲基化过程,生成相应产物。这一反应活性说明:即使表面甲氧基物种是以相对稳定的表面物种键合在分子筛表面,其在反应过程中依然可以表现出碳正离子活性,并且发生碳正离子类型的反应。通过揭示表面烷氧基物种的这一反应活性,不仅有助于建立多相体系上物理有机化学理论,同时也能为MTO首个C-C键形成的反应网络提供新的可能性。4)探索催化剂结构对共反应的影响,阐明了碳正离子化学理论在多相酸催化体系的特殊性,同时为深入了解固体酸催化剂结构—活性的关系提供实验基础。在以上实验基础上,本论文围绕着不同结构的固体酸催化剂开展研究,以期考察不同催化剂在共反应过程中的共反应路径与机理的异同,探索酸性与孔道对反应产物以及碳正离子过渡态的影响。实验结果表明:由于分子筛自身孔道及酸性的特殊性,使得碳正离子化学理论在多相上出现了差异性:分子筛的酸性较弱,碳正离子中间体/过渡态在分子筛体系更难稳定,使得反应整体的活化能较均相体系更高。此外,不同于均相体系中的极化的复合物或稳定的碳正离子,在分子筛上目前所能观测到的反应前体为表面甲氧基物种。