纤维素在离子液体中溶解机制及其新型溶剂设计的理论研究

纤维素是自然界中最丰富的可再生资源，其良好的生物降解性和环境友好性受到广泛关注，但其难溶性成为制约纤维素资源化利用的瓶颈。离子液体作为纤维素的绿色溶剂体系，为纤维素资源的绿色应用及开发提供了一个崭新的平台。本项目拟运用各种量子化学和动力学方法，通过系统探讨纤维素与离子液体之间的相互作用机制及其热动力学行为，揭示纤维素的溶解机制和溶解过程的演化规律；建立溶解性能与离子液体结构及其性质参数之间的相关性，实现对溶解性能的可预测性和可调控性；通过对离子液体的功能化设计，获得影响溶解性能的主导因素，进而基于离子液体设计开发新型、高效、环境友好型纤维素溶剂；通过考察离子液体与纤维素之间的相互作用对葡萄糖苷键强度的影响，阐明纤维素的降解机制及其调控途径。该项目的开展可为新型纤维素溶剂的实验合成与筛选提供必要的科学依据和理论指导。

纤维素是自然界中最丰富的可再生资源，其良好的生物降解性和环境友好性受到广泛关注，但其难溶性成为制约纤维素资源化利用的瓶颈。离子液体作为纤维素的绿色溶剂体系，为纤维素资源的绿色应用及开发提供了崭新的平台。本项目运用各种量子化学和动力学方法，通过构建纤维素与离子液体之间的作用模型，系统探讨纤维素与离子液体之间的相互作用机制及其热动力学行为，揭示纤维素的溶解机制和溶解过程的演化规律；通过考察离子液体的结构对纤维素链间作用力的影响，获得纤维素的溶解性能与离子液体结构及其性质参数之间的相关性；通过对离子液体的功能化设计，获得影响溶解性能的主导因素，进而基于离子液体设计开发新型、高效、环境友好型纤维素溶剂；通过考察离子液体与纤维素之间的相互作用对葡萄糖苷键强度的影响，阐明纤维素的降解机制及其调控途径。围绕上述研究内容，课题组开展了一系列研究工作，完成了计划书的研究目标，取得了一些有意义的研究成果。主要成果与创新简述如下：（1）通过构建不同大小单元的纤维素模型，阐明了纤维素分子内和分子间氢键的本质，获得了纤维素分子中氢键形成及糖苷键强度的演化规律，明确了纤维素链间分子间氢键的协同作用。（2）构建了纤维素和离子液体相互作用的理论模型，获得了纤维素与离子液体作用的微观细节及影响纤维素溶解的主导因素，阐明了纤维素在离子液体中的溶解机制，澄清了实验上关于咪唑阳离子C2位质子参与作用的各种争议。（3）进一步明确了离子液体中阴离子和阳离子结构在纤维素溶解过程中的作用，论证了氨基酸离子液体作为纤维素溶剂的可能性。（4）考察了水、醇与酮分子对纤维素在离子液体中溶解性能的影响机制，从本质上给出了离子液体中含有上述溶剂分子使得纤维素溶解性降低的根本原因。此外，作为本项目的延伸，我们还考察了不同类型的金属离子与纤维素之间的作用行为，以期获得金属离子对纤维素溶解性能的影响机制。本项目的研究结果为基于氨基酸离子液体设计新型纤维素溶剂的实验合成与筛选提供了必要的科学依据和理论指导。