木质资源是一种来源于植物的天然碳中性绿色可持续资源,对木质资源转化利用的关键在于有效的突破其本身具有的“抗解聚屏障”。近些年来,通过采用物理法、热化学法、生物法以及几者结合的处理技术将木质资源解聚转化为高附加值的燃料、化学品和材料被广泛研究。然而如何在温和条件下高效的突破木质资源的“抗解聚屏障”进而对其组分进行转化和利用仍具挑战性。本论文通过制备和筛选新型绿色低共熔溶剂,在温和条件下实现木质资源“抗解聚屏障”的高效解除并对分离组分进行转化利用。结合模型物的研究揭示木质资源在解聚过程中的断键转化机制,根据低共熔溶剂体系的不同,分离的木质素组分可以转化为木质素微球或芳香基化学品。纤维素组分则可通过高强度超声制备纳米纤维素或酶解为高产率的单糖。本论文提供了一种新型绿色低共熔溶剂介质作用下木质资源高效转化利用的新策略。论文主要研究分为以下5个方面:(1)低共熔溶剂的制备、筛选及其物理化学性能检测,选择合适的低共熔溶剂有效地突破木质资源的“抗解聚屏障”。实验结果表明:氯化胆碱/草酸低共熔溶剂展现出较高的氢键酸度值为1.31,能够有效断裂“抗解聚屏障”模型物苯基-β-D吡喃葡萄糖苷中的醚键。同时氯化胆碱/草酸低共熔溶剂展现出良好的半纤维素和木质素溶解效果,但对纤维素溶解效果较差,说明氯化胆碱/草酸低共熔溶剂具有突破木质原料“抗解聚屏障”和选择性组分分离的潜力。(2)采用微波加热氯化胆碱/草酸低共熔溶剂超快速突破杨木木质原料的“抗解聚屏障”,并对分离组分进行全部转化利用。结果显示微波加热能够显著提高处理效率,在80℃下3 min就能实现木杨木质原料“抗解聚屏障”的超快速解除。通过与磨木木质素的二维碳氢核磁对比发现,在油浴或微波加热低共熔溶剂体系中,杨木木质原料中“抗解聚屏障”和木质素中的芳基醚键均断裂,得到高纯度(大于90%)和高产率(大于90%)的低分子量缩合木质素。该木质素通过简单乙醇/水溶剂调控法可以可控制备木质素微纳米球,得到的纤维素剩余物可以通过简单的超声处理一步制备纳米纤维素,部分纤维素和半纤维素组分则转化为糠醛和糖类溶解到低共熔溶剂中,实现了木质原料的全组分转化利用。(3)制备抑制木质素缩合的三组分低共熔溶剂,通过木质素模型物研究揭示了三组分低共熔溶剂有效抑制木质素缩合的机制并对模型物反应路径进行了调控。结果表明,氯化胆碱/草酸/乙二醇三组分低共熔溶剂体系能够很好的抑制木质素的缩合,当低共熔溶剂体系中草酸为主要氢键供体时,木质素模型物的醚键均断裂,乙二醇能够保护断键产生不稳定的醛形成缩醛。当低共熔溶剂体系中乙二醇为主要氢键供体时,草酸能够催化形成碳正离子中间体,乙二醇则能够选择性对碳正离子中间体进行抑制缩合,得到乙二醇抑制缩合的木质素模型物。不同的氯化胆碱/草酸/二醇体系低共熔溶剂均对木质素模型物有抑制缩合作用,二醇均能够选择性的保护碳正离子中间体,抑制缩合低共熔溶剂也能够适用于更加复杂的木质素模型物。(4)采用抑制缩合的三组分低共熔溶剂对木质原料进行组分分离,将分离组分选择性转化为高产率单糖或芳香基化学品,并对低共熔溶剂进行回收和再利用。结果表明,木质原料经过低共熔溶剂处理后,采用四氢呋喃/水萃取法分离得到高芳基醚键含量的乙二醇抑制缩合木质素和高纤维素含量的纤维素剩余物。乙二醇抑制缩合木质素能够通过Ru/C催化选择性氢解得到22 wt%产率的芳香化学品或Fe(OTf)3催化酸解得到12.5 wt%产率的缩醛基芳香化学品。纤维素剩余物组分通过酶解得到高产率的葡萄糖和木糖。低共熔溶剂能够进行简单的高得率回收利用至少两次,核磁分析表明回收的低共熔溶剂纯度都较高。(5)论文提出了一种微波加热低共熔溶剂结合高强度超声快速制备纳米纤维素策略。相比于传统的方法,不仅避免了强酸或浓酸的使用,同时也大大提高了制备效率。结果显示:氯化胆碱/草酸低共熔溶剂对不同生物质原料进行处理均可制备纤维素纳米晶或纳米纤维。然而针对超高纤维素含量和超强氢键作用的棉花,只需在80℃条件下微波加热低共熔溶剂3 min并结合高强度超声处理便可制备高质量纤维素纳米晶。其作用机理可能为:微波加热低共熔溶剂处理对纤维素的非结晶区具有一定的解聚作用,同时低共熔溶剂体系中的氢键竞争可以减弱纤维素分子链间的强氢键作用,因此经过简单的超声处理后,便可得到高产率的纤维素纳米晶,同时纤维素的非结晶区部分转化为对应的羟甲基糠醛。