生物质是自然界中唯一可再生的碳源,被广泛认为是可替代化石资源的潜在优秀可再生资源。近年来,生物质的高效选择性催化转化制备生物化学品的过程与机理研究受到了政府和学术界的高度重视。然而,由于其复杂的结构与化学键合方式,当前生物质转化技术存在反应条件苛刻、产物收率低、催化剂回收与重复使用性能差等显著技术瓶颈。纤维素作为生物质的第一大组分,实现其高效、高选择性、清洁转化以制备平台化学品,对于实现生物质的绿色高效利用而言意义重大。然而,纤维素分子中和分子间的大量氢键而形成的氢键网络,使其双螺旋结构得以稳定,造成上文所提及的瓶颈问题在纤维素转化过程中尤为显著。有鉴于此,本论文基于化学过程耦合与强化的理念,以兼具酸性和氧化性能以及温控自分离性能的杂多酸离子液体（IL-POM）为催化剂,通过对催化剂和催化体系的设计与调控,强化生物质主要组分纤维素的定向催化转化过程,获得乙酰丙酸、乙酰丙酸酯、甲酸等生物化学品,并解决催化剂结构与其催化活性之间的构效关系、纤维素催化转化过程耦合与强化机制、以及反应途径与催化机理等关键科学问题。主要研究内容如下:（1）以磷钨酸基IL-POM为催化剂,醇作为促进剂和溶剂,通过纤维素解聚与产物原位酯化过程的耦合,实现了纤维素到乙酰丙酸酯的“一锅法”转化。研究了IL-POM的结构、酸性以及在甲醇中的溶解性,揭示了催化剂的结构与催化活性之间的构效关系。研究结果表明:上述纤维素解聚生成的乙酰丙酸可与醇迅速发生酯化反应,而该原位酯化过程则进一步促进了纤维素的催化解聚。因此,该纤维素解聚、酯化连续过程的耦合,极大程度上缓解了由于纤维素不溶于常规介质导致的反应效应低下的技术瓶颈。在以IL-POM[PyPS]₃PW₁₂O₄₀（PyPS=1-（3-sulfopropyl）pyridinium）为催化剂,甲醇为介质与促进剂,150 ^oC反应5 h的条件下,可实现纤维素的100%转化,乙酰丙酸甲酯的产率可达71.4%。此外,该催化体系具有良好的底物普适性和重复使用性能。（2）以磷钼钒酸基IL-POM为催化剂,H₂O₂为氧化剂,实现了纤维素到甲酸的“一锅法”转化。系统表征了IL-POM的酸性和氧化性,以揭示催化剂的结构性质与活性之间的构效关系。实验发现,以IL-POM[PyPS]₅PMo₁₀V₂O₄₀为催化剂,于150 ^oC下反应5 h,纤维素转化率达100%,甲酸、乙酸,以及CO₂的产率分别为77.6%,7.2%和14.8%。该催化体系具有良好的底物普适性,并能有效循环5次以上。机理研究表明:该纤维素氧化过程中存在α-剪裁机制和电子-氧转移机制的共同作用,这也进一步解释了产物分布中甲酸/CO₂摩尔比为5.2:1的问题。（3）通过系列金属(Co²⁺、Ni²⁺、Cu²⁺和Zn²⁺)掺杂对磷钼钒酸基IL-POM进行改性,以O₂为氧化剂,实现了纤维素到甲酸的“一锅法”转化。系统表征了金属离子掺杂对IL-POM的酸性和氧化性的影响规律,揭示了催化剂的结构性质与活性之间的构效关系。研究发现,以[PyPS]₄Cu_0.5PMo₁₀V₂O₄₀为催化剂,在1.5 MPa O₂气氛中于150 ^oC下反应5 h,纤维素转化率达100%,甲酸、乙酸,以及乳酸的产率分别为66.0%,7.0%和15.1%。此外,该催化体系具有良好的底物普适性,并可有效循环7次以上,催化剂活性没有明显降低。