生物质作为一种大量存在、分布广泛、可以再生的资源是我们获得燃料和化工原料的一个理想来源。5-HMF其广泛的利用途径,使其成为能够实现生物质合理、高效利用的一种重要生物质平台化合物。在生物质中碳水化合物的占比超过75%,对碳水化合物制备5-HMF的反应进行研究具有重要的战略意义。碳水化合物转化为5-HMF的反应最核心的内容就是催化剂体系的研究。本文以催化剂研究为主线,通过单因素实验和动力学分析对碳水化合物制备5-HMF的催化体系的不断优化,逐步提高典型碳水化合物转化为5-HMF的收率。通过特定结构催化剂的设计、催化剂改性及实验结果的分析推导出不同催化剂的作用机制及果糖在不同催化剂体系中脱水反应的机理、葡萄糖异构为果糖的反应机理。本文首先通过一步法合成了氯离子为阴离子的聚合离子液体催化剂,通过H NMR、13C NMR、FT-TR和凝胶过滤色谱等手段确定了离子液体催化剂的结构特点和热稳定性,表明其适用于碳水化合物制备5-HMF的反应。通过阴离子交换合成出了以BF4-、HSO4-和OTf为阴离子的离子液体,实验表明以BF4-为阴离子的聚合离子液体催化剂PIL-2对果糖制备5-HMF具有最好的催化效果,通过温度、溶剂、催化剂添加量、果糖浓度等影响因素的考察,确定了PIL-2催化果糖制备5-HMF的最佳反应条件：催化剂0.25 g、果糖0.5 g、温度140℃,在该条件下反应40 min其5-HMF收率就可以达到97.9%,而且催化剂具有较好的重复使用性能。PIL-2做催化剂时,180℃下,葡萄糖、纤维二糖、麦芽糖、蔗糖、淀粉转化为5-HMF的最高收率分别58.4%、39.2%、41.8%、66.9%,对比于果糖收率相对较低。而通过金属铬改性的聚合离子液体可以将葡萄糖转化为5-HM的收率提高至75%。通过动力学研究,求得了PIL-2催化体系中不同温度下果糖和5-HMF降解的各步反应的速率常数,并通过这些速率常数求得了果糖转化为5-HMF的主副反应的活化能分别43.34 kJ/mol, 64.19 kJ/mol及5-HMF降解为LA和HA的主副反应的活化能分别为69.05kJ/mol,88.02 kJ/mol。研究发现聚合离子液体催化活性来源于反应体系中催化剂微元内咪唑环活泼氢、阳离子链羟基及阴离子与水的相互作用及离子液体自身的吸水性,微量水的存在能够促进果糖向5-HMF的转化,葡萄糖、二糖和多糖向5-HM的转化过程也需要一定量水的存在。表明弱酸催化剂同样能够催化碳水化合物转化为5-HMF。分子筛在有水存在的低温体系中也具有弱的Bronsted酸性和Lewis酸性。为进一步研究水在碳水化合物制备5-HMF反应中的作用及固体催化剂作用于碳水化合物生成5-HMF的反应机制,克服聚合离子液体循环使用分离操作复杂,能耗较高的缺点,开展了分子筛催化碳水化合物制备5-HMF的研究。首先,通过对HZSM-5、HM、Hp、HY和SBA-15几种分子筛催化剂在果糖制备5-HMF反应中的催化性能的比较,发现Hβ为最佳催化剂。同时,研究发现低硅铝比的分子筛更有利于5-HMF收率的提高。Si/Al=15的Hβ分子筛为催化剂时最佳反应条件为：果糖0.5 g、催化剂0.25 g、DMSO 30 mL、温度温度140℃,时间6 h,5-HMF收率为87.9%。在该反应条件下Hp分子筛具有较好重复使用性能。H型分子筛作用于葡萄糖、纤维二糖、蔗糖、麦芽糖、淀粉和纤维的5-HMF收率相对较低,且反应时间过长。对p分子筛进行Sn改性后其对葡萄糖的催化效果大幅提高。葡萄糖在DMSO溶剂体系中在160℃反应8 h,5-HMF的收率可以达到58.1%。在DMSO与水的体积比为5：1的溶剂体系中取得最高的5-HMF收率：140℃反应8h,5-HMF的收率可以达到62.8%。通过动力学研究获得Hp催化果糖制备5-HMF及5-HMF降解的主副反应的不同温度下的反应速率常数,通过这些速率常数计算得到了果糖制备5-HMF及5-HMF降解的主副的活化能分别为：71.21 kJ/mol,100.38 kJ/mol、 39.4 kJ/mol,76.42 kJ/mol。研究发现极弱酸的固体催化剂同样能够催化碳水化合物转化为5-HMF,而且水在固体酸催化过程中也同样发挥着重要作用,且不同种类碳水化合物一锅法制备5-HMF所需要的水浓度各不相同。为了研究极弱酸性固体催化剂催化碳水化合物生成5-HMF的作用机制,解决分子筛和杂多酸作用下反应时间较长的问题,开展了硅胶基催化剂的研究。研究发现活化硅胶对果糖制备5-HMF具有较好的催化活性,且生成的5-HMF能够长时间稳定存在。同时研究发现低温下,通过增加催化剂添加量也可以提高果糖的5-HMF收率。果糖的最佳反应条件为：果糖0.5 g、活化硅胶0.5 g、DMSO 30mL、温度120℃,在该条件下反应40 min,果糖的5-HMF可以达到98.9%。在此条件下,活化硅胶具有较好的循环使用性能。但活化硅胶对于葡萄糖转化为5-HMF的催化效果较差,通过提高反应温度能够提高葡萄糖的5-HMF的收率,但提高幅度有限,活化硅胶做催化剂时葡萄糖的最佳反应条件为葡萄糖0.5 g、活化硅胶0.5 g、DMSO 30 mL、温度160℃,在该条件下反应9h,果糖的5-HMF可以达到19.3%。,收率相对较低。而通过活化硅胶与Snβ分子筛的协同使用,显著提高了葡萄糖的5-HMF收率：活化硅胶与Snβ分子筛质量比为1：1时,140℃下反应420 min葡萄糖转化为5-HMF的收率可以达到72.0%。最后,求得了活化硅胶催化体系中不同温度下果糖和5-HMF转化各步反应的反应速率常数,并通过这些速率常数求得了果糖转化为5-HMF及5-HMF降解的主副反应的活化能,探讨了水对活化硅胶催化碳水化合物制备5-HMF反应的影响。最后,通过对实验结果的分析,推导了不同催化剂的作用机制及葡萄糖异构和果糖制备5-HMF的反应机理。认为具有较强吸水能力的催化剂在DMSO溶剂中催化碳水化合物制备5-HMF的反应中都存在着一个富水的微元体系。聚合离子液体在DMSO体系中,以正离子链为中心存在一个微元体系,果糖在微元体系内可以较快转化为5-HMF。以分子筛催化果糖转化为5-HMF的反应,主要是Bronsted酸作用的结果,而葡萄糖、二糖和多糖的转化是Bronsted和Lewis共同作用的结果。硅胶催化体系的作用机制是由于硅胶的强吸水特性,在硅胶表面存在一个富水体系,果糖在富水体系相对浓度较高,反应速率较快,反应物和产物不断在两相间迁移。通过不同催化剂的不同反应机制,分别推导了聚合离子液体PIL-2、 Hβ分子筛催化果糖制备5-HMF的反应机理、并标示了反应的电子迁移路径。同时推导了Snβ分子筛上葡萄糖向果糖异构的反应机理。研究发现水在碳水化合物制备5-HMF的反应中起着双重作用,水含量、催化剂酸碱性及反应体系的中能促进氢质子转移的活泼氢的浓度都对5-HMF的最终的收率有着重要影响。同时碳水化合物制备5-HMF的反应机理可以归结为催化剂作用下的氢质子转移过程,根据实验结果及反应机理推测了不同底物一步法制备5-HMF的最佳反应体系。