由于化石能源的大规模使用,目前世界面临两大问题：化石燃料的逐渐枯竭和自然环境的逐渐恶化。作为解决这些问题的一条途径,将可再生的生物质资源转变为燃料和化学品已经引起人们越来越多的关注。目前,非食用的木质纤维素基生物质转变为液态燃料和化学品的策略主要有热解和水解两种方法。在这两种方法中,热解方法中的气化途径能够将木质纤维素基生物质全组分转变为合成气,但在将合成气转变为液态燃料的费托过程中将会损失大量的能量。与之相对应的是,水解方法中的将可溶性糖类化合物转变为液态燃料和化学品的水相炼制过程具有反应条件温和、能量效率高的优点,但在将木质生物质转变为可溶性糖的预处理以及酸水解过程操作成本高昂、环境污染大。因此,目前仍旧缺乏一条低花费,高效率的炼制路线。针对以上问题,本文在此描述了一条新的催化路径,经甲醛聚糖反应链接生物质气化路径和水相处理过程来制备液态交通燃料。从生物质合成气转变而来的甲醛首先通过甲醛聚糖反应转变为二羟基丙酮(DHA),接着经Aldol缩合和催化脱水转变为4-羟甲基糠醛(4-HMF),随后氢化转化为C9-C15支链烷烃或2,4-二甲基呋喃(2,4-DMF)作为液态交通燃料。在我们的链接策略中,昂贵的和高污染的生物质预处理过程被摒弃掉,而高能量保有率的水相处理过程(APP)被保留了。理论上,甲醇中大约75%的能量以及生物质中几乎50%的能量被保留在了液体燃料2,4-DMF中,并且可以通过综合利用反应热来进一步提高能量效率。此外,作为一种新型平台分子——4-HMF,本论文还描述了其在化学品方面的应用。在第1章中,我们简要介绍了目前由生物质制备液态燃料的发展状况,详细综述了目前由生物质制备液态燃料的三种途径：气化重整、热解提质和水相炼制,并将这三种方法进行的对比,提出了利用甲醛聚糖反应衔接气化和水相炼制的新策略。第2章介绍了生物质水相炼制中一条重要路线——基于5-羟甲基糠醛的炼制路线。详细综述了由各种生物质原料制备5-羟甲基糠醛的工艺,以及各种影响因素。此外还简要介绍了5-羟甲基糠醛在制备液态燃料和精细化学品方面的应用。第3章主要介绍三碳糖的制备。本章主要提出了两种制备三碳糖的方法：甘油催化氧化法和选择性甲醛聚糖反应。在甘油催化氧化研究中,我们利用Pt-Bi/C催化剂,在固定床中利用氧气氧化甘油水溶液,最高可获80%以上选择性地制备1,3-二羟基丙酮。在选择性甲醛聚糖反应研究中,我们首先简要介绍了甲醛聚糖技术的发展历史以及甲醛缩合为1,3-二羟基丙酮工艺进展。而后,我们利用N-烷基取代苯并噻唑卡宾催化剂选择性催化多聚甲醛制备1,3-二羟基丙酮。此外,考虑到原料成本因素,在使用甲醛水溶液时,我们设计了双塔反应体系,利用溶剂共沸除水的方式原位再生催化剂,实现甲醛水溶液连续转变为1,3-二羟基丙酮水溶液。第4章主要研究了三碳糖的催化缩合。考察了各种碱催化下的甘油醛缩合和1,3-二羟基丙酮的缩合。研究表明在碱催化下,甘油醛首先发生异构化,转变为1,3-二羟基丙酮,而后甘油醛和1,3-二羟基丙酮发生交叉缩合,形成直链己酮糖；而1,3-二羟基丙酮在碱催化下主要发生自身缩合,形成支链己酮糖。并且,通过固定床连续反应器研究,发现1,3-二羟基丙酮异构化为甘油醛的活化能大于1,3-二羟基丙酮自身缩合的活化能。因此,反应温度也可以调控1,3-二羟基丙酮缩合产物的分布。此外,我们利用原位核磁跟踪,首次明确了1,3-二羟基丙酮在室温缩合时,产物支链己酮糖与直链己酮糖的比例为9：1,而非之前报道的2：1。第5章主要研究了己酮糖的脱水。研究发现直链己酮糖脱水产生5-羟甲基糠醛；而首次发现支链己酮糖可以脱水转变为4-羟甲基糠醛。我们分别研究了支链己酮糖在非水体系间歇或连续脱水转变为4-羟甲基糠醛,以及在双相体系间歇或连续脱水转变为4-羟甲基糠醛的工艺。第6章主要研究4-羟甲基糠醛转变为高辛烷值的支链烷烃燃料以及转变为新型呋喃基含氧燃料——2,4-二-甲基呋喃。第7章简单介绍了作为2,4-二取代呋喃化合物——4-羟甲基糠醛及其衍生物在斑蝥素类药物前体分子和液晶小分子方面的应用。第8章对全文进行了总结和展望。综上所述,本文利用甲醛聚糖反应衔接了生物质气化和水相炼制过程。在三碳糖缩合过程中首次明确可以将1,3-二羟基丙酮以95%以上的选择性转变为支链己酮糖,同时意外发现支链己酮糖可以转变为新型平台分子——4-羟甲基糠醛。通过工艺整合,实现了4-羟甲基糠醛的连续化生产,并分别展现了4-羟甲基糠醛在燃料和化学品方面的应用,开辟了一条基于4-羟甲基糠醛的全新水相炼制途径。