本论文工作以生物质多级热裂解产物——羟基丙酮和左旋葡聚糖催化转化制备高价值化学品,即羟基丙酮选择性转化制乳酸和左旋葡聚糖转化分别制葡萄糖酸和乳酸为目标。针对转化过程中C-O键的精准活化这一科学问题,系统研究了脱铝Sn-Beta分子筛负载Au催化剂、磷钨酸铯负载Au催化剂以及双催化剂A1(N03)3-MoO3分别在上述三个转化中的催化性能和构效关系。论文在羟基丙酮选择性转化制备乳酸的研究中,采用后处理方法合成了脱铝Sn-Beta负载Au催化剂(Au/DeAl-Sn-Beta)。催化测试结果显示,该催化剂性能优异,羟基丙酮转化率达93.4%,乳酸选择性达73.2%,其容积产率高于目前工业发酵法生产乳酸的容积产率;且该催化剂稳定性良好,3次循环使用后,乳酸收率基本不变。FTIR、吡啶吸附FTIR、UV-vis以及酸量滴定等表征结果表明6.0 wt%Sn进入分子筛骨架中,该类Sn物种具有强路易斯酸酸性;催化测试结果表明位于分子筛骨架中的路易斯酸Sn位点对乳酸高选择性生成至关重要;Au纳米粒子对乳酸高收率生成至关重要;路易斯酸Sn位点和Au氧化位点相互靠近更有利于乳酸生成。此外,金负载量和反应条件,包括反应温度、氧气分压、底物羟基丙酮浓度也会影响乳酸的选择性,通过优化这些参数可实现羟基丙酮转化过程中C-O键的精准活化。结合羟基丙酮、丙酮醛和乳醛的TOS测试结果和动力学分析结果,推测乳酸主要是由羟基丙酮先在Au位点上氧化为丙酮醛,生成的丙酮醛与水分子加成后,在路易斯酸Sn位点上经过1,2-氢转移反应生成。论文在左旋葡聚糖选择性转化制备葡萄糖酸的研究中,设计了磷钨酸铯负载Au催化剂,其催化性能相对其他3种固体酸负载Au催化剂更优,左旋葡萄糖转化率达93.6%,葡萄糖酸选择性达93.1%;且循环使用3次后,葡萄糖酸收率基本不变。实验结果表明转化过程主要包括左旋葡聚糖水解生成葡萄糖和葡萄萄糖氧化生成葡萄糖酸两个反应步骤;具有适宜酸位点强度(哈米特酸度-11.0<H0<-8.2)和数量(0.11mmol/g)的催化剂载体更有利于葡萄糖酸高选择性生成;此外氧气压力和反应温度也是两个左旋葡聚糖选择性转化的重要参数。深入的反应机理和动力学分析表明左旋葡聚糖的水解是转化过程的决速步骤,副产物主要来源于中间产物葡萄糖的分解,因此负载金催化剂较强的氧化能力将中间产物迅速转化为目标产物葡萄糖酸,控制葡萄糖在反应过程中保持较低的浓度是实现左旋葡聚糖转化过程中C-O键的精准活化到葡萄糖酸的关键。另外,产物葡萄糖酸本身是一种布朗斯特酸,具有自催化功能,会促进左旋葡聚糖水解反应进行。论文在左旋葡聚糖选择性转化制备乳酸的研究中,筛选了一系列金属硝酸盐与含钼化合物组成的双催化剂,催化结果表明Al(NO3)3-MoO3双催化剂性能最优,在最佳反应条件下,乳酸收率可达61.3%。根据左旋葡聚糖TOS测试结果,认为在左旋葡聚糖到乳酸转化过程中发生左旋葡聚糖水解生成葡萄糖,葡萄糖经过1,2-氢转移反应生成果糖,果糖经过反羟醛缩合反应生成C3中间体甘油醛和二羟基丙酮,甘油醛在转化为丙酮醛后,经过1,2-氢转移反应生成乳酸。通过探究A1(NO3)3-MoO3催化剂用量、Al(NO3)3与MoO3比例对反应结果的影响,推测在转化过程中,MoO3主要催化果糖发生反羟醛缩合反应生成C3中间产物甘油醛和二羟基丙酮;而Al(NO3)3主要催化葡萄糖发生1,2-氢转移生成果糖,以及C3中间体异构生成乳酸。通过考察A1(NO3)3-MoO3催化剂用量、Al(NO3)3与MoO3比例和反应温度对催化转化结果的影响可知,左旋葡聚糖高选择性转化制乳酸的关键在于C-O键的精准活化,即异构反应步骤和反羟醛缩合反应步骤间的高效协同。