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CN104736245B - 高分子催化剂和固载化催化剂、以及使用该催化剂消化纤维素材料的方法 - Google Patents

高分子催化剂和固载化催化剂、以及使用该催化剂消化纤维素材料的方法 Download PDF

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CN104736245B CN201380055050.3A CN201380055050A CN104736245B CN 104736245 B CN104736245 B CN 104736245B CN 201380055050 A CN201380055050 A CN 201380055050A CN 104736245 B CN104736245 B CN 104736245B
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Abstract

本发明提供了用于非酶糖化工艺的催化剂。所述的催化剂可以为具有酸性和离子部分的高分子催化剂或固载化催化剂。此外，本发明还提供了使用本发明所述的催化剂将纤维素材料水解成单糖和/或寡糖的方法。

Description

高分子催化剂和固载化催化剂、以及使用该催化剂消化纤维 素材料的方法
相关申请的交叉引用
本申请要求美国临时专利申请系列No.61/693,200、61/693,210和61/693,213(这些申请的每一份都是在2012年8月24日提交的)以及2013年3月14日提交的美国专利申请系列No.13/831,495的权益，并且这些申请的公开内容以引用方式全部并入本文。
技术领域
本发明公开总体涉及由生物质生产糖的方法，更具体而言，本发明公开涉及使用催化剂(例如高分子催化剂或固载化催化剂)由多种生物质供料来生产糖的方法。
背景技术
纤维素材料(例如农业、林业和废物处理的生物质废品)的糖化作用与经济和环境是非常相关的。作为生物质能量利用的一部分，尝试通过水解纤维素或半纤维素(其为植物的主要构成部分)来获得乙醇(生物乙醇)。水解产物(其包含糖和简单的碳水化合物)接着可以经历进一步的生物和/或化学转化，从而生产燃料或其他通用化学制品。例如乙醇可以用作燃料或混合于燃料(例如汽油)中。植物的主要构成部分包含例如纤维素(聚合物葡萄糖，其为6碳糖)、半纤维素(5碳糖或6碳糖的支化聚合物)、木质素和淀粉。但是，根据产率以及用水和用能，目前用于由木质纤维素材料释放糖的方法在商业规模上是不够的。
二十世纪80年代以来，关于使用氟化固体超强酸微孔树脂(例如)来水解β-糖苷键的著作试图研发用于消化纤维素的催化方法。使用分批反应器和连续流动固定床管反应器来证明纤维寡糖水解成单糖，但是这些工艺都不能可观地消化纤维素或半纤维素，由其是纤维素中的晶畴。
这样，仍需要使用催化剂的新方法，其可以在商业可行的规模上由生物质高效地生成糖和含糖产物。
发明概述
本发明公开通过提供可以用于消化生物质中的半纤维素和纤维素(包含纤维素的晶畴)的高分子催化剂和固载化催化剂来解决上述需要。此外，还提供了使用此类用于消化生物质的催化剂来由多种生物质供料生产一种或多种糖的方法。在一些实施方案中，本文所述的使用催化剂的方法可以将纤维素和/或半纤维素水解成一种或多种糖，包含单糖和/或寡糖。所述的糖可以用作食物试剂，例如甜味剂或风味剂。所述的糖可以用于人类消化或用于非人类消化(例如用于宠物消化或者作为农业饲料的一部分)。
在一个方面中，提供了一种高分子催化剂，其包含连接的酸性单体和离子单体，从而形成高分子主链，其中每个酸性单体都独立地包含至少一个Bronsted-Lowry酸，并且其中每个离子单体都独立地包含至少一个含氮阳离子基团、至少一个含磷阳离子基团或它们的组合。
在另一个方面中，提供了一种固载化催化剂，其包含固载体、附着在固载体上的酸性部分以及附着在固载体上的离子部分，其中每个酸性部分都独立地包含至少一个Bronsted-Lowry酸，并且其中每个离子部分都独立地包含至少一个含氮阳离子基团、至少一个含磷阳离子基团或它们的组合。
在另一个方面中，提供了一种通过以下过程由软木材来生产一种或多种糖的方法：
a)提供软木材；
b)将所述的软木材与催化剂相接触，从而形成反应混合物，
其中所述的催化剂为高分子催化剂或固载化催化剂，
其中所述的高分子催化剂包含连接的酸性单体和离子单体，从而形成高分子主链，其中每个酸性单体都独立地包含至少一个Bronsted-Lowry酸，并且其中每个离子单体都独立地包含至少一个含氮阳离子基团、至少一个含磷阳离子基团或它们的组合，
其中所述的固载化催化剂包含固载体、附着在固载体上的酸性部分以及附着在固载体上的离子部分，其中每个酸性部分都独立地包含至少一个Bronsted-Lowry酸，并且其中每个离子部分都独立地包含至少一个含氮阳离子基团、至少一个含磷阳离子基团或它们的组合；
c)降解反应混合物中的软木材，从而产生液相和固相，其中所述的液相包含一种或多种糖，所述的固相包含残余的软木材；
d)将至少一部分所述的液相与所述的固相分离；以及
e)由分离的液相回收一种或多种糖。在一些实施方案中，所述的软木材为松树。在其他的实施方案中，所述的软木材为选自木屑、锯末、树皮和它们的任意的组合中的形式。
在一个方面中，提供了一种通过以下过程由硬木材生产一种或多种糖的方法：
a)提供硬木材；
b)将所述的硬木材与催化剂相接触，从而形成反应混合物，
其中所述的催化剂为高分子催化剂或固载化催化剂，
其中所述的高分子催化剂包含连接的酸性单体和离子单体，从而形成高分子主链，其中每个酸性单体都独立地包含至少一个Bronsted-Lowry酸，并且其中每个离子单体都独立地包含至少一个含氮阳离子基团、至少一个含磷阳离子基团或它们的组合，
其中所述的固载化催化剂包含固载体、附着在固载体上的酸性部分以及附着在固载体上的离子部分，其中每个酸性部分都独立地包含至少一个Bronsted-Lowry酸，并且其中每个离子部分都独立地包含至少一个含氮阳离子基团、至少一个含磷阳离子基团或它们的组合；
c)降解反应混合物中的硬木材，从而产生液相和固相，其中所述的液相包含一种或多种糖，所述的固相包含残余的硬木材；
d)将至少一部分所述的液相与所述的固相分离；以及
e)由分离的液相回收一种或多种糖。
在一些实施方案中，所述的硬木材选自桦树、桉树、山杨、枫树和它们的任意的组合。在其他的实施方案中，所述的硬木材为选自木屑、锯末、树皮以及它们的任意的组合中的形式。
在另一个方面中，提供了通过以下过程由木薯生产一种或多种糖的方法：
a)提供木薯；
b)将所述的木薯与催化剂相接触，从而形成反应混合物，
其中所述的催化剂为高分子催化剂或固载化催化剂，
其中所述的高分子催化剂包含连接的酸性单体和离子单体，从而形成高分子主链，其中每个酸性单体都独立地包含至少一个Bronsted-Lowry酸，并且其中每个离子单体都独立地包含至少一个含氮阳离子基团、至少一个含磷阳离子基团或它们的组合，
其中所述的固载化催化剂包含固载体、附着在固载体上的酸性部分以及附着在固载体上的离子部分，其中每个酸性部分都独立地包含至少一个Bronsted-Lowry酸，并且其中每个离子部分都独立地包含至少一个含氮阳离子基团、至少一个含磷阳离子基团或它们的组合；
c)降解反应混合物中的木薯，从而产生液相和固相，其中所述的液相包含一种或多种糖，所述的固相包含残余的木薯；
d)将至少一部分所述的液相与所述的固相分离；以及
e)由分离的液相回收一种或多种糖。
在一个实施方案中，所述的木薯为木薯茎。
在另一个方面中，提供了通过以下过程由甘蔗渣生产一种或多种糖的方法：
a)提供甘蔗渣；
b)将所述的甘蔗渣与催化剂相接触，从而形成反应混合物，
其中所述的催化剂为高分子催化剂或固载化催化剂，
其中所述的高分子催化剂包含连接的酸性单体和离子单体，从而形成高分子主链，其中每个酸性单体都独立地包含至少一个Bronsted-Lowry酸，并且其中每个离子单体都独立地包含至少一个含氮阳离子基团、至少一个含磷阳离子基团或它们的组合，
其中所述的固载化催化剂包含固载体、附着在固载体上的酸性部分以及附着在固载体上的离子部分，其中每个酸性部分都独立地包含至少一个Bronsted-Lowry酸，并且其中每个离子部分都独立地包含至少一个含氮阳离子基团、至少一个含磷阳离子基团或它们的组合；
c)降解反应混合物中的甘蔗渣，从而产生液相和固相，其中所述的液相包含一种或多种糖，并且其中所述的固相包含残余的甘蔗渣；
d)将至少一部分所述的液相与所述的固相分离；以及
e)由分离的液相回收一种或多种糖。
在一个实施方案中，所述的甘蔗渣为甘蔗的甘蔗渣。
在另一个方面中，提供了通过以下过程由油棕生产一种或多种糖的方法：
a)提供油棕；
b)将所述的油棕与催化剂相接触，从而形成反应混合物，
其中所述的催化剂为高分子催化剂或固载化催化剂，
其中所述的高分子催化剂包含连接的酸性单体和离子单体，从而形成高分子主链，其中每个酸性单体都独立地包含至少一个Bronsted-Lowry酸，并且其中每个离子单体都独立地包含至少一个含氮阳离子基团、至少一个含磷阳离子基团或它们的组合，
其中所述的固载化催化剂包含固载体、附着在固载体上的酸性部分以及附着在固载体上的离子部分，其中每个酸性部分都独立地包含至少一个Bronsted-Lowry酸，并且其中每个离子部分都独立地包含至少一个含氮阳离子基团、至少一个含磷阳离子基团或它们的组合；
c)降解反应混合物中的油棕，从而产生液相和固相，其中所述的液相包含一种或多种糖，并且其中所述的固相包含残余的油棕；
d)将至少一部分所述的液相与所述的固相分离；以及
e)由分离的液相回收一种或多种糖。
在一些实施方案中，所述的油棕为选自空果串、中果皮纤维和它们的任意的组合中的棕榈油废料。
在另一个方面中，提供了通过以下过程由玉米秸秆生产一种或多种糖的方法：
a)提供玉米秸秆；
b)将所述的玉米秸秆与催化剂相接触，从而形成反应混合物，
其中所述的催化剂为高分子催化剂或固载化催化剂，
其中所述的高分子催化剂包含连接的酸性单体和离子单体，从而形成高分子主链，其中每个酸性单体都独立地包含至少一个Bronsted-Lowry酸，并且其中每个离子单体都独立地包含至少一个含氮阳离子基团、至少一个含磷阳离子基团或它们的组合，
其中所述的固载化催化剂包含固载体、附着在固载体上的酸性部分以及附着在固载体上的离子部分，其中每个酸性部分都独立地包含至少一个Bronsted-Lowry酸，并且其中每个离子部分都独立地包含至少一个含氮阳离子基团、至少一个含磷阳离子基团或它们的组合；
c)降解反应混合物中的玉米秸秆，从而产生液相和固相，其中所述的液相包含一种或多种糖，并且其中所述的固相包含残余的玉米秸秆；
d)将至少一部分所述的液相与所述的固相分离；以及
e)由分离的液相回收一种或多种糖。
在另一个方面中，提供了通过以下过程由食物残渣生产一种或多种糖的方法：
a)提供食物残渣；
b)将所述的食物残渣与催化剂相接触，从而形成反应混合物，
其中所述的催化剂为高分子催化剂或固载化催化剂，
其中所述的高分子催化剂包含连接的酸性单体和离子单体，从而形成高分子主链，其中每个酸性单体都独立地包含至少一个Bronsted-Lowry酸，并且其中每个离子单体都独立地包含至少一个含氮阳离子基团、至少一个含磷阳离子基团或它们的组合，
其中所述的固载化催化剂包含固载体、附着在固载体上的酸性部分以及附着在固载体上的离子部分，其中每个酸性部分都独立地包含至少一个Bronsted-Lowry酸，并且其中每个离子部分都独立地包含至少一个含氮阳离子基团、至少一个含磷阳离子基团或它们的组合；
c)降解反应混合物中的食物残渣，从而产生液相和固相，其中所述的液相包含一种或多种糖，并且其中所述的固相包含残余的食物残渣；
d)将至少一部分所述的液相与所述的固相分离；以及
e)由分离的液相回收一种或多种糖。
在另一个方面中，提供了通过以下过程由酶消化残余物生产一种或多种糖的方法：
a)提供酶消化残余物；
b)将所述的酶消化残余物与催化剂相接触，从而形成反应混合物，其中所述的催化剂为高分子催化剂或固载化催化剂，
其中所述的高分子催化剂包含连接的酸性单体和离子单体，从而形成高分子主链，其中每个酸性单体都独立地包含至少一个Bronsted-Lowry酸，并且其中每个离子单体都独立地包含至少一个含氮阳离子基团、至少一个含磷阳离子基团或它们的组合，
其中所述的固载化催化剂包含固载体、附着在固载体上的酸性部分以及附着在固载体上的离子部分，其中每个酸性部分都独立地包含至少一个Bronsted-Lowry酸，并且其中每个离子部分都独立地包含至少一个含氮阳离子基团、至少一个含磷阳离子基团或它们的组合；
c)降解反应混合物中的酶消化残余物，从而产生液相和固相，其中所述的液相包含一种或多种糖，并且所述的固相包含残余的酶消化残余物；
d)将至少一部分所述的液相与所述的固相分离；以及
e)由分离的液相回收一种或多种糖。
在另一个方面中，提供了通过以下过程由啤酒底部沉积物生产一种或多种糖的方法：
a)提供啤酒底部沉积物；
b)将所述的啤酒底部沉积物与催化剂相接触，从而形成反应混合物，
其中所述的催化剂为高分子催化剂或固载化催化剂，
其中所述的高分子催化剂包含连接的酸性单体和离子单体，从而形成高分子主链，其中每个酸性单体都独立地包含至少一个Bronsted-Lowry酸，并且其中每个离子单体都独立地包含至少一个含氮阳离子基团、至少一个含磷阳离子基团或它们的组合，
其中所述的固载化催化剂包含固载体、附着在固载体上的酸性部分以及附着在固载体上的离子部分，其中每个酸性部分都独立地包含至少一个Bronsted-Lowry酸，并且其中每个离子部分都独立地包含至少一个含氮阳离子基团、至少一个含磷阳离子基团或它们的组合；
c)降解反应混合物中的啤酒底部沉积物，从而产生液相和固相，其中所述的液相包含一种或多种糖，并且所述的固相包含残余的啤酒底部沉积物；
d)将至少一部分所述的液相与所述的固相分离；以及
e)由分离的液相回收一种或多种糖。
在另一个方面中，提供了通过以下过程由生物质生产食品试剂的方法：
a)提供生物质；
b)将所述的生物质与催化剂相接触，从而形成反应混合物，
其中所述的催化剂为高分子催化剂或固载化催化剂，
其中所述的高分子催化剂包含连接的酸性单体和离子单体，从而形成高分子主链，其中每个酸性单体都独立地包含至少一个Bronsted-Lowry酸，并且其中每个离子单体都独立地包含至少一个含氮阳离子基团、至少一个含磷阳离子基团或它们的组合，
其中所述的固载化催化剂包含固载体、附着在固载体上的酸性部分以及附着在固载体上的离子部分，其中每个酸性部分都独立地包含至少一个Bronsted-Lowry酸，并且其中每个离子部分都独立地包含至少一个含氮阳离子基团、至少一个含磷阳离子基团或它们的组合；
c)降解反应混合物中的生物质，从而产生液相和固相，其中所述的液相包含食品试剂，并且其中所述的固相包含残余的生物质；
d)将至少一部分所述的液相与所述的固相分离；以及
e)由分离的液相回收所述的食品试剂。
在一些实施方案中，步骤(b)进一步包含将生物质和催化剂与水相接触从而形成反应混合物。在其他的实施方案中，步骤(b)进一步包含将生物质和催化剂与溶剂相接触从而形成反应混合物。
在上文所述的任意一种方法的一些实施方案中，所述的方法进一步包含对供料(例如软木材,硬木材,木薯,甘蔗渣,甜菜渣,稻草,造纸污泥,油棕,玉米秸秆,食物残渣,酶消化残余物,啤酒底部沉积物,或其他生物质,以及它们的任意的组合)进行预处理，然后将供料与催化剂相接触从而形成反应混合物。在某些实施方案中，供料的预处理选自洗涤、溶剂萃取、溶剂膨胀、粉碎、研磨、蒸汽预处理、爆破蒸汽预处理、稀酸预处理、热水预处理、碱预处理、石灰预处理、湿式氧化、湿爆裂、氨纤维爆裂、有机溶剂预处理、生物预处理、氨过滤、超声处理、电穿孔、微波处理、超临界CO2、超临界H2O、臭氧、γ辐射或它们的任意的组合。
在上文所述的任意一种方法的一些实施方案中，在步骤(d)中将至少一部分液相与固相分离产生残余的供料混合物，并且所述的方法进一步包含：
i)提供其他的供料(例如软木材,硬木材,木薯,甘蔗渣,甜菜渣,稻草,造纸污泥,油棕,玉米秸秆,食物残渣,酶消化残余物,啤酒底部沉积物,或其他的生物质,以及它们的任意的组合)；
ii)将所述的其他的供料与残余的供料混合物相接触；
iii)降解所述的其他的供料和残余的供料混合物，从而产生第二液相和第二固相，其中所述的第二液相包含一种或多种其他的糖，并且其中所述的第二固相包含其他的残余供料混合物；
iv)将至少一部分所述的第二液相与所述的第二固相分离；以及
v)由分离的第二液相回收一种或多种其他的糖。
在一些实施方案中，在步骤(i)中的其他的供料(例如软木材,硬木材,木薯,甘蔗渣,甜菜渣,稻草,造纸污泥,油棕,玉米秸秆,食物残渣,酶消化残余物,啤酒底部沉积物,以及它们的任意的组合)与步骤(a)中的供料是相同的类型或不同的类型。在其他的实施方案中，在步骤(iii)中生产的一种或多种其他的糖与步骤(c)中生长的一种或多种糖是相同的类型或不同的类型。
在某些实施方案中，所述的方法进一步包含将步骤(iii)中的其他的供料和残余的供料与其他的催化剂相接触，其中所述的其他的催化剂可以为本文所述的任意一种催化剂(例如高分子催化剂、固载化催化剂或它们的组合)。在某些实施方案中，其他的催化剂与步骤(b)中的催化剂相同或不同。
在其他的实施方案中，所述的方法进一步包含将其他的供料和残余的供料混合物与其他的溶剂相接触。在某些实施方案中，所述的其他的溶剂与步骤(b)中的溶剂相同或不同。在一个实施方案中，所述的其他的溶剂包含水。
在一些实施方案中，所述的方法进一步包含在分离至少一部分第二液相之后回收所述的催化剂。
在上文所述的任意一种方法的一些实施方案中，本文所述的催化剂具有选自以下的一种或多种催化性质：
a)破坏纤维素材料中的氢键；
b)将催化剂插入在纤维素材料的晶畴中；以及
c)使纤维素材料中的糖苷键断裂。
在上文所述的任意一种方法的一些实施方案中，与纤维素材料中单糖的脱水相比，所述的催化剂对糖苷键的断裂具有更高的特异性。
此外，还提供了根据上文所述的任意一种方法制备的催化剂将生物质降解为一种或多种单糖、一种或多种寡糖或它们的组合中的用途。
此外，还提供了根据上文所述的任意一种方法制备的催化剂对预处理之前的生物质进行部分消化中的用途，其中所述的预处理是使用选自以下的一种或多种方法来实施的：洗涤,溶剂萃取,溶剂膨胀,粉碎,研磨,蒸汽预处理,爆破蒸汽预处理,稀酸预处理,热水预处理,碱预处理,石灰预处理,湿式氧化,湿爆裂,氨纤维爆裂,有机溶剂预处理,生物预处理,氨过滤,超声处理,电穿孔,微波处理,超临界CO2,超临界H2O,臭氧,和γ辐射。
附图说明
参照所取得的以下说明并联合附图可以理解本申请，其中相同的部分可以参考相同的数字：
图1示出了具有高分子主链和侧链的示例性催化剂的部分。
图2示出了示例性催化剂的部分，其中具有酸性基团的侧链通过连接体与高分子主链相连，并且其中具有阳离子基团的侧链与高分子主链直接相连。
图3A示出了示例性高分子催化剂的部分，其中所述的单体以交替的顺序随机排列。
图3B示出了示例性高分子催化剂的部分，其中所述的单体以单体的嵌段形式排列，并且酸性单体的嵌段与离子单体的嵌段交替。
图4A和4B示出了示例性高分子催化剂的部分，该高分子催化剂在给定的高分子链内具有交联。
图5A、5B、5C和5D示出了示例性高分子催化剂的部分，该高分子催化剂在2条高分子链之间具有交联。
图6A示出了示例性高分子催化剂的部分，该高分子催化剂具有聚乙烯主链。
图6B示出了示例性高分子催化剂的部分，该高分子催化剂具有聚乙烯醇主链。
图6C示出了示例性高分子催化剂的部分，该高分子催化剂具有离聚物主链。
图7A示出了示例性高分子催化剂的2条侧链，其中在具有Bronsted-Lowry酸的侧链与具有阳离子基团的侧链之间具有3个碳原子。
图7B示出了另一个示例性高分子催化剂的2条侧链，其中具有Bronsted-Lowry酸的侧链与具有阳离子基团的侧链之间具有0个碳。
图8A描绘了通过Friedel-Crafts反应，通过引入反应性连接体来活化碳载体的示例性反应；以及
图8B描绘了由活化的碳载体制备双官能化的催化剂的示例性反应流程，其中所述的催化剂具有酸性和离子部分。
发明详述
以下描述列出了示例性方法、参数等。但是应该确认这种描述无意于限定本发明公开的范围，而是提供了示例性实施方案的描述。
本发明描述了可以用于水解纤维素材料从而产生单糖及寡糖的催化剂，包含高分子催化剂和固载化催化剂。所述的催化剂可以破坏通常在天然纤维素材料中发现的氢键超结构，从而允许催化剂的酸性悬垂基团可以与纤维素晶畴中的内部糖苷键发生化学接触。
与本领域已知的用于水解纤维素材料的传统催化剂(例如酶、浓酸或稀酸水溶液)不同，本发明所述的催化剂提供了有效的纤维素消化以及方便的再循环和再利用。再循环和再利用催化剂的能力呈现出多个优点，包含降低了将木质纤维素转化成工业重要性化学物质(例如糖、寡糖、有机酸、醇和醛)的成本。与酶和稀酸水溶液不同，本发明所述的催化剂可以深层渗透至纤维素的晶体结构中，从而得到用于水解纤维素材料以产生单糖和/或寡糖的更高的产率和更快的动力学。与浓酸(其需要昂贵的耗能的溶剂萃取和/或蒸馏工艺在木质纤维素消化后回收催化剂)不同，本发明所述的催化剂的腐蚀性低、更易于处理，并且由于本发明所述的催化剂与水性产物形成天然的相分离，所以可以容易地回收。此外，使用本发明提供的催化剂无需将纤维素材料溶解于溶剂中，例如熔融金属卤化物、离子液体或酸/有机溶剂混合物。因此，本发明提供了稳定的可再循环的催化剂，其可以以商业可行的规模来有效地消化纤维素材料。
定义
除非另外定义，否则本发明使用的所有技术和科学术语都具有与本说明所属技术领域的任一技术人员通常理解的相同的含义。
如说明书和权利要求书中所用，除非上下文中另外清楚地指明，否则单数形式“a”、“an”和“the”包含复数参照物。
关于本发明中的“大约”值或参数包含(并描述)指定该值或参数本身的实施方案。例如关于“大约x”的描述包含“x”本身的描述。在其他的实例中，当术语“大约”与其他量度联合使用或者用于修饰某一值、单位、常数或值的范围时，是指在所述值的±0.1％和±15％之间的变量。例如在一个变体中，“大约1”是指0.85至1.15的范围。
关于本发明中的“在2个值或参数之间”包含(并描述)包含这2个值或参数本身的实施方案。例如关于“在x和y之间”的描述包含“x”和“y”本身的描述。
“Bronsted-Lowry酸”是指能够提供质子(氢阳离子，H+)的中性或离子形式的分子或其取代基。
“均聚物”是指具有至少2个单体单元并且其中聚合物中所包含的所有单元都是由相同的单体衍生的聚合物。一个合适的实例为聚乙烯，其中乙烯单体连接而形成均匀重复的链(-CH2-CH2-CH2-)。另一个合适的实例为具有结构(-CH2-CHCl-CH2-CHCl-)的聚氯乙烯，其中-CH2-CHCl-重复单元衍生自H2C＝CHCl单体。
“异聚物”是指具有至少2个单体单元并且其中在该聚合物中至少1个单体单体与其他的单体单元不同的聚合物。此外，异聚物还是指具有双官能化的或三官能化的单体单元的聚合物，其中所述的单体单元可以以不同的方式引入至聚合物中。在所述的聚合物中不同的单体单元可以为无规的顺序，给定单体在任意长度上的交替的顺序，或者以单体的嵌段形式。一个合适的实例为聚乙烯咪唑鎓，其中如果为交替的顺序，则所述的聚乙烯咪唑鎓为图6C所描绘的聚合物。另一个合适的实例为聚苯乙烯-co-二乙烯基苯，其中如果为交替的顺序，则聚苯乙烯-co-二乙烯基苯为(-CH2-CH(苯基)-CH2-CH(4-乙烯苯基)-CH2-CH(苯基)-CH2-CH(4-乙烯苯基)-)。在此，乙烯基官能团可以在苯环的2、3或4位置。
如本文所用，表示部分与母体结构的连接点。
当列出值的范围时，其是指涵盖该范围内的每个值和子范围。例如“C1–6烷基”(其还可以称为1-6C烷基,C1-C6烷基,或者C1-6烷基)是指涵盖C1,C2,C3,C4,C5,C6,C1–6,C1–5,C1–4,C1–3,C1–2,C2–6,C2–5,C2–4,C2–3,C3–6,C3–5,C3–4,C4–6,C4–5,以及C5–6烷基。
“烷基”包含饱和的直链或支化的一价烃自由基，当其未被取代时，仅包含C和H。在一些实施方案中，如本文所用，烷基可以具有1至10个碳原子(例如C1-10烷基)，1至6个碳原子(例如C1-6烷基)，或者1至3个碳原子(例如C1-3烷基)。代表性的直链烷基包含例如甲基、乙基、正丙基、正丁基、正戊基和正己基。代表性的支化烷基包含例如异丙基,仲丁基,异丁基,叔丁基,异戊基,2-甲基丁基,3-甲基丁基,2-甲基戊基,3-甲基戊基,4-甲基戊基,2-甲基己基,3-甲基己基,4-甲基己基,5-甲基己基,和2,3-二甲基丁基。当对具有特定数量的碳的烷基残基命名时，具有该数量的碳的所有几何异构体都被涵盖在内并描述；因此，例如“丁基”是指包含正丁基、仲丁基、异丁基和叔丁基；“丙基”包含正丙基和异丙基。
“烷氧基”是指基团-O-烷基，其通过氧原子与母体结构连接。烷氧基的实例可以包含甲氧基、乙氧基、丙氧基和异丙氧基。在一些实施方案中，如本文所用，烷氧基具有1至6个碳原子(例如O-(C1-6烷基))，或者1至4个碳原子(例如O-(C1-4烷基))。
“烯基”是指直链或支化的一价烃自由基，当其未被取代时，仅包含C和H，并且包含至少一个双键。在一些实施方案中，烯基具有2至10个碳原子(例如C2-10烯基)，或者2至5个碳原子(例如C2-5烯基)。当对具有特定数量的碳的烯基残基命名时，具有该数量的碳的所有几何异构体都被涵盖在内并描述；因此，例如“丁烯基”是指包含正丁烯基、仲丁烯基、和异丁烯基。烯基的实例可以包含–CH＝CH2,–CH2-CH＝CH2和–CH2-CH＝CH-CH＝CH2。一个或多个碳-碳双键可以在内部(例如在2-丁烯基中)或者在末端(例如在1-丁烯基中)。C2-4烯基的实例包含乙烯基(C2),1–丙烯基(C3),2–丙烯基(C3),1–丁烯基(C4),2–丁烯基(C4),和丁间二烯基(C4)。C2-6烯基的实例包含之前所述的C2-4烯基，以及戊烯基(C5)、戊二烯基(C5)和己烯基(C6)。烯基的其他实例包含更烯基(C7)、辛烯基(C8)和辛三烯基(C8)。
“炔基”是指直链或支化的一价烃自由基，当其未被取代时，仅包含C和H，并且包含至少一个三键。在一些实施方案中，炔基具有2至10个碳原子(例如C2-10炔基)，或者2至5个碳原子(例如C2-5炔基)。当对具有特定数量的碳的炔基残基命名时，具有该数量的碳的所有几何异构体都被涵盖在内并描述；因此，例如“戊炔基”是指包含正戊炔基、仲戊炔基、异戊炔基和叔戊炔基。炔基的实例可以包含–C≡CH或–C≡C-CH3。
在一些实施方案中，烷基、烷氧基、烯基和炔基在每次形成时，都可以独立地是未被取代的，或者被一个或多个取代基取代的。在某些实施方案中，取代的烷基、取代的烷氧基、取代的烯基和取代的炔基在每次形成时，都可以独立地具有1至5个取代基、1至3个取代基、1至2个取代基、或者1个取代基。烷基、烷氧基、烯基和炔基取代基的实例可以包含烷氧基,环烷基,芳基,芳氧基,氨基,酰胺基,氨基甲酸,羰基,氧代(＝O),杂烷基(例如醚),杂芳基,杂环烷基,氰基,卤代,卤代烷氧基,卤代烷基,和硫代。在某些实施方案中，取代的烷基、烷氧基、烯基和炔基的一个或多个取代基独立地选自环烷基,芳基,杂烷基(例如醚),杂芳基,杂环烷基,氰基,卤代,卤代烷氧基,卤代烷基,氧代,-ORa,-N(Ra)2,-C(O)N(Ra)2,-N(Ra)C(O)Ra,-C(O)Ra,-N(Ra)S(O)tRa(其中t为1或2),-SRa,以及-S(O)tN(Ra)2(其中t为1或2)。在某些实施方案中，每个Ra独立地为氢,烷基,烯基,炔基,卤代烷基,杂烷基,环烷基,芳基,杂环烷基,杂芳基(例如通过环上的碳键合),-C(O)R’和-S(O)tR’(其中t为1或2)，其中每个R’独立地为氢,烷基,烯基,炔基,卤代烷基,杂烷基,环烷基,芳基,杂环烷基,或杂芳基。在一个实施方案中，Ra独立地为氢,烷基,卤代烷基,环烷基,芳基,芳烷基(例如芳基取代的烷基，通过烷基与母体结构键合),杂环烷基,或杂芳基。
“杂烷基”、“杂烯基”和“杂炔基”分别包含烷基、烯基和炔基，其中一个或多个骨架链原子选自除了碳以外的原子，例如氧、氮、硫、磷或它们的任意的组合。例如杂烷基可以为醚，其中烷基中的至少一个碳原子被氧原子替代。可以给定数值范围，例如C1-4杂烷基，其是指链的总长度，在该实例中，其为4个原子长。例如–CH2OCH2CH3基是指在原子链长度的描述中包含杂原子中心的“C4”杂烷基。在一个实施方案中，与母体结构其余部分的连接可以通过杂原子，或者在另一个实施方案中，可以通过杂烷基链中的碳原子。杂烷基可以包含例如：醚，例如甲氧基乙基(–CH2CH2OCH3),乙氧基甲基(–CH2OCH2CH3),(甲氧基甲氧基)乙基(–CH2CH2OCH2OCH3),(甲氧基甲氧基)甲基(–CH2OCH2OCH3),和(甲氧基乙氧基)甲基(–CH2OCH2CH2OCH3)；胺，例如–CH2CH2NHCH3,–CH2CH2N(CH3)2,–CH2NHCH2CH3,和–CH2N(CH2CH3)(CH3)。在一些实施方案中，杂烷基、杂烯基或杂炔基可以是未被取代的，或者被一个或多个取代基取代。在某些实施方案中，取代的杂烷基、杂烯基或杂炔基可以具有1至5个取代基、1至3个取代基、1至2个取代基、或者1个取代基。杂烷基、杂烯基或者杂炔基取代基的实例可以包含上文针对烷基中所述的取代基。
“碳环基”可以包含环烷基、环烯基或环炔基。“环烷基”是指单环或多环烷基。“环烯基”是指单环或多环烯基(例如包含至少一个双键)。“环炔基”是指单环或多环炔基(例如包含至少一个三键)。环烷基、环烯基或环炔基可以由一个环(例如环己基)或多环(例如金刚烷基)组成。具有多于1个环的环烷基、环烯基或环炔基可以稠合、螺环、桥接或它们的组合。在一些实施方案中，环烷基、环烯基和环炔基具有3至10个环原子(即C3-C10环烷基,C3-C10环烯基,和C3-C10环炔基)，3至8个环原子(例如C3-C8环烷基,C3-C8环烯基,和C3-C8环炔基)，或者3至5个环原子(即C3-C5环烷基,C3-C5环烯基,和C3-C5环炔基)。在某些实施方案中，环烷基、环烯基或环炔基包含桥接的和螺环稠合的环状结构(不包含杂原子)。在其他的实施方案中，环烷基、环烯基或环炔基包含单环或稠合环的多环(即共用相邻的环原子对的环)基。C3–6碳环基可以包含例如环丙基(C3),环丁基(C4),环戊基(C5),环戊烯基(C5),环己基(C6),环己烯基(C6),和环己二烯(C6)。C3–8碳环基可以包含例如之前所述的C3–6碳环基，以及环庚基(C7),环庚二烯基(C7),环庚三炔基(C7),环辛基(C8),二环[2.2.1]庚烯基,和二环[2.2.2]辛烯基。C3–10碳环基可以包含例如之前所述的C3–8碳环基，以及八氢–1H–茚基,十氢萘基,和螺[4.5]癸酰基。
“杂环基”是指上文所述的碳环基，并且具有选自氮、氧、磷和硫中的一个或多个环杂原子。杂环基可以包含例如杂环烷基、杂环烯基和杂环炔基。在一些实施方案中，杂环基为3-至18-元的非芳香单环或多环部分，该部分具有选自氮、氧、磷和硫中的至少一个杂原子。在某些实施方案中，杂环基可以为单环或多环的(例如双环、三环或四环)，其中多环系统可以稠合、桥接或螺环系统。杂环基多环系统在一个或两个环中可以包含一个或多个杂原子。
含N杂环部分是指其中环的至少一个骨架原子为氮原子的非芳香基。杂环基中的杂原子(多个)被可任选地氧化。如果存在一个或多个氮原子，则其被可任选地季铵化。在某些实施方案中，杂环基还可以包含被一个或多个氧化物(-O-)取代基(例如哌啶基N-氧化物)取代的环系统。杂环基通过环(多个)的任意一个原子与母体分子结构连接。
在一些实施方案中，杂环基还包含具有一个或多个稠合的碳环基、芳基或杂芳基的环系统，其中连接点位于碳环基或杂环基环上。在一些实施方案中，杂环基为具有环碳原子和1-4个环杂原子的5-10元非芳香环系统，其中每个杂原子独立地选自氮、氧和硫(例如5-10元杂环基)。在一些实施方案中，杂环基为具有环碳原子和1-4个环杂原子的5-8元非芳香环系统，其中每个杂原子独立地选自氮、氧和硫(例如5-10元杂环基)。在一些实施方案中，杂环基为具有环碳原子和1-4个环杂原子的5-6元非芳香环系统，其中每个杂原子独立地选自氮、氧和硫(例如5-6元杂环基)。在一些实施方案中，5-6元杂环基具有选自氮、氧和硫中的1-3个环杂原子。在一些实施方案中，5-6元杂环基具有选自氮、氧和硫中的1-2个环杂原子。在一些实施方案中，5-6元杂环基具有选自氮、氧和硫中的1个环杂原子。
包含1个杂原子的示例性3元杂环基可以包含azirdinyl,环氧乙烷基和硫化三亚甲基。包含1个杂原子的示例性4元杂环基可以包含氮杂环丁基,氧杂环丁基和硫化三亚甲基。包含1个杂原子的示例性5元杂环基可以包含四氢呋喃基,二氢呋喃基,四氢硫代苯基,二氢硫代苯基,吡咯烷基,二氢吡咯基和吡咯基–2,5–二酮。包含2个杂原子的示例性5元杂环基可以包含二氧戊环基,氧硫杂环戊基和二硫戊环基。包含3个杂原子的示例性5元杂环基可以包含triazolinyl,oxadiazolinyl,and thiadiazolinyl。包含1个杂原子的示例性6元杂环基可以包含哌啶基,四氢吡喃,二氢吡啶,和噻吩基。包含2个杂原子的示例性6元杂环基可以包含哌嗪基,吗啉基,二噻吩基,二恶烷基。包含2个杂原子的示例性6元杂环基可以包含triazinanyl。包含1个杂原子的示例性7元杂环基可以包含氮杂庚环基,氧杂环庚三烯基和硫杂环庚烷基。包含1个杂原子的示例性8元杂环基可以包含氮杂环辛基,oxecanyl和thiocanyl。示例性的双环杂环基可以包含二氢吲哚基,异二氢吲哚基,二氢苯并呋喃基,二氢苯并噻吩基,四氢苯并噻吩基,四氢苯并呋喃基,四氢吲哚基,四氢喹啉基,四氢异喹啉基,十氢喹啉基,十氢异喹啉基,八氢色满基,八氢异色满基,十氢二氮杂萘基,十氢–1,8–二氮杂萘基,八氢吡咯[3,2–b]吡咯,二氢吲哚基,邻苯二甲酰亚胺基,邻萘二甲酰亚胺基,苯并二氢吡喃基,色满基,1H–苯并[e][1,4]二吖庚因,1,4,5,7–四氢吡喃并[3,4–b]吡咯基,5,6–二氢–4H–呋喃并[3,2–b]吡咯基,6,7–二氢–5H–呋喃并[3,2–b]吡喃基,5,7–二氢–4H–噻吩并[2,3–c]吡喃基,2,3–二氢–1H–吡咯[2,3–b]吡啶基,2,3–二氢呋喃并[2,3–b]吡啶基,4,5,6,7–四氢–1H–吡咯[2,3–b]吡啶基,4,5,6,7–四氢呋喃并[3,2–c]吡啶基,4,5,6,7–四氢噻吩并[3,2–b]吡啶基,和1,2,3,4–四氢–1,6–二氮杂萘基。
“芳基”是指具有单一环(例如苯基)，多环(例如二苯基)，或者多个稠环(例如萘基、芴基和蒽基)的芳香基。在一些实施方案中，如本文所述，芳基具有6至10个环原子(例如C6-C10芳香基或C6-C10芳基)，其具有至少一个具有共轭的pi电子系统的环。例如由取代的苯衍生物形成的并在环原子上具有自由价的二价自由基被命名为取代的亚苯基自由基。在某些实施方案中，芳基可以具有多于1个环，其中至少一个环为可以在芳香环位置或非芳香环位置处与母体结构连接的非芳香环。在某些实施方案中，芳基包含单环或稠环多环(即共用相邻的环原子对的环)基。
“杂芳基”是指具有单一环，多环，或者多个稠环的芳香基，并且具有独立地选自氮、氧、磷和硫中的一个或多个环杂原子。在一些实施方案中，杂芳基为芳香环、单环或双环，其包含独立地选自氮、氧和硫中的一个或多个杂原子，并且其余的环原子为碳。在某些实施方案中，杂芳基为具有环碳原子以及在芳香环系统中提供的1至6个环杂原子的、5-至18-元单环或多环(例如双环或三环)芳香环系统(例如在环阵列中具有6、10或14个pi电子)，其中每个杂原子独立地选自氮、氧、磷和硫(例如5-18元杂芳基)。在某些实施方案中，杂芳基可以具有单一环(例如吡啶基,吡啶基,咪唑基)或多个稠环(例如吲哚嗪基,苯并噻吩基)，其稠环可以是或不是芳香环。在其他的实施方案中，杂芳基可以具有多于1个的环，其中至少一个环为可以在芳香环位置或非芳香环位置处与母体结构连接的非芳香环。在一个实施方案中，杂芳基可以具有多于1个的环，其中至少一个环为在芳香环位置处与母体结构连接的非芳香环。杂芳基多环系统在一个或两个环中可以包含一个或多个杂原子。
例如在一个实施方案中，含N“杂芳基”是指其中环的至少一个骨架原子为氮原子的芳香基。杂环基中的一个或多个杂原子被可任选地氧化。如果存在一个或多个氮原子，则其被可任选地季铵化。在其他的实施方案中，杂环基可以包含被一个或多个氧化物(-O-)取代基(例如哌啶基N-氧化物)取代的环系统。杂环基通过环(多个)的任意一个原子与母体分子结构连接。
在其他的实施方案中，杂芳基可以包含具有一个或多个稠合芳基的环系统，其中连接点在芳基或杂芳基环上。在其他的实施方案中，杂芳基可以包含具有一个或多个碳环基或杂环基的环系统，其中连接点在杂芳基环上。在其他的实施方案中，杂芳基可以包含具有一个或多个碳环基或杂环基的环系统，其中连接点在杂芳基环上。对于其中一个环不包含杂原子的多环杂芳基(例如吲哚基、喹啉基和咔唑基)而言，连接点可以在任意一种环上，即带有杂原子的环(例如2-吲哚基)或不包含杂原子的环(例如5-吲哚基)。在一些实施方案中，杂芳基为具有环碳原子以及在芳香环系统中提供的1-4个环杂原子的、5-至10-元芳香环系统，其中每个杂原子独立地选自氮、氧、磷和硫(例如5-10元杂芳基)。在一些实施方案中，杂芳基为具有环碳原子以及在芳香环系统中提供的1-4个环杂原子的、5-8元芳香环系统，其中每个杂原子独立地选自氮、氧、磷和硫(例如5-8元杂芳基)。在一些实施方案中，杂芳基为具有环碳原子以及在芳香环系统中提供的1-4个环杂原子的、5-6元芳香环系统，其中每个杂原子独立地选自氮、氧、磷和硫(例如5-6元杂芳基)。在一些实施方案中，5-6元杂芳基具有选自氮、氧、磷和硫中的1-3个环杂原子。在一些实施方案中，5-6元杂芳基具有选自氮、氧、磷和硫中的1-2个环杂原子。在一些实施方案中，5-6元杂芳基具有选自氮、氧、磷和硫中的1个环杂原子。
杂芳基的实例可以包含吖庚因,吖啶基,苯并咪唑基,苯并吲哚基,1,3-苯并二氧杂环戊烯基,苯并呋喃基,苯并恶唑基,苯并[d]噻唑基,苯并噻二唑基,苯并[b][1,4]二氧杂环庚烯基,苯并[b][1,4]恶嗪基,1,4-苯并二氧杂环己基,苯并萘并呋喃基,苯并恶唑基,苯并二氧杂环戊烯基,苯并二氧杂环己二烯基,苯并恶唑基,苯并吡喃基,苯并吡喃酮基,苯并呋喃基,苯并呋喃酮基,苯并呋咱基,苯并噻唑基,苯并噻吩基(苯并硫代苯基),苯并噻吩并[3,2-d]嘧啶碱基,苯并三唑基,苯并[4,6]咪唑并[1,2-a]吡啶基,咔唑基,噌嗪基,环戊烯并[d]嘧啶碱基,6,7-二氢-5H-环戊烯并[4,5]噻吩并[2,3-d]嘧啶碱基,5,6-二氢苯并[h]喹唑啉基,5,6-二氢苯并[h]噌嗪基,6,7-二氢-5H-苯并[6,7]环庚[1,2-c]哒嗪基,二苯并呋喃基,二苯并硫代苯基,呋喃基,呋咱基,呋喃酮基,呋喃并[3,2-c]吡啶基,5,6,7,8,9,10-六氢环辛烷并[d]嘧啶碱基,5,6,7,8,9,10-六氢环辛烷并[d]哒嗪基,5,6,7,8,9,10-六氢环辛烷并[d]吡啶基,异噻唑基,咪唑基,吲唑基,吲哚基,吲唑基,异吲哚基,二氢吲哚基,异二氢吲哚基,异喹啉基,吲哚嗪基,异恶唑基,5,8-甲烷-5,6,7,8-四氢喹唑啉基,二氮杂萘基,1,6-naphthyridinonyl,恶二唑基,2-氧代吖庚因,恶唑基,环氧乙烷基,5,6,6a,7,8,9,10,10a-八氢苯并[h]喹唑啉基,1-苯基-1H-吡咯基,吩嗪基,吩噻嗪基,吩恶嗪基,酞秦基,喋啶基,嘌呤基,吡喃基,吡咯基,吡唑基,吡唑并[3,4-d]嘧啶碱基,吡啶基,吡啶并[3,2-d]嘧啶碱基,吡啶并[3,4-d]嘧啶碱基,吡嗪基,嘧啶碱基,哒嗪基,吡咯基,喹唑啉基,喹喔啉基,喹啉基,异喹啉基,四氢喹啉基,5,6,7,8-四氢喹唑啉基,5,6,7,8-四氢苯并[4,5]噻吩并[2,3-d]嘧啶碱基,6,7,8,9-四氢-5H-环庚[4,5]噻吩并[2,3-d]嘧啶碱基,5,6,7,8-四氢吡啶并[4,5-c]哒嗪基,噻唑基,噻二唑基,噻喃基,三唑基,四唑基,三嗪基,噻吩并[2,3-d]嘧啶碱基,噻吩并[3,2-d]嘧啶碱基,噻吩并[2,3-c]吡啶基,和硫代苯基(即噻吩基)。
在一些实施方案中，碳环基(包含例如环烷基、环烯基或环炔基)、芳基、杂芳基和杂环基在每次形成时，都可以独立地是未取代的，或者被一个或多个取代基取代。在某些实施方案中，取代的碳环基(包含例如取代的环烷基、取代的环烯基或取代的环炔基)、取代的芳基、取代的杂芳基、取代的杂环基在每次形成时，都可以是独立地具有1至5个取代基、1至3个取代基、1至2个取代基或者1个取代基。碳环基(包含例如环烷基、环烯基或环炔基)、芳基、杂芳基、杂环基取代基的实例可以包含烷基烯基,烷氧基,环烷基,芳基,杂烷基(例如醚),杂芳基,杂环烷基,氰基,卤代,卤代烷氧基,卤代烷基,氧代(＝O),-ORa,-N(Ra)2,-C(O)N(Ra)2,-N(Ra)C(O)Ra,-C(O)Ra,-N(Ra)S(O)tRa(其中t为或2),-SRa,和-S(O)tN(Ra)2(其中t为或2)，其中Ra如本文所述。
应该理解的是，如本文所用，被称为“连接体”的任何部分都是指具有二价的部分。因此，例如“烷基连接体”是指与烷基相同的残基，但是具有二价。烷基连接体的实例包含-CH2-,-CH2CH2-,-CH2CH2CH2-,和-CH2CH2CH2CH2-。“烯基连接体”是指与烯基相同的残基，但是具有二价。烯基连接体的实例包含-CH＝CH-,-CH2-CH＝CH-和-CH2-CH＝CH-CH2-。“炔基连接体”是指与炔基相同的残基，但是具有二价。炔基连接体的实例包含–C≡C–或–C≡C-CH2–。相似地，“碳环基连接体”、“芳基连接体”、“杂芳基连接体”和“杂环基连接体”是指与碳环基、芳基、杂芳基和杂环基分别相同的残基，但是具有二价。
“氨基”或“胺”是指-N(Ra)(Rb)，其中Ra和Rb均独立地选自氢,烷基,烯基,炔基,卤代烷基,杂烷基(例如通过链碳键合的),环烷基,芳基,杂环烷基(例如通过环碳键合的),杂芳基(例如通过环碳键合的),-C(O)R’和-S(O)tR’(其中t为1或2)(其中每个R’均独立地为氢,烷基,烯基,炔基,卤代烷基,杂烷基,环烷基,芳基,杂环烷基,和杂芳基)。应该理解的是在一个实施方案中，氨基包含酰胺基(例如-NRaC(O)Rb)。应该进一步理解的是在某些实施方案中，Ra和Rb的烷基,烯基,炔基,卤代烷基,杂烷基,环烷基,芳基,杂环烷基,或杂芳基部分可以进一步被取代，如本文所述。Ra和Rb可以相同或不同。例如在一些实施方案中，氨基为–NH2(其中Ra和Rb均为氢)。在Ra和Rb为除了氢以外的基团的其他实施方案中，Ra和Rb可以与氮原子结合，其中Ra和Rb与氮原子连接，从而形成3-,4-,5-,6-,或7-元环。此类实例可以包含1-吡咯烷基和4-吗啉基。
“铵”是指-N(Ra)(Rb)(Rc)+，其中Ra,Rb和Rc均独立地选自氢,烷基,烯基,炔基,卤代烷基,杂烷基(例如通过链碳键合的),环烷基,芳基,杂环烷基(例如通过环碳键合的),杂芳基(例如通过环碳键合的),-C(O)R’和-S(O)tR’(其中t为1或2)(其中每个R’均独立地为氢,烷基,烯基,炔基,卤代烷基,杂烷基,环烷基,芳基,杂环烷基,和杂芳基；或者Ra,Rb和Rc的任意二者可以与它们连接在一起的原子形成环烷基、杂环烷基；或者Ra,Rb和Rc的任意三者可以与它们连接的在一起的原子形成芳基或杂芳基)。应该进一步理解的是在某些实施方案中，Ra,Rb和Rc的任意一者或多者的烷基,烯基,炔基,卤代烷基,杂烷基,环烷基,芳基,杂环烷基,或杂芳基部分可以进一步被取代，如本文所述。Ra,Rb和Rc可以相同或不同。
在某些实施方案中，“氨基”还是指基团-N+(H)(Ra)O-和-N+(Ra)(Rb)O-的N-氧化物，其中Ra和Rb如本文所述，其中N-氧化物通过N原子与母体结构键合。可以通过使用例如过氧化氢或间氯过氧苯甲酸来处理相应的氨基而制备N-氧化物。本领域的技术人员熟知实施N-氧化反应的反应条件。
“酰胺”或“酰胺基”是指具有式–C(O)N(Ra)(Rb)和–NRaC(O)Rb的化学部分，其中Ra和Rb在每次形成时如本文所述。在一些实施方案中，酰胺基为C1-4酰胺基，其在基团的碳的总数中，包含酰胺羰基。当–C(O)N(Ra)(Rb)具有除了氢以外的Ra和Rb时，它们可以与氮原子结合，从而形成3-,4-,5-,6-,或7-元环。
“羰基”是指-C(O)Ra，其中Ra为氢,烷基,烯基,炔基,卤代烷基,杂烷基,环烷基,芳基,杂环烷基,杂芳基,-N(R’)2,-S(O)tR’(其中每个R’均独立地为氢,烷基,烯基,炔基,卤代烷基,杂烷基,环烷基,芳基,杂环烷基,或杂芳基，并且t为1或2)。在其中每个R’为除了氢以外的其他基团的某些实施方案中，2个R’部分可以与氮原子结合，其中它们与氮原子连接，从而形成3-,4-,5-,6-,或7-元环。应该理解的是在一个实施方案中，羰基包含酰胺基(例如–C(O)N(Ra)(Rb))。
“氨基甲酸”是指以下基团的任意一种：-O-C(＝O)-N(Ra)(Rb)和-N(Ra)-C(＝O)-ORb，其中Ra和Rb在每次形成时，如本文所述。
“氰基”是指–CN基。
“卤代”、“卤化物”或备选地“卤素”是指氟代、氯代、溴代或碘代。术语“卤代烷基”、“卤代烯基”、“卤代炔基”和“卤代烷氧基”包含上文所述的烷基、烯基、炔基和烷氧基部分，其中一个或多个氢原子被卤代替代。例如在残基被多于1个的卤代基团所取代的情况下，可以是指使用与连接的卤代基团的数量相应的前缀。例如二卤代芳基、二卤代烷基和三卤代芳基是指被2个(“二”)或3个(“三”)卤代基取代的芳基和烷基，其中所述的卤代基可以是相同的卤素，但不必须是相同的卤素；因此例如3,5-二氟苯基,3-氯-5-氟苯基,4-氯-3-氟苯基,和3,5-二氟-4-氯苯基在二卤代芳基的范围内。卤代烷基的其他实例包含二氟甲基(-CHF2),三氟甲基(-CF3),2,2,2-三氟乙基,和1-氟甲基-2-氟乙基。卤代烷基、卤代烯基、卤代炔基和卤代烷氧基的烷基、烯基、炔基和烷氧基的每一种都可以分别被可任选地取代，如本文所定义。“全卤代烷基”是指其中所有的氢原子都已经被卤素(例如氟、氯、溴或碘)替代的烷基或亚烷基。在一些实施方案中，所有的氢原子都被氟替代。在一些实施方案中，所有的氢原子都被氯替代。全卤代烷基的实例包含–CF3,–CF2CF3,–CF2CF2CF3,–CCl3,–CFCl2,和–CF2Cl。
“硫代”是指-SRa，其中Ra如本文所述。“硫代”是指基团–RaSH，其中Ra如本文所述。
“亚磺酰基”是指-S(O)Ra。在一些实施方案中，亚磺酰基为-S(O)N(Ra)(Rb)。“磺酰基”是指-S(O2)Ra。在一些实施方案中，磺酰基为-S(O2)N(Ra)(Rb)或-S(O2)OH。就这些部分的每一个而言，应该理解的是Ra和Rb如本文所述。
“部分”是指分子的特定链段或官能团。化学部分通常为嵌入在分子中或附加在分子上的公认的化学实体。
如本文所用，术语“未取代的”是指对于碳原子而言，除了将原子与母体分子基团连接的那些化合价以外，仅存在氢原子。一个实例为丙基(-CH2-CH2-CH3)。对于氮原子而言，未将原子与母体分子基团连接的化合价为氢或电子对。对于硫原子而言，未将原子与母体分子基团连接的化合物为氢、氧或电子对(多对)。
如本文所用，术语“取代的”或“取代”是指存在于基团(例如碳或氮原子)上的至少一个氢被可允许的取代基替代，例如在取代氢时会得到稳定的化合物(不会通过例如重排、环化、消除或其他反应而自发发生转化的化合物)的取代基。除非另作说明，否则“取代的”基团可以在基团的一个或多个可取代的位置处具有取代基，并且当在任何给定的结构中多于1个位置被取代时，在各位置处取代基是相同的或不同的。取代基包含一个或多个单独的基团(多个)，并且独立地选自烷基烯基,烷氧基,环烷基,芳基,杂烷基(例如醚),杂芳基,杂环烷基,氰基,卤代,卤代烷氧基,卤代烷基,氧代(＝O),-ORa,-N(Ra)2,-C(O)N(Ra)2,-N(Ra)C(O)Ra,-C(O)Ra,-N(Ra)S(O)tRa(其中t为1或2),-SRa,和-S(O)tN(Ra)2(其中t为1或2)(其中Ra如本文所述)。
在取代基由它们传统的化学式(由左至右地书写)来说明的情况下，它们同样涵盖了由右至左书写结构而得到的化学相同的取代基，例如-CH2O-等同于-OCH2-。
高分子催化剂和固载化催化剂
本发明所述的催化剂可以包含高分子催化剂和固载化催化剂。
在一个方面中，所述的催化剂为由酸性单体和离子单体(在本发明中也称为“离聚物”)组成的聚合物，其中所述的酸性单体和离子单体连接，从而形成高分子主链。每个酸性单体都包含至少一个Bronsted-Lowry酸，并且每个离子单体都包含至少一个含氮阳离子基团、至少一个含磷阳离子基团或它们的组合。在高分子催化剂的某些实施方案中，至少一些酸性单体和离子单体可以独立地包含将Bronsted-Lowry酸或阳离子基团(根据具体情况)与高分子主链的一部分连接起来的连接体。对于酸性单体而言，Bronsted-Lowry酸和连接体一起形成了侧链。类似地，对于离子单体而言，阳离子基团和连接体一起形成了侧链。参见图1所描绘的示例性高分子催化剂的一部分，侧链由高分子主链上悬垂。
在另一个方面中，所述的催化剂是固载的，具有分别与固载体连接的酸性部分和离子部分。每个酸性部分都独立地包含至少一个Bronsted-Lowry酸，并且每个离子单体都包含至少一个含氮阳离子基团、至少一个含磷阳离子基团或它们的组合。在固载化催化剂的某些实施方案中，至少一些酸性部分和离子部分可以独立地包含将Bronsted-Lowry酸或阳离子基团(根据具体情况)与固载体连接起来的连接体。参见图8B，催化剂808为具有酸性部分和离子部分的示例性固载化催化剂。
a)酸性单体和部分
所述的高分子催化剂包含多个酸性单体，而固载化催化剂包含多个与固载体连接的酸性部分。
在一些实施方案中，多个酸性单体(例如高分子催化剂的酸性单体)和多个酸性部分(例如固载化催化剂的酸性部分)都具有至少一个Bronsted-Lowry酸。在某些实施方案中，多个酸性单体(例如高分子催化剂的酸性单体)或多个酸性部分(例如固载化催化剂的酸性部分)都具有一个Bronsted-Lowry酸或2个Bronsted-Lowry酸。在某些实施方案中，多个酸性单体(例如高分子催化剂的酸性单体)或多个酸性部分(例如固载化催化剂的酸性部分)都具有一个Bronsted-Lowry酸，而其他的都具有2个Bronsted-Lowry酸。
在一些实施方案中，每个Bronsted-Lowry酸都独立地选自磺酸、膦酸、乙酸、异酞酸和硼酸。在某些实施方案中，每个Bronsted-Lowry酸都独立地为磺酸或磷酸。在一个实施方案中，每个Bronsted-Lowry酸为磺酸。应该理解的是在酸性单体(例如高分子催化剂的酸性单体)或酸性部分(例如固载化催化剂的酸性部分)中的Bronsted-Lowry酸在每次形成时是相同的，或者在一次或多次形成时是不同的。
在一些实施方案中，高分子催化剂的一个或多个酸性单体与高分子主链直接连接，或者固载化催化剂的一个或多个酸性部分与固载体直接连接。在其他的实施方案中，一个或多个酸性单体(例如高分子催化剂的酸性单体)或者一个或多个酸性部分(例如固载化催化剂的酸性部分)均独立地进一步包含将Bronsted-Lowry酸与高分子主链或固载体(根据具体情况)连接的连接体。在某些实施方案中，一些Bronsted-Lowry酸与高分子主链或固载体直接连接(根据具体情况)，而其他的Bronsted-Lowry酸与高分子主链或固载体(根据具体情况)通过连接体连接。
在其中Bronsted-Lowry酸通过连接体与高分子主链或固载体连接(根据具体情况)的那些实施方案中，每个连接体均独立地选自未取代的或取代的烷基连接体、未取代的或取代的环烷基连接体、未取代的或取代的烯基连接体、未取代的或取代的芳基连接体、以及未取代的或取代的杂芳基连接体。在某些实施方案中，所述的连接体为未取代的或取代的芳基连接体，或者未取代的或取代的杂芳基连接体。在某些实施方案中，所述的连接体为未取代的或取代的芳基连接体。在一个实施方案中，所述的连接体为苯基连接体。在另一个实施方案中，所述的连接体为羟基取代的苯基连接体。
在其他的实施方案中，在酸性单体(例如高分子催化剂的酸性单体)或酸性部分(例如固载化催化剂的酸性部分)中的每个连接体独立地选自：未取代的烷基连接体；
被1至5个取代基取代的烷基连接体，其中所述的取代基独立地选自氧代、羟基、卤代、氨基；
未取代环烷基连接体；
被1至5个取代基取代的环烷基连接体，其中所述的取代基独立地选自氧代、羟基、卤代、氨基；
未取代的烯基连接体；
被1至5个取代基取代的烯基连接体，其中所述的取代基独立地选自氧代、羟基、卤代、氨基；
未取代的芳基连接体；
被1至5个取代基取代的芳基连接体，其中所述的取代基独立地选自氧代、羟基、卤代、氨基；
未取代的杂芳基连接体；或者
被1至5个取代基取代的杂芳基连接体，其中所述的取代基独立地选自氧代、羟基、卤代、氨基。
此外，应该理解的是通过连接体与高分子主链连接的一些或所有酸性单体(例如高分子催化剂的酸性单体)或者一个或多个酸性部分(例如固载化催化剂的酸性部分)都可以具有相同的连接体，或者独立地具有不同的连接体。
在一些实施方案中，每个酸性单体(例如高分子催化剂的酸性单体)以及每个酸性部分(例如固载化催化剂的酸性部分)都可以独立地具有式IA-VIA的结构：
和
其中：
每个Z独立地为C(R2)(R3),N(R4),S,S(R5)(R6),S(O)(R5)(R6),SO2,或O，其中任何2个相邻的Z都可以通过双键连接(在化学可行的程度下)，或者一起形成环烷基,杂环烷基,芳基或杂芳基；
每个m独立地选自0,1,2,和3；
每个n独立地选自0,1,2,和3；
每个R2,R3和R4独立地为氢,烷基,杂烷基,环烷基,杂环基,芳基,或杂芳基；以及
每个R5和R6独立地为烷基,杂烷基,环烷基,杂环基,芳基,或杂芳基。
在一些实施方案中，每个酸性单体(例如高分子催化剂的酸性单体)和每个酸性部分(例如固载化催化剂的酸性部分)都可以独立地具有式IA,IB,IVA,或IVB的结构。在其他的实施方案中，每个酸性单体(例如高分子催化剂的酸性单体)和每个酸性部分(例如固载化催化剂的酸性部分)都可以独立地具有式IIA,IIB,IIC,IVA,IVB,或IVC的结构。在其他的实施方案中，每个酸性单体(例如高分子催化剂的酸性单体)和每个酸性部分(例如固载化催化剂的酸性部分)都可以独立地具有式IIIA,IIIB,或IIIC的结构。在一些实施方案中，每个酸性单体(例如高分子催化剂的酸性单体)和每个酸性部分(例如固载化催化剂的酸性部分)都可以独立地具有式VA,VB,或VC的结构。在一些实施方案中，每个酸性单体(例如高分子催化剂的酸性单体)和每个酸性部分(例如固载化催化剂的酸性部分)都可以独立地具有式IA的结构。在其他的实施方案中，每个酸性单体(例如高分子催化剂的酸性单体)和每个酸性部分(例如固载化催化剂的酸性部分)都可以独立地具有式IB的结构。
在一些实施方案中，Z可以选自C(R2)(R3),N(R4),SO2,和O。在一些实施方案中，任何2个相邻的Z都可以一起形成选自杂环烷基,芳基,和杂芳基中的基团。在其他的实施方案中，任何2个相邻的Z都可以通过双键连接。这些实施方案的任意的组合也都可以考虑(根据化学可行性)。
在一些实施方案中，m为2或3。在其他的实施方案中，n为1,2,或3。在一些实施方案中，R1可以为氢,烷基或杂烷基。在一些实施方案中，R1可以为氢,甲基或乙基。在一些实施方案中，R2,R3,和R4均可以独立地为氢,烷基,杂环基,芳基,或杂芳基。在其他的实施方案中，R2,R3,和R4均可以独立地为杂烷基,环烷基,杂环基,或杂芳基。在一些实施方案中，R5和R6均可以独立地为烷基,杂环基,芳基,或杂芳基。在另一个实施方案中，任何2个相邻的Z都可以一起形成环烷基,杂环烷基,芳基或杂芳基。
在一些实施方案中，本发明所述的高分子催化剂和固载化催化剂分别包含具有至少一个Bronsted-Lowry酸和至少一个阳离子基团的单体或部分。Bronsted-Lowry酸和阳离子基团可以在不同的单体/部分上，或者在相同的单体/部分上。
在某些实施方案中，高分子催化剂的酸性单体可以具有侧链，该侧链具有通过连接体与高分子主链连接的Bronsted-Lowry酸。在某些实施方案中，固载化催化剂的酸性部分可以具有通过连接体与固载体连接的Bronsted-Lowry酸。具有通过连接体连接的一个或多个Bronsted-Lowry酸的侧链(例如高分子催化剂的侧链)或酸性部分(例如固载化催化剂的酸性部分)可以包含例如：
或者
其中：
L为为取代的烷基连接体、被氧代取代的烷基连接体、未取代的环烷基、未取代的芳基、未取代的杂环烷基、以及未取代的杂芳基；以及r为整数。
在某些实施方案中，L为烷基连接体。在其他的实施方案中，L为甲基、乙基、丙基、丁基。在其他的实施方案中，所述的连接体为乙酰基、丙酰基、苯酰基。在某些实施方案中，r为1,2,3,4,或5(根据具体情况或化学可行性)。
在一些实施方案中，至少一些酸性侧链(例如高分子催化剂的酸性侧链)和至少一些酸性部分(例如固载化催化剂的酸性部分)可以为：
其中：
s为1至10；
每个r均独立地为1,2,3,4,或5(根据具体情况或化学可行性)；以及
w为0至10。
在某些实施方案中，s为1至9,或者1至8,或者1至7,或者1至6,或者1至5,或者1至4,或者1至3,或者2,或者1。在某些实施方案中，w为0至9,或者0至8,或者0至7,或者0至6,或者0至5,或者0至4,或者0至3,或者0至2,1或者0。
在某些实施方案中，至少一些酸性侧链(例如高分子催化剂的酸性侧链)和至少一些酸性部分(例如固载化催化剂的酸性部分)可以为：
或
在一些实施方案中，至少一些酸性侧链(例如高分子催化剂的酸性侧链)和至少一些酸性部分(例如固载化催化剂的酸性部分)可以为：
或者
在一些实施方案中，至少一些酸性侧链(例如高分子催化剂的酸性侧链)和至少一些酸性部分(例如固载化催化剂的酸性部分)可以为：
或者
在一些实施方案中，至少一些酸性侧链(例如高分子催化剂的酸性侧链)和至少一些酸性部分(例如固载化催化剂的酸性部分)可以为：
或者
在其他的实施方案中，酸性单体(例如高分子催化剂的酸性单体)可以具有侧链，该侧链具有与高分子主链直接连接的Bronsted-Lowry酸。在其他的实施方案中，酸性部分(例如固载化催化剂的酸性部分)可以与固载体直接连接。与高分子主链(例如高分子催化剂的高分子主链)或者与固载体直接连接的酸性部分(例如固载化催化剂的酸性部分)直接连接的侧链可以包含例如：
b)离体单体和部分
高分子催化剂包含多个离子单体，而固载化催化剂包含多个与固载体连接的离子部分。
在一些实施方案中，多个离子单体(例如高分子催化剂的离子单体)或者多个离子部分(例如固载化催化剂的离子部分)具有至少一个含氮阳离子基团、至少一个含磷阳离子基团、或它们的任意的组合。在某些实施方案中，多个离子单体(例如高分子催化剂的离子单体)或者多个离子部分(例如固载化催化剂的离子部分)具有一个含氮阳离子基团或者一个含磷阳离子基团。在一些实施方案中，多个离子单体(例如高分子催化剂的离子单体)或者多个离子部分(例如固载化催化剂的离子部分)具有2个含氮阳离子基团、2个含磷阳离子基团、或者1个含氮阳离子基团和1个含磷阳离子基团。在其他的实施方案中，多个离子单体(例如高分子催化剂的离子单体)或者多个离子部分(例如固载化催化剂的离子部分)具有1个含氮阳离子基团或含磷阳离子基团，而其他的具有2个含氮阳离子基团或含磷阳离子基团。
在一些实施方案中，多个离子单体(例如高分子催化剂的离子单体)或者多个离子部分(例如固载化催化剂的离子部分)可以根据具体情况而具有1个阳离子基团，或者2个或多个阳离子基团。当离子单体(例如高分子催化剂的离子单体)或者离子部分(例如固载化催化剂的离子部分)具有2个或多个阳离子基团时，所述的阳离子基团可以是相同的或不同的。
在一些实施方案中，每个离体单体(例如高分子催化剂的离子单体)或者每个离子部分(例如固载化催化剂的离子部分)为含氮阳离子基团。在其他的实施方案中，每个离体单体(例如高分子催化剂的离子单体)或者每个离子部分(例如固载化催化剂的离子部分)为含磷阳离子基团。在其他的实施方案中，至少一些离体单体(例如高分子催化剂的离子单体)或者至少一些离子部分(例如固载化催化剂的离子部分)为含氮阳离子基团，而在其他的离体单体(例如高分子催化剂的离子单体)或者离子部分(例如固载化催化剂的离子部分)中的阳离子基团为含磷阳离子基团。在示例性的实施方案中，高分子催化剂或固载化催化剂中的每个阳离子基团为咪唑鎓。在另一个示例性的实施方案中，在一些单体(例如高分子催化剂的单体)或部分(例如固载化催化剂的部分)中的阳离子基团为咪唑鎓，而在其他单体(例如高分子催化剂的单体)或部分(例如固载化催化剂的部分)中的阳离子基团为吡啶鎓。在另一个示例性的实施方案中，高分子催化剂或固载化催化剂中的每个阳离子基团为取代的磷鎓。在另一个示例性的实施方案中，在一些单体(例如高分子催化剂的单体)或部分(例如固载化催化剂的部分)中的阳离子基团为三苯基磷鎓，而在其他的单体(例如高分子催化剂的单体)或部分(例如固载化催化剂的部分)中的阳离子基团为咪唑鎓。
在一些实施方案中，含氮阳离子基团在每次形成时可以独立地选自吡喃鎓,咪唑鎓,吡唑鎓,恶唑鎓,噻唑鎓,吡啶鎓,嘧啶鎓,吡嗪鎓,哒嗪鎓,噻嗪鎓,吗啉鎓,哌啶鎓,哌嗪鎓,和吡咯烷鎓。在其他的实施方案中，含氮阳离子在每次形成时可以独立地选自咪唑鎓,吡啶鎓,嘧啶鎓,吗啉鎓,哌啶鎓,和哌嗪鎓。在一些实施方案中，含氮阳离子基团可以为咪唑鎓。
在一些实施方案中，含磷阳离子基团在每次形成时可以独立地选自三苯基磷鎓,三甲基磷鎓,三乙基磷鎓,三丙基磷鎓,三丁基磷鎓,三氯磷鎓,和三氟磷鎓。在其他的实施方案中，含磷阳离子基团在每次形成时可以独立地选自三苯基磷鎓,三甲基磷鎓,和三乙基磷鎓。在其他的实施方案中，含磷阳离子基团可以为三苯基磷鎓。
在一些实施方案中，高分子催化剂的一个或多个离子单体与高分子主链直接连接，或者固载化催化剂的一个或多个离子部分与固载体直接连接。在其他的实施方案中，一个或多个离子单体(例如高分子催化剂的离子单体)或者一个或多个离子部分(例如固载化催化剂的离子部分)均独立地进一步包含将所述的阳离子基团与高分子主链或固载体连接的连接体(根据具体情况)。在某些实施方案中，一些阳离子基团与高分子主链或固载体直接连接(根据具体情况)，而其他的阳离子基团与高分子主链或固载体通过连接体连接(根据具体情况)。
在其中阳离子基团通过连接体与高分子主链或固载体(根据具体情况)连接的那些实施方案中，每个连接体都独立地选自为取代的或取代的烷基连接体、未取代的或取代的环烷基连接体、未取代的或取代的烯基连接体、未取代的或取代的芳基连接体、以及未取代的或取代的杂芳基连接体。在某些实施方案中，所述的连接体为未取代的或取代的芳基连接体、或者未取代的或取代的杂芳基连接体。在某些实施方案中，所述的连接体为未取代的或取代的芳基连接体。在一个实施方案中，所述的连接体为苯基连接体。在另一个实施方案中，所述的连接体为羟基取代的苯基连接体。
在其他的实施方案中，在离子单体(例如高分子催化剂的离子单体)或离子部分(例如固载化催化剂的离子部分)中的每个连接体独立地选自：未取代的烷基连接体；
被1至5个取代基取代的烷基连接体，其中所述的取代基独立地选自氧代、羟基、卤代、氨基；
未取代环烷基连接体；
被1至5个取代基取代的环烷基连接体，其中所述的取代基独立地选自氧代、羟基、卤代、氨基；
未取代的烯基连接体；
被1至5个取代基取代的烯基连接体，其中所述的取代基独立地选自氧代、羟基、卤代、氨基；
未取代的芳基连接体；
被1至5个取代基取代的芳基连接体，其中所述的取代基独立地选自氧代、羟基、卤代、氨基；
未取代的杂芳基连接体；或者
被1至5个取代基取代的杂芳基连接体，其中所述的取代基独立地选自氧代、羟基、卤代、氨基。
此外，应该理解的是通过连接体与高分子主链连接的一些或所有酸性单体(例如高分子催化剂的酸性单体)或者一个或多个酸性部分(例如固载化催化剂的酸性部分)都可以具有相同的连接体，或者独立地具有不同的连接体。
在一些实施方案中，每个离子单体(例如高分子催化剂的离子单体)或者每个离子部分(例如固载化催化剂的离子部分)都可以独立地具有式VIIA-XIB的结构：
和
其中：
每个Z独立地为C(R2)(R3),N(R4),S,S(R5)(R6),S(O)(R5)(R6),SO2,或O，其中任何2个相邻的Z都可以通过双键连接(在化学可行的程度下)，或者一起形成环烷基,杂环烷基,芳基或杂芳基；
每个X独立地为F-,Cl-,Br-,I-,NO2 -,NO3 -,SO4 2-,R7SO4 -,R7CO2 -,PO4 2-,R7PO3,或R7PO2 -，其中在任何离子单体上的任何X位置处，SO4 2-和PO4 2-均独立地与至少2个阳离子基团有关；以及
每个m独立地选自0,1,2,和3；
每个n独立地选自0,1,2,和3；
每个R1,R2,R3和R4独立地为氢,烷基,杂烷基,环烷基,杂环基,芳基,或杂芳基；
每个R5和R6独立地为烷基,杂烷基,环烷基,杂环基,芳基,或杂芳基；以及
每个R7独立地为氢,C1-4烷基,或C1-4杂烷基。
在一些实施方案中，Z可以选自C(R2)(R3),N(R4),SO2,和O。在一些实施方案中，任何2个相邻的Z可以一起形成选自杂环烷基、芳基和杂芳基中的基团。在其他的实施方案中，任何2个相邻的Z可以通过双键连接。在一些实施方案中，每个X可以为Cl-,NO3 -,SO4 2-,R7SO4 -,或R7CO2 -，其中R7可以为氢或C1-4烷基。在另一个实施方案中，每个X可以为Cl-,Br- ,I-,HSO4 -,HCO2 -,CH3CO2 -,或NO3 -。在其他的实施方案中，X为乙酸根。在其他的实施方案中，X为硫酸氢根。在其他的实施方案中，X为氯离子。在其他的实施方案中，X为硝酸根。
在一些实施方案中，m为2或3。在其他的实施方案中，n为1,2,或3。在一些实施方案中，R2,R3,和R4均可以独立地为氢,烷基,杂环基,芳基,或杂芳基。在其他的实施方案中，R2,R3,和R4均可以独立地为杂烷基,环烷基,杂环基,或杂芳基。在一些实施方案中，R5和R6均可以独立地为烷基,杂环基,芳基,或杂芳基。在另一个实施方案中，任何2个相邻的Z可以一起形成环烷基,杂环烷基,芳基或杂芳基。
在某些实施方案中，高分子催化剂的离子单体可以具有侧链，该侧链具有通过连接体与高分子主链连接的阳离子基团。在某些实施方案中，固载化催化剂的离子部分可以具有通过连接体与固载体连接的阳离子基团。具有通过连接体连接的一个或多个阳离子基团的侧链(例如高分子催化剂的侧链)或离子部分(例如固载化催化剂的离子部分)可以包含例如：
或
其中：
L为未取代的烷基连接体、被氧代取代的烷基连接体、未取代的环烷基、未取代的芳基、未取代的杂环烷基、以及未取代的杂芳基；
R1a,R1b和R1c均独立地为氢或烷基；或者R1a和R1b与它们连接的氮原子一起形成未取代的杂环烷基；或者R1a和R1b与它们连接的氮原子一起形成未取代的杂芳基或取代的杂芳基，并且R1c是不存在的；
r为整数；以及
X如上文中式VIIA-XIB中所述。
在其他的实施方案中，L为甲基、乙基、丙基、丁基。在其他的实施方案中，所述的连接体为乙酰基、丙酰基、苯酰基。在某些实施方案中，r为1,2,3,4,或5(根据具体情况或化学可行性)。
在其他的实施方案中，每个连接体独立地选自：
未取代的烷基连接体；
被1至5个取代基取代的烷基连接体，其中所述的取代基独立地选自氧代、羟基、卤代、氨基；
未取代环烷基连接体；
被1至5个取代基取代的环烷基连接体，其中所述的取代基独立地选自氧代、羟基、卤代、氨基；
未取代的烯基连接体；
被1至5个取代基取代的烯基连接体，其中所述的取代基独立地选自氧代、羟基、卤代、氨基；
未取代的芳基连接体；
被1至5个取代基取代的芳基连接体，其中所述的取代基独立地选自氧代、羟基、卤代、氨基；
未取代的杂芳基连接体；或者
被1至5个取代基取代的杂芳基连接体，其中所述的取代基独立地选自氧代、羟基、卤代、氨基。
在某些实施方案中，每个连接体为未取代的烷基连接体，或者具有氧代取代基的烷基连接体。在一个实施方案中，每个连接体为-(CH2)(CH2)-或-(CH2)(C＝O)。在某些实施方案中，r为1,2,3,4,或5(根据具体情况或化学可行性)。
在一些实施方案中，至少一些离子侧链(例如高分子催化剂的离子测量)和至少一些离子部分(例如固载化催化剂的离子部分)可以为：
或
其中：
R1a,R1b和R1c均独立地为氢或烷基；或者R1a和R1b与它们连接的氮原子一起形成未取代的杂环烷基；或者R1a和R1b与它们连接的氮原子一起形成未取代的杂芳基或取代的杂芳基，并且R1c是不存在的；
s为整数；
v为0至10；以及
X如上文中式VIIA-XIB中所述。
在某些实施方案中，s为1至9,或者1至8,或者1至7,或者1至6,或者1至5,或者1至4,或者1至3,或者2,或者1。在某些实施方案中，v为0至9,或者0至8,或者0至7,或者0至6,或者0至5,或者0至4,或者0至3,或者0至2,1或者0。
在某些实施方案中，至少一些离子侧链(例如高分子催化剂的离子测量)和至少一些离子部分(例如固载化催化剂的离子部分)可以为：
或者
在一些实施方案中，含氮侧链(例如高分子催化剂的含氮侧链)或部分(例如固载化催化剂的含氮部分)独立地为：
或者
在一些实施方案中，含氮侧链(例如高分子催化剂的含氮侧链)或部分(例如固载化催化剂的含氮部分)独立地为：
或者
在一些实施方案中，含氮侧链(例如高分子催化剂的含氮侧链)或部分(例如固载化催化剂的含氮部分)独立地为：
或者
在一些实施方案中，含氮侧链(例如高分子催化剂的含氮侧链)或部分(例如固载化催化剂的含氮部分)独立地为：
或者
在一些实施方案中，含氮侧链(例如高分子催化剂的含氮侧链)或部分(例如固载化催化剂的含氮部分)独立地为：
以及
在一些实施方案中，含氮侧链(例如高分子催化剂的含氮侧链)或部分(例如固载化催化剂的含氮部分)独立地为：
以及
在其他的实施方案中，所述的离子单体(例如高分子催化剂的离子单体)可以具有侧链，该侧链具有与高分子主链直接连接的阳离子基团。在其他的实施方案中，所述的离子部分(例如固载化催化剂的离子部分)可以具有与固载体直接连接的阳离子基团。与高分子主链直接连接的侧链(例如高分子催化剂的侧链)，或者与固载体直接连接的离子部分(例如固载化催化剂的离子部分)可以包含例如：
和
在另一个实施方案中，此类含氮侧链(例如高分子催化剂的含氮侧链)或含氮部分(例如固载化催化剂的含氮部分)可以包含：
或者
在一些实施方案中，含氮阳离子基团可以为N-氧化物，其中带负电荷的氧化物(O-)不易于与氮阳离子分离。此类基团的非限定性实例包含例如：
在一些实施方案中，含磷侧链(例如高分子催化剂的含磷侧链)或者含磷部分(例如固载化催化剂的含磷部分)独立地为：
和
在一些实施方案中，含磷侧链(例如高分子催化剂的含磷侧链)或者含磷部分(例如固载化催化剂的含磷部分)独立地为：
或者
在一些实施方案中，含磷侧链(例如高分子催化剂的含磷侧链)或者含磷部分(例如固载化催化剂的含磷部分)独立地为：
或者
在其他的实施方案中，所述的离子单体(例如高分子催化剂的离子单体)可以具有侧链，该侧链具有与高分子主链直接连接的阳离子基团。在其他的实施方案中，所述的离子部分(例如固载化催化剂的离子部分)可以具有与固载体直接连接的阳离子基团。与高分子主链直接连接的侧链(例如高分子催化剂的侧链)或者与固载体直接连接的离子部分(例如固载化催化剂的离子部分)可以包含例如：
和
所述的离子单体(例如高分子催化剂的离子单体)或离子部分(例如固载化催化剂的离子部分)可以都具有相同的阳离子基团，或者可以具有不同的阳离子基团。在一些实施方案中，高分子催化剂或固载化催化剂中的每个阳离子基团为含氮阳离子基团。在其他的实施方案中，高分子催化剂或固载化催化剂中的每个阳离子基团为含磷阳离子基团。在其他的实施方案中，在高分子催化剂或固载化催化剂的一些单体或部分中的阳离子基团分别为含氮阳离子基团，而在高分子催化剂或固载化催化剂的其他单体或部分中的阳离子基团分别为含磷阳离子基团。在示例性的实施方案中，在高分子催化剂或固载化催化剂中的每个阳离子基团为咪唑鎓。在另一个示例性的实施方案中，在高分子催化剂或固载化催化剂的一些单体或部分中的阳离子基团为咪唑鎓，而在高分子催化剂或固载化催化剂的其他单体或部分中的阳离子基团为吡啶鎓。在另一个示例性的实施方案中，在高分子催化剂或固载化催化剂中的每个阳离子基团为取代的磷鎓。在另一个示例性的实施方案中，在高分子催化剂或固载化催化剂的一些单体或部分中的阳离子基团为三苯基磷鎓，而在高分子催化剂或固载化催化剂的其他单体或部分中的阳离子基团为咪唑鎓。
c)酸性-离子单体或部分
在高分子催化剂中的一些单体在相同的单体中包含Bronsted-Lowry酸和阳离子基团。此类单体被称为“酸性-离子单体”。类似地，在固载化催化剂中的一些部分在相同的部分中包含Bronsted-Lowry酸和阳离子基团。此类部分被称为“酸性-离子部分”。例如在示例性的实施方案中，酸性-离子单体(例如高分子催化剂的酸性-离子单体)或者酸性-离子部分(例如固载化催化剂的酸性-离子部分)可以包含咪唑鎓和乙酸、或者吡啶鎓和硼酸。
在一些实施方案中，所述的单体(例如高分子催化剂的单体)或者部分(例如固载化催化剂的部分)包含Bronsted-Lowry酸(多个)和阳离子基团(多个)，其中Bronsted-Lowry酸通过连接体与高分子主链(例如高分子催化剂的高分子主链)或固载体(例如固载化催化剂的固载体)连接，和/或阳离子基团通过连接体与高分子主链(例如高分子催化剂的高分子主链)连接或通过连接体与固载体(例如固载化催化剂的固载体)连接。
应该理解的是，适用于酸性单体/部分和/或离子单体/部分的Bronsted-Lowry酸、阳离子基团和连接体(如果存在)可以用于酸性-离子单体/部分中。
在某些实施方案中，在酸性-离子单体(例如高分子催化剂的酸性-离子单体)或者酸性-离子部分(例如固载化催化剂的酸性-离子部分)中Bronsted-Lowry酸在每次形成时都独立地选自磺酸,膦酸,乙酸,异酞酸,和硼酸。在某些实施方案中，在酸性-离子单体(例如高分子催化剂的酸性-离子单体)或者酸性-离子部分(例如固载化催化剂的酸性-离子部分)中Bronsted-Lowry酸在每次形成时都独立地选自磺酸或膦酸。在一个实施方案中，在酸性-离子单体(例如高分子催化剂的酸性-离子单体)或者酸性-离子部分(例如固载化催化剂的酸性-离子部分)中Bronsted-Lowry酸在每次形成时为磺酸。
在一些实施方案中，在酸性-离子单体(例如高分子催化剂的酸性-离子单体)或者酸性-离子部分(例如固载化催化剂的酸性-离子部分)中含氮阳离子基团在每次形成时都独立地选自吡喃鎓,咪唑鎓,吡唑鎓,恶唑鎓,噻唑鎓,吡啶鎓,嘧啶鎓,吡嗪鎓,哒嗪鎓,噻嗪鎓,吗啉鎓,哌啶鎓,哌嗪鎓,和吡咯烷鎓。在一个实施方案中，含氮阳离子基团为咪唑鎓。
在一些实施方案中，在酸性-离子单体(例如高分子催化剂的酸性-离子单体)或者酸性-离子部分(例如固载化催化剂的酸性-离子部分)中含磷阳离子基团在每次形成时都独立地选自三苯基磷鎓,三甲基磷鎓,三乙基磷鎓,三丙基磷鎓,三丁基磷鎓,三氯磷鎓,和三氟磷鎓。在一个实施方案中，含磷阳离子基团为三苯基磷鎓。
在一些实施方案中，所述的高分子催化剂或固载化催化剂可以包含分别与所述的高分子主链或固载体连接的至少一个酸性-离子单体或部分，其中至少一个酸性-离子单体或部分包含至少一个Bronsted-Lowry酸和至少一个阳离子基团，并且其中至少一个酸性-离子单体或部分包含将酸性-离子单体与高分子主链或固载体连接的连接体。如本文所述，阳离子基团可以为含氮阳离子基团或含磷阳离子基团。此外，所述的连接体还可以如本文中酸性或离子部分中所述。例如连接体可以选自未取代的或取代的烷基连接体、未取代的或取代的环烷基连接体、未取代的或取代的烯基连接体、未取代的或取代的芳基连接体、以及未取代的或取代的杂芳基连接体。
在其他的实施方案中，所述的单体(例如高分子催化剂的单体)或者部分(例如固载化催化剂的部分)可以具有包含Bronsted-Lowry酸和阳离子基团的侧链，其中Bronsted-Lowry酸与高分子主链或固载体直接连接，阳离子基团与高分子主链或固载体直接连接，或者Bronsted-Lowry酸和阳离子基团与高分子主链或固载体直接连接。
在某些实施方案中，所述的连接体为未取代的或取代的芳基连接体、或者未取代的或取代的杂芳基连接体。在某些实施方案中，所述的连接体为未取代的或取代的芳基连接体。在一个实施方案中，所述的连接体为苯基连接体。在另一个实施方案中，所述的连接体为羟基取代的苯基连接体。
高分子催化剂(其具有包含Bronsted-Lowry酸和阳离子基团的侧链)的单体还可以称为“酸性离聚物”。通过连接体连接的酸性-离子侧链(例如高分子催化剂的酸性-离子侧链)或酸性-离子部分(例如固载化催化剂的酸性-离子部分)可以包含例如：
和
其中：
每个X独立地为F-,Cl-,Br-,I-,NO2 -,NO3 -,SO4 2-,R7SO4 -,R7CO2 -,PO4 2-,R7PO3,或R7PO2 -，其中在任何侧链上的任何X位置处，SO4 2-和PO4 2-均独立地与至少2个Bronsted-Lowry酸有关；以及
每个R7独立地选自氢,C1-4烷基,和C1-4杂烷基。
在一些实施方案中，R1可以选自氢,烷基,和杂烷基。在一些实施方案中，R1可以选自氢,甲基,或乙基。在一些实施方案中，每个X可以选自Cl-,NO3 -,SO4 2-,R7SO4 -,和R7CO2 -，其中R7可以选自氢和C1-4烷基。在另一个实施方案中，每个X可以选自Cl-,Br- ,I-,HSO4 -,HCO2 -,CH3CO2 -,和NO3 -。在其他的实施方案中，X为乙酸根。在其他的实施方案中，X为硫酸氢根。在其他的实施方案中，X为氯离子。在其他的实施方案中，X为硝酸根。
在一些实施方案中，所述的酸性-离子侧链(例如高分子催化剂的酸性-离子侧链)或酸性-离子部分(例如固载化催化剂的酸性-离子部分)独立地为：
或者
在一些实施方案中，所述的酸性-离子侧链(例如高分子催化剂的酸性-离子侧链)或酸性-离子部分(例如固载化催化剂的酸性-离子部分)独立地为：
或者
在其他的实施方案中，所述的单体(例如高分子催化剂的单体)或者部分(例如固载化催化剂的部分)可以具有Bronsted-Lowry酸以及阳离子基团，其中Bronsted-Lowry酸与高分子主链或固载体直接连接，或者Bronsted-Lowry酸和阳离子基团均与高分子主链或固载体直接连接。在酸性-离子单体(例如高分子催化剂的酸性-离子单体)或者部分(例如固载化催化剂的部分)中的此类侧链可以包含例如：
和
d)疏水性单体/部分
在一些实施方案中，高分子催化剂进一步包含连接的疏水性单体，从而形成高分子主链。类似地，在一些实施方案中，固载化催化剂进一步包含与固载体连接的疏水性部分。在任意一种情况下，每个疏水性单体或部分均具有至少一个疏水性基团。在高分子催化剂或固载化催化剂的某些实施方案中，每个疏水性单体或部分分别具有一个疏水性基团。在高分子催化剂或固载化催化剂的某些实施方案中，每个疏水性单体或部分都具有2个疏水性基团。在高分子催化剂或固载化催化剂的其他的实施方案中，一些疏水性单体或部分具有一个疏水性基团，而其他的具有2个疏水性基团。
在高分子催化剂或固载化催化剂的一些实施方案中，每个疏水性基团独立地选自未取代的或取代的烷基、未取代的或取代的环烷基、未取代的或取代的芳基、以及未取代的或取代的杂芳基。在高分子催化剂或固载化催化剂的某些实施方案中，每个疏水性基团为未取代的或取代的芳基、或者未取代的或取代的杂芳基。在一个实施方案中，每个疏水性基团为苯基。此外，应该理解的是疏水性单体都可以具有相同的疏水性基团，或者可以具有不同的疏水性基团。
在高分子催化剂的一些实施方案中，疏水性基团直接连接从而形成高分子主链。在固载化催化剂的一些实施方案中，疏水性基团直接附着在固载体上。
e)催化剂的其他特征
在一些实施方案中，酸性和离子单体构成高分子催化剂的基本的部分。在一些实施方案中，酸性和离子部分构成了固载化催化剂的基本的部分。在某些实施方案中，根据酸性和离子单体/部分的数量与催化剂中存在的单体/部分的总数量的比例，酸性和离子单体或部分占催化剂的单体或部分的至少大约30％、至少大约40％、至少大约50％、至少大约60％、至少大约70％、至少大约80％、至少大约90％、至少大约95％、或者至少大约99％。
在一些实施方案中，高分子催化剂或固载化催化剂具有的Bronsted-Lowry酸的总量为大约0.1至大约20mmol、大约0.1至大约15mmol、大约0.01至大约12mmol、大约0.05至大约10mmol、大约1至大约8mmol、大约2至大约7mmol、大约3至大约6mmol、大约1至大约5mmol、或者大约3至大约5mmol/克高分子催化剂或固载化催化剂。
在高分子催化剂或固载化催化剂的一些实施方案中，至少一部分酸性单体具有磺酸。在其中至少一部分酸性单体或部分具有磺酸的高分子催化剂或固载化催化剂的那些实施方案中，高分子催化剂或固载化催化剂中磺酸的总量为大约0.05至大约10mmol、大约1至大约8mmol、或者大约2至大约6mmol/克高分子催化剂或固载化催化剂。
在高分子催化剂或固载化催化剂的一些实施方案中，至少一部分酸性单体或部分具有膦酸。在其中在所述的聚合物中至少一部分酸性单体或部分具有膦酸的高分子催化剂或固载化催化剂的那些实施方案中，高分子催化剂或固载化催化剂中膦酸的总量为大约0.01至大约12mmol、大约0.05至大约10mmol、大约1至大约8mmol、或者大约2至大约6mmol/克高分子催化剂或固载化催化剂。
在高分子催化剂或固载化催化剂的一些实施方案中，至少一部分酸性单体或部分具有乙酸。在其中至少一部分酸性单体或部分具有乙酸的高分子催化剂或固载化催化剂的那些实施方案中，高分子催化剂或固载化催化剂中乙酸的总量为大约0.01至大约12mmol、大约0.05至大约10mmol、大约1至大约8mmol、或者大约2至大约6mmol/克高分子催化剂或固载化催化剂。
在高分子催化剂或固载化催化剂的一些实施方案中，至少一部分酸性单体或部分具有异酞酸。在其中至少一部分酸性单体或部分具有异酞酸的高分子催化剂或固载化催化剂的那些实施方案中，在高分子催化剂或固载化催化剂中异酞酸的总量为大约0.01至大约5mmol、大约0.05至大约5mmol、大约1至大约4mmol、或者大约2至大约3mmol/克高分子催化剂或固载化催化剂。
在高分子催化剂或固载化催化剂的一些实施方案中，至少一部分酸性单体或部分具有硼酸。在其中至少一部分酸性单体或部分具有硼酸的高分子催化剂或固载化催化剂的那些实施方案中，高分子催化剂或固载化催化剂中硼酸的总量为大约0.01至大约20mmol、大约0.05至大约10mmol、大约1至大约8mmol、或者大约2至大约6mmol/克高分子催化剂或固载化催化剂。
在高分子催化剂或固载化催化剂的一些实施方案中，每个离子单体进一步包含用于每个含氮阳离子基团或含磷阳离子基团的抗衡离子。在高分子催化剂或固载化催化剂的某些实施方案中，每个抗衡离子独立地选自卤化物、硝酸盐、硫酸盐、甲酸盐、乙酸盐或有机磺酸盐。在高分子催化剂或固载化催化剂的一些实施方案中，抗衡离子为氟化物、氯化物、溴化物或碘化物。在高分子催化剂或固载化催化剂的一个实施方案中，抗衡离子为氯化物。在高分子催化剂或固载化催化剂的另一个实施方案中，抗衡离子为硫酸盐。在高分子催化剂或固载化催化剂的另一个实施方案中，抗衡离子为乙酸盐。
在一些实施方案中，高分子催化剂或固载化催化剂所具有含氮阳离子基团和抗衡离子的总量、或者含磷阳离子基团和抗衡离子的总量为大约0.01至大约10mmol、大约0.05至大约10mmol、大约1至大约8mmol、大约2至大约6mmol、或者大约3至大约5mmol/克高分子催化剂或固载化催化剂。
在一些实施方案中，高分子催化剂或固载化催化剂具有至少一部分离子单体，该离子单体具有咪唑鎓。在其中至少一部分离子单体或部分具有咪唑鎓的高分子催化剂或固载化催化剂的那些实施方案中，高分子催化剂或固载化催化剂中咪唑鎓和抗衡离子的总量为大约0.01至大约8mmol、大约0.05至大约8mmol、大约1至大约6mmol、或者大约2至大约5mmol/克高分子催化剂。
在高分子催化剂或固载化催化剂的一些实施方案中，至少一部分离子单体具有吡啶鎓。在其中至少一部分离子单体或部分具有吡啶鎓的高分子催化剂或固载化催化剂的那些实施方案中，高分子催化剂或固载化催化剂中吡啶鎓和抗衡离子的总量为大约0.01至大约8mmol、大约0.05至大约8mmol、大约1至大约6mmol、或者大约2至大约5mmol/克高分子催化剂或固载化催化剂。
在高分子催化剂或固载化催化剂的一些实施方案中，至少一部分离子单体或部分具有三苯基磷鎓。在其中至少一部分离子单体或部分具有三苯基磷鎓的高分子催化剂或固载化催化剂的那些实施方案中，高分子催化剂或固载化催化剂中三苯基磷鎓和抗衡离子的总量为大约0.01至大约5mmol、大约0.05至大约5mmol、大约1至大约4mmol、或者大约2至大约3mmol/克高分子催化剂或固载化催化剂。
在一些实施方案中，酸性和离子单体构成了高分子催化剂或固载化催化剂的基本的部分。在某些实施方案中，根据酸性和离子单体/部分的数量与高分子催化剂或固载化催化剂中存在的单体/部分的总数量的比例，酸性和离子单体或部分占高分子催化剂或固载化催化剂的单体的至少大约30％、至少大约30％、至少大约40％、至少大约50％、至少大约60％、至少大约70％、至少大约80％、至少大约90％、至少大约95％、或者至少大约99％。
可以改变酸性单体或部分的总数量与离子单体或部分的总数量的比例，从而调节催化剂的强度。在一些实施方案中，酸性单体或部分的总数量超过了聚合物或固载体中离子单体或部分的总数量。在其他的实施方案中，酸性单体或部分的总数量为高分子催化剂或固载化催化剂中离子单体或部分的总数量的至少大约2倍、至少大约3倍、至少大约4倍、至少大约5倍、至少大约6倍、至少大约7倍、至少大约8倍、至少大约9倍、或者至少大约10倍。在某些实施方案中，酸性单体或部分的总数量与离子单体或部分的总数量的比例为大约1:1,大约2:1,大约3:1,大约4:1,大约5:1,大约6:1,大约7:1,大约8:1,大约9:1,或者大约10:1。
在一些实施方案中，离子单体或部分的总数量超过了催化剂中酸性单体或部分的总数量。在其他的实施方案中，离子单体或部分的总数量为高分子催化剂或固载化催化剂中酸性单体或部分的总数量的至少大约2倍、至少大约3倍、至少大约4倍、至少大约5倍、至少大约6倍、至少大约7倍、至少大约8倍、至少大约9倍、或者至少大约10倍。在某些实施方案中，离子单体或部分的总数量与酸性单体或部分的总数量的比例为大约1:1,大约2:1,大约3:1,大约4:1,大约5:1,大约6:1,大约7:1,大约8:1,大约9:1,或者大约10:1。
单体在高分子催化剂中的排列
在高分子催化剂的一些实施方案中，酸性单体、离子单体、酸性-离子单体和疏水性单体(如果存在)可以以交替的顺序或以随机的次序排列成单体的嵌段。在一些实施方案中，每个嵌段都具有至多20、15、10、6或者3个单体。
在高分子催化剂的一些实施方案中，高分子催化剂的单体可以以交替的顺序随机排列。参见图3A中所描绘的示例性高分子催化剂的一部分，所述的单体以交替的顺序随机排列。
在高分子催化剂的其他的实施方案中，高分子催化剂的单体随机排列成单体的嵌段。参见图3B中所描绘的示例性高分子催化剂的一部分，所述的单体以单体的嵌段排列。在其中酸性单体和离子单体以单体的嵌段排列的某些实施方案中，每个嵌段都具有至多个20,19,18,17,16,15,14,13,12,11,10,9,8,7,6,5,4,或3单体。
此外，本发明所述的高分子催化剂还可以是交联的。可以通过引入交联基团来制备此类交联的高分子催化剂。在一些实施方案中，参见图4A和4B中所描绘的示例性高分子催化剂的一部分，可以在给定的高分子链中发生交联。在其他的实施方案中，参见图5A、5B、5C和5D中的示例性高分子催化剂的一部分，可以在2条或多条高分子链之间发生交联。
参见图4A、4B和5A，应该理解的是R1,R2和R3,分别为示例性的交联基团。可以用于与本发明所述的聚合物形成交联的高分子催化剂的、合适的交联基团包含例如取代的或未取代的二乙烯基烷烃、取代的或未取代的二乙烯基环烷烃、取代的或未取代的二乙烯基芳基、取代的或未取代的杂芳基、二卤代烷烃、二卤代烯烃和二卤代炔烃，其中所述的取代基为本发明所定义的那些。例如交联基团可以包含二乙烯基苯,二烯丙基苯,二氯苯,二乙烯基甲烷,二氯甲烷,二乙烯基乙烷,二氯乙烷,二乙烯基丙烷,二氯丙烷,二乙烯基丁烷,二氯丁烷,乙二醇,和间苯二酚。在一个实施方案中，交联基团为二乙烯基苯。
在高分子催化剂的一些实施方案中，所述的聚合物为交联的。在某些实施方案中，至少大约1％,至少大约2％,至少大约3％,至少大约4％,至少大约5％,至少大约6％,至少大约7％,至少大约8％,至少大约9％,至少大约10％,至少大约15％,至少大约20％,至少大约30％,至少大约40％,至少大约50％,至少大约60％,至少大约70％,至少大约80％,至少大约90％或至少大约99％所述的聚合物是交联的。
在高分子催化剂的一些实施方案中，本发明所述的聚合物基本不是交联的，例如低于大约0.9％是交联的，低于大约0.5％是交联的，低于大约0.1％是交联的，低于大约0.01％是交联的，或者低于0.001％是交联的。
高分子主链
在一些实施方案中，由一种或多种取代的或未取代的单体形成高分子主链。使用多种单体的聚合工艺是本领域公知的(例如参见International Union of Pure andApplied Chemistry,et al.,IUPAC Gold Book,Polymerization.(2000))。一种此类工艺涉及具有不饱和取代(例如乙烯基、丙烯基、丁烯基或其他此类取代基(多个))的单体(多个)。这些类型的单体可以发生自由基引发和链聚合。
在一些实施方案中，由一种或多种取代的或未取代的单体形成高分子主链，其中所述的单体选自乙烯,丙烯,羟基乙烯,乙醛,苯乙烯,二乙烯基苯,异氰酸酯,乙烯基氯,乙烯基苯酚,四氟乙烯,丁烯,对苯二酸,己内酰胺,丙烯腈,丁二烯,氨,二氨,吡咯,咪唑,吡唑,恶唑,噻唑,吡啶,嘧啶,吡嗪,pyradizimine,噻嗪,吗啉,哌啶,哌嗪,pyrollizine,三苯基膦酸酯,三甲基膦酸酯,三乙基膦酸酯,三丙基膦酸酯,三丁基膦酸酯,三氯膦酸酯,三氟膦酸酯,和二唑。
本发明所述的高分子催化剂的高分子主链可以包含例如聚烷基,聚烯基醇,聚碳酸酯,聚亚芳基,聚芳基醚酮,和聚酰胺-酰亚胺。在某些实施方案中，高分子主链可以选自聚乙烯,聚丙烯,聚乙烯基醇,聚苯乙烯,聚亚安酯,聚氯乙烯,多酚-醛,聚四氟乙烯,聚对苯二甲酸丁二醇酯,聚己内酰胺,和聚(丙烯腈丁二烯苯乙烯)。在高分子催化剂的某些实施方案中，高分子主链为聚乙烯或聚丙烯。在高分子催化剂的一个实施方案中，高分子主链为聚乙烯。在高分子催化剂的另一个实施方案中，高分子主链为聚乙烯醇。在高分子催化剂的另一个实施方案中，高分子主链为聚苯乙烯。
参见图6A，在一个示例性的实施方案中，高分子主链为聚乙烯。参见图6B，在另一个示例性的实施方案中，高分子主链为聚乙烯基醇。
此外，本发明所述的高分子主链还可以包含离子基团，其整合为高分子主链的一部分。此外，此类高分子主链还可以称为“离聚物主链”。在某些实施方案中，高分子主链可以选自：聚烷基铵,聚烷基二铵,聚烷基吡喃鎓,聚烷基咪唑鎓,聚烷基吡唑鎓,聚烷基恶唑鎓,聚烷基噻唑鎓,聚烷基吡啶鎓,聚烷基嘧啶鎓,聚烷基吡嗪鎓,聚烷基哒嗪鎓,聚烷基噻嗪鎓,聚烷基吗啉鎓,聚烷基哌啶鎓,聚烷基哌嗪鎓,聚烷基吡咯烷鎓,聚烷基三苯基磷鎓,聚烷基三甲基磷鎓,聚烷基三乙基磷鎓,聚烷基三丙基磷鎓,聚烷基三丁基磷鎓,聚烷基三氯磷鎓,聚烷基三氟磷鎓,聚烷基diazolium,聚芳基亚烷基铵,聚芳基亚烷基二铵,聚芳基亚烷基吡喃鎓,聚芳基亚烷基咪唑鎓,聚芳基亚烷基吡唑鎓,聚芳基亚烷基恶唑鎓,聚芳基亚烷基噻唑鎓,聚芳基亚烷基吡啶鎓,聚芳基亚烷基嘧啶鎓,聚芳基亚烷基吡嗪鎓,聚芳基亚烷基哒嗪鎓,聚芳基亚烷基噻嗪鎓,聚芳基亚烷基吗啉鎓,聚芳基亚烷基哌啶鎓,聚芳基亚烷基哌嗪鎓,聚芳基亚烷基吡咯烷鎓,聚芳基亚烷基三苯基磷鎓,聚芳基亚烷基三甲基磷鎓,聚芳基亚烷基三乙基磷鎓,聚芳基亚烷基三丙基磷鎓,聚芳基亚烷基三丁基磷鎓,聚芳基亚烷基三氯磷鎓,聚芳基亚烷基三氟磷鎓,和聚芳基亚烷基diazolium。
阳离子高分子主链可以与一种或多种阴离子有关，包含例如F-,Cl-,Br-,I-,NO2 -,NO3 -,SO4 2-,R7SO4 -,R7CO2 -,PO4 2-,R7PO3 -,和R7PO2 -，其中R7选自氢,C1-4烷基,和C1-4杂烷基。在一个实施方案中，每个阴离子可以选自Cl-,Br- ,I-,HSO4 -,HCO2 -,CH3CO2 -,和NO3 -。在其他的实施方案中，每个阴离子为乙酸根。在其他的实施方案中，每个阴离子为硫酸氢根。在其他的实施方案中，每个阴离子为氯离子。在其他的实施方案中，X为硝酸根。
在高分子催化剂的其他的实施方案中，高分子主链为亚烷基咪唑鎓，其被称为亚烷基部分，其中亚烷基部分的一个或多个亚甲基单元已经被咪唑鎓取代。在一个实施方案中，高分子主链选自聚乙烯咪唑鎓,聚丙烯咪唑鎓,和聚丁烯咪唑鎓。应该进一步理解的是在高分子主链的其他的实施方案中，当含氮阳离子基团或含磷阳离子基团符合术语“亚烷基”时，亚烷基部分的一个或多个亚甲基单元被含氮阳离子基团或含磷阳离子基团取代。
在其他的实施方案中，具有杂原子的单体可以与一个或多个双官能化的化合物(例如二卤代烷烃,二(烷基磺酰氧基)烷烃,和二(芳基磺酰氧基)烷烃)结合，从而形成聚合物。所述的单体具有至少2个杂原子以便与双官能化的烷烃连接，从而创建高分子链。如本方面所述，这些双官能化的化合物可以被进一步取代。在一些实施方案中，双官能化的化合物(多种)可以选自：1,2-二氯乙烷,1,2-二氯丙烷,1,3-二氯丙烷,1,2-二氯丁烷,1,3-二氯丁烷,1,4-二氯丁烷,1,2-二氯戊烷,1,3-二氯戊烷,1,4-二氯戊烷,1,5-二氯戊烷,1,2-二溴乙烷,1,2-二溴丙烷,1,3-二溴丙烷,1,2-二溴丁烷,1,3-二溴丁烷,1,4-二溴丁烷,1,2-二溴戊烷,1,3-二溴戊烷,1,4-二溴戊烷,1,5-二溴戊烷,1,2-二碘乙烷,1,2-二碘丙烷,1,3-二碘丙烷,1,2-二碘丁烷,1,3-二碘丁烷,1,4-二碘丁烷,1,2-二碘戊烷,1,3-二碘戊烷,1,4-二碘戊烷,1,5-二碘戊烷,1,2-二甲烷磺基乙烷,1,2-二甲烷磺基丙烷,1,3-二甲烷磺基丙烷,1,2-二甲烷磺基丁烷,1,3-二甲烷磺基丁烷,1,4-二甲烷磺基丁烷,1,2-二甲烷磺基戊烷,1,3-二甲烷磺基戊烷,1,4-二甲烷磺基戊烷,1,5-二甲烷磺基戊烷,1,2-二乙烷磺基乙烷,1,2-二乙烷磺基丙烷,1,3-二乙烷磺基丙烷,1,2-二乙烷磺基丁烷,1,3-二乙烷磺基丁烷,1,4-二乙烷磺基丁烷,1,2-二乙烷磺基戊烷,1,3-二乙烷磺基戊烷,1,4-二乙烷磺基戊烷,1,5-二乙烷磺基戊烷,1,2-二苯磺基乙烷,1,2-二苯磺基丙烷,1,3-二苯磺基丙烷,1,2-二苯磺基丁烷,1,3-二苯磺基丁烷,1,4-二苯磺基丁烷,1,2-二苯磺基戊烷,1,3-二苯磺基戊烷,1,4-二苯磺基戊烷,1,5-二苯磺基戊烷,1,2-二对甲苯磺基乙烷,1,2-二对甲苯磺基丙烷,1,3-二对甲苯磺基丙烷,1,2-二对甲苯磺基丁烷,1,3-二对甲苯磺基丁烷,1,4-二对甲苯磺基丁烷,1,2-二对甲苯磺基戊烷,1,3-二对甲苯磺基戊烷,1,4-二对甲苯磺基戊烷,和1,5-二对甲苯磺基戊烷。
此外，在高分子主链中的侧链之间的原子数量可以改变。在一些实施方案中，附着在高分子主链上的侧链之间具有0至20个原子、0至10个原子、0至6个原子、或者0至3个原子。
在一些实施方案中，所述的聚合物可以为具有至少2个单体单元的均聚物，并且其中聚合物内所包含的所有单元都以相同的方式由相同的单体衍生得到。在其他的实施方案中，所述的聚合物可以为具有至少2个单元单元的异聚物，并且其中聚合物内所包含的至少1个单体单元与聚合物中的其他单体单元不同。聚合物中不同的单体单元可以为随机次序，任何长度的给定单体的交替的顺序，或者单体的嵌段。
其他的示例性聚合物包含例如使用一种或多种基团取代的聚烷基主链，其中所述的基团选自：羟基,羧酸,未取代的和取代的苯基,卤化物,未取代的和取代的胺,未取代的和取代的氨,未取代的和取代的吡咯,未取代的和取代的咪唑,未取代的和取代的吡唑,未取代的和取代的恶唑,未取代的和取代的噻唑,未取代的和取代的吡啶,未取代的和取代的嘧啶,未取代的和取代的吡嗪,未取代的和取代的哒嗪,未取代的和取代的噻嗪,未取代的和取代的吗啉,未取代的和取代的哌啶,未取代的和取代的哌嗪,未取代的和取代的pyrollizine,未取代的和取代的三苯基膦酸酯,未取代的和取代的三甲基膦酸酯,未取代的和取代的三乙基膦酸酯,未取代的和取代的三丙基膦酸酯,未取代的和取代的三丁基膦酸酯,未取代的和取代的三氯膦酸酯,未取代的和取代的三氟膦酸酯,和未取代的和取代的二唑。
对于本发明所述的聚合物而言，多种命名规范是本领域公认的。例如与未取代的苯基(-CH2-CH(苯基)-CH2-CH(苯基)-)直接键合的聚乙烯主链也称为聚苯乙烯。如果苯基被乙烯基取代，则所述的聚合物可以命名为聚二乙烯基苯(-CH2-CH(4-乙烯基苯基)-CH2-CH(4-乙烯基苯基)-)。此外，异聚物的实例可以包含在聚合后官能化的那些。
一个合适的实例为聚苯乙烯-co-二乙烯基苯(-CH2-CH(苯基)-CH2-CH(4-乙烯苯基)-CH2-CH(苯基)-CH2-CH(4-乙烯苯基)-)。在此，乙烯基官能团可以在苯环上的2,3或4位置。
参见图6C，在另一个示例性的实施方案中，高分子主链为聚烷基咪唑鎓。
此外，高分子主链中侧链之间的原子数量可以改变。在一些实施方案中，附着在高分子主链上的侧链之间具有0至20个原子、0至10个原子、0至6个原子、或者0至3个原子。参见图7A，在一个示例性的实施方案中，具有Bronsted-Lowry酸的侧链与具有阳离子基团的侧链之间具有3个碳原子。在另一个实例中，参见图7B，在具有酸性部分的侧链与具有离子部分的侧链之间具有0个原子。
用于高分子催化剂的固体颗粒
本发明所述的高分子催化剂可以形成固体颗粒。本领域的任一技术人员可以确认有多种已知的技术和方法可以由本发明所述的聚合物来制备固体颗粒。例如固体颗粒可以通过乳液或分散聚合过程来形成，这是本领域的任一技术人员已知的。在其他的实施方案中，固体颗粒可以通过将聚合物研磨或破碎成颗粒来形成，这也是本领域的任一技术人员已知的技术和方法。本领域已知的制备固体颗粒的方法包含将本发明所述的聚合物涂敷在固体芯的表面上。用于固体芯的合适的材料可以包含惰性材料(例如氧化铝、玉米芯、碎玻璃、碎塑料、浮石、金刚砂或胡桃壳)或磁性材料。可以通过分散聚合来制备高分子涂敷的芯颗粒，从而使交联的聚合物壳在芯材料周围生长，或者通过喷涂或熔融来制备高分子涂敷的芯材料。
本领域已知的制备固体颗粒的其他方法包含将本发明所述的聚合物涂敷在固体芯的表面上。固体芯可以为非催化剂的载体。用于固体芯的合适的材料可以包含惰性材料(例如氧化铝、玉米芯、碎玻璃、碎塑料、浮石、金刚砂或胡桃壳)或磁性材料。在高分子催化剂的一个实施方案中，固体芯由铁制成。可以通过本领域任一技术人员已知的技术和方法来制备高分子涂敷的芯材料，例如通过分散聚合从而使交联的聚合物壳在芯材料的周围生长，或者通过喷涂或熔融。
固载化聚合物催化剂颗粒可以具有固体芯，其中聚合物涂敷在固体芯的表面上。在一些实施方案中，固体颗粒的至少大约5％、至少大约10％、至少大约20％、至少大约30％、至少大约40％、或者至少大约50％的催化活性存在于固体颗粒的外部表面上或附近。在一些实施方案中，固体芯可以具有惰性材料或磁性材料。在一个实施方案中，固体芯由铁制成。
使用本发明的聚合物涂敷的固体颗粒具有一种或多种催化剂性质。在一些实施方案中，固体颗粒的至少大约50％、至少大约60％、至少大约70％、至少大约80％、或至少大约90％的催化活性存在于固体颗粒的外部表面上或附近。
在一些实施方案中，固体颗粒基本上不含孔，例如具有至多大约50％、至多大约40％、至多大约30％、至多大约20％、至多大约15％、至多大约10％、至多大约5％、至多大约1％的孔。可以通过本领域公知的方法来测量孔隙率，例如利用氮气在材料的内部和外部表面上的吸附来测定Brunauer-Emmett-Teller(BET)表面积(Brunauer,S.et al.,J.Am.Chem.Soc.1938,60:309)。其他方法包含通过以下过程来测量溶剂存留性：将材料暴露于合适的溶剂(例如水)，然后以热方法除去溶剂，从而测量内部孔的体积。其他适用于高分子催化剂的孔隙率测量的溶剂包含例如极性溶剂，例如DMF,DMSO,丙酮,和醇。
在其他的实施方案中，固体颗粒包含微孔凝胶树脂。在其他的实施方案中，固体颗粒包含大孔凝胶树脂。
在其他的实施方案中，具有聚合物涂层的固体颗粒具有选自以下的至少一种催化性质：
a)破坏纤维素材料中的至少一个氢键；
b)将聚合物插入在纤维素材料的晶畴中；以及
c)使纤维素材料中的至少一个糖苷键断裂。
固载化催化剂的载体
在固载化催化剂的某些实施方案中，所述的载体可以选自：生物碳,碳,无定形碳,活性碳,二氧化硅,硅胶,氧化铝,氧化镁,二氧化钛,氧化锆,粘土(例如高岭土),硅酸镁,金刚砂,沸石(例如发光沸石),陶瓷,以及它们的任意的组合。在一个实施方案中，载体为碳。用于碳载体的载体可以为生物碳、无定形碳或活性碳。在一个实施方案中，所述的载体为活性碳。
碳载体的表面积可以为0.01至50m2/g干材料。碳载体的密度可以为0.5至2.5kg/L。可以使用本领域已知的任何合适的器械分析方法或技术来表征载体，包含例如扫描电子显微镜(SEM)、粉末X射线衍射(XRD)、Raman光谱学、和傅里叶变换红外分光镜(FTIR)。可以使用碳质材料来制备碳载体，包含例如虾壳,壳质,椰子壳,木浆,纸浆,棉,纤维素,硬木,软木,麦秆,甘蔗甘蔗渣,木薯茎,玉米秸秆,油棕残渣,柏油,石油沥青,焦油,煤炭,沥青,以及它们的任意的组合。本领域的任一技术人员将确认用于制备本发明使用的碳载体的合适的方法。例如参见M.Inagaki,L.R.Radovic,Carbon,vol.40,p.2263(2002),or A.G.Pandolfoand A.F.Hollenkamp,“Review:Carbon Properties and their role insupercapacitors,”Journal of PowerSources,vol.157,pp.11-27(2006)。
在其他的实施方案中，所述的载体为二氧化硅,硅胶,氧化铝,或二氧化硅-氧化铝。本领域的任一技术人员将确认用于制备本发明使用那些二氧化硅基或氧化铝基固载体的合适的方法。例如参见Catalyst supports and supported catalysts,by A.B.Stiles,Butterworth Publishers,Stoneham MA,1987。
在其他的实施方案中，所述的载体为碳载体与选自以下的一种或多种其他的载体的组合：二氧化硅,硅胶,氧化铝,氧化镁,二氧化钛,氧化锆,粘土(例如高岭土),硅酸镁,金刚砂,沸石(例如发光沸石),和陶瓷。
催化剂的代表性实例
应该理解的是，所述的高分子催化剂和所述的固载化催化剂可以包含本发明所述的Bronsted-Lowry酸、阳离子基团、抗衡离子、连接体、疏水基团、交联基团、以及高分子主链或固载体(根据具体情况)中的任意一种，如同每一种组合单独列出一样。例如在一个实施方案中，所述的催化剂可以包含与聚苯乙烯主链连接或者附着在固载体上的苯磺酸(即具有苯基连接体的磺酸)，以及与聚苯乙烯主链直接连接或者直接附着在固载体上的咪唑鎓。在另一个实施方案中，所述的高分子催化剂可以包含与聚苯乙烯主链连接或附着在固载体上的硼羰基-苄基-吡啶鎓氯化物(即硼酸和吡啶鎓氯化物与苯基连接体在相同的单体单元中)。在另一个实施方案中，所述的催化剂可以包含苯磺酸和硫酸咪唑鎓，它们均单独地与聚乙烯基醇主链连接或者单独地附着在固载体上。
在一些实施方案中，所述的高分子催化剂选自：
聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-3-甲基-1-(4-乙烯基苄基)-3H-咪唑-1-鎓氯化物-co-二乙烯基苯]；
聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-3-甲基-1-(4-乙烯基苄基)-3H-咪唑-1-鎓硫酸氢盐-co-二乙烯基苯]；
聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-3-甲基-1-(4-乙烯基苄基)-3H-咪唑-1-鎓乙酸盐-co-二乙烯基苯]；
聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-3-甲基-1-(4-乙烯基苄基)-3H-咪唑-1-鎓硝酸盐-co-二乙烯基苯]；
聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-3-乙基-1-(4-乙烯基苄基)-3H-咪唑-1-鎓氯化物-co-二乙烯基苯]；
聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-3-乙基-1-(4-乙烯基苄基)-3H-咪唑-1-鎓硫酸氢盐-co-二乙烯基苯]；
聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-3-乙基-1-(4-乙烯基苄基)-3H-咪唑-1-鎓乙酸盐-co-二乙烯基苯]；
聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-3-乙基-1-(4-乙烯基苄基)-3H-咪唑-1-鎓硝酸盐-co-二乙烯基苯]；
聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-1-(4-乙烯基苄基)-3H-咪唑-1-鎓氯化物-co-二乙烯基苯]；
聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-1-(4-乙烯基苄基)-3H-咪唑-1-鎓碘化物-co-二乙烯基苯]；
聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-1-(4-乙烯基苄基)-3H-咪唑-1-鎓溴化物-co-二乙烯基苯]；
聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-1-(4-乙烯基苄基)-3H-咪唑-1-鎓硫酸氢盐-co-二乙烯基苯]；
聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-1-(4-乙烯基苄基)-3H-咪唑-1-鎓乙酸盐-co-二乙烯基苯]；
聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-3-甲基-1-(4-乙烯基苄基)-3H-苯并咪唑-1-鎓氯化物-co-二乙烯基苯]；
聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-3-甲基-1-(4-乙烯基苄基)-3H-苯并咪唑-1-鎓硫酸氢盐-co-二乙烯基苯]；
聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-3-甲基-1-(4-乙烯基苄基)-3H-苯并咪唑-1-鎓乙酸盐-co-二乙烯基苯]；
聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-3-甲基-1-(4-乙烯基苄基)-3H-苯并咪唑-1-鎓甲酸盐-co-二乙烯基苯]；
聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-1-(4-乙烯基苄基)-吡啶鎓-氯化物-co-二乙烯基苯]；
聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-1-(4-乙烯基苄基)-吡啶鎓-硫酸氢盐-co-二乙烯基苯]；
聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-1-(4-乙烯基苄基)-吡啶鎓-乙酸盐-co-二乙烯基苯]；
聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-1-(4-乙烯基苄基)-吡啶鎓-硝酸盐-co-二乙烯基苯]；
聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-1-(4-乙烯基苄基)-吡啶鎓-氯化物-co-3-甲基-1-(4-乙烯基苄基)-3H-咪唑-1-鎓硫酸氢盐-co-二乙烯基苯]；
聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-1-(4-乙烯基苄基)-吡啶鎓-溴化物-co-3-甲基-1-(4-乙烯基苄基)-3H-咪唑-1-鎓硫酸氢盐-co-二乙烯基苯]；
聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-1-(4-乙烯基苄基)-吡啶鎓-碘化物-co-3-甲基-1-(4-乙烯基苄基)-3H-咪唑-1-鎓硫酸氢盐-co-二乙烯基苯]；
聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-1-(4-乙烯基苄基)-吡啶鎓-硫酸氢盐-co-3-甲基-1-(4-乙烯基苄基)-3H-咪唑-1-鎓硫酸氢盐-co-二乙烯基苯]；
聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-1-(4-乙烯基苄基)-吡啶鎓-乙酸盐-co-3-甲基-1-(4-乙烯基苄基)-3H-咪唑-1-鎓硫酸氢盐-co-二乙烯基苯]；
聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-4-甲基-4-(4-乙烯基苄基)-吗啉-4-鎓氯化物-co-二乙烯基苯]；
聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-4-甲基-4-(4-乙烯基苄基)-吗啉-4-鎓硫酸氢盐-co-二乙烯基苯]；
聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-4-甲基-4-(4-乙烯基苄基)-吗啉-4-鎓乙酸盐-co-二乙烯基苯]；
聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-4-甲基-4-(4-乙烯基苄基)-吗啉-4-鎓甲酸盐-co-二乙烯基苯]；
聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-三苯基-(4-乙烯基苄基)-磷鎓氯化物-co-二乙烯基苯]；
聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-三苯基-(4-乙烯基苄基)-磷鎓硫酸氢盐-co-二乙烯基苯]；
聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-三苯基-(4-乙烯基苄基)-磷鎓乙酸盐-co-二乙烯基苯]；
聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-1-甲基-1-(4-乙烯基苄基)-哌啶-1-鎓氯化物-co-二乙烯基苯]；
聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-1-甲基-1-(4-乙烯基苄基)-哌啶-1-鎓硫酸氢盐-co-二乙烯基苯]；
聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-1-甲基-1-(4-乙烯基苄基)-哌啶-1-鎓乙酸盐-co-二乙烯基苯]；
聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-4-(4-乙烯基苄基)-吗啉-4-氧化物-co-二乙烯基苯]；
聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-三乙基-(4-乙烯基苄基)-铵氯化物-co-二乙烯基苯]；
聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-三乙基-(4-乙烯基苄基)-铵硫酸氢盐-co-二乙烯基苯]；
聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-三乙基-(4-乙烯基苄基)-铵乙酸盐-co-二乙烯基苯]；
聚[苯乙烯-co-3-甲基-1-(4-乙烯基苄基)-3H-咪唑-1-鎓氯化物-co-4-硼羰基-1-(4-乙烯基苄基)-吡啶鎓氯化物-co-二乙烯基苯]；
聚[苯乙烯-co-3-甲基-1-(4-乙烯基苄基)-3H-咪唑-1-鎓氯化物-co-1-(4-乙烯基苯基)甲基膦酸-co-二乙烯基苯]；
聚[苯乙烯-co-3-甲基-1-(4-乙烯基苄基)-3H-咪唑-1-鎓硫酸氢盐-co-1-(4-乙烯基苯基)甲基膦酸-co-二乙烯基苯]；
聚[苯乙烯-co-3-甲基-1-(4-乙烯基苄基)-3H-咪唑-1-鎓乙酸盐-co-1-(4-乙烯基苯基)甲基膦酸-co-二乙烯基苯]；
聚[苯乙烯-co-3-甲基-1-(4-乙烯基苄基)-3H-咪唑-1-鎓硝酸盐-co-1-(4-乙烯基苯基)甲基膦酸-co-二乙烯基苯]；
聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-乙烯基苄基氯化物-co-1-甲基-2-乙烯基-吡啶鎓氯化物-co-二乙烯基苯]；
聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-乙烯基苄基氯化物-co-1-甲基-2-乙烯基-吡啶鎓硫酸氢盐-co-二乙烯基苯]；
聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-乙烯基苄基氯化物-co-1-甲基-2-乙烯基-吡啶鎓乙酸盐-co-二乙烯基苯]；
聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-4-(4-乙烯基苄基)-吗啉-4-氧化物-co-二乙烯基苯]；
聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯基膦酸-co-3-甲基-1-(4-乙烯基苄基)-3H-咪唑-1-鎓氯化物-co-二乙烯基苯]；
聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯基膦酸-co-3-甲基-1-(4-乙烯基苄基)-3H-咪唑-1-鎓硫酸氢盐-co-二乙烯基苯]；
聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯基膦酸-co-3-甲基-1-(4-乙烯基苄基)-3H-咪唑-1-鎓乙酸盐-co-二乙烯基苯]；
聚[苯乙烯-co-3-羧甲基-1-(4-乙烯基苄基)-3H-咪唑-1-鎓氯化物-co-二乙烯基苯]；
聚[苯乙烯-co-3-羧甲基-1-(4-乙烯基苄基)-3H-咪唑-1-鎓硫酸氢盐-co-二乙烯基苯]；
聚[苯乙烯-co-3-羧甲基-1-(4-乙烯基苄基)-3H-咪唑-1-鎓乙酸盐-co-二乙烯基苯]；
聚[苯乙烯-co-5-(4-乙烯基苄基氨基)-异酞酸-co-3-甲基-1-(4-乙烯基苄基)-3H-咪唑-1-鎓氯化物-co-二乙烯基苯]；
聚[苯乙烯-co-5-(4-乙烯基苄基氨基)-异酞酸-co-3-甲基-1-(4-乙烯基苄基)-3H-咪唑-1-鎓硫酸氢盐-co-二乙烯基苯]；
聚[苯乙烯-co-5-(4-乙烯基苄基氨基)-异酞酸-co-3-甲基-1-(4-乙烯基苄基)-3H-咪唑-1-鎓乙酸盐-co-二乙烯基苯]；
聚[苯乙烯-co-(4-乙烯基苄基氨基)-乙酸-co-3-甲基-1-(4-乙烯基苄基)-3H-咪唑-1-鎓氯化物-co-二乙烯基苯]；
聚[苯乙烯-co-(4-乙烯基苄基氨基)-乙酸-co-3-甲基-1-(4-乙烯基苄基)-3H-咪唑-1-鎓硫酸氢盐-co-二乙烯基苯]；
聚[苯乙烯-co-(4-乙烯基苄基氨基)-乙酸-co-3-甲基-1-(4-乙烯基苄基)-3H-咪唑-1-鎓乙酸盐-co-二乙烯基苯]；
聚(苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-乙烯基苄基甲基咪唑鎓氯化物-co-乙烯基苄基甲基吗啉鎓氯化物-co-乙烯基苄基三苯基磷鎓氯化物-co-二乙烯基苯)；
聚(苯乙烯-co-4-乙烯基苯膦酸-co-乙烯基苄基甲基咪唑鎓氯化物-co-乙烯基苄基甲基吗啉鎓氯化物-co-乙烯基苄基三苯基磷鎓氯化物-co-二乙烯基苯)；
聚(苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-乙烯基苄基甲基咪唑鎓硫酸氢盐-co-乙烯基苄基甲基吗啉鎓硫酸氢盐-co-乙烯基苄基三苯基磷鎓硫酸氢盐-co-二乙烯基苯)；
聚(苯乙烯-co-4-乙烯基苯膦酸-co-乙烯基苄基甲基咪唑鎓硫酸氢盐-co-乙烯基苄基甲基吗啉鎓硫酸氢盐-co-乙烯基苄基三苯基磷鎓硫酸氢盐-co-二乙烯基苯)；
聚(苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-乙烯基苄基甲基咪唑鎓乙酸盐-co-乙烯基苄基甲基吗啉鎓乙酸盐-co-乙烯基苄基三苯基磷鎓乙酸盐-co-二乙烯基苯)；
聚(苯乙烯-co-4-乙烯基苯膦酸-co-乙烯基苄基甲基咪唑鎓乙酸盐-co-乙烯基苄基甲基吗啉鎓乙酸盐-co-乙烯基苄基三苯基磷鎓乙酸盐-co-二乙烯基苯)；
聚(苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-乙烯基苄基甲基吗啉鎓氯化物-co-乙烯基苄基三苯基磷鎓氯化物-co-二乙烯基苯)；
聚(苯乙烯-co-4-乙烯基苯膦酸-co-乙烯基苄基甲基吗啉鎓氯化物-co-乙烯基苄基三苯基磷鎓氯化物-co-二乙烯基苯)；
聚(苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-乙烯基苄基甲基吗啉鎓硫酸氢盐-co-乙烯基苄基三苯基磷鎓硫酸氢盐-co-二乙烯基苯)；
聚(苯乙烯-co-4-乙烯基苯膦酸-co-乙烯基苄基甲基吗啉鎓硫酸氢盐-co-乙烯基苄基三苯基磷鎓硫酸氢盐-co-二乙烯基苯)；
聚(苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-乙烯基苄基甲基吗啉鎓乙酸盐-co-乙烯基苄基三苯基磷鎓硫酸氢盐-co-二乙烯基苯)；
聚(苯乙烯-co-4-乙烯基苯膦酸-co-乙烯基苄基甲基吗啉鎓乙酸盐-co-乙烯基苄基三苯基磷鎓硫酸氢盐-co-二乙烯基苯)
聚(苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-乙烯基甲基咪唑鎓氯化物-co-二乙烯基苯)；
聚(苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-乙烯基甲基咪唑鎓硫酸氢盐-co-二乙烯基苯)；
聚(苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-乙烯基甲基咪唑鎓乙酸盐-co-二乙烯基苯)；
聚(苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-乙烯基甲基咪唑鎓硝酸盐-co-二乙烯基苯)；
聚(苯乙烯-co-4-乙烯基苯膦酸-co-乙烯基甲基咪唑鎓氯化物-co-二乙烯基苯)；
聚(苯乙烯-co-4-乙烯基苯膦酸-co-乙烯基甲基咪唑鎓硫酸氢盐-co-二乙烯基苯)；
聚(苯乙烯-co-4-乙烯基苯膦酸-co-乙烯基甲基咪唑鎓乙酸盐-co-二乙烯基苯)；
聚(苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-乙烯基苄基三苯基磷鎓氯化物-co-二乙烯基苯)；
聚(苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-乙烯基苄基三苯基磷鎓硫酸氢盐-co-二乙烯基苯)；
聚(苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-乙烯基苄基三苯基磷鎓乙酸盐-co-二乙烯基苯)；
聚(苯乙烯-co-4-乙烯基苯膦酸-co-乙烯基苄基三苯基磷鎓氯化物-co-二乙烯基苯)；
聚(苯乙烯-co-4-乙烯基苯膦酸-co-乙烯基苄基三苯基磷鎓硫酸氢盐-co-二乙烯基苯)；
聚(苯乙烯-co-4-乙烯基苯膦酸-co-乙烯基苄基三苯基磷鎓乙酸盐-co-二乙烯基苯)；
聚(苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-乙烯基苄基甲基咪唑鎓氯化物-co-二乙烯基苯)；
聚(苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-乙烯基苄基甲基咪唑鎓硫酸氢盐-co-二乙烯基苯)；
聚(苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-乙烯基苄基甲基咪唑鎓乙酸盐-co-二乙烯基苯)；
聚(苯乙烯-co-4-乙烯基苯膦酸-co-乙烯基苄基甲基咪唑鎓氯化物-co-二乙烯基苯)；
聚(苯乙烯-co-4-乙烯基苯膦酸-co-乙烯基苄基甲基咪唑鎓硫酸氢盐-co-二乙烯基苯)；
聚(苯乙烯-co-4-乙烯基苯膦酸-co-乙烯基苄基甲基咪唑鎓乙酸盐-co-二乙烯基苯)；
聚(苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-乙烯基苄基三苯基磷鎓氯化物-co-二乙烯基苯)；
聚(苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-乙烯基苄基三苯基磷鎓硫酸氢盐-co-二乙烯基苯)；
聚(苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-乙烯基苄基三苯基磷鎓乙酸盐-co-二乙烯基苯)；
聚(苯乙烯-co-4-乙烯基苯膦酸-co-乙烯基苄基三苯基磷鎓氯化物-co-二乙烯基苯)；
聚(苯乙烯-co-4-乙烯基苯膦酸-co-乙烯基苄基三苯基磷鎓硫酸氢盐-co-二乙烯基苯)；
聚(苯乙烯-co-4-乙烯基苯膦酸-co-乙烯基苄基三苯基磷鎓乙酸盐-co-二乙烯基苯)；
聚(丁基-乙烯基咪唑鎓氯化物-co-丁基咪唑鎓硫酸氢盐-co-4-乙烯基苯磺酸)；
聚(丁基-乙烯基咪唑鎓硫酸氢盐-co-丁基咪唑鎓硫酸氢盐-co-4-乙烯基苯磺酸)；
聚(苄基醇-co-4-乙烯基苄基醇磺酸-co-乙烯基苄基三苯基磷鎓氯化物-co-二乙烯基苄基醇)；以及
聚(苄基醇-co-4-乙烯基苄基醇磺酸-co-乙烯基苄基三苯基磷鎓硫酸氢盐-co-二乙烯基苄基醇)。
在一些实施方案中，示例性的聚合物可以包含：
聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-3-甲基-1-(4-乙烯基苄基)-3H-咪唑-1-鎓硝酸盐-co-二乙烯基苯]；
聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-1-(4-乙烯基苄基)-3H-咪唑-1-鎓碘化物-co-二乙烯基苯]；
聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-3-甲基-1-(4-乙烯基苄基)-3H-苯并咪唑-1-鎓氯化物-co-二乙烯基苯]；
聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-3-甲基-1-(4-乙烯基苄基)-3H-咪唑-1-鎓硫酸氢盐-co-二乙烯基苯]；
聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-1-(4-乙烯基苄基)-吡啶鎓-硫酸氢盐-co-二乙烯基苯]；
聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-1-(4-乙烯基苄基)-吡啶鎓-氯化物-co-3-甲基-1-(4-乙烯基苄基)-3H-咪唑-1-鎓硫酸氢盐-co-二乙烯基苯]；
聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-4-甲基-4-(4-乙烯基苄基)-吗啉-4-鎓氯化物-co-二乙烯基苯]；
聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-1-(4-乙烯基苄基)-3H-咪唑-1-鎓硫酸氢盐-co-二乙烯基苯]；
聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-4-(4-乙烯基苄基)-吗啉-4-氧化物-co-二乙烯基苯]；
聚[苯乙烯-co-3-甲基-1-(4-乙烯基苄基)-3H-咪唑-1-鎓硫酸氢盐-co-1-(4-乙烯基苯基)甲基磷酸-co-二乙烯基苯]；
聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-乙烯基苄基氯化物-co-1-甲基-2-乙烯基-吡啶鎓硫酸氢盐-co-二乙烯基苯]；
聚[苯乙烯-co-4--乙烯基苯磺酸-co-4-(4-乙烯基苄基)-吗啉-4-氧化物-co-二乙烯基苯]；
聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-三苯基-(4-乙烯基苄基)-磷鎓硫酸氢盐-co-二乙烯基苯]；
聚[苯乙烯-co-5-(4-乙烯基苄基氨基)-异酞酸-co-3-甲基-1-(4-乙烯基苄基)-3H-咪唑-1-鎓氯化物-co-二乙烯基苯]；
聚(苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-乙烯基苄基甲基咪唑鎓氯化物-co-乙烯基苄基甲基吗啉鎓氯化物-co-乙烯基苄基三苯基磷鎓氯化物-co-二乙烯基苯)；
聚(苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-乙烯基甲基咪唑鎓乙酸盐-co-二乙烯基苯)；
聚(苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-乙烯基苄基三苯基磷鎓氯化物-co-二乙烯基苯)；
聚(苯乙烯-co-4-乙烯基苯膦酸-co-乙烯基苄基三苯基磷鎓氯化物-co-二乙烯基苯)；
聚(苯乙烯-co-4-乙烯基苯膦酸-co-乙烯基苄基三苯基磷鎓硫酸氢盐-co-二乙烯基苯)；以及
聚(苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-乙烯基苄基三苯基磷鎓氯化物-co-二乙烯基苯)。
在一些实施方案中，示例性的聚合物可以包含：
聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-1-(4-乙烯基苄基)-吡啶鎓-氯化物-co-3-甲基-1-(4-乙烯基苄基)-3H-咪唑-1-鎓硫酸氢盐-co-二乙烯基苯]；
聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-乙烯基苄基氯化物-co-1-甲基-2-乙烯基-吡啶鎓硫酸氢盐-co-二乙烯基苯]；
聚(苯乙烯-co-4-乙烯基苯膦酸-co-乙烯基苄基三苯基磷鎓氯化物-co-二乙烯基苯)；
聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-1-(4-乙烯基苄基)-3H-咪唑-1-鎓硫酸氢盐-co-二乙烯基苯]；以及
聚(苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-乙烯基甲基咪唑鎓乙酸盐-co-二乙烯基苯)。
在一些实施方案中，示例性的聚合物可以包含：
聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-3-甲基-1-(4-乙烯基苄基)-3H-苯并咪唑-1-鎓氯化物-co-二乙烯基苯]；
聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-3-甲基-1-(4-乙烯基苄基)-3H-咪唑-1-鎓硫酸氢盐-co-二乙烯基苯]；
聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-1-(4-乙烯基苄基)-吡啶鎓-硫酸氢盐-co-二乙烯基苯]；
聚(苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-乙烯基苄基甲基咪唑鎓氯化物-co-乙烯基苄基甲基吗啉鎓氯化物-co-乙烯基苄基三苯基磷鎓氯化物-co-二乙烯基苯)；以及
聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-4-(4-乙烯基苄基)-吗啉-4-氧化物-co-二乙烯基苯]。
在一些实施方案中，示例性的聚合物可以包含：
聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-4-(4-乙烯基苄基)-吗啉-4-氧化物-co-二乙烯基苯]；
聚(苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-乙烯基苄基三苯基磷鎓氯化物-co-二乙烯基苯)；
聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-1-(4-乙烯基苄基)-3H-咪唑-1-鎓碘化物-co-二乙烯基苯]；
聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-三苯基-(4-乙烯基苄基)-磷鎓硫酸氢盐-co-二乙烯基苯]；以及
聚[苯乙烯-co-3-甲基-1-(4-乙烯基苄基)-3H-咪唑-1-鎓硫酸氢盐-co-1-(4-乙烯基苯基)甲基膦酸-co-二乙烯基苯]。
在一些实施方案中，固载化催化剂选自：
无定形碳负载的吡喃鎓氯化物磺酸；
无定形碳负载的咪唑鎓氯化物磺酸；
无定形碳负载的吡唑鎓氯化物磺酸；
无定形碳负载的恶唑鎓氯化物磺酸；
无定形碳负载的噻唑鎓氯化物磺酸；
无定形碳负载的吡啶鎓氯化物磺酸；
无定形碳负载的嘧啶鎓氯化物磺酸；
无定形碳负载的吡嗪鎓氯化物磺酸；
无定形碳负载的哒嗪鎓氯化物磺酸；
无定形碳负载的噻嗪鎓氯化物磺酸；
无定形碳负载的吗啉鎓氯化物磺酸；
无定形碳负载的哌啶鎓氯化物磺酸；
无定形碳负载的哌嗪鎓氯化物磺酸；
无定形碳负载的吡咯烷鎓氯化物磺酸；
无定形碳负载的三苯基磷鎓氯化物磺酸；
无定形碳负载的三甲基磷鎓氯化物磺酸；
无定形碳负载的三乙基磷鎓氯化物磺酸；
无定形碳负载的三丙基磷鎓氯化物磺酸；
无定形碳负载的三丁基磷鎓氯化物磺酸；
无定形碳负载的三氟磷鎓氯化物磺酸；
无定形碳负载的吡喃鎓溴化物磺酸；
无定形碳负载的咪唑鎓溴化物磺酸；
无定形碳负载的吡唑鎓溴化物磺酸；
无定形碳负载的恶唑鎓溴化物磺酸；
无定形碳负载的噻唑鎓溴化物磺酸；
无定形碳负载的吡啶鎓溴化物磺酸；
无定形碳负载的嘧啶鎓溴化物磺酸；
无定形碳负载的吡嗪鎓溴化物磺酸；
无定形碳负载的哒嗪鎓溴化物磺酸；
无定形碳负载的噻嗪鎓溴化物磺酸；
无定形碳负载的吗啉鎓溴化物磺酸；
无定形碳负载的哌啶鎓溴化物磺酸；
无定形碳负载的哌嗪鎓溴化物磺酸；
无定形碳负载的吡咯烷鎓溴化物磺酸；
无定形碳负载的三苯基磷鎓溴化物磺酸；
无定形碳负载的三甲基磷鎓溴化物磺酸；
无定形碳负载的三乙基磷鎓溴化物磺酸；
无定形碳负载的三丙基磷鎓溴化物磺酸；
无定形碳负载的三丁基磷鎓溴化物磺酸；
无定形碳负载的三氟磷鎓溴化物磺酸；
无定形碳负载的吡喃鎓硫酸氢盐磺酸；
无定形碳负载的咪唑鎓硫酸氢盐磺酸；
无定形碳负载的吡唑鎓硫酸氢盐磺酸；
无定形碳负载的恶唑鎓硫酸氢盐磺酸；
无定形碳负载的噻唑鎓硫酸氢盐磺酸；
无定形碳负载的吡啶鎓硫酸氢盐磺酸；
无定形碳负载的嘧啶鎓硫酸氢盐磺酸；
无定形碳负载的吡嗪鎓硫酸氢盐磺酸；
无定形碳负载的哒嗪鎓硫酸氢盐磺酸；
无定形碳负载的噻嗪鎓硫酸氢盐磺酸；
无定形碳负载的吗啉鎓硫酸氢盐磺酸；
无定形碳负载的哌啶鎓硫酸氢盐磺酸；
无定形碳负载的哌嗪鎓硫酸氢盐磺酸；
无定形碳负载的吡咯烷鎓硫酸氢盐磺酸；
无定形碳负载的三苯基磷鎓硫酸氢盐磺酸；
无定形碳负载的三甲基磷鎓硫酸氢盐磺酸；
无定形碳负载的三乙基磷鎓硫酸氢盐磺酸；
无定形碳负载的三丙基磷鎓硫酸氢盐磺酸；
无定形碳负载的三丁基磷鎓硫酸氢盐磺酸；
无定形碳负载的三氟磷鎓硫酸氢盐磺酸；
无定形碳负载的吡喃鎓甲酸盐磺酸；
无定形碳负载的咪唑鎓甲酸盐磺酸；
无定形碳负载的吡唑鎓甲酸盐磺酸；
无定形碳负载的恶唑鎓甲酸盐磺酸；
无定形碳负载的噻唑鎓甲酸盐磺酸；
无定形碳负载的吡啶鎓甲酸盐磺酸；
无定形碳负载的嘧啶鎓甲酸盐磺酸；
无定形碳负载的吡嗪鎓甲酸盐磺酸；
无定形碳负载的哒嗪鎓甲酸盐磺酸；
无定形碳负载的噻嗪鎓甲酸盐磺酸；
无定形碳负载的吗啉鎓甲酸盐磺酸；
无定形碳负载的哌啶鎓甲酸盐磺酸；
无定形碳负载的哌嗪鎓甲酸盐磺酸；
无定形碳负载的吡咯烷鎓甲酸盐磺酸；
无定形碳负载的三苯基磷鎓甲酸盐磺酸；
无定形碳负载的三甲基磷鎓甲酸盐磺酸；
无定形碳负载的三乙基磷鎓甲酸盐磺酸；
无定形碳负载的三丙基磷鎓甲酸盐磺酸；
无定形碳负载的三丁基磷鎓甲酸盐磺酸；
无定形碳负载的三氟磷鎓甲酸盐磺酸；
无定形碳负载的吡喃鎓乙酸盐磺酸；
无定形碳负载的咪唑鎓乙酸盐磺酸；
无定形碳负载的吡唑鎓乙酸盐磺酸；
无定形碳负载的恶唑鎓乙酸盐磺酸；
无定形碳负载的噻唑鎓乙酸盐磺酸；
无定形碳负载的吡啶鎓乙酸盐磺酸；
无定形碳负载的嘧啶鎓乙酸盐磺酸；
无定形碳负载的吡嗪鎓乙酸盐磺酸；
无定形碳负载的哒嗪鎓乙酸盐磺酸；
无定形碳负载的噻嗪鎓乙酸盐磺酸；
无定形碳负载的吗啉鎓乙酸盐磺酸；
无定形碳负载的哌啶鎓乙酸盐磺酸；
无定形碳负载的哌嗪鎓乙酸盐磺酸；
无定形碳负载的吡咯烷鎓乙酸盐磺酸；
无定形碳负载的三苯基磷鎓乙酸盐磺酸；
无定形碳负载的三甲基磷鎓乙酸盐磺酸；
无定形碳负载的三乙基磷鎓乙酸盐磺酸；
无定形碳负载的三丙基磷鎓乙酸盐磺酸；
无定形碳负载的三丁基磷鎓乙酸盐磺酸；
无定形碳负载的三氟磷鎓乙酸盐磺酸；
无定形碳负载的吡喃鎓氯化物膦酸；；
无定形碳负载的咪唑鎓氯化物膦酸；
无定形碳负载的吡唑鎓氯化物膦酸；
无定形碳负载的恶唑鎓氯化物膦酸；
无定形碳负载的噻唑鎓氯化物膦酸；
无定形碳负载的吡啶鎓氯化物膦酸；
无定形碳负载的嘧啶鎓氯化物膦酸；
无定形碳负载的吡嗪鎓氯化物膦酸；
无定形碳负载的哒嗪鎓氯化物膦酸；
无定形碳负载的噻嗪鎓氯化物膦酸；
无定形碳负载的吗啉鎓氯化物膦酸；
无定形碳负载的哌啶鎓氯化物膦酸；
无定形碳负载的哌嗪鎓氯化物膦酸；
无定形碳负载的吡咯烷鎓氯化物膦酸；
无定形碳负载的三苯基磷鎓氯化物膦酸；
无定形碳负载的三甲基磷鎓氯化物膦酸；
无定形碳负载的三乙基磷鎓氯化物膦酸；
无定形碳负载的三丙基磷鎓氯化物膦酸；
无定形碳负载的三丁基磷鎓氯化物膦酸；
无定形碳负载的三氟磷鎓氯化物膦酸；
无定形碳负载的吡喃鎓溴化物膦酸；
无定形碳负载的咪唑鎓溴化物膦酸；
无定形碳负载的吡唑鎓溴化物膦酸；
无定形碳负载的恶唑鎓溴化物膦酸；
无定形碳负载的噻唑鎓溴化物膦酸；
无定形碳负载的吡啶鎓溴化物膦酸；
无定形碳负载的嘧啶鎓溴化物膦酸；
无定形碳负载的吡嗪鎓溴化物膦酸；
无定形碳负载的哒嗪鎓溴化物膦酸；
无定形碳负载的噻嗪鎓溴化物膦酸；
无定形碳负载的吗啉鎓溴化物膦酸；
无定形碳负载的哌啶鎓溴化物膦酸；
无定形碳负载的哌嗪鎓溴化物膦酸；
无定形碳负载的吡咯烷鎓溴化物膦酸；
无定形碳负载的三苯基磷鎓溴化物膦酸；
无定形碳负载的三甲基磷鎓溴化物膦酸；
无定形碳负载的三乙基磷鎓溴化物膦酸；
无定形碳负载的三丙基磷鎓溴化物膦酸；
无定形碳负载的三丁基磷鎓溴化物膦酸；
无定形碳负载的三氟磷鎓溴化物膦酸；
无定形碳负载的吡喃鎓硫酸氢盐膦酸；
无定形碳负载的咪唑鎓硫酸氢盐膦酸；
无定形碳负载的吡唑鎓硫酸氢盐膦酸；
无定形碳负载的恶唑鎓硫酸氢盐膦酸；
无定形碳负载的噻唑鎓硫酸氢盐膦酸；
无定形碳负载的吡啶鎓硫酸氢盐膦酸；
无定形碳负载的嘧啶鎓硫酸氢盐膦酸；
无定形碳负载的吡嗪鎓硫酸氢盐膦酸；
无定形碳负载的哒嗪鎓硫酸氢盐膦酸；
无定形碳负载的噻嗪鎓硫酸氢盐膦酸；
无定形碳负载的吗啉鎓硫酸氢盐膦酸；
无定形碳负载的哌啶鎓硫酸氢盐膦酸；
无定形碳负载的哌嗪鎓硫酸氢盐膦酸；
无定形碳负载的吡咯烷鎓硫酸氢盐膦酸；
无定形碳负载的三苯基磷鎓硫酸氢盐膦酸；
无定形碳负载的三甲基磷鎓硫酸氢盐膦酸；
无定形碳负载的三乙基磷鎓硫酸氢盐膦酸；
无定形碳负载的三丙基磷鎓硫酸氢盐膦酸；
无定形碳负载的三丁基磷鎓硫酸氢盐膦酸；
无定形碳负载的三氟磷鎓硫酸氢盐膦酸；
无定形碳负载的吡喃鎓甲酸盐膦酸；
无定形碳负载的咪唑鎓甲酸盐膦酸；
无定形碳负载的吡唑鎓甲酸盐膦酸；
无定形碳负载的恶唑鎓甲酸盐膦酸；
无定形碳负载的噻唑鎓甲酸盐膦酸；
无定形碳负载的吡啶鎓甲酸盐膦酸；
无定形碳负载的嘧啶鎓甲酸盐膦酸；
无定形碳负载的吡嗪鎓甲酸盐膦酸；
无定形碳负载的哒嗪鎓甲酸盐膦酸；
无定形碳负载的噻嗪鎓甲酸盐膦酸；
无定形碳负载的吗啉鎓甲酸盐膦酸；
无定形碳负载的哌啶鎓甲酸盐膦酸；
无定形碳负载的哌嗪鎓甲酸盐膦酸；
无定形碳负载的吡咯烷鎓甲酸盐膦酸；
无定形碳负载的三苯基磷鎓甲酸盐膦酸；
无定形碳负载的三甲基磷鎓甲酸盐膦酸；
无定形碳负载的三乙基磷鎓甲酸盐膦酸；
无定形碳负载的三丙基磷鎓甲酸盐膦酸；
无定形碳负载的三丁基磷鎓甲酸盐膦酸；
无定形碳负载的三氟磷鎓甲酸盐膦酸；
无定形碳负载的吡喃鎓乙酸盐膦酸；
无定形碳负载的咪唑鎓乙酸盐膦酸；
无定形碳负载的吡唑鎓乙酸盐膦酸；
无定形碳负载的恶唑鎓乙酸盐膦酸；
无定形碳负载的噻唑鎓乙酸盐膦酸；
无定形碳负载的吡啶鎓乙酸盐膦酸；
无定形碳负载的嘧啶鎓乙酸盐膦酸；
无定形碳负载的吡嗪鎓乙酸盐膦酸；
无定形碳负载的哒嗪鎓乙酸盐膦酸；
无定形碳负载的噻嗪鎓乙酸盐膦酸；
无定形碳负载的吗啉鎓乙酸盐膦酸；
无定形碳负载的哌啶鎓乙酸盐膦酸；
无定形碳负载的哌嗪鎓乙酸盐膦酸；
无定形碳负载的吡咯烷鎓乙酸盐膦酸；
无定形碳负载的三苯基磷鎓乙酸盐膦酸；
无定形碳负载的三甲基磷鎓乙酸盐膦酸；
无定形碳负载的三乙基磷鎓乙酸盐膦酸；
无定形碳负载的三丙基磷鎓乙酸盐膦酸；
无定形碳负载的三丁基磷鎓乙酸盐膦酸；
无定形碳负载的三氟磷鎓乙酸盐膦酸；
无定形碳负载的乙酰基-三磷鎓磺酸；
无定形碳负载的乙酰基-甲基吗啉鎓磺酸；以及
无定形碳负载的乙酰基-咪唑鎓磺酸。
在其他的实施方案中，固载化催化剂选自：
活性碳负载的吡喃鎓氯化物磺酸；
活性碳负载的咪唑鎓氯化物磺酸；
活性碳负载的吡唑鎓氯化物磺酸；
活性碳负载的恶唑鎓氯化物磺酸；
活性碳负载的噻唑鎓氯化物磺酸；
活性碳负载的吡啶鎓氯化物磺酸；
活性碳负载的嘧啶鎓氯化物磺酸；
活性碳负载的吡嗪鎓氯化物磺酸；
活性碳负载的哒嗪鎓氯化物磺酸；
活性碳负载的噻嗪鎓氯化物磺酸；
活性碳负载的吗啉鎓氯化物磺酸；
活性碳负载的哌啶鎓氯化物磺酸；
活性碳负载的哌嗪鎓氯化物磺酸；
活性碳负载的吡咯烷鎓氯化物磺酸；
活性碳负载的三苯基磷鎓氯化物磺酸；
活性碳负载的三甲基磷鎓氯化物磺酸；
活性碳负载的三乙基磷鎓氯化物磺酸；
活性碳负载的三丙基磷鎓氯化物磺酸；
活性碳负载的三丁基磷鎓氯化物磺酸；
活性碳负载的三氟磷鎓氯化物磺酸；
活性碳负载的吡喃鎓溴化物磺酸；
活性碳负载的咪唑鎓溴化物磺酸；
活性碳负载的吡唑鎓溴化物磺酸；
活性碳负载的恶唑鎓溴化物磺酸；
活性碳负载的噻唑鎓溴化物磺酸；
活性碳负载的吡啶鎓溴化物磺酸；
活性碳负载的嘧啶鎓溴化物磺酸；
活性碳负载的吡嗪鎓溴化物磺酸；
活性碳负载的哒嗪鎓溴化物磺酸；
活性碳负载的噻嗪鎓溴化物磺酸；
活性碳负载的吗啉鎓溴化物磺酸；
活性碳负载的哌啶鎓溴化物磺酸；
活性碳负载的哌嗪鎓溴化物磺酸；
活性碳负载的吡咯烷鎓溴化物磺酸；
活性碳负载的三苯基磷鎓溴化物磺酸；
活性碳负载的三甲基磷鎓溴化物磺酸；
活性碳负载的三乙基磷鎓溴化物磺酸；
活性碳负载的三丙基磷鎓溴化物磺酸；
活性碳负载的三丁基磷鎓溴化物磺酸；
活性碳负载的三氟磷鎓溴化物磺酸；
活性碳负载的吡喃鎓硫酸氢盐磺酸；
活性碳负载的咪唑鎓硫酸氢盐磺酸；
活性碳负载的吡唑鎓硫酸氢盐磺酸；
活性碳负载的恶唑鎓硫酸氢盐磺酸；
活性碳负载的噻唑鎓硫酸氢盐磺酸；
活性碳负载的吡啶鎓硫酸氢盐磺酸；
活性碳负载的嘧啶鎓硫酸氢盐磺酸；
活性碳负载的吡嗪鎓硫酸氢盐磺酸；
活性碳负载的哒嗪鎓硫酸氢盐磺酸；
活性碳负载的噻嗪鎓硫酸氢盐磺酸；
活性碳负载的吗啉鎓硫酸氢盐磺酸；
活性碳负载的哌啶鎓硫酸氢盐磺酸；
活性碳负载的哌嗪鎓硫酸氢盐磺酸；
活性碳负载的吡咯烷鎓硫酸氢盐磺酸；
活性碳负载的三苯基磷鎓硫酸氢盐磺酸；
活性碳负载的三甲基磷鎓硫酸氢盐磺酸；
活性碳负载的三乙基磷鎓硫酸氢盐磺酸；
活性碳负载的三丙基磷鎓硫酸氢盐磺酸；
活性碳负载的三丁基磷鎓硫酸氢盐磺酸；
活性碳负载的三氟磷鎓硫酸氢盐磺酸；
活性碳负载的吡喃鎓甲酸盐磺酸；
活性碳负载的咪唑鎓甲酸盐磺酸；
活性碳负载的吡唑鎓甲酸盐磺酸；
活性碳负载的恶唑鎓甲酸盐磺酸；
活性碳负载的噻唑鎓甲酸盐磺酸；
活性碳负载的吡啶鎓甲酸盐磺酸；
活性碳负载的嘧啶鎓甲酸盐磺酸；
活性碳负载的吡嗪鎓甲酸盐磺酸；
活性碳负载的哒嗪鎓甲酸盐磺酸；
活性碳负载的噻嗪鎓甲酸盐磺酸；
活性碳负载的吗啉鎓甲酸盐磺酸；
活性碳负载的哌啶鎓甲酸盐磺酸；
活性碳负载的哌嗪鎓甲酸盐磺酸；
活性碳负载的吡咯烷鎓甲酸盐磺酸；
活性碳负载的三苯基磷鎓甲酸盐磺酸；
活性碳负载的三甲基磷鎓甲酸盐磺酸；
活性碳负载的三乙基磷鎓甲酸盐磺酸；
活性碳负载的三丙基磷鎓甲酸盐磺酸；
活性碳负载的三丁基磷鎓甲酸盐磺酸；
活性碳负载的三氟磷鎓甲酸盐磺酸；
活性碳负载的吡喃鎓乙酸盐磺酸；
活性碳负载的咪唑鎓乙酸盐磺酸；
活性碳负载的吡唑鎓乙酸盐磺酸；
活性碳负载的恶唑鎓乙酸盐磺酸；
活性碳负载的噻唑鎓乙酸盐磺酸；
活性碳负载的吡啶鎓乙酸盐磺酸；
活性碳负载的嘧啶鎓乙酸盐磺酸；
活性碳负载的吡嗪鎓乙酸盐磺酸；
活性碳负载的哒嗪鎓乙酸盐磺酸；
活性碳负载的噻嗪鎓乙酸盐磺酸；
活性碳负载的吗啉鎓乙酸盐磺酸；
活性碳负载的哌啶鎓乙酸盐磺酸；
活性碳负载的哌嗪鎓乙酸盐磺酸；
活性碳负载的吡咯烷鎓乙酸盐磺酸；
活性碳负载的三苯基磷鎓乙酸盐磺酸；
活性碳负载的三甲基磷鎓乙酸盐磺酸；
活性碳负载的三乙基磷鎓乙酸盐磺酸；
活性碳负载的三丙基磷鎓乙酸盐磺酸；
活性碳负载的三丁基磷鎓乙酸盐磺酸；
活性碳负载的三氟磷鎓乙酸盐磺酸；
活性碳负载的吡喃鎓氯化物膦酸；；
活性碳负载的咪唑鎓氯化物膦酸；
活性碳负载的吡唑鎓氯化物膦酸；
活性碳负载的恶唑鎓氯化物膦酸；
活性碳负载的噻唑鎓氯化物膦酸；
活性碳负载的吡啶鎓氯化物膦酸；
活性碳负载的嘧啶鎓氯化物膦酸；
活性碳负载的吡嗪鎓氯化物膦酸；
活性碳负载的哒嗪鎓氯化物膦酸；
活性碳负载的噻嗪鎓氯化物膦酸；
活性碳负载的吗啉鎓氯化物膦酸；
活性碳负载的哌啶鎓氯化物膦酸；
活性碳负载的哌嗪鎓氯化物膦酸；
活性碳负载的吡咯烷鎓氯化物膦酸；
活性碳负载的三苯基磷鎓氯化物膦酸；
活性碳负载的三甲基磷鎓氯化物膦酸；
活性碳负载的三乙基磷鎓氯化物膦酸；
活性碳负载的三丙基磷鎓氯化物膦酸；
活性碳负载的三丁基磷鎓氯化物膦酸；
活性碳负载的三氟磷鎓氯化物膦酸；
活性碳负载的吡喃鎓溴化物膦酸；
活性碳负载的咪唑鎓溴化物膦酸；
活性碳负载的吡唑鎓溴化物膦酸；
活性碳负载的恶唑鎓溴化物膦酸；
活性碳负载的噻唑鎓溴化物膦酸；
活性碳负载的吡啶鎓溴化物膦酸；
活性碳负载的嘧啶鎓溴化物膦酸；
活性碳负载的吡嗪鎓溴化物膦酸；
活性碳负载的哒嗪鎓溴化物膦酸；
活性碳负载的噻嗪鎓溴化物膦酸；
活性碳负载的吗啉鎓溴化物膦酸；
活性碳负载的哌啶鎓溴化物膦酸；
活性碳负载的哌嗪鎓溴化物膦酸；
活性碳负载的吡咯烷鎓溴化物膦酸；
活性碳负载的三苯基磷鎓溴化物膦酸；
活性碳负载的三甲基磷鎓溴化物膦酸；
活性碳负载的三乙基磷鎓溴化物膦酸；
活性碳负载的三丙基磷鎓溴化物膦酸；
活性碳负载的三丁基磷鎓溴化物膦酸；
活性碳负载的三氟磷鎓溴化物膦酸；
活性碳负载的吡喃鎓硫酸氢盐膦酸；
活性碳负载的咪唑鎓硫酸氢盐膦酸；
活性碳负载的吡唑鎓硫酸氢盐膦酸；
活性碳负载的恶唑鎓硫酸氢盐膦酸；
活性碳负载的噻唑鎓硫酸氢盐膦酸；
活性碳负载的吡啶鎓硫酸氢盐膦酸；
活性碳负载的嘧啶鎓硫酸氢盐膦酸；
活性碳负载的吡嗪鎓硫酸氢盐膦酸；
活性碳负载的哒嗪鎓硫酸氢盐膦酸；
活性碳负载的噻嗪鎓硫酸氢盐膦酸；
活性碳负载的吗啉鎓硫酸氢盐膦酸；
活性碳负载的哌啶鎓硫酸氢盐膦酸；
活性碳负载的哌嗪鎓硫酸氢盐膦酸；
活性碳负载的吡咯烷鎓硫酸氢盐膦酸；
活性碳负载的三苯基磷鎓硫酸氢盐膦酸；
活性碳负载的三甲基磷鎓硫酸氢盐膦酸；
活性碳负载的三乙基磷鎓硫酸氢盐膦酸；
活性碳负载的三丙基磷鎓硫酸氢盐膦酸；
活性碳负载的三丁基磷鎓硫酸氢盐膦酸；
活性碳负载的三氟磷鎓硫酸氢盐膦酸；
活性碳负载的吡喃鎓甲酸盐膦酸；
活性碳负载的咪唑鎓甲酸盐膦酸；
活性碳负载的吡唑鎓甲酸盐膦酸；
活性碳负载的恶唑鎓甲酸盐膦酸；
活性碳负载的噻唑鎓甲酸盐膦酸；
活性碳负载的吡啶鎓甲酸盐膦酸；
活性碳负载的嘧啶鎓甲酸盐膦酸；
活性碳负载的吡嗪鎓甲酸盐膦酸；
活性碳负载的哒嗪鎓甲酸盐膦酸；
活性碳负载的噻嗪鎓甲酸盐膦酸；
活性碳负载的吗啉鎓甲酸盐膦酸；
活性碳负载的哌啶鎓甲酸盐膦酸；
活性碳负载的哌嗪鎓甲酸盐膦酸；
活性碳负载的吡咯烷鎓甲酸盐膦酸；
活性碳负载的三苯基磷鎓甲酸盐膦酸；
活性碳负载的三甲基磷鎓甲酸盐膦酸；
活性碳负载的三乙基磷鎓甲酸盐膦酸；
活性碳负载的三丙基磷鎓甲酸盐膦酸；
活性碳负载的三丁基磷鎓甲酸盐膦酸；
活性碳负载的三氟磷鎓甲酸盐膦酸；
活性碳负载的吡喃鎓乙酸盐膦酸；
活性碳负载的咪唑鎓乙酸盐膦酸；
活性碳负载的吡唑鎓乙酸盐膦酸；
活性碳负载的恶唑鎓乙酸盐膦酸；
活性碳负载的噻唑鎓乙酸盐膦酸；
活性碳负载的吡啶鎓乙酸盐膦酸；
活性碳负载的嘧啶鎓乙酸盐膦酸；
活性碳负载的吡嗪鎓乙酸盐膦酸；
活性碳负载的哒嗪鎓乙酸盐膦酸；
活性碳负载的噻嗪鎓乙酸盐膦酸；
活性碳负载的吗啉鎓乙酸盐膦酸；
活性碳负载的哌啶鎓乙酸盐膦酸；
活性碳负载的哌嗪鎓乙酸盐膦酸；
活性碳负载的吡咯烷鎓乙酸盐膦酸；
活性碳负载的三苯基磷鎓乙酸盐膦酸；
活性碳负载的三甲基磷鎓乙酸盐膦酸；
活性碳负载的三乙基磷鎓乙酸盐膦酸；
活性碳负载的三丙基磷鎓乙酸盐膦酸；
活性碳负载的三丁基磷鎓乙酸盐膦酸；
活性碳负载的三氟磷鎓乙酸盐膦酸；
活性碳负载的乙酰基三磷鎓磺酸；
活性碳负载的乙酰基-甲基吗啉鎓磺酸；以及
活性碳负载的乙酰基-咪唑鎓磺酸。
催化剂的性质
本发明所述的催化剂具有一种或多种催化性质。如本文所用，材料的“催化性质”为增加与该材料有关的反应速率和/或程度的物理和/或化学性质。催化性质可以包含以下性质的至少一种：a)破坏纤维材料中的氢键；b)将催化剂插入在纤维素材料的晶畴中；以及c)使纤维素材料中的糖苷键断裂。在其他的实施方案中，所述的催化剂具有上述催化性质中的2种或多种，或者所有3种上文所述的催化性质。
在某些实施方案中，本发明所述的催化剂具有通过提供质子来催化化学反应的能力，并且可以在反应工艺中再生。在其他的实施方案中，本发明所述的催化剂对糖苷键的断裂具有比单糖脱水更高的特异性。
包含催化剂的组合物
此外，本发明还提供了与催化剂有关的组合物，其中所述的催化剂可以用于本发明所述的多种方法中，包含纤维素材料的断裂。
此外，还提供了包含供料和本发明所述的催化剂的组合物。在一些实施方案中，所述的组合物可以包含供料以及有效量的本发明所述的催化剂。在一些实施方案中，所述的组合物进一步包含溶剂。在某些实施方案中，所述的溶剂为水性溶剂。在一些实施方案中，所述的供料包含纤维素、半纤维素或它们的组合。
在另一个实施方案中，提供多种组合物，其包含本发明所述的催化剂、一种或多种糖以及残余的供料。在一些实施方案中，一种或多种糖为一种或多种单糖、一种或多种寡糖或它们的混合物。在某些实施方案中，一种或多种糖为包含至少一种C4-C6单糖和至少一种寡糖的2种或多种糖。在一个实施方案中，一种或多种糖选自葡萄糖、半乳糖、果糖、木糖和阿拉伯糖。
此外，还提供了包含供料(例如软木材,硬木材,木薯,甘蔗渣,甜菜渣,稻草,造纸污泥,油棕,玉米秸秆,食物残渣,酶消化残余物,啤酒底部沉积物和它们的任意的组合)和任意一种本发明所述的催化剂的组合物。在一些实施方案中，所述的组合物进一步包含溶剂。在一个实施方案中，所述的组合物进一步包含水。在一些实施方案中，供料具有纤维素、半纤维素或它们的组合。在其他的实施方案中，供料还具有木质素。
此外，还提供了化学水解的供料组合物，其包含任意一种本发明所述的催化剂、一种或多种糖以及残余的供料。在一些实施方案中，一种或多种糖为一种或多种单体、一种或多种寡糖或它们的混合物。在其他的实施方案中，一种或多种糖为包含至少一种C4-C6单体和至少一种寡糖的2种或多种糖。在其他的实施方案中，一种或多种糖选自葡萄糖、半乳糖、果糖、木糖和阿拉伯糖。
此外，还提供了糖化作用中间体，其包含任意一种本发明所述的与供料(例如软木材,硬木材,木薯,甘蔗渣,甜菜渣,稻草,造纸污泥,油棕,玉米秸秆,食物残渣,酶消化残余物,啤酒底部沉积物和它们的任意的组合)氢键键合的催化剂。在糖化作用中间体的某些实施方案中，催化剂的离子单体或部分与供料的纤维素、半纤维素和其他含氧成分中存在的碳水化合物醇的基团形成氢键键合。在糖化作用中间体的某些实施方案中，催化剂的酸性单体或部分与供料中存在的纤维素、半纤维素和木质纤维素的其他含氧成分中存在的碳水化合物醇的基团形成氢键键合，包含糖单体之间的糖苷键。在一些实施方案中，供料具有纤维素、半纤维素或它们的组合。
糖组合物
此外，还提供了使用本发明所述的高分子催化剂和固载化催化剂由生物质的糖化作用而生产的糖组合物。此类组合物包含一种或多种糖。在一些实施方案中，一种或多种糖为一种或多种单体、一种或多种寡糖或它们的混合物。在其他的实施方案中，一种或多种糖为包含至少一种C4-C6单糖和至少一种寡糖的2种或多种糖。在其他的实施方案中，一种或多种糖选自葡萄糖、半乳糖、果糖、木糖和阿拉伯糖。
糖组合物可以用作食品试剂。因此，在一些实施方案中，本发明所述的方法使用本发明所述的高分子催化剂和固载化催化剂由生物质的糖化作用而生产了食品试剂。在一些实施方案中，食品试剂可以为甜味剂、风味剂或它们的任意的组合。所述的食品试剂可以基于食品试剂中糖和有机酸的特定的混合物而具有不同的芳香或风味。此外，食品试剂的芳香和风味可以根据本发明所述的方法中使用的生物质而不同。此外，生物质可以天然地包含矿物营养物，包含例如钙、镁和钾，它们还可以使用本发明所述的催化剂通过生物质的水解而引入至食品试剂中。
在一些实施方案中，可以将食品试剂加入至饮料、食物产品或卫生保健组合物中。在其他的实施方案中，食品试剂可用于人类消耗。在其他的实施方案中，食品试剂可以用于非人类消耗，包含例如宠物消耗。在其他的实施方案中，食品试剂可以用作部分农业饲料。例如食品试剂可以与谷粒和其他惰性材料(例如稻草)，从而形成动物饲料。
使用催化剂的糖化作用
在一个方面中，提供了使用本发明所述的催化剂来糖化包含纤维素材料(例如生物质)的供料的方法。糖化作用是指通过使生物质中纤维素(和半纤维素，如果存在)的复杂碳水化合物断裂而将纤维素材料(例如生物质)水解成一种或多种糖。一种或多种糖可以为单糖和/或寡糖。如本文所用，“寡糖”是指这样的化合物，其包含通过糖苷键连接的2个或多个单糖单糖。在某些实施方案中，一种或多种糖选自葡萄糖、纤维二糖、木糖、木酮糖、阿拉伯糖、甘露糖和半乳糖。
应该理解的是纤维素材料可以经历一步或多步的水解工艺。例如在一些实施方案中，纤维素材料首先与催化剂相接处，然后在第二水解反应(例如使用酶)中使所得的产物与一种或多种催化剂相接触。
由纤维素材料水解而获得的一种或多种糖可以用于随后的发酵工艺中，从而生产生物燃料(例如乙醇)和其他生物基化学制品。例如在一些实施方案中，由本发明所述的方法而获得的一种或多种糖可以经历随后的细菌或酵母菌发酵，从而生产生物燃料和其他生物基化学制品。
此外，应该理解的是本领域已知的任何方法(包含预处理、酶水解(糖化作用)、发酵或它们的组合)可以与所述的催化剂一起用于本发明所述的方法中。所述的催化剂可以在预处理方法之前或之后使用，从而使生物质中的纤维素(和半纤维素，如果存在)更容易水解。
提供用于本发明所述的方法中的供料可以得自任何来源(包含任何市售可得的来源)，并且在下文中进一步详细描述。
a)供料
在一些实施方案中，在本发明所述的方法中使用的供料可以选自：软木材,硬木材,木薯,甘蔗渣,甜菜渣,稻草,造纸污泥,油棕,玉米秸秆,食物残渣,酶消化残余物,和啤酒底部沉积物。此外，供料的组合也可以用于本发明所述的方法中。例如所述的方法可以使用一种或多种软木材以及一种或多种硬木材的组合。
软木材(也称为针叶树)可以包含例如南洋衫(例如肯宁南洋杉,巴拉那松,智利松),雪松(例如铅笔柏,白雪松,黄雪松),芹叶松,柏木(例如绿干柏,落羽松,扁柏,黄扁柏,地中海柏),洛基山道格拉斯冷杉(Rocky Mountain Douglas-Fir,European Yew),冷杉(例如香脂冷杉,银枞,壮丽冷杉),铁杉(例如加拿大铁杉,大果铁杉,西部铁杉),Huan Pine,Kauri,Kaya,落叶松(例如欧洲落叶松,日本落叶松,美洲落叶松,西部落叶松),松树(例如科西嘉松,短叶松,海滩松,辐射松,西黄松,赤松,欧洲赤松,美国五针松(例如北美白松,西部白松,兰伯氏松),南方黄松(例如厚皮刺果松,长叶松,北美脂松,芒刺松),铅笔柏(例如东方红雪松,西部红雪松),红杉,Rimu,云杉(例如挪威云杉,黑云杉,红果云杉,北美云杉,白云杉),日本雪松,白雪松(例如北部白雪松,南部白雪松),和黄雪松。在一个实施方案中，软木材为松树。
硬木材(也称为被子植物)可以包含例如非洲斑木,缅茄木,非洲阿勃木,桤木(例如黑桤木,红桤木),平果木,梣木(例如黑梣木,四棱梣木,.欧洲白蜡木,绿梣木,阔叶白蜡木,绒毛梣木,白腊木),山杨(例如大齿杨,欧洲山杨,颤杨),澳大利亚铅笔柏,Ayan,巴尔杉木,椴树(例如美国椴树,白椴),山毛榉(例如欧洲山毛榉,美国山毛榉),桦树(例如灰桦树,河桦树,纸皮桦树,香桦树,黄桦树,银桦树,白桦树),黑豆,紫树,墨水树(例如澳大利亚墨水树,非洲墨水树),红木,黄金檀,复叶槭,苏木,非洲花梨,七叶木(例如欧洲七叶木,俄亥俄州七叶木,黄七叶木),白胡桃树,澳洲香樟,酸渣树,梓树,樱桃树(例如黑莓,樱桃树,Whild Cherry),栗子树(例如粉绿卡洛风子木),角瓣木,微凹黄檀,软木,棉白杨(例如香白杨,东部杨木,白杨树,冬青叶杨),Cucumbertree,山茱萸(例如州花山茱萸,太平洋山茱萸),黑檀树(例如斑纹黑檀,Ebène Marbre,加蓬乌木),榆树(例如美洲榆,英国榆树,石榆木,红榆,无毛榆),桉树(例如白桃花芯木,南部桃花芯木,枫香树,红桉,蓝桉,巨桉,澳大利亚西部桉树,小帽桉,灰铁,黑基木,塔斯马尼亚橡木,红桉,大叶桉树,蓝胶树,铁桉),梣叶斑纹漆木,绿心樟,非洲黑木,橡胶树,美国朴木,山胡桃树(例如柔毛山核桃木,山核桃树,光叶山核桃,小糙皮山核桃树,大糙皮山核桃木),鹅耳枥,凤尾蕉,Ipê,伊洛科木,巴西玫瑰木,Jatobá,西阿拉黄檀树,珍珠木,月桂树,西非榄仁树,愈疮木,角豆树(例如洋槐,刺槐,皂荚树),枫树(例如糖枫,黑枫,曼尼托巴枫,红枫,银枫树,槭树),橡树(例如大果橡树,白栎,Post Oak,二色栎,南方鲜色栎,沼生栎,栗子树,矮栎,黄鳞栎,提琴叶栎,英国栎树,红橡,黑栎,月桂叶栎树,舒氏红栎,水栎,桃叶栎,Nuttall’s Oak),欧贝彻,Okoumé,橄榄树,俄勒冈番樱桃,California Bay Laurel,Padauk Palisander,梨树,粉红象牙,白杨树(例如香脂白杨,黑杨,杂种杨,黄杨),紫心苏木,拉敏木,Redheart,柚树,胡桃(例如黑胡桃,波斯胡桃,巴西核桃),鸡翅木,和柳树(例如黑柳,板球拍柳木,白柳)。在某些实施方案中，硬木材选自桦树,桉树,山杨,枫树和它们的任意的组合。
在本发明所述的方法中使用的软木材或硬木材可以以任何合适的形式使用，包含例如木屑、锯末、树皮和它们的任意的组合。
木薯(Manihot esculenta)为大戟科(spurge family)的木本灌木。木薯茎可以用于本发明所述的方法中。
甘蔗渣是在甘蔗或秫秸通过糖汁提取法挤压后仍保持的纤维材料(秆和茎)。甘蔗渣麦秆是指甘蔗植物的叶。甜菜渣是在对甜菜进行加工以提取含糖果汁后所保留的副产物。
油棕可以包含例如非洲油棕、美国油棕和马来西亚油棕。在本发明所述的方法中使用的油棕可以为选自空果串、中果皮纤维、棕榈壳和果仁中的棕榈油废料。
玉米秸秆包含玉米(Zea mays)的叶和秆。
洋麻纤维包含在羊麻植物的树皮和芯中发现的那些。其他纤维包含麦秆、稻秆、柳枝稷和芒草。
食物残渣可以包含固体和/或液体形式的任何食品(其是未加工的或烹调的、被丢弃的或即将丢弃的)。食物残渣包含通过处理、储存、出售、制作、烹调和盛装食品而产生的有机残余物。
酶消化残余物可以包含由生物质的酶水解而得到的固体和/或液体形式的任何残余生物质材料。酶消化残余物可以包含残余量的纤维素、半纤维素和/或木质素。
啤酒底部沉积物可以包含在啤酒酿造工艺中由发酵得到的任何残余材料。
造纸污泥包含由纸和纸浆厂的沸水蒸汽回收的固体残余物。
在本发明所述的方法中使用的供料包含纤维素材料，其可以包含含有纤维素和/或半纤维素的任何材料。在某些实施方案中，纤维材料可以为除了包含纤维素和/或半纤维素以外还包含木质素的木质纤维素材料。纤维素为包含β-(1-4)-D-葡萄糖单元线性链的多糖。此外，半纤维素也是多糖，但是与纤维素不同，半纤维素为通常包含糖单元短链的支化聚合物。半纤维素可以包含多种糖单体，包含例如木聚糖、木葡聚糖、阿拉伯糖基木聚糖和甘露聚糖。
纤维素材料通常在生物质中发现。在一些实施方案中，本发明所述的方法使用了包含基本比率的纤维素材料的供料，例如大约5％、大约10％、大约15％、大约20％、大约25％、大约50％、大约75％、大约90％或者高于大约90％的纤维素。在某些实施方案中，纤维素材料可以包含草本材料、农业残余物、林业残余物、城市固体废料、废纸以及纸和纸浆厂残余物。在某些实施方案中，纤维素材料为玉米秸秆、玉米纤维或玉米芯。在其他的实施方案中，纤维素材料为甘蔗渣、稻秆、麦秆、柳枝稷和芒草。在其他的实施方案中，纤维素材料还可以包含化学纤维素(例如)、工业纤维素(例如纸或纸浆)、细菌纤维素或海藻纤维素。如本发明所述和本领域已知，纤维素材料可以以来源时的样子使用，或者可以经过一种或多种预处理。例如预处理的玉米秸秆(“PCS”)为由玉米秸秆通过使用热和/或稀硫酸进行处理而衍生的并适于与本发明所述的催化剂一起使用的纤维素材料。
纤维素的多种不同的晶体结构是本领域已知的。例如晶体纤维素为其中线性β-(1-4)-葡聚糖链可以包装成三维超结构的纤维素形式。聚集的β-(1-4)-葡聚糖链通常通过分子内氢键和分子间氢键而保持在一起。由晶体纤维素的结构所导致的位阻可以阻止反应性物质(例如酶或化学催化剂)的接近于葡聚糖链中的β-糖苷键。相反，非结晶纤维素和无定形纤维素为其中单个的β-(1-4)-葡聚糖链没有大量地包装成氢键键合的超结构(其中反应性物质向纤维素中β-糖苷键的接近被阻止)的纤维素形式。
本领域的任一技术人员将确认天然来源的纤维素可以包含晶畴和非晶畴的混合物。其中在晶体形式中存在糖单元的β-(1-4)-葡聚糖链的区域在本发明中优选用作纤维素材料的“晶畴”。通常，在天然纤维素中存在的β-(1-4)-葡聚糖链展现出数均聚合度为大约1,000至大约4,000葡萄糖酐(“AHG”)单元(即通过β-糖苷键连接的大约1,000-4,000葡萄糖分子)，而晶畴的数均聚合度通常为大约200至大约300AHG单元。例如参见R.Rinaldi,R.Palkovits,and F.Schüth,Angew.Chem.Int.Ed.,47,8047–8050(2008)；Y.-H.P.Zhangand L.R.Lynd,Biomacromolecules,6,1501-1515(2005)。
通常，纤维素具有通过非晶体连接体连接的多个晶畴，其中所述的非晶体连接体可以包含少量的葡萄糖酐单元。本领域的任一技术人员将确认传统的消化生物质(例如稀酸条件)的方法可以消化天然纤维素的非晶畴，但不能消化晶畴。稀酸处理不能明显地破坏单个的β-(1-4)-葡聚糖链包装成氢键键合的超结构，也不能水解包装的β-(1-4)-葡聚糖链中的大量的糖苷键。因此，使用稀酸处理天然纤维素材料将输入纤维素的数均聚合度降低至大约200-300葡萄糖酐单元，但是不能进一步将纤维素的聚合度降低至低于大约150-200葡萄糖酐单元(其为晶畴的典型尺寸)。
在某些实施方案中，本发明所述的催化剂可以用于消化天然纤维素材料。所述的催化剂可以通过化学转化而用于消化晶体纤维素，其中在所述的化学转化中，纤维素的平均聚合度被降低至低于晶畴的平均聚合物的值。可以通过观察纤维素的平均聚合度的降低来检测晶体纤维素的消化。在某些实施方案中，所述的催化剂可以将纤维素的聚合度由至少大约300个AGH单元降低至低于大约200个AHG单元。
应该理解的是本发明所述的催化剂可以用于消化晶体纤维素以及微晶纤维素。本领域的任一技术人员将确认晶体纤维素通常具有晶畴、以及无定形或非晶畴的混合物，而微晶纤维素通常是指其中无定形或非晶畴通过化学处理而除去、使得残余的纤维素基本上仅具有晶畴的纤维素形式。
b)供料的预处理
在一些实施方案中，本发明所述的催化剂可以与经过预处理的供料一起使用。在其他的实施方案中，本发明所述的催化剂可以与预处理之前的供料一起使用。
本领域已知的任何预处理工艺都可以用于破坏纤维素材料的植物细胞壁成分，例如化学或物理预处理工艺。例如参见Chandra et al.,Substrate pretreatment:The keyto effective enzymatic hydrolysis of lignocellulosics？,Adv.Biochem.Engin./Biotechnol.,108:67-93(2007)；Galbe and Zacchi,Pretreatment of lignocellulosicmaterials for efficient bioethanol production,Adv.Biochem.Engin./Biotechnol.,108:41-65(2007)；Hendriks and Zeeman,Pretreatments to enhance thedigestibility of lignocellulosic biomass,Bioresource Technol.,100:10-18(2009)；Mosier et al.,Features of promising technologies for pretreatmentoflignocellulosic biomass,Bioresource Technol.,96:673-686(2005)；Taherzadehand Karimi,Pretreatment of lignocellulosic wastes to improve ethanol andbiogas production:A review,Int.J.ofMol.Sci.,9:1621-1651(2008)；Yang and Wyman,Pretreatment:the key to unlocking low-cost cellulosic ethanol,BiofuelsBioproducts and Biorefining(Biofpr),2:26-40(2008).Examples of suitablepretreatment methods are described by Schell et al.(Appl.Biochem.andBiotechnol.,105-108:69-85(2003)and Mosier et al.(Bioresource Technol.,96:673-686(2005),以及美国专利申请No.2002/0164730。
合适的预处理可以包含例如洗涤,溶剂萃取,溶剂膨胀,粉碎,研磨,蒸汽预处理,爆破蒸汽预处理,稀酸预处理,热水预处理,碱预处理,石灰预处理,湿式氧化,湿爆裂,氨纤维爆裂,有机溶剂预处理,生物预处理,氨过滤,超声处理,电穿孔,微波处理,超临界CO2,超临界H2O,臭氧,和γ辐射，或者它们的组合。本领域的任一技术人员将确认适用于预处理生物质的条件。例如参见美国专利申请No.2002/0164730；Schell et al.,Appl.Biochem.Biotechnol.,105-108:69-85(2003)；Mosier et al.,BioresourceTechnol.,96:673-686(2005)；Duff and Murray,Bioresource Technol.,855:1-33(1996)；Galbe and Zacchi,Appl.Microbiol.Biotechnol.,59:618-628(2002)；Ballesteros et al.,Appl.Biochem.Biotechnol.,129-132:496-508(2006)；Varga etal.,Appl.Biochem.Biotechnol.,113-116:509-523(2004)；Sassner et al.,EnzymeMicrob.Technol.,39:756-762(2006)；Schell et al.,Bioresource Technol.,91:179-188(2004)；Lee et al.,Adv.Biochem.Eng.Biotechnol.,65:93-115(1999)；Wyman etal.,Bioresource Technol.,96:1959-1966(2005)；Mosier et al.,BioresourceTechnol.,96:673-686(2005)；Schmidt and Thomsen,Bioresource Technol.,64:139-151(1998)；Palonen et al.,Appl.Biochem.Biotechnol.,117:1-17(2004)；Varga et al.,Biotechnol.Bioeng.,88:567-574(2004)；Martin et al.,J.Chem.Technol.Biotechnol.,81:1669-1677(2006)；WO 2006/032282；Gollapalli et al.,Appl.Biochem.Biotechnol.,98:23-35(2002)；Chundawat et al.,Biotechnol.Bioeng.,96:219-231(2007)；Alizadehet al.,Appl.Biochem.Biotechnol.,121:1133-1141(2005)；Teymouri et al.,Bioresource Technol.,96:2014-2018(2005)；Pan et al.,Biotechnol.Bioeng.,90:473-481(2005)；Pan et al.,Biotechnol.Bioeng.,94:851-861(2006)；Kurabi et al.,Appl.Biochem.Biotechnol.,121:219-230(2005)；Hsu,T.-A.,Pretreatment of Biomass,in Handbook on Bioethanol:Production and Utilization,Wyman,C.E.,ed.,Taylor&Francis,Washington,D.C.,179-212(1996)；Ghosh and Singh,Physicochemical andbiological treatments for enzymatic/microbial conversion ofcellulosicbiomass,Adv.Appl.Microbiol.,39:295-333(1993)；McMillan,J.D.,Pretreatinglignocellulosic biomass:a review,in Enzymatic Conversion ofBiomass for FuelsProduction,Himmel,M.E.,Baker,J.O.,and Overend,R.P.,eds.,ACS SymposiumSeries566,American Chemical Society,Washington,D.C.,Chapter 15(1994)；Gong,C.S.,Cao,N.J.,Du,J.,and Tsao,G.T.,Ethanol production from renewableresources,inAdvances in Biochemical Engineering/Biotechnology,Scheper,T.,ed.,Springer-Verlag Berlin Heidelberg,Germany,65:207-241(1999)；Olsson and Hahn-Hagerdal,Fermentation of lignocellulosic hydrolysates for ethanol production,Enz.Microb.Tech.,18:312-331(1996)；and Vallander and Eriksson,Productionofethanol from lignocellulosic materials:State ofthe art,Adv.Biochem.Eng./Biotechnol.,42:63-95(1990)。
在其他的实施方案中，本发明所述的催化剂可以与未经过预处理的供料一起使用。此外，替代或者除了预处理以外，所述的供料还可以经过其他的工艺，包含例如粒径破碎、预浸、润湿、洗涤或调理。
此外，使用的术语“预处理”并非表明或要求本发明所述的方法的步骤的、任何特定的定时。例如供料可以在水解之前预处理。备选地，预处理可以与水解同时实施。在一些实施方案中，预处理步骤本身使得生物质一定程度低转化成糖(例如即使在本发明所述的催化剂缺如的条件下)。
本发明公开了通过以下过程用于在生物质水解之前对供料进行预处理从而生产一种或多种糖的方法：
a)提供供料；
b)将所述的供料与所公开的催化剂结合足以部分降解该供料的一段时间；
c)在水解之前对部分降解的供料进行预处理，从而生产一种或多种糖。
步骤b)可以进一步包含将所述的供料和催化剂与溶剂(例如水)相结合。步骤a)的供料可以包含纤维素、半纤维素或它们的组合。在一些实施方案中，预处理部分降解的供料可以包含洗涤,溶剂萃取,溶剂膨胀,粉碎,研磨,蒸汽预处理,爆破蒸汽预处理,稀酸预处理,热水预处理,碱预处理,石灰预处理,湿式氧化,湿爆裂,氨纤维爆裂,有机溶剂预处理,生物预处理,氨过滤,超声处理,电穿孔,微波处理,超临界CO2,超临界H2O,臭氧,和γ辐射，或者它们的组合。
此外，经过预处理的部分降解的生物质可以被水解，从而生产一种或多种糖。可以使用化学或酶水解方法。在一些实施方案中，一种或多种糖可以包含葡萄糖,半乳糖,果糖,木糖和阿拉伯糖。
本发明提供了通过以下过程来水解经过预处理的供料从而生产一种或多种糖的方法：
a)提供经过预处理的供料；以及
b)水解所述的经过预处理的供料，从而生产一种或多种糖。
可以使用本发明所述的催化剂或者诸如化学水解或酶水解之类的其他方法来水解经过预处理的供料。在一些实施方案中，所得的糖选自葡萄糖,半乳糖,果糖,木糖和阿拉伯糖。
可以与所述的催化剂一起使用的用于预处理纤维素材料的多种常用的方法如下文所述。
蒸汽预处理
加热包含纤维素材料的供料，以破坏植物细胞壁成分(例如木质素、半纤维素、纤维素)从而使纤维素和/或半纤维素更容易接近酶。所述的供料通常被传递至或通过反应容器，其中注入蒸汽从而使温度升高至所需的温度，并将其中的压力保持所需的反应时间。
在其中使用蒸汽预处理来对纤维素材料进行预处理的某些实施方案中，可以在大约140℃至大约230℃、大约160℃至大约200℃、或者大约170℃至大约190℃的温度下实施预处理。但是应该理解的是蒸汽预处理的最佳温度范围可以根据所使用的高分子催化剂而改变。
在某些实施方案中，蒸汽预处理的停留时间为大约1分钟至大约15分钟、大约3分钟至大约12分钟、或者大约4分钟至大约10分钟。但是应该理解的是蒸汽预处理的最佳停留时间可以根据温度范围和所使用的高分子催化剂而改变。
在一些实施方案中，蒸汽预处理可以与预处理后的材料的爆裂式放电相结合，爆裂式放电也称为蒸汽爆裂，其为快速闪蒸至大气压力并形成材料的湍流，从而通过破碎而增加可及表面积。参见Duff and Murray,Bioresource Technol.,855:1-33(1996)；Galbeand Zacchi,Appl.Microbiol.Biotechnol.,59:618-628(2002)；美国专利申请No.2002/0164730。
在蒸汽预处理过程中，可以切割半纤维素中的乙酰基，并且所得的酸可以自催化将半纤维素部分水解成单糖和/或寡糖。但是，本领域的任一技术人员将确认仅有限程度地除去了木质素(当供料中存在时)。因此，在某些实施方案中，可以在蒸汽预处理之前加入诸如硫酸(通常为0.3w/w％至3w/w％)之类的催化剂，从而降低时间和温度，增加回收并改善酶水解。参见Ballesteros et al.,Appl.Biochem.Biotechnol.,129-132:496-508(2006)；Varga et al.,Appl.Biochem.Biotechnol.,113-116:509-523(2004)；Sassner et al.,EnzymeMicrob.Technol.,39:756-762(2006)。
化学预处理
供料的化学预处理可以促进化学工艺对纤维素、半纤维素和/或木质素的分离和/或释放。合适的化学预处理工艺的实例包含例如稀酸预处理,石灰预处理,湿式氧化,氨纤维/冷冻爆裂(AFEX),氨过滤(APR)和有机溶剂预处理。
在一个实施方案中，可以使用稀酸或弱酸预处理。可以将纤维素材料与稀酸和水混合，从而形成浆料，通过蒸汽加热至某温度，并且在停留时间后，闪蒸至大气压力。适用于该预处理方法的酸可以包含例如硫酸、乙酸、柠檬酸、硝酸、磷酸、酒石酸、琥珀酸、氢氯化物或它们的混合物。在一个变体中，使用了硫酸。可以在大约1-5的pH范围内、在大约1-4的pH范围内或者在大约1-3的pH范围内实施稀酸处理。酸的浓度范围可以为大约0.01至大约20wt％酸，大约0.05至大约10wt％酸，大约0.1至大约5wt％酸，或者大约0.2至大约2.0wt％酸。将所述的酸与纤维素材料相接触，并且可以在大约160-220℃、或者大约165-195℃的温度范围内保持几秒至几分钟的一段时间(例如大约1秒至大约60分钟)。可以使用多种反应器设计来实施稀酸预处理，包含例如栓塞流反应器、逆流反应器和连续逆流收缩床反应器。参见Duff and Murray(1996),supra；Schell et al.,Bioresource Technol.,91:179-188(2004)；Lee et al.,Adv.Biochem.Eng.Biotechnol.,65:93-115(1999)。
在另一个实施方案中，可以使用碱预处理。合适的碱预处理的实例包含例如石灰预处理,湿式氧化,氨过滤(APR),以及氨纤维/冷冻爆裂(AFEX)。可以使用碳酸钙、氢氧化钠或氨在大约85℃至大约150℃的温度且停留时间为大约1小时至几天下来实施石灰预处理。参见Wyman et al.,Bioresource Technol.,96:1959-1966(2005)；Mosier et al.,Bioresource Technol.,96:673-686(2005)。
在另一个实施方案中，可以使用湿式氧化。湿式氧化为可以在例如180℃至200℃下实施5-15分钟并且加入氧化剂(例如过氧化氢或超压氧)的热处理。参见Schmidt andThomsen,Bioresource Technol.,64:139-151(1998)；Palonen et al.,Appl.Biochem.Biotechnol.,117:1-17(2004)；Varga et al.,Biotechnol.Bioeng.,88:567-574(2004)；Martin et al.,J.Chem.Technol.Biotechnol.,81:1669-1677(2006)。可以在例如大约1-40％干物质、大约2-30％干物质、或者大约5-20％干物质下实施湿式氧化，并且还可以通过加入碱(例如碳酸钠)来增加初始pH。改进的湿式氧化预处理方法(称为湿爆裂，其为湿式氧化与蒸汽爆裂的组合)可以处理多达大约30％的干物质。在湿爆裂中，可以在某段停留时间之后在预处理的过程中引入氧化剂，并且可以通过闪蒸至大气压力来结束预处理。参见WO 2006/032282。
在另一个实施方案中，可以使用使用了氨的预处理方法。例如参见WO 2006/110891；WO 2006/11899；WO 2006/11900；和WO 2006/110901。例如氨纤维爆裂(AFEX)涉及在适度的温度(例如大约90-100℃)和高压(例如大约17-20巴)下使用液态或气态氨对供料处理给定的持续时间(例如大约5-10分钟)，其中在一些情况下，干物质的含量可以高达大约60％。参见Gollapalli et al.,Appl.Biochem.Biotechnol.,98:23-35(2002)；Chundawat et al.,Biotechnol.Bioeng.,96:219-231(2007)；Alizadeh et al.,Appl.Biochem.Biotechnol.,121:1133-1141(2005)；Teymouri et al.,BioresourceTechnol.,96:2014-2018(2005)。AFEX预处理可以使纤维素解聚，部分水解半纤维素，并且在一些情况下，可以切割一些木质素-碳水化合物复合物。
有机溶剂预处理
可以使用有机溶剂溶液将纤维材料脱木素。在一个实施方案中，有机溶剂预处理涉及在高温(例如大约160-200℃)下使用乙醇水溶液(例如大约40-60％乙醇)提取一段时间(例如大约30-60分钟)。参见Pan et al.,Biotechnol.Bioeng.,90:473-481(2005)；Panet al.,Biotechnol.Bioeng.,94:851-861(2006)；Kurabi et al.,Appl.Biochem.Biotechnol.,121:219-230(2005)。在一个变体中，将硫酸作为催化剂加入至有机溶剂溶液中，从而使纤维素材料脱木素。本领域的任一技术人员将确认有机溶剂预处理通常可以断裂大部分的半纤维素。
物理预处理
供料的物理预处理可以促进物理工艺对纤维素、半纤维素和/或木质素的分离和/或释放。合适的物理预处理工艺的实例可以涉及辐射(例如微波辐射)、蒸汽处理/蒸汽爆裂、热解法和它们的组合。
物理预处理可以涉及高压和/或高温。在一个实施方案中，物理预处理为蒸汽爆裂。在一些变体中，高压是指压力范围为大约300-600psi、大约350-550psi、或者大约400-500psi、或者大约450psi。在一些变体中，高温是指温度范围为大约100-300℃、或者大约140-235℃。
在另一个实施方案中，物理预处理为机械预处理。机械预处理的合适的实例可以包含多种磨碎或研磨(例如干法研磨、湿法研磨、或者振动球磨)。在一些变体中，机械预处理是以分批工艺的方式实施的，例如使用了高压和高温的蒸汽枪水解器系统(例如得自Sunds DefibratorAB,Sweden的Sunds Hydrolyzer)。
物理和化学的组合预处理
在一些实施方案中，所述的供料可以以物理和化学方式进行预处理。例如在一个变体中，预处理步骤可以涉及稀酸或弱酸处理、以及高温和/或高压处理。应该理解的是物理预处理和化学预处理可以依次或同时实施。在其他的变体中，所述的预处理除了包含化学预处理以外，还可以包含机械预处理。
生物预处理
生物预处理技术可以涉及应用溶解木质素的微生物有机体。例如参见Hsu,T.-A.,Pretreatment of Biomass,in Handbook on Bioethanol:Production and Utilization,Wyman,C.E.,ed.,Taylor&Francis,Washington,D.C.,179-212(1996)；Ghosh and Singh,Physicochemical and biological treatments for enzymatic/microbial conversionof cellulosic biomass,Adv.Appl.Microbiol.,39:295-333(1993)；McMillan,J.D.,Pretreating lignocellulosic biomass:a review,in Enzymatic ConversionofBiomass for Fuels Production,Himmel,M.E.,Baker,J.O.,and Overend,R.P.,eds.,ACS Symposium Series566,American Chemical Society,Washington,D.C.,chapter 15(1994)；Gong,C.S.,Cao,N.J.,Du,J.,and Tsao,G.T.,Ethanol production fromrenewable resources,inAdvances in Biochemical Engineering/Biotechnology,Scheper,T.,ed.,Springer-Verlag Berlin Heidelberg,Germany,65:207-241(1999)；Olsson and Hahn-Hagerdal,Fermentation of lignocellulosic hydrolysates forethanol production,Enz.Microb.Tech.,18:312-331(1996)；and Vallander andEriksson,Production ofethanol from lignocellulosic materials:State ofthe art,Adv.Biochem.Eng./Biotechnol.,42:63-95(1990)。在一些实施方案中，预处理可以在水性浆料中实施。在其他的实施方案中，在预处理过程中供料以大约10-80wt％、大约20-70wt％、或者大约30-60wt％、或者而大约50wt％的量存在。此外，在预处理后，经过预处理的供料可以是未洗涤的，或者是使用本领域已知的任何方法洗涤(例如用水洗涤)，然后水解，从而生产一种或多种糖，或者所述的供料与催化剂一起使用。
c)糖化作用
在上文所述的任意一种方法的一些实施方案中，所述的催化剂能够以至少大约0.001/小时的一阶速率常数将供料(例如软木材,硬木材,木薯,甘蔗渣,甜菜渣,稻草,造纸污泥,油棕,玉米秸秆,食物残渣,酶消化残余物,啤酒底部沉积物以及它们的任意的组合)降解成一种或多种糖。在其他的实施方案中，所述的催化剂能够以至少大约0.1/小时、至少大约0.15/小时、至少大约0.2/小时、至少大约0.25/小时、至少大约0.3/小时或者至少大约0.5/小时的一阶速率常数降解供料(例如软木材,硬木材,木薯,甘蔗渣,甜菜渣,稻草,造纸污泥,油棕,玉米秸秆,食物残渣,酶消化残余物,啤酒底部沉积物以及它们的任意的组合)，从而生产糖。
在上文所述的任意一种方法的一些实施方案中，所述的催化剂能够将供料(例如软木材,硬木材,木薯,甘蔗渣,甜菜渣,稻草,造纸污泥,油棕,玉米秸秆,食物残渣,酶消化残余物,啤酒底部沉积物以及它们的任意的组合)转化成一种或多种糖和残余的生物质，其中所述的残余的供料的聚合度低于大约300。在其他的实施方案中，所述的催化剂能够将供料(例如软木材,硬木材,木薯,甘蔗渣,甜菜渣,稻草,造纸污泥,油棕,玉米秸秆,食物残渣,酶消化残余物,啤酒底部沉积物以及它们的任意的组合)转化成一种或多种糖以及残余的供料，其中所述的残余的供料的聚合度低于大约100、低于大约90、低于大约80、低于大约70、低于大约60、或者低于大约50。
糖化作用通常在受控的pH、温度和混合条件下在搅拌罐反应器或容器中进行。本领域的任一技术人员将确认合适的处理时间、温度和pH条件可以根据所用的供料的类型(包含供料中纤维素材料的类型和量)、催化剂和溶剂而改变。这些因素将在下文中更详细的描述。
在一个方面中，提供了通过以下过程来由供料生产一种或多种糖的方法：
a)提供包含供料的第一组合物，其中所述的供料选自软木材,硬木材,木薯,甘蔗渣,甜菜渣,稻草,造纸污泥,油棕,玉米秸秆,食物残渣,酶消化残余物,啤酒底部沉积物以及它们的任意的组合；
b)提供有效量的催化剂，从而形成反应混合物，
其中所述的催化剂为高分子催化剂或固载化催化剂，
其中所述的高分子催化剂包含连接的酸性单体和离子单体，从而形成高分子主链，其中多个酸性单体独立地包含至少一个Bronsted-Lowry酸，并且其中多个离子单体独立地包含至少一个含氮阳离子基团、至少一个含磷阳离子基团或它们的组合，
其中所述的固载化催化剂包含固载体、附着在固载体上的酸性部分以及附着在固载体上的离子部分，其中多个酸性部分独立地包含至少一个Bronsted-Lowry酸，并且其中多个离子部分独立地包含至少一个含氮阳离子基团、至少一个含磷阳离子基团或它们的组合；
c)降解反应混合物中的供料，从而产生液相和固相，其中所述的液相包含一种或多种糖，并且所述的固相包含残余的供料；
d)将至少一部分所述的液相与所述的固相分离；以及
e)由分离的液相回收一种或多种糖。
此外，本发明还公开了通过以下过程来由供料生产一种或多种糖的方法：
a)提供包含供料的第一组合物，其中所述的供料选自软木材,硬木材,木薯,甘蔗渣,甜菜渣,稻草,造纸污泥,油棕,玉米秸秆,食物残渣,酶消化残余物,啤酒底部沉积物以及它们的任意的组合；以及
b)提供有效量的催化剂，从而形成反应混合物，
其中所述的催化剂为高分子催化剂或固载化催化剂，
其中所述的高分子催化剂包含连接的酸性单体和离子单体，从而形成高分子主链，其中多个酸性单体独立地包含至少一个Bronsted-Lowry酸，并且其中多个离子单体独立地包含至少一个含氮阳离子基团、至少一个含磷阳离子基团或它们的组合，
其中所述的固载化催化剂包含固载体、附着在固载体上的酸性部分以及附着在固载体上的离子部分，其中多个酸性部分独立地包含至少一个Bronsted-Lowry酸，并且其中多个离子部分独立地包含至少一个含氮阳离子基团、至少一个含磷阳离子基团或它们的组合。
所述的方法可以进一步包含：
c)降解反应混合物中的供料，从而产生液相和固相，其中所述的液相包含一种或多种糖，并且所述的固相包含残余的供料。
在一些实施方案中，所述的方法可以进一步包含：
d)将至少一部分所述的液相与所述的固相分离；以及
e)由分离的液相回收一种或多种糖。
在一些实施方案中，残余的供料具有至少一部分催化剂。所述的催化剂可以在分离步骤d)之前或之后与固相分离。在一些实施方案中，将一部分组合物与固相分离与步骤d)基本同时发生。如本文所用，“基本同时”是指在多个时间期间中发生2个或多个步骤，其中所述的时间期间重叠至少大约5％、至少大约10％、至少大约20％、至少大约30％、至少大约40％或者至少大约50％的时间。
在一些实施方案中，第一组合物可以与溶剂(例如水)相接触。
在一些实施方案中，在步骤(d)中将至少一部分液相与固相分离会产生残余的供料混合物，并且所述的方法进一步包含：
i)提供其他的供料(例如软木材,硬木材,木薯,甘蔗渣,甜菜渣,稻草,造纸污泥,甜菜渣,稻草,造纸污泥,油棕,玉米秸秆,食物残渣,酶消化残余物,啤酒底部沉积物以及它们的任意的组合)；
ii)将其他的供料与残余的供料混合物相接触；
iii)降解其他供料与残余的供料的混合物，从而产生第二液相和第二固相，其中所述的第二液相包含一种或多种其他的糖，并且其中所述的第二固相包含其他的残余的供料；
iv)将至少一部分第二液相与第二固相分离；以及
v)由分离的第二液相回收一种或多种其他的糖。
在一些实施方案中，步骤(i)中的其他的供料(例如软木材,硬木材,木薯,甘蔗渣,甜菜渣,稻草,造纸污泥,油棕,玉米秸秆,食物残渣,酶消化残余物,啤酒底部沉积物以及它们的任意的组合)与步骤(a)中的供料是相同类型或不同的类型。在其他的实施方案中，步骤(iii)中生产的一种或多种其他的糖与步骤(c)中生产的一种或多种糖是相同类型或不同的类型。
在某些实施方案中，所述的方法进一步包含将步骤(iii)中的其他的供料和残余的供料的混合物与其他的催化剂相接触，其中所述的其他的催化剂可以为本发明所述的任意一种催化剂(例如高分子催化剂、固载化催化剂或它们的组合)。在某些实施方案中，其他的催化剂与步骤(b)中的催化剂相同或不同。在一些实施方案中，其他的供料混合物与至少一部分催化剂结合。
在其他的实施方案中，所述的方法进一步包含将其他的供料和残余的供料的混合物与其他的溶剂相接触。在某些实施方案中，其他的溶剂与步骤(b)中的溶剂相同或不同。在一个实施方案中，其他的溶剂包含水。
在一些实施方案中，第二供料包含纤维素、半纤维素或它们的组合。在其他的实施方案中，残余的供料混合物包含至少一部分组合物，该组合物具有有效量的高分子催化剂。
在一些实施方案中，所述的方法进一步包含在分离至少一部分第二液相之后回收所述的催化剂。
所述的供料可以选自软木材,硬木材,木薯,甘蔗渣,甜菜渣,稻草,造纸污泥,油棕,玉米秸秆,食物残渣,酶消化残余物,和啤酒底部沉积物，或者它们的任意的组合。在一个实施方案中，所述的供料为软木材。在一个实施方案中，所述的供料为硬木材。在一个实施方案中，所述的供料为木薯。在一个实施方案中，所述的供料为甘蔗渣。在一个实施方案中，所述的供料为甜菜渣。在一个实施方案中，所述的供料为稻草。在一个实施方案中，所述的供料为造纸污泥。在一个实施方案中，所述的供料为油棕。在一个实施方案中，所述的供料为玉米秸秆。在一个实施方案中，所述的供料为食物残渣。在一个实施方案下，所述的供料为酶消化残余物。在一个实施方案中，所述的供料为啤酒底部沉积物。
在上文所述的任意一种方法的一些实施方案中，本发明所述的催化剂具有选自以下的一种或多种催化性质：
a)破坏纤维素材料中的氢键；
b)将催化剂插入在纤维素材料的晶畴中；以及
c)使纤维素材料中的糖苷键断裂。
在上文所述的任意一种方法的一些实施方案中，与纤维素材料中单糖的脱水相比，所述的催化剂对糖苷键的断裂具有更高的特异性。
在一些实施方案中，所述的供料包含纤维素和半纤维素，并且在上述方法的过程中，所述的供料在适于以下操作的温度和压力下与所述的催化剂接合：
a)以高于半纤维素的程度来水解纤维素；或者
b)以高于纤维素的程度来水解半纤维素。
在一些实施方案中，其他的供料和残余的供料的混合物与本发明所述的第二催化剂结合。在一些实施方案中，其他的供料和残余的供料的混合物与第二溶剂(例如水)结合。在一些实施方案中，第二供料具有至少一部分组合物，该组合物具有有效量的催化剂。该组合物或其部分可以与其他的残余的供料分离。所述的部分可以在步骤iv)之前或之后与第二固相分离。在一些实施方案中，将一部分组合物与第二固相分离与步骤iv)基本同时发生。
在这些方法中生产的一种或多种糖可以选自一种或多种单糖、一种或多种寡糖或者它们的组合。所述的一种或多种单糖可以包含一种或多种C4-C6单糖。在一些实施方案中，所述的单糖可以选自葡萄糖,半乳糖,果糖,木糖和阿拉伯糖。
处理时间、温度和pH条件
在一些实施方案中，糖化作用可以持续多达大约200个小时。在其他的实施方案中，供料可以与催化剂接触大约1至大约96个小时、大约12至大约72个小时、或者大约12至大约48个小时。
在一些实施方案中，供料可以在大约25℃至大约150℃的温度范围内与聚合物相接处。在其他的实施方案中，供料可以在大约30℃至大约125℃、大约30℃至大约140℃、大约80℃至大约120℃、大约80℃至大约130℃、大约100℃至大约110℃、或者大约100℃至大约130℃的范围内与聚合物相接处。
用于糖化作用的pH通常受到所用催化剂的固有性质的影响。在一些实施方案中，催化剂的酸性部分可以影响糖化作用的pH。例如在催化剂中使用硫酸部分使得在pH为大约3下进行糖化作用。在其他的实施方案中，在pH为大约0至大约6下实施糖化作用。反应的流出物通常具有pH为至少大约4，或者具有与其他工艺(例如酶处理)相容的pH。但是应该理解的是可以通过加入酸、碱或缓冲剂来修改和控制pH。
此外，pH在反应器内是可以改变的。例如可以观察到在催化剂的表面上或附近具有高度的酸性，而远离催化剂表面的区域可以具有基本中性的pH。因此，本领域的任一技术人员将确认测定溶液的pH应该说明这种空间变化。
此外，应该理解的是在某些实施方案中，本发明所述的糖化作用方法可以进一步包含监测糖化反应的pH，并且可任选地调节反应器内的pH。在一些情况中，溶液中的低pH可以表明催化剂不稳定，其中催化剂可以通过沥出而丧失一部分酸性基团至周围环境中。在一些实施方案中，催化剂表面附近的pH为低于大约7、低于大约6或者低于大约5。
供料的使用量
在本发明所述的方法中使用的供料的量相对于溶剂的使用量可以影响反应速率和产率。所用的纤维素材料的量可以表征为干态固体含量。在某些实施方案中，干态固体含量是指浆料的总固体的百分率(基于干重)。在一些实施方案中，纤维素材料的干态固体含量为大约5wt％至大约95wt％、大约10wt％至大约80wt％、大约15wt％至大约75wt％、或者大约15wt％至大约50wt％。
催化剂的使用量
在本发明所述的糖化方法中使用的高分子催化剂的量可以取决于多种因素，包含例如纤维素材料的类型、纤维素材料的浓度、应用于纤维素材料的预处理(多种)的类型和数量、以及反应条件(例如温度、时间和pH)。在一个实施方案中，催化剂与纤维素材料的重量比值为大约0.1g/g至大约50g/g,大约0.1g/g至大约25g/g,大约0.1g/g至大约10g/g,大约0.1g/g至大约5g/g,大约0.1g/g至大约2g/g,大约0.1g/g至大约1g/g,或大约0.1至大约1.0g/g。本发明所公开的高分子催化剂的有效量是指足以降解生物质以达到例如上文列出的一种或多种所需的因素水平的量。一个合适的实例是有效量为能够降解多于大约5％、多于大约10％、多于大约20％、多于大约30％、多于大约40％或者多于大约50％的催化剂的量。在一些实施方案中，有效量可以为上文列出的重量比值范围内的任意一种。溶剂
在某些实施方案中，使用催化剂的水解是在水性环境中实施的。一种合适的水性溶剂为水，其可以得自多种来源。通常，具有低浓度的离子物质的水源是可用的，因为这种离子物质可以降低催化剂的效力。在其中水性溶剂包含水的一些实施方案中，这种水具有低于大约10％的离子物质(例如钠、磷、铵、镁或者在木质纤维素生物质中天然发现的其他物质)。
此外，当供料中的纤维素材料被水解时，随着糖的产生，水被消耗(基于摩尔对摩尔的单位)。在某些实施方案中，本发明所述的糖化方法可以进一步包含监测糖化反应中存在的水的量，和/或在一段时间内水与生物质的比例。在其他的实施方案中，本发明所述的糖化方法可以进一步包含将水例如以蒸汽或蒸汽浓缩物的形式直接供入至反应中。例如在一些实施方案中，反应器中的水合条件使得水与纤维素材料的比例为大约5:1,大约4:1,大约3:1,大约2:1,大约1:1,大约1:2,大约1:3,大约1:4,大约1:5,或者低于大约1:5。但是应该理解的是，可以根据所用的具体的催化剂来调节水与纤维素材料的比例。
分批与连续处理
通常，将催化剂和供料同时或依次引入至反应器的内室中。糖化作用可以以分批工艺或连续工艺实施。例如在一个实施方案中，糖化作用以分批工艺实施，其中将反应器的内含物连续混合或共混，并且除去所有或大量的反应产物。在一个变体中，糖化作用以分批工艺实施，其中将反应器的内含物进行初步的掺混或混合，但是未实施进一步的物理混合。在另一个变体中，糖化作用以分批工艺实施，其中一旦进一步混合反应器的内含物，或者周期性地混合反应器的内含物(例如每小时一次或多次)，则在某段时间之后除去所有或大量的反应产物。
在其他的实施方案中，糖化作用以连续工艺实施，其中内含物以平均连续的流速通过反应器，但是未进行明确的混合。在将催化剂和供料引入反应器之后，将反应器的内含物连续地或周期性地混合或共混，并且在一段时间后，除去并非所有的反应产物。在一个变体中，糖化作用以连续工艺实施，其中包含催化剂和供料的混合物并未充分混合。此外，催化剂通过重力沉淀而再分布的结果是可以进行催化剂与供料的混合，或者当所述的材料流过连续反应器时可以进行非充分的混合。
反应器
用于本发明所述的糖化方法中的反应器可以为适用于包含本发明所述的化学反应的开放或密闭式反应器。合适的反应器包含例如分批进料的搅拌式反应器、分批搅拌式反应器、具有超滤的连续流搅拌式反应器、连续推流床反应器、磨损反应器、或者具有强力搅拌(由电磁场感应的)的反应器。例如参见Fernanda de Castilhos Corazza,FlavioFaria de Moraes,Gisella Maria Zanin and Ivo Neitzel,Optimal control in fed-batch reactor for the cellobiose hydrolysis,Acta Scientiarum.Technology,25:33-38(2003)；Gusakov,A.V.,and Sinitsyn,A.P.,Kinetics of the enzymatichydrolysis of cellulose:1.A mathematical model for a batch reactor process,Enz.Microb.Technol.,7:346-352(1985)；Ryu,S.K.,and Lee,J.M.,Bioconversion ofwaste cellulose by using an attrition bioreactor,Biotechnol.Bioeng.25:53-65(1983)；Gusakov,A.V.,Sinitsyn,A.P.,Davydkin,I.Y.,Davydkin,V.Y.,Protas,O.V.,Enhancement of enzymatic cellulose hydrolysis using a novel type ofbioreactorwith intensive stirring induced by electromagnetic field,Appl.Biochem.Biotechnol.,56:141-153(1996)。其他合适的反应器类型可以包含例如流化床、上流式污泥床,用于水解和/或发酵的固定化和挤出型反应器。
在其中糖化作用是以连续工艺实施的某些实施方案中，所述的反应器可以包含连续混合器，例如螺杆混合器。所述的反应器通常可以由能够经受在本发明所述的工艺过程中施加的物理和化学力的材料制造。在一些实施方案中，这种用于反应器的材料能够承受高浓度的液态强酸；但是在其他的实施方案中，此类材料不能抵抗强酸。
在大规模水解开始时，所述的反应器可以通过顶部装填的进料器而装满纤维素材料，其中所述的顶部装填的进料器包含能够保持纤维素材料的供料斗。此外，所述的反应器通常包含用于除去反应器中的内含物(例如含糖溶液)的输出手段。可任选地，此类输出手段与能够处理由反应器中移除的内含物的装置连接。备选地，将移除的内含物储存。在一些实施方案中，反应器的输出手段与连续温育器连接，其中反应的内含物被引入至该连续温育器中。此外，输出手段通过例如螺杆供料器、通过重力作用或通过低剪切螺杆而提供了残余的纤维素材料的移除。
此外，还应该理解的是可以将其他的供料和/或催化剂同时或者一个接一个地加入至反应器中。
糖化作用的速率和比率
使用本发明所述的催化剂可以增加糖化作用的速率和/或产率。可以通过测定有效的一阶速率常数来测量催化剂将生物质的纤维素和半纤维素成分水解成可溶性的糖的能力：
其中Δt为反应的持续时间，而Xi为物质i(例如葡聚糖、木聚糖、阿聚糖)的反应程度。在一些实施方案中，本发明所述的催化剂能够以至少大约0.001/小时、至少大约0.01/小时、至少大约0.1/小时、至少大约0.2/小时、至少大约0.3/小时、至少大约0.4/小时、至少大约0.5/小时或者至少大约0.6/小时的一阶速率常数将生物质降解成一种或多种糖。
可以通过测定残余的生物质的聚合度来测量催化剂将供料的纤维素和半纤维素成分水解成可溶性的糖的水解速率。残余的生物质的聚合度越低，则水解产率越高。在一些实施方案中，本发明所述的催化剂能够将供料转化成一种或多种糖、以及残余的生物质，其中残余的生物质的聚合度低于大约300、低于大约250、低于大约200、低于大约150、低于大约100、低于大约90、低于大约80、低于大约70、低于大约60、或者低于大约50。
d)糖的制备和纯化
在一些实施方案中，使用本发明所述的催化剂由供料生产一种或多种糖的方法进一步包含回收由供料的水解而产生的糖。在另一个实施方案中，使用本发明所述的催化剂由供料生产一种或多种糖的方法进一步包含回收降解的或转化的供料。
可以使用本领域公知的技术(例如离心、过滤和重力沉淀)将通常为可溶性的糖与不溶性的残余的供料分离。
可以在水解反应器或分离器容器中进行糖的分离。在示例性的实施方案中，用于由供料来生产一种或多种糖的方法是在具有水解反应器和分离器容器中实施的。将包含单体和/或寡糖的反应器流出物转移至分离器容器中，并通过将溶剂加入至反应器容器中然后在连续离心机中分离溶剂来使用溶剂(例如水)进行洗涤。备选地，在另一个示例性的实施方案中，由反应器容器移除包含残余的固体(例如残余的供料)的反应器流出物，并通过例如将多孔基材(例如网孔传送带)上的固体运送通过溶剂(例如水)洗涤蒸汽来进行洗涤。在蒸汽与反应的固体相接处后，形成包含单糖和/或寡糖的液相。可任选地，可以通过旋风分离器分离残余的固体。用于分离的合适类型的旋风分离器可以包含例如切向旋风分离器、火花和旋转分离器、以及轴向和多旋风分离器单元。
在另一个实施方案中，糖的分离是通过分批的或连续的差示沉降来实施的。将反应器流出物转移至分离容器中，可任选地与水和/或酶结合以用于进一步处理流出物。经过一段时间，固体生物材料(例如残余的经处理的生物质)、催化剂和含糖水性材料可以通过差示沉降而分离成多个相(或层)。通常，催化剂层可以沉降至底部，并且取决于残余的生物质的密度，所述的生物质相可以在水相的顶部或底部。当以分批方式实施相分离时，可以由容器的顶部或者由容器底部的出口依次移除各相。当以连续方式实施相分离时，分离容器包含一个或多于一个的输出手段(例如2、3、4或多于4个)，其通常位于分离容器侧壁上的不同的垂直平面上，这样可以由容器中移除1、2或3相。移除的相被转移至随后的容器中或其他的储存手段中。通过这些工艺，本领域的任一技术人员将能够分别捕获(1)催化剂层、以及水层或生物质层；或者(2)分别捕获催化剂层、水层和生物质层，从而可以高效地进行催化剂的再循环、生物质的再处理以及糖的分离。此外，控制相移除的速率和其他参数可以使催化剂回收的效率增加。在移除各分离的相之后，通过水层分别洗涤催化剂和/或生物质，从而移除附着的糖分子。
在一些实施方案中，由容器分离的糖可以经历进一步的处理步骤(例如干燥，发酵)，从而生产生物燃料和其他生物产物。在一些实施方案中，所分离的单糖可以为至少大约1％纯的、至少大约5％纯的、至少大约10％纯的、至少大约20％纯的、至少大约40％纯的、至少大约60％纯的、至少大约80％纯的、至少大约90％纯的、至少大约95％纯的、至少大约99％纯的、或者高于大约99％纯的，其可以通过本领域已知的分析程序来测定，例如通过高效液相色谱(HPLC)来测定，通过气相色谱、质谱和光谱光度测量过程根据发色团络合作用和/或碳水化合物氧化-还原化学作用而官能化和分析。
由容器分离的残余的生物之可以用作燃烧燃料，或者用作非人类动物(例如家畜)的饲料来源。
e)催化剂的回收
用于生物质糖化作用的催化剂可以回收和再利用。催化剂的沉降用于回收使用后的催化剂。在一些实施方案中，催化剂可以催化剂可以下沉，而其他残余的固体可以保持悬浮在糖化反应混合物中。残余的供料和残余的供料混合物可以包含例如消化工艺后的剩余的供料、供料中非反应性材料、催化剂(例如在所述的工艺中用于生成残余的供料的完整的催化剂和/或其中一部分抗衡离子已经与供料中存在的盐发生了交换的催化剂)、消化的副产物(例如木质素)、一种或多种糖、一种或多种糖的降解产物、以及水或其他溶剂。
可以通过沉降系数来测量沉降速率：
其中m为颗粒的质量，v为其下沉速度(下沉颗粒在所选的溶剂中的终末速度)，而F为所施加的导致下沉的力。就重力沉降而言，F＝mg，并且
其中g为重力加速度。
就在水中的简单的重力沉降而言，在一些实施方案中，催化剂的沉降速率为大约10-6-10-2,大约10-5-10-3,或大约10-4-10-3。
此外，催化剂的密度还可以对糖化作用的回收的简便性产生影响。在一些实施方案中，催化剂的重力密度为大约0.5-3.0kg/L,大约1.0-3.0kg/L,或大约1.1-3.0kg/L。本领域的任一技术人员将确认适用于测量本发明所述的催化剂的密度的多种方法和技术。
下游产物
a)分离的糖的发酵
使用本发明所述的高分子催化剂和固载化催化剂由纤维素材料的水解而获得的糖可以用于下游工艺中，从而生产生物燃料和其他生物基化学制品。在另一个方面中，使用本发明所述的催化剂由纤维素材料的水解而获得的一种或多种糖可以发酵，从而生产一种或多种下游的产物(例如乙醇和其他生物燃料、维生素、脂质、蛋白质)。
糖化物组合物可以发生发酵，从而生产一种或多种双官能化的化合物。此类双官能化的化合物可以具有n个碳的链，其具有第一官能团和第二官能团。在一些实施方案中，第一官能团和第二官能团可以独立地选自-OH,-NH2,-COH,和-COOH。
双官能化的化合物可以包含例如醇、羧酸、羟基酸或胺。示例性双官能醇可以包含乙二醇,1,3-丙二醇,和1,4-丁二醇。示例性的双官能羧酸可以包含琥珀酸、己二酸和庚二酸。示例性的双官能羟基酸可以包含乙醇酸和3-羟基丙酸。示例性的双官能胺可以包含1,4-二氨基丁烷,1,5-二氨基戊烷,和1,6-二氨基己烷。
在一些实施方案中，本发明所述的方法包含将糖化物组合物与发酵宿主相接触，从而生产发酵产物混合物，其可以包含乙二醇,琥珀酸,己二酸,丁二醇或它们的组合。
在一些实施方案中，双官能化的化合物可以由发酵产物混合物分离得到，和/或进一步纯化。可以使用本领域已知的任何分离和纯化技术。
b)发酵宿主
发酵宿主可以为细菌或酵母菌。在一个实施方案中，发酵宿主为细菌。在一些实施方案中，所述的细菌可以分类为杆菌科。杆菌科中属的实例包含泛菌属,杀雄菌属,Averyella,Biostraticola,布赫纳氏菌属,黑草属,布赫纳氏菌属,布丘氏菌属,微丝菌属,Curculioniphilus,Cuticobacterium,Candidatus Ishikawaella,Macropleicola,Phlomobacter,Candidatus Riesia,Candidatus Stammerula,西地西菌属,枸橼酸杆菌属,克洛诺菌属,柠檬酸杆菌属,爱德华菌属,肠杆菌属,欧文氏菌属,埃希菌属,爱文氏菌属,Grimontella,哈夫尼菌属,克雷伯氏菌属,克吕沃尔氏菌属,勒克氏菌属,勒米诺氏菌属,Margalefia,米勒氏菌属,摩根氏菌属,肥杆菌属,泛菌属,果胶杆菌属,光杆状菌属,Phytobacter,邻单胞菌属,布拉格菌属,变形杆菌属,普罗威登斯菌属,拉恩氏菌属,兰奥尔菌属,沙门氏菌属,Samsonia,沙雷菌属,志贺氏菌属,Sodalis,塔特姆菌属,Thorasellia,Tiedjeia,特拉布斯氏菌属,Wigglesworthia,异短杆菌属,耶尔森氏菌属,和预研菌属。在一个实施方案中，细菌为大肠杆菌(E.coli)。
在一些实施方案中，发酵宿主是经过基因修饰的。在一个实施方案中，发酵宿主为基因修饰的E.coli。例如发酵宿主可以经过基因修饰从而增强了某些基因编码的特定途径的效力。在一个实施方案中，发酵宿主可以被修饰，从而增强了内源基因的表达，其中所述的内源基因可以正调节特定的途径。在另一个实施方案中，发酵宿主可以进一步被修饰，从而抑制某些内源基因的表达。
c)发酵条件
可以使用本领域中任何合适的发酵条件以发酵本发明所述的糖化物组合物，从而生产生物基产物及其成分。
在一些实施方案中，可以将糖化作用与发酵结合在分开进行的或同时进行的工艺中。发酵可以使用糖的水相，或者如果基本尚未由反应的生物质纯化糖，则可以在糖与反应的生物质的混杂的混合物上进行发酵。此类方法包含例如分步水解和发酵(SHF),同步糖化发酵(SSF),同步同化共发酵(SSCF),混合水解和发酵(HHF),分步水解和共发酵(SHCF),混合水解和共发酵(HHCF),以及直接微生物转化(DMC)。
例如SHF使用分开的工艺步骤，首先将纤维素材料酶水解成可发酵的糖(例如葡萄糖、纤维二糖、纤维三糖和戊糖之类的糖)，然后将所述的糖发酵成乙醇。
在SSF中，将纤维素材料的酶水解以及糖发酵成乙醇的发酵结合在一个步骤中。参见Philippidis,G.P.,Cellulose bioconversion technology,in Handbook onBioethanol:Production and Utilization,Wyman,C.E.,ed.,Taylor&Francis,Washington,D.C.,179-212(1996)。
SSCF涉及多种糖的共发酵。参见Sheehan,J.,and Himmel,M.,Enzymes,energyand the environment:A strategic perspective on the U.S.Department of Energy’sresearch and development activities for bioethanol,Biotechnol.Prog.,15:817-827(1999)。
HHF涉及分开的水解步骤，此外还涉及同步糖化水解步骤，其可以在相同的反应器中实施。HHF工艺中的步骤可以在不同的温度下实施；例如高温酶糖化，然后为低温(发酵菌株可以耐受该温度)SSF。
DMC将所有3个工艺(酶生产、水解和发酵)结合在一个或多个步骤中，其中相同的有机体用于生产将纤维素材料转化成可发酵的糖的酶，并且用于将可发酵的糖转化成终产物。参见Lynd,L.R.,Weimer,P.J.,van Zyl,W.H.,and Pretorius,I.S.,Microbialcellulose utilization:Fundamentals and biotechnology,Microbiol.Mol.Biol.Reviews,66:506-577(2002)。
制备催化剂的一般方法
a)制备高分子催化剂的方法
可以使用本领域已知的聚合技术来制备本发明所述的高分子催化剂，包含例如引发多个单体单元聚合的技术。
在一些实施方案中，可以通过首先形成具有离子基团官能化的中间体聚合物(其不含或基本不含酸性基团)来形成本发明所述的高分子催化剂。然后，可以使用酸性基团使所述的中间体聚合物官能化。
在其他的实施方案中，可以通过首先形成具有酸性基团官能化的中间体聚合物(其不含或基本不含离子基团)来形成本发明所述的高分子催化剂。然后，可以使用离子基团使所述的中间体聚合物官能化。
在其他的实施方案中，可以使具有酸性和离子基团的单体聚合来形成本发明所述的高分子催化剂。
此外，还提供了通过以下过程来制备本发明所述的任意一种聚合物的方法：
a)提供起始聚合物；
b)将起始聚合物与含氮化合物或含磷化合物相结合，从而生产具有至少一个阳离子基团的离子聚合物；
c)将离子聚合物与有效的酸化试剂相结合，从而生产中间体聚合物；以及
d)将中间体聚合物与有效量的一种或多种离子盐相结合，从而生产所述的聚合物。
但是，应该理解的是上文所述的步骤可以以其他的顺序实施。在其他的实施方案中，上文所述的步骤可以以a)、c)、d)和b)的顺序或者以a)、c)、b)和d)的顺序实施。
在一些实施方案中，起始聚合物选自聚乙烯,聚丙烯,聚乙烯基醇,聚碳酸酯,聚苯乙烯,聚亚安酯或它们的组合。在某些实施方案中，起始聚合物为聚苯乙烯。在某些实施方案中，起始聚合物为聚(苯乙烯-co-乙烯基苄基卤化物-co-二乙烯基苯)。在另一个实施方案中，起始聚合物为聚(苯乙烯-co-乙烯基苄基氯化物-co-二乙烯基苯)。
在制备本发明所述的任意一种聚合物的方法的一些实施方案中，含氮化合物选自吡喃鎓化合物、咪唑鎓化合物、吡唑鎓化合物、恶唑鎓化合物、噻唑鎓化合物、吡啶鎓化合物、嘧啶鎓化合物、吡嗪鎓化合物、哒嗪鎓化合物、噻嗪鎓化合物、吗啉鎓化合物、哌啶鎓化合物、哌嗪鎓化合物、和吡咯烷鎓化合物。在某些实施方案中，含氮化合物为咪唑鎓化合物。
在制备本发明所述的任意一种聚合物的方法的一些实施方案中，含磷化合物选自三苯基磷鎓化合物、三甲基磷鎓化合物、三乙基磷鎓化合物、三丙基磷鎓化合物、三丁基磷鎓化合物、三氯磷鎓化合物、和三氟磷鎓化合物。
在制备本发明所述的任意一种聚合物的方法的一些实施方案中，所述的酸选自硫酸、磷酸、盐酸、乙酸和硼酸。在一个实施方案中，所述的酸为硫酸。
在一些实施方案中，所述的离子盐选自氯化锂,溴化锂,硝酸锂,硫酸锂,磷酸锂,氯化钠,溴化钠,硫酸钠,氢氧化钠,磷酸钠,氯化钾,溴化钾,硝酸钾,硫酸钾,磷酸钾,氯化铵,溴化铵,磷酸铵,磷酸铵,四甲基氯化铵,四甲基溴化铵,四乙基氯化铵,二甲基咪唑鎓氯化物,甲基丁基咪唑鎓氯化物,二甲基吗啉鎓氯化物,锌(II)氯化物,锌(II)溴化物,镁(II)氯化物,和钙(II)氯化物。
此外，还提供了通过以下过程来制备本发明所述的、具有聚苯乙烯主链的任意一种聚合物的方法：
a)提供聚苯乙烯；
b)使聚苯乙烯与含氮化合物反应，从而生产离子聚合物；以及
c)使离子聚合物与酸反应，从而生产第三聚合物。
在某些实施方案中，所述的聚苯乙烯为聚(苯乙烯-co-乙烯基苄基卤化物-co-二乙烯基苯)。在一个实施方案中，所述的聚苯乙烯为聚(苯乙烯-co-乙烯基苄基氯化物-co-二乙烯基苯)。
在一些实施方案中，所述的聚合物具有选自以下的一种或多种催化性质：
a)破坏纤维素材料中的至少一个氢键；
b)将聚合物插入在纤维素材料的晶畴中；以及
c)使纤维素材料中的至少一个糖苷键断裂。
此外，本发明还提供了此类中间体聚合物，包含在用于生产本发明所述的全官能化的聚合物的合成途径中在不同的点处获得的那些。在一些实施方案中，在分批或连续工艺中，可以在例如至少大约100g、至少大约1kg、至少大约20kg、至少大约100kg、至少大约500kg或者至少大约1吨的规模下制备本发明所述的聚合物。
b)制备固载化催化剂的方法
可以通过使碳质材料经历以下过程来制备具有碳载体的本发明所述的固载化催化剂：(1)载体的制备；(2)载体的活化；以及(3)载体的官能化。示例性的制备顺序在表1中提供。本领域的任一技术人员将确认载体的制备、载体的活化和催化剂的官能化步骤中的一步或多步可以结合在单一的步骤中。
表1：用于制备双官能化的固体碳负载的催化剂的示例性步骤
载体的制备
载体的制备可以通过本领域已知的任何方法来完成。例如可以使用高温分解将碳质材料转化成碳载体。此外，还可以采用不完全的碳化来获得碳载体。在一些实施方案中，在受控的温度下，碳质材料可以经历缺氧气氛，从而生产碳载体。在其他的实施方案中，可以使用市售可得的碳载体。
碳质材料可以是天然形成的。合适的碳质材料可以包含例如虾壳,壳质,椰子壳,木浆,纸浆,棉,纤维素,硬木,软木,麦秆,甘蔗甘蔗渣,木薯茎,玉米秸秆,油棕残渣,柏油,石油沥青,焦油,煤炭,沥青或它们的任意的组合。
在一些实施方案中，碳质材料的碳含量为高于大约20％g碳/g干材料、高于大约30％g碳/g干材料、或者高于大约40％g碳/g干材料。除了碳以外，碳质材料还可以包含氧、氮或它们的组合。例如参见图8A，碳载体802可以具有一个或多个官能团，包含例如羟基、氨基和羧基。在一些实施方案中，碳质材料的氧含量为大约10％至大约60％g氧/g干材料、大约20％至大约40％g氧/g干材料、或者大约20％至大约30％g氧/g干材料。在其他的实施方案中，碳质材料的氮含量为高于大约1％g氮/g干材料、高于大约5％g氮/g干材料、或者高于大约10％g氮/g干材料。
本领域的任一技术人员将确认碳质材料被碳化的条件可以根据所用的碳质材料而改变。在一些实施方案中，碳质材料在包含少于大约20％氧、少于大约10％氧、大于大约1％氧、少于大约1份/千份的氧、少于大约100份/百万份的氧、或者少于大约10份/百万份的氧的气氛中碳化。在一些实施方案中，碳质材料在包含氮的气氛中碳化。在其他的实施方案中，碳质材料在包含纯化的氮的气氛中碳化。
在一些实施方案中，碳质材料在大约200℃至大约500℃、大约250℃至大约400℃、或者大约275℃至大约350℃的温度下碳化。可以在加或减大约50℃的范围内、在加或减大约10℃的范围内、在加或减大约5℃的范围内、或者在加或减大约2℃的范围内控制所述的温度。在一些实施方案中，碳质材料在大约2至大约10个小时的时间内、在大约2至大约5个小时的时间内、在大约3至大约5个小时的时间内、或者在大约3至大约4个小时的时间内碳化。
根据上述所述的碳化条件，碳质材料可以经历不完全的碳化。不完全的碳化将碳质材料转化成聚芳香杂环超结构。所述的超结构可以包含例如聚凝稠环亚结构，其以随机的取向彼此连接，从而形成整体超结构。
杂原子(例如存在于碳质起始材料中的氧和氮)被引入至超结构中。一些杂原子以饱和的、不饱和的和芳香杂环(其中许多可以为稠环)的形式引入至碳载体中。例如碳载体(以及由此形成的固载化催化剂成品)可以具有呋喃环，其具有4-7个氧原子和/或4-7个氮原子。此外，固载化催化剂中的一些杂原子还可以得自附着在碳载体上的部分。例如氧可以得自与杂环亚结构的边缘共价键合的酶部分(例如苯酚、醇)和羧酸部分(例如甲酸、甲酰基、乙酸、乙酰基)。氮可以得自氨基部分(例如苯胺、烷基氨基)。
碳载体的杂原子含量可以影响使用酸性和/或离子部分使载体官能化的反应性。例如将杂原子引入至超结构中可以影响碳载体的电性质，并因此影响其与官能部分的反应性。
在一些实施方案中，可以用于制备碳载体的碳质材料可以包含：大约30％-大约70％g碳/g起始材料；大约2％-大约8％g氢/g起始材料；大约0％-大约60％g氧/g起始材料；以及大约0％-大约60％g氧/g起始材料。在一些实施方案中，在不完全碳化后，碳载体的杂原子含量可以包含：大约0-40％、大约5-30％、大约10-30％或者大约15-30％g氧/g主链；以及大约0-15％、大约2-10％或者大约5-10％g氮/g主链。
固载化催化剂的整体杂原子含量可以部分根据附着在固载体上的官能部分而改变。例如卤代酰化作用或卤代烷基作用可以引入氧和/或卤素含量。季铵化作用(烷基作用)可以引入磷和/或氮含量。磺化作用可以增加硫和氧的含量。
在一些实施方案中，固载化催化剂可以包含：大约10-50％、大约15-40％、大约10-30％g氧/g催化剂；大约0-15％,大约2-10％,大约5-10％g氮/g催化剂；大约5-20％,大约5-15％,或大约10-15％g硫/g催化剂；以及大约5-20％,大约5-15％,大约8-15％g磷/g催化剂。
根据上文所述的方法制备的碳载体可以与其他固载体结合使用，包含例如二氧化硅,硅胶,氧化铝,氧化镁,二氧化钛,氧化锆,粘土,硅酸镁,金刚砂,沸石,和陶瓷。
载体的活化
载体的活化步骤涉及使碳载体经历化学官能化反应，从而使反应性连接体附着在碳载体上。合适的反应性连接体可以包含例如卤代烷烃、卤代酰基化合物、胺和重氮化合物。此类反应性连接体活化了碳载体，使得所述的载体更易于进一步官能化，从而附着酸性、离子、酸性-离子和/或疏水性部分。
在一些实施方案中，反应性连接体可以通过卤代甲基化剂而引入至碳载体中。在某些实施方案中，反应性连接体可以通过氯甲基化剂而引入至碳载体中。参见图8A，氯甲基化剂为氯甲基甲基醚。
在其他的实施方案中，反应性连接体可以通过卤代酰化剂而引入至碳载体中。在某些实施方案中，反应性连接体可以通过氯酰化剂而引入至碳载体中。氯酰化剂的合适的实例为氯乙酰基氯化物。
可以使用Lewis酸催化剂来担任氯甲基化剂或氯酰化剂的角色。在某些实施方案中，Lewis酸催化剂选自锌(II)氯化物,铝(III)氯化物,和离子(III)氯化物。参见图8A，Lewis酸可以为氯化锌(ZnCl2)或氯化铝(AlCl3)。
反应性连接体可以通过Friedel-Crafts烷化反应或Friedel-Crafts酰化反应而引入至碳载体中。将此类反应性连接体引入至碳载体中的示例性反应绘制于图8A中。在一些实施方案中，氯甲基化反应或氯酰化反应可以在惰性溶剂中进行。合适的惰性溶剂可以包含适用于Friedel-Crafts反应的任何溶剂。例如合适的惰性溶剂可以包含例如二氯甲烷(DCM),二氯乙烷(DCE),二乙基醚,四氢呋喃(THF),或离子液体。
氯甲基化反应或氯酰化反应可以在低于大约25℃、低于大约10℃、低于大约5℃或者低于大约0℃的温度下实施。
再次参见图8A，活性碳载体804具有氯甲烷部分作为反应性连接体。在其他的示例性实施方案中，其他的卤代部分可以作为反应性连接体加入，并且多个反应性连接体可以附着在活性碳载体上。
载体的官能化
活化的固载体可以经历一个或多个反应，从而使酸性和/或离子部分附着在固载体上。参见图8B，活性碳载体804首先被季铵化，从而使含氮阳离子基团附着在固载体上。图8B中的示例性含氮阳离子基团具有式NR1R2R3，其中R1,R2和R3均独立地为氢或烷基，或者R1与R2一起、以及它们所附着的氮原子形成杂环烷基，或者R1,R2和R3与它们所附着的氮原子一起形成杂芳基。
季铵化的固载体806经历酸处理，从而生产双官能化的固载化催化剂808。尽管仅一个阳离子基团和一个酸性基团绘制于图8B的催化剂808中，应该理解的是可以使用本发明所述的方法使多个阳离子基团和多个酸性基团附着在固载体上。
在其他的实施方案中，活化的固载体可以在季铵化之前酸化，从而生产双官能的固载化催化剂。在其他的实施方案中，可以使用酸性-离子基团使活化的载体官能化。在其他的实施方案中，一个或多个其他的官能团可以附着在固载化催化剂上，包含疏水性基团。
列举的实施方案
以下列举的实施方案代表了本发明的一些方面。
1.一种包含连接的酸性单体和离子单体从而形成高分子主链的催化剂，其中每个酸性单体均独立地包含至少一个Bronsted-Lowry酸，并且其中每个离子单体均独立地包含至少一个含氮阳离子基团、至少一个含磷阳离子基团或它们的组合。
2.实施方案1所述的催化剂，其中一个或多个酸性单体与高分子主链直接连接。
3.实施方案1或2所述的催化剂，其中一个或多个酸性单体均进一步包含连接Bronsted-Lowry酸与高分子主链的连接体。
4.实施方案1至3的任意一项所述的催化剂，其中一个或多个离子单体与高分子主链直接连接。
5.实施方案1或4的任意一项所述的催化剂，其中一个或多个离子单体均进一步包含连接阳离子基团与高分子主链的连接体。
6.实施方案3或5的任意一项所述的催化剂，其中每个连接体均独立地选自未取代的或取代的烷基连接体、未取代的或取代的环烷基连接体、未取代的或取代的烯基连接体、未取代的或取代的芳基连接体、未取代的或取代的杂芳基连接体、未取代的或取代的烷基醚连接体、未取代的或取代的烷基酯连接体、以及未取代的或取代的烷基氨基甲酸连接体。
7.实施方案1至6的任意一项所述的催化剂，其中每个Bronsted-Lowry酸均独立地选自磺酸,膦酸,乙酸,异酞酸,硼酸和全氟化的酸。
8.实施方案3所述的催化剂，其中Bronsted-Lowry酸和连接体形成了侧链，其中每个侧链均独立地选自：
或
其中：
L为未取代的烷基连接体、被氧代取代的烷基连接体、未取代的环烷基连接体、未取代的芳基连接体、未取代的杂环烷基连接体、以及未取代的杂芳基连接体；以及
r为1至3。
9.实施方案3或8所述的催化剂，其中连接体为未取代的烷基连接体。
10.实施方案1至9的任意一项所述的催化剂，其中：
每个含氮阳离子基团均独立地选自吡喃鎓,咪唑鎓,吡唑鎓,恶唑鎓,噻唑鎓,吡啶鎓,嘧啶鎓,吡嗪鎓,哒嗪鎓,噻嗪鎓,吗啉鎓,哌啶鎓,哌嗪鎓,和吡咯烷鎓；以及
每个含磷阳离子基团均独立地选自三苯基磷鎓,三甲基磷鎓,三乙基磷鎓,三丙基磷鎓,三丁基磷鎓,三氯磷鎓,和三氟磷鎓。
11.实施方案5所述的催化剂，其中阳离子基团和连接体形成了侧链，其中每个侧链都独立地选自：
或
其中：
L为未取代的烷基连接体、被氧代取代的烷基连接体、未取代的环烷基连接体、未取代的芳基连接体、未取代的杂环烷基连接体、以及未取代的杂芳基连接体；以及
每个R1a,R1b和R1c均独立地为氢或烷基；或者R1a和R1b与它们连接的氮原子一起形成未取代的杂环烷基；或者R1a和R1b与它们连接的氮原子一起形成未取代的杂芳基或取代的杂芳基，并且R1c是不存在的；
r为1至3；以及
X为F-,Cl-,Br-,I-,NO2 -,NO3 -,SO4 2-,R7SO4 -,R7CO2 -,PO4 2-,R7PO3 -,R7PO2 -,SO4 2-和PO4 2-，其中R7为氢,烷基,和杂烷基。
12.实施方案11所述的催化剂，其中L为未取代的烷基连接体或者具有氧代取代基的烷基连接体。
13.实施方案12所述的催化剂，其中L为-(CH2)(CH2)-或-(CH2)(C＝O)-。
14.实施方案5所述的催化剂，其中阳离子基团和连接体形成了侧链，其中每个侧链都独立地选自：
其中：
每个R1a,R1b和R1c均独立地为氢或烷基；或者R1a和R1b与它们连接的氮原子一起形成未取代的杂环烷基；或者R1a和R1b与它们连接的氮原子一起形成未取代的杂芳基或取代的杂芳基，并且R1c是不存在的；
s为整数；
v为0至10；以及
X为F-,Cl-,Br-,I-,NO2 -,NO3 -,SO4 2-,R7SO4 -,R7CO2 -,PO4 2-,R7PO3 -,R7PO2 -,SO4 2-和PO4 2-，其中R7为氢,烷基,和杂烷基。
15.实施方案1至14的任意一项所述的催化剂，其中高分子主链选自聚乙烯,聚丙烯,聚乙烯基醇,聚苯乙烯,聚亚安酯,聚氯乙烯,多酚-醛,聚四氟乙烯,聚对苯二甲酸丁二醇酯,聚己内酰胺,聚(丙烯腈丁二烯苯乙烯),聚烷基铵,聚烷基二铵,聚烷基吡喃鎓,聚烷基咪唑鎓,聚烷基吡唑鎓,聚烷基恶唑鎓,聚烷基噻唑鎓,聚烷基吡啶鎓,聚烷基嘧啶鎓,聚烷基吡嗪鎓,聚烷基哒嗪鎓,聚烷基噻嗪鎓,聚烷基吗啉鎓,聚烷基哌啶鎓,聚烷基哌嗪鎓,聚烷基吡咯烷鎓,聚烷基三苯基磷鎓,聚烷基三甲基磷鎓,聚烷基三乙基磷鎓,聚烷基三丙基磷鎓,聚烷基三丁基磷鎓,聚烷基三氯磷鎓,聚烷基三氟磷鎓,和聚烷基重盐。
16.实施方案1至15的任意一项所述的催化剂，其中所述的催化剂是交联的。
17.实施方案1至16的任意一项所述的催化剂，其进一步包含与高分子主链连接的疏水性单体，其中每个疏水性单体都包含疏水性基团。
18.一种包含固载体、附着在固载体上的酸性部分以及附着在固载体上的离子部分的催化剂，
其中固载体包含材料，其中该材料选自碳,二氧化硅,硅胶,氧化铝,氧化镁,二氧化钛,氧化锆,粘土,硅酸镁,金刚砂,沸石,陶瓷,和它们的任意的组合，
其中每个酸性部分都独立地具有至少一个Bronsted-Lowry酸，以及
其中每个离子部分都独立地具有至少一个含氮阳离子基团、至少一个含磷阳离子基团、或它们的组合。
19.实施方案18所述的催化剂，其中每个Bronsted-Lowry酸均独立地选自磺酸,膦酸,乙酸,异酞酸,硼酸,以及全氟化的酸。
20.实施方案19所述的催化剂，其中每个Bronsted-Lowry酸均独立地为磺酸或膦酸。
21.实施方案18至20的任意一项所述的催化剂，其中一个或多个酸性部分直接附着在固载体上。
22.实施方案18至20的任意一项所述的催化剂，其中一个或多个酸性部分通过连接体附着在固载体上。
23.实施方案22所述的催化剂，其中每个连接体均独立地选自未取代的或取代的烷基连接体、未取代的或取代的环烷基连接体、未取代的或取代的烯基连接体、未取代的或取代的芳基连接体、未取代的或取代的杂芳基连接体、未取代的或取代的烷基醚连接体、未取代的或取代的烷基酯连接体、以及未取代的或取代的烷基氨基甲酸连接体。
24.实施方案18或19所述的催化剂，其中每个酸性部分都独立地选自：
或
其中：
L为未取代的烷基连接体、被氧代取代的烷基连接体、未取代的环烷基连接体、未取代的芳基连接体、未取代的杂环烷基连接体、以及未取代的杂芳基连接体；以及
r为1至3。
25.实施方案22或24所述的催化剂，其中所述的连接体为未取代的烷基连接体。
26.实施方案18或19所述的催化剂，其中每个酸性部分均独立地选自：
和
27.实施方案18至26的任意一项所述的催化剂，其中每个离子部分均选自吡喃鎓,咪唑鎓,吡唑鎓,恶唑鎓,噻唑鎓,吡啶鎓,嘧啶鎓,吡嗪鎓,哒嗪鎓,噻嗪鎓,吗啉鎓,哌啶鎓,哌嗪鎓,吡咯烷鎓,磷鎓,三甲基磷鎓,三乙基磷鎓,三丙基磷鎓,三丁基磷鎓,三氯磷鎓,三苯基磷鎓和三氟磷鎓。
28.实施方案18至26的任意一项所述的催化剂，其中：每个含氮阳离子基团均独立地选自吡喃鎓,咪唑鎓,吡唑鎓,恶唑鎓,噻唑鎓,吡啶鎓,嘧啶鎓,吡嗪鎓,哒嗪鎓,噻嗪鎓,吗啉鎓,哌啶鎓,哌嗪鎓,和吡咯烷鎓；以及每个含磷阳离子基团均独立地选自三苯基磷鎓,三甲基磷鎓,三乙基磷鎓,三丙基磷鎓,三丁基磷鎓,三氯磷鎓,和三氟磷鎓。
29.实施方案18至28的任意一项所述的催化剂，其中一个或多个离子部分直接附着在固载体上。
30.实施方案18至26的任意一项所述的催化剂，其中一个或多个离子部分通过连接体附着在固载体上。
31.实施方案30所述的催化剂，其中每个连接体均独立地选自未取代的或取代的烷基连接体、未取代的或取代的环烷基连接体、未取代的或取代的烯基连接体、未取代的或取代的芳基连接体、未取代的或取代的杂芳基连接体、未取代的或取代的烷基醚连接体、未取代的或取代的烷基酯连接体、以及未取代的或取代的烷基氨基甲酸连接体。
32.实施方案30所述的催化剂，其中每个离子部分均独立地选自：
或
其中：
L为未取代的烷基连接体、被氧代取代的烷基连接体、未取代的环烷基连接体、未取代的芳基连接体、未取代的杂环烷基连接体、以及未取代的杂芳基连接体；以及
每个R1a,R1b和R1c均独立地为氢或烷基；或者R1a和R1b与它们连接的氮原子一起形成未取代的杂环烷基；或者R1a和R1b与它们连接的氮原子一起形成未取代的杂芳基或取代的杂芳基，并且R1c是不存在的；
r为1至3；以及
X为F-,Cl-,Br-,I-,NO2 -,NO3 -,SO4 2-,R7SO4 -,R7CO2 -,PO4 2-,R7PO3 -,R7PO2 -,SO4 2-和PO4 2-，其中R7为氢,烷基,和杂烷基。
33.实施方案31所述的催化剂，其中L为未取代的烷基连接体或具有氧代取代基的烷基连接体。
34.实施方案33所述的催化剂，其中L为-(CH2)(CH2)-或-(CH2)(C＝O)-。
35.实施方案18至26的任意一项所述的催化剂，其中每个离子部分均独立地选自：
和
36.实施方案18至35的任意一项所述的催化剂，其进一步包含附着在固载体上的疏水性部分。
37.实施方案36所述的催化剂，其中每个疏水性部分均选自未取代的或取代的烷基、未取代的或取代的环烷基、未取代的或取代的芳基、以及未取代的或取代的杂芳基。
38.实施方案18至37的任意一项所述的催化剂，其进一步包含附着在固载体上的酸性-离子部分，其中每个酸性-离子部分均包含Bronsted-Lowry酸和阳离子基团。
39.实施方案38所述的催化剂，其中每个Bronsted-Lowry酸均独立地选自磺酸,膦酸,乙酸,异酞酸,硼酸,以及全氟化的酸。
40.实施方案38所述的催化剂，其中每个阳离子基团均独立地为含氮阳离子基团或含磷阳离子基团。
41.实施方案40所述的催化剂，其中：每个含氮阳离子基团均独立地选自吡喃鎓,咪唑鎓,吡唑鎓,恶唑鎓,噻唑鎓,吡啶鎓,嘧啶鎓,吡嗪鎓,哒嗪鎓,噻嗪鎓,吗啉鎓,哌啶鎓,哌嗪鎓,和吡咯烷鎓；以及每个含磷阳离子基团均独立地选自三苯基磷鎓,三甲基磷鎓,三乙基磷鎓,三丙基磷鎓,三丁基磷鎓,三氯磷鎓,和三氟磷鎓。
42.实施方案38至41的任意一项所述的催化剂，其中一个或多个酸性-离子部分直接附着在固载体上。
43.实施方案38至42的任意一项所述的催化剂，其中一个或多个酸性-离子部分通过连接体附着在固载体上。
44.实施方案43所述的催化剂，其中每个连接体均独立地选自未取代的或取代的烷基连接体、未取代的或取代的环烷基连接体、未取代的或取代的烯基连接体、未取代的或取代的芳基连接体、未取代的或取代的杂芳基连接体、未取代的或取代的烷基醚连接体、未取代的或取代的烷基酯连接体、以及未取代的或取代的烷基氨基甲酸连接体。
45.实施方案38所述的催化剂，其中每个酸性-离子部分均独立地选自：
和
46.实施方案18至45的任意一项所述的催化剂，其中所述的材料为碳，并且其中所述的碳选自生物碳,无定形碳,和活性碳。
47.实施方案1至46的任意一项所述的催化剂，其中催化剂所具有的Bronsted-Lowry酸的总量为0.01mmol/克催化剂至4.0mmol/克催化剂。
48.实施方案1至47的任意一项所述的催化剂，其中催化剂所具有的含氮阳离子基团和抗衡离子的总量或者含磷阳离子基团和抗衡离子的总量为0.01mmol/克催化剂至4.0mmol/克催化剂。
49.实施方案1所述的催化剂，其中催化剂选自：
碳负载的吡喃鎓氯化物磺酸；
碳负载的咪唑鎓氯化物磺酸；
碳负载的吡唑鎓氯化物磺酸；
碳负载的恶唑鎓氯化物磺酸；
碳负载的噻唑鎓氯化物磺酸；
碳负载的吡啶鎓氯化物磺酸；
碳负载的嘧啶鎓氯化物磺酸；
碳负载的吡嗪鎓氯化物磺酸；
碳负载的哒嗪鎓氯化物磺酸；
碳负载的噻嗪鎓氯化物磺酸；
碳负载的吗啉鎓氯化物磺酸；
碳负载的哌啶鎓氯化物磺酸；
碳负载的哌嗪鎓氯化物磺酸；
碳负载的吡咯烷鎓氯化物磺酸；
碳负载的三苯基磷鎓氯化物磺酸；
碳负载的三甲基磷鎓氯化物磺酸；
碳负载的三乙基磷鎓氯化物磺酸；
碳负载的三丙基磷鎓氯化物磺酸；
碳负载的三丁基磷鎓氯化物磺酸；
碳负载的三氟磷鎓氯化物磺酸；
碳负载的吡喃鎓溴化物磺酸；
碳负载的咪唑鎓溴化物磺酸；
碳负载的吡唑鎓溴化物磺酸；
碳负载的恶唑鎓溴化物磺酸；
碳负载的噻唑鎓溴化物磺酸；
碳负载的吡啶鎓溴化物磺酸；
碳负载的嘧啶鎓溴化物磺酸；
碳负载的吡嗪鎓溴化物磺酸；
碳负载的哒嗪鎓溴化物磺酸；
碳负载的噻嗪鎓溴化物磺酸；
碳负载的吗啉鎓溴化物磺酸；
碳负载的哌啶鎓溴化物磺酸；
碳负载的哌嗪鎓溴化物磺酸；
碳负载的吡咯烷鎓溴化物磺酸；
碳负载的三苯基磷鎓溴化物磺酸；
碳负载的三甲基磷鎓溴化物磺酸；
碳负载的三乙基磷鎓溴化物磺酸；
碳负载的三丙基磷鎓溴化物磺酸；
碳负载的三丁基磷鎓溴化物磺酸；
碳负载的三氟磷鎓溴化物磺酸；
碳负载的吡喃鎓硫酸氢盐磺酸；
碳负载的咪唑鎓硫酸氢盐磺酸；
碳负载的吡唑鎓硫酸氢盐磺酸；
碳负载的恶唑鎓硫酸氢盐磺酸；
碳负载的噻唑鎓硫酸氢盐磺酸；
碳负载的吡啶鎓硫酸氢盐磺酸；
碳负载的嘧啶鎓硫酸氢盐磺酸；
碳负载的吡嗪鎓硫酸氢盐磺酸；
碳负载的哒嗪鎓硫酸氢盐磺酸；
碳负载的噻嗪鎓硫酸氢盐磺酸；
碳负载的吗啉鎓硫酸氢盐磺酸；
碳负载的哌啶鎓硫酸氢盐磺酸；
碳负载的哌嗪鎓硫酸氢盐磺酸；
碳负载的吡咯烷鎓硫酸氢盐磺酸；
碳负载的三苯基磷鎓硫酸氢盐磺酸；
碳负载的三甲基磷鎓硫酸氢盐磺酸；
碳负载的三乙基磷鎓硫酸氢盐磺酸；
碳负载的三丙基磷鎓硫酸氢盐磺酸；
碳负载的三丁基磷鎓硫酸氢盐磺酸；
碳负载的三氟磷鎓硫酸氢盐磺酸；
碳负载的吡喃鎓甲酸盐磺酸；
碳负载的咪唑鎓甲酸盐磺酸；
碳负载的吡唑鎓甲酸盐磺酸；
碳负载的恶唑鎓甲酸盐磺酸；
碳负载的噻唑鎓甲酸盐磺酸；
碳负载的吡啶鎓甲酸盐磺酸；
碳负载的嘧啶鎓甲酸盐磺酸；
碳负载的吡嗪鎓甲酸盐磺酸；
碳负载的哒嗪鎓甲酸盐磺酸；
碳负载的噻嗪鎓甲酸盐磺酸；
碳负载的吗啉鎓甲酸盐磺酸；
碳负载的哌啶鎓甲酸盐磺酸；
碳负载的哌嗪鎓甲酸盐磺酸；
碳负载的吡咯烷鎓甲酸盐磺酸；
碳负载的三苯基磷鎓甲酸盐磺酸；
碳负载的三甲基磷鎓甲酸盐磺酸；
碳负载的三乙基磷鎓甲酸盐磺酸；
碳负载的三丙基磷鎓甲酸盐磺酸；
碳负载的三丁基磷鎓甲酸盐磺酸；
碳负载的三氟磷鎓甲酸盐磺酸；
碳负载的吡喃鎓乙酸盐磺酸；
碳负载的咪唑鎓乙酸盐磺酸；
碳负载的吡唑鎓乙酸盐磺酸；
碳负载的恶唑鎓乙酸盐磺酸；
碳负载的噻唑鎓乙酸盐磺酸；
碳负载的吡啶鎓乙酸盐磺酸；
碳负载的嘧啶鎓乙酸盐磺酸；
碳负载的吡嗪鎓乙酸盐磺酸；
碳负载的哒嗪鎓乙酸盐磺酸；
碳负载的噻嗪鎓乙酸盐磺酸；
碳负载的吗啉鎓乙酸盐磺酸；
碳负载的哌啶鎓乙酸盐磺酸；
碳负载的哌嗪鎓乙酸盐磺酸；
碳负载的吡咯烷鎓乙酸盐磺酸；
碳负载的三苯基磷鎓乙酸盐磺酸；
碳负载的三甲基磷鎓乙酸盐磺酸；
碳负载的三乙基磷鎓乙酸盐磺酸；
碳负载的三丙基磷鎓乙酸盐磺酸；
碳负载的三丁基磷鎓乙酸盐磺酸；
碳负载的三氟磷鎓乙酸盐磺酸；
碳负载的吡喃鎓氯化物膦酸；；
碳负载的咪唑鎓氯化物膦酸；
碳负载的吡唑鎓氯化物膦酸；
碳负载的恶唑鎓氯化物膦酸；
碳负载的噻唑鎓氯化物膦酸；
碳负载的吡啶鎓氯化物膦酸；
碳负载的嘧啶鎓氯化物膦酸；
碳负载的吡嗪鎓氯化物膦酸；
碳负载的哒嗪鎓氯化物膦酸；
碳负载的噻嗪鎓氯化物膦酸；
碳负载的吗啉鎓氯化物膦酸；
碳负载的哌啶鎓氯化物膦酸；
碳负载的哌嗪鎓氯化物膦酸；
碳负载的吡咯烷鎓氯化物膦酸；
碳负载的三苯基磷鎓氯化物膦酸；
碳负载的三甲基磷鎓氯化物膦酸；
碳负载的三乙基磷鎓氯化物膦酸；
碳负载的三丙基磷鎓氯化物膦酸；
碳负载的三丁基磷鎓氯化物膦酸；
碳负载的三氟磷鎓氯化物膦酸；
碳负载的吡喃鎓溴化物膦酸；
碳负载的咪唑鎓溴化物膦酸；
碳负载的吡唑鎓溴化物膦酸；
碳负载的恶唑鎓溴化物膦酸；
碳负载的噻唑鎓溴化物膦酸；
碳负载的吡啶鎓溴化物膦酸；
碳负载的嘧啶鎓溴化物膦酸；
碳负载的吡嗪鎓溴化物膦酸；
碳负载的哒嗪鎓溴化物膦酸；
碳负载的噻嗪鎓溴化物膦酸；
碳负载的吗啉鎓溴化物膦酸；
碳负载的哌啶鎓溴化物膦酸；
碳负载的哌嗪鎓溴化物膦酸；
碳负载的吡咯烷鎓溴化物膦酸；
碳负载的三苯基磷鎓溴化物膦酸；
碳负载的三甲基磷鎓溴化物膦酸；
碳负载的三乙基磷鎓溴化物膦酸；
碳负载的三丙基磷鎓溴化物膦酸；
碳负载的三丁基磷鎓溴化物膦酸；
碳负载的三氟磷鎓溴化物膦酸；
碳负载的吡喃鎓硫酸氢盐膦酸；
碳负载的咪唑鎓硫酸氢盐膦酸；
碳负载的吡唑鎓硫酸氢盐膦酸；
碳负载的恶唑鎓硫酸氢盐膦酸；
碳负载的噻唑鎓硫酸氢盐膦酸；
碳负载的吡啶鎓硫酸氢盐膦酸；
碳负载的嘧啶鎓硫酸氢盐膦酸；
碳负载的吡嗪鎓硫酸氢盐膦酸；
碳负载的哒嗪鎓硫酸氢盐膦酸；
碳负载的噻嗪鎓硫酸氢盐膦酸；
碳负载的吗啉鎓硫酸氢盐膦酸；
碳负载的哌啶鎓硫酸氢盐膦酸；
碳负载的哌嗪鎓硫酸氢盐膦酸；
碳负载的吡咯烷鎓硫酸氢盐膦酸；
碳负载的三苯基磷鎓硫酸氢盐膦酸；
碳负载的三甲基磷鎓硫酸氢盐膦酸；
碳负载的三乙基磷鎓硫酸氢盐膦酸；
碳负载的三丙基磷鎓硫酸氢盐膦酸；
碳负载的三丁基磷鎓硫酸氢盐膦酸；
碳负载的三氟磷鎓硫酸氢盐膦酸；
碳负载的吡喃鎓甲酸盐膦酸；
碳负载的咪唑鎓甲酸盐膦酸；
碳负载的吡唑鎓甲酸盐膦酸；
碳负载的恶唑鎓甲酸盐膦酸；
碳负载的噻唑鎓甲酸盐膦酸；
碳负载的吡啶鎓甲酸盐膦酸；
碳负载的嘧啶鎓甲酸盐膦酸；
碳负载的吡嗪鎓甲酸盐膦酸；
碳负载的哒嗪鎓甲酸盐膦酸；
碳负载的噻嗪鎓甲酸盐膦酸；
碳负载的吗啉鎓甲酸盐膦酸；
碳负载的哌啶鎓甲酸盐膦酸；
碳负载的哌嗪鎓甲酸盐膦酸；
碳负载的吡咯烷鎓甲酸盐膦酸；
碳负载的三苯基磷鎓甲酸盐膦酸；
碳负载的三甲基磷鎓甲酸盐膦酸；
碳负载的三乙基磷鎓甲酸盐膦酸；
碳负载的三丙基磷鎓甲酸盐膦酸；
碳负载的三丁基磷鎓甲酸盐膦酸；
碳负载的三氟磷鎓甲酸盐膦酸；
碳负载的吡喃鎓乙酸盐膦酸；
碳负载的咪唑鎓乙酸盐膦酸；
碳负载的吡唑鎓乙酸盐膦酸；
碳负载的恶唑鎓乙酸盐膦酸；
碳负载的噻唑鎓乙酸盐膦酸；
碳负载的吡啶鎓乙酸盐膦酸；
碳负载的嘧啶鎓乙酸盐膦酸；
碳负载的吡嗪鎓乙酸盐膦酸；
碳负载的哒嗪鎓乙酸盐膦酸；
碳负载的噻嗪鎓乙酸盐膦酸；
碳负载的吗啉鎓乙酸盐膦酸；
碳负载的哌啶鎓乙酸盐膦酸；
碳负载的哌嗪鎓乙酸盐膦酸；
碳负载的吡咯烷鎓乙酸盐膦酸；
碳负载的三苯基磷鎓乙酸盐膦酸；
碳负载的三甲基磷鎓乙酸盐膦酸；
碳负载的三乙基磷鎓乙酸盐膦酸；
碳负载的三丙基磷鎓乙酸盐膦酸；
碳负载的三丁基磷鎓乙酸盐膦酸；
碳负载的三氟磷鎓乙酸盐膦酸；
碳负载的乙酰基-三磷鎓磺酸；
碳负载的乙酰基-甲基吗啉鎓磺酸；以及
碳负载的乙酰基-咪唑鎓磺酸。
50.实施方案1至49的任意一项所述的催化剂，其中催化剂具有选自以下的一个或多个催化性质：
a)破坏纤维素材料中的氢键；
b)将催化剂插入在纤维素材料的晶畴中；以及
c)使纤维素材料中的糖苷键断裂。
51.实施方案1至50的任意一项所述的催化剂，其中催化剂能够以至少0.1/小时的一阶速率常数将生物质降解成一种或多种糖。
52.实施方案1至51的任意一项所述的催化剂，其中催化剂能够将生物质转化成一种或多种糖以及残余的生物质，其中残余的生物质的聚合度为低于100。
53.一种组合物，其包含：
生物质；以及
根据实施方案1至52的任意一项所述的催化剂。
54.一种化学水解的生物质组合物，其包含：
根据实施方案1至52的任意一项所述的催化剂；
一种或多种糖；以及
残余的生物质。
55.一种用于将生物质降解成一种或多种糖的方法，其包含：
a)提供生物质；
b)将生物质与根据实施方案1至52的任意一项所述的催化剂、以及溶剂相接触，从而形成反应混合物；
c)降解反应混合物中的生物质，从而产生液相和固相，其中液相包含一种或多种糖，并且其中固相包含残余的生物质；
d)将至少一部分液相与固相分离；以及
e)由分离的液相回收一种或多种糖。
56.一种用于在生物质水解之前对其进行预处理从而生产一种或多种糖的方法，其包含：
a)提供生物质；
b)将生物质与根据实施方案1至52的任意一项所述的催化剂、以及溶剂相接触；
c)部分降解生物质；以及
d)在水解之前对部分降解的生物质进行预处理，从而生产一种或多种糖。
57.一种用于制备根据实施方案18至49的任意一项所述的催化剂的方法，其包含：
a)提供碳质材料；
b)使至少一部分碳质材料碳化，从而形成固载体；
c)使用一个或多个阳离子基团使活化的固载体官能化，从而形成季铵化的固载体，其中每个阳离子基团均独立地为含氮阳离子基团、含磷阳离子基团或者它们的任意的组合；以及
d)使用一个或多个酸性基团使季铵化的固载体官能化，其中每个酸性基团均独立地为Bronsted-Lowry酸。
58.一种用于制备根据实施方案18至49的任意一项所述的催化剂的方法，其包含：
a)提供碳质材料；
b)使至少一部分碳质材料碳化，从而形成固载体；
c)活化至少一部分固载体；
d)使用一个或多个酸性基团使活化的固载体官能化，其中每个酸性基团独立地为Bronsted-Lowry酸；以及
e)使用一个或多个阳离子基团使活化的固载体官能化，从而形成季铵化的固载体，其中每个阳离子基团均独立地为含氮阳离子基团、或含磷阳离子基团。
59.实施方案57或58所述的方法，其中碳质材料选自虾壳,壳质,椰子壳,木浆,纸浆,棉,纤维素,硬木,软木,麦秆,甘蔗甘蔗渣,木薯茎,玉米秸秆,油棕残渣,柏油,石油沥青,焦油,煤炭,沥青和它们的任意的组合。
60.实施方案57至59的任意一项所述的方法，其中碳质材料的碳含量为高于20％g碳/干态碳质材料。
61.实施方案57至60的任意一项所述的方法，其中碳质材料通过高温分解而碳化。
62.实施方案57至61的任意一项所述的方法，其中碳质材料在包含低于20％氧的气氛中碳化。
63.实施方案57至62的任意一项所述的方法，其中碳质材料在200℃至500℃的温度下碳化。
64.实施方案57至63的任意一项所述的方法，其中至少一部分固载体的活化包含：将固载体与氯甲基化剂或氯酰化剂相接触，从而使反应性连接体附着在固载体上。
65.实施方案64所述的方法，其中反应性连接体选自卤代烷烃,卤代酰基、胺或重氮基。
66.实施方案64或65所述的方法，其中氯甲基化剂为氯甲基甲基醚。
67.实施方案64或65所述的方法，其中氯酰化剂为氯乙酰基氯化物。
68.一种根据实施方案57至67的任意一项所述的方法制备的催化剂。
69.一种通过以下过程由供料生产一种或多种糖的方法：
a)提供包含供料的第一组合物，其中所述的供料选自软木材,硬木材,木薯,甘蔗渣,甜菜渣,稻草,造纸污泥,油棕,玉米秸秆,食物残渣,酶消化残余物,啤酒底部沉积物,以及它们的任意的组合物；以及
b)提供根据实施方案1至52的任意一项所述的催化剂，从而形成反应混合物；以及
c)降解反应混合物中的供料，从而生产液相和固相，其中液相包含一种或多种糖，并且固相包含残余的供料。
70.实施方案68所述的方法，其进一步包含：
d)将至少一部分液相与固相分离；以及
e)由分离的液相回收一种或多种糖。
71.实施方案69或70所述的方法，其进一步包含将第一组合物与溶剂相接触。
72.实施方案69至71的任意一项所述的方法，其中残余的供料包含步骤(b)中使用的至少一部分催化剂。
73.实施方案69至72的任意一项所述的方法，其进一步包含将至少一部分催化剂与残余的供料分离。
74.实施方案70所述的方法，其中在步骤(d)中将至少一部分液相与固相分离会产生残余的供料混合物，并且所述的方法进一步包含：
i)提供其他的供料；
ii)将其他的供料与残余的供料的混合物相接触；
iii)降解其他的供料和残余的供料的混合物，从而生产第二液相和第二固相，其中第二液相包含一种或多种其他的糖，并且其中第二固相包含其他的残余的供料；
iv)将至少一部分第二液相与第二固相分离；以及
v)由分离的第二液相回收一种或多种其他的糖。
75.实施方案74所述的方法，其中所述的供料与其他的供料是相同类型的供料。
76.实施方案69至75的任意一项所述的方法，其进一步包含将其他的催化剂加入至其他的供料和残余的供料的混合物中。
77.实施方案69至76的任意一项所述的方法，其中一种或多种糖选自一种或多种单糖、一种或多种寡糖、或者它们的组合。
78.实施方案69至77的任意一项所述的方法，其进一步包含在将供料与催化剂相结合之前对供料进行预处理。
79.一种组合物，其包含：
供料，其选自软木材,硬木材,木薯,甘蔗渣,甜菜渣,稻草,造纸污泥,油棕,玉米秸秆,食物残渣,酶消化残余物,啤酒底部沉积物和它们的任意的组合物；以及
根据实施方案1至52的任意一项所述的催化剂。
80.实施方案79所述的组合物，其进一步包含溶剂。
81.实施方案79或80所述的组合物，其中供料包含纤维素、半纤维素或它们的组合。
82.一种化学水解的生物质组合物，其包含：
根据实施方案1至52的任意一项所述的催化剂；
一种或多种糖；以及
残余的供料。
83.实施方案82所述的组合物，其中一种或多种单糖为一种或多种C4-C6的单糖。
84.实施方案83所述的组合物，其中一种或多种单糖选自葡萄糖,半乳糖,果糖,木糖,阿拉伯糖和它们的任意的组合。
85.实施方案82至84的任意一项所述的组合物，其中催化剂为高分子催化剂或固载化催化剂。
86.实施方案85所述的组合物，其中固载体包含材料，其中该材料选自碳,二氧化硅,硅胶,氧化铝,氧化镁,二氧化钛,氧化锆,粘土,硅酸镁,金刚砂,沸石,陶瓷和它们的任意的组合。
实施例
除非另作说明，市售的试剂可得自Sigma-Aldrich,St.Louis,MO,USA，并且根据Perrin和Armarego的指导原则在使用之前进行纯化。参见Perrin,D.D.&Armarego,W.L.F.,Purification ofLaboratory Chemicals,3rd ed.；PergamonPress,Oxford,1988。用于化学反应中的氮气是超纯级的，并且通过使其通过包含五氧化二磷的干燥管来进行干燥。除非另作说明，通过注射器或Schlenk烧瓶在惰性气氛下转移所有非水性的试剂。在减压下，在Buchi旋转蒸发仪上浓缩有机溶液。如果需要，使用强制流动色谱，在60目的硅胶上，根据Still et al.,See Still et al.,J.Org.Chem.,43:2923(1978)所述的方法来完成试剂或产物的色谱纯化。使用二氧化硅涂敷的玻璃板进行薄层色谱(TLC)。使用钼酸铈(即Hanessian)染色或KMnO4染色来进行显色色谱的可视化，并且如果需要进行温和的加热。在Perkin-Elmer 1600设备上对固体样品进行傅里叶变换红外分光镜(FTIR)光谱分析，其中所述的设备装配有使用硒化锌(ZnSe)晶体的水平衰减全反射(ATR)附件。
高分子催化剂的制备
实施例A1：聚[苯乙烯-co-乙烯基苄基氯化物-co-二乙烯基苯]的制备
在0℃下，向500mL圆底烧瓶(RBF)中逐渐加入由50.04g(327.9mmol)乙烯基苄基氯化物(3-和4-异构体的混合物),10.13g(97.3mmol)苯乙烯,1.08g(8.306mmol)二乙烯基苯(DVB,3-和4-异构体的混合物)以及1.507g(9.2mmol)偶氮二异丁腈(AIBN)在150mL苯/四氢呋喃(THF)(1:1的体积比)的混合物中形成的溶液，其中所述的圆底烧瓶包含在0℃下由1.08g聚(乙烯基醇)在250.0mL去离子H2O中形成的搅拌的溶液。在0℃下搅拌2个小时使混合物均化后，将反应烧瓶转移至油浴中使反应温度升高至75℃，并将混合物强力搅拌28小时。使用多孔玻璃漏斗真空过滤所得的聚合物珠，由此收集聚合物产物。使用20％(以体积计)的甲烷在水、THF和MeOH中形成的溶液重复洗涤所得的珠，并在减压下在50℃下过夜干燥，从而产生59.84g聚合物。使用筛网尺寸为100、200和400的筛子，根据尺寸分离聚合物珠。
实施例A2：聚[苯乙烯-co-3-甲基-1-(4-乙烯基苄基)-3H-咪唑-1-鎓氯化物-co-二乙烯基苯]的制备
将聚(苯乙烯-co-乙烯基苄基氯化物-co-二乙烯基苯)(Cl-密度＝～4.0mmol/g,50g,200mmol)装入装配有机械搅拌器、干燥氮气管线和放气阀的500mL三颈烧瓶(TNF)中。将干态二甲基甲酰胺(185ml)加入至烧瓶中(在N2下通过套管)并搅拌，从而形成聚合物树脂的粘性浆料。然后加入1-甲基咪唑(36.5g,445mmol)，并在95℃下搅拌8h。冷却后，使用多孔玻璃漏斗在真空下过滤反应混合物，使用去离子水和乙醇依次洗涤，最后风干。
通过离子交换滴定测量法测定聚合物材料的化学官能化，以毫摩尔官能团/克干态聚合物树脂(mmol/g)表示。为了测定可阳离子交换的酸性质子，将已知干态质量的聚合物树脂加入至氯化钠饱和水溶液中，并针对标准的氢氧化钠溶液滴定至酚酞终点。为了测定可阴离子交换的离子氯化物含量，将已知干态质量的聚合物树脂加入至硝酸钠水溶液中，并使用碳酸钠中和。针对标准的硝酸银溶液将所得的混合物滴定至铬酸钾终点。对于其中可交换的阴离子并非为氯化物的高分子材料而言，首先通过在盐酸水溶液中搅拌所述的材料来处理聚合物，然后使用重复洗涤直至流出物为中性(通过pH试纸测定)。通过重力测量法测定具有甲基咪唑鎓氯化物基团的聚合物树脂的化学官能化为2.60mmol/g，通过滴定测量法测定具有甲基咪唑鎓氯化物基团的聚合物树脂的化学官能化为2.61mmol/g。
实施例A3：聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-3-甲基-1-(4-乙烯基苄基)-3H-咪唑-1-鎓硫酸氢盐-co-二乙烯基苯]的制备
将聚[苯乙烯-co-3-甲基-1-(4-乙烯基苄基)-3H-咪唑-1-鎓氯化物-co-二乙烯基苯](63g)装入装配有磁力搅拌棒和冷凝器的500mL烧瓶中。在搅拌下，将冷的浓硫酸(>98％w/w,H2SO4,300mL)逐渐加入至烧瓶中，由此形成暗红色树脂浆料。将该浆料在85℃下搅拌4h。冷却至室温后，使用多孔玻璃漏斗在真空下过滤反应混合物，然后使用去离子水重复洗涤，直至流出物为中性，这可使用pH试纸来测定。最后，使用乙醇洗涤磺酸化的树脂珠，并风干。通过滴定测量法根据实施例A2的过程测定，具有磺酸基团的聚合物树脂的化学官能化测定为1.60mmol/g。
实施例A4：聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-3-甲基-1-(4-乙烯基苄基)-3H-咪唑-1-鎓氯化物-co-二乙烯基苯]的制备
使用0.1M HCl溶液重复洗涤装在多孔玻璃漏斗中的聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-3-甲基-1-(4-乙烯基苄基)-3H-咪唑-1-鎓硫酸氢盐-co-二乙烯基苯](实施例A3的样品)，以确保HSO4 -与Cl-的完全交换。然后使用去离子水洗涤树脂，直至流出物为中性，其可使用pH试纸测定。最后将树脂风干。
实施例A5：聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-3-甲基-1-(4-乙烯基苄基)-3H-咪唑-1-鎓乙酸盐-co-二乙烯基苯]的制备
在60℃下，将聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-3-甲基-1-(4-乙烯基苄基)-3H-咪唑-1-鎓硫酸氢盐-co-二乙烯基苯](实施例A3的样品)在10％乙酸水溶液中形成的悬液搅拌2h，以确保HSO4 -与AcO-的完全交换。使用多孔玻璃漏斗过滤树脂，然后使用去离子水多次洗涤，直至流出物为中性。最后将树脂风干。
实施例A6：聚[苯乙烯-co-3-乙基-1-(4-乙烯基苄基)-3H-咪唑-1-鎓氯化物-co-二乙烯基苯]的制备
将聚(苯乙烯-co-乙烯基苄基氯化物-co-二乙烯基苯)(Cl-密度＝～4.0mmol/g,10g,40mmol)装入装配有机械搅拌器、干燥氮气管线和放气阀的250mL三颈烧瓶(TNF)中。将干态二甲基甲酰胺(80ml)加入至烧瓶中(在N2下通过套管)并搅拌，从而得到粘性树脂浆料。然后将1-乙基咪唑(4.3g,44.8mmol)加入至树脂浆料中，并在95℃下搅拌8h。冷却后，使用多孔玻璃漏斗在真空下过滤反应混合物，使用去离子水和乙醇依次洗涤，最后风干。通过滴定测量法根据实施例A1的过程测定，具有乙基咪唑鎓氯化物基团的聚合物树脂的化学官能化测定为1.80mmol/g。
实施例A7：聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-3-乙基-1-(4-乙烯基苄基)-3H-咪唑-1-鎓硫酸氢盐-co-二乙烯基苯]的制备
将聚[苯乙烯-co-3-乙基-1-(4-乙烯基苄基)-3H-咪唑-1-鎓氯化物-co-二乙烯基苯](5g)装入装配有磁力搅拌棒和冷凝器的100mL烧瓶中。在搅拌下，将冷的浓硫酸(>98％w/w,H2SO4,45mL)逐渐加入至烧瓶中，由此形成暗红色均匀的树脂浆料。将该浆料在95-100℃下搅拌6h。冷却至室温后，使用多孔玻璃漏斗在真空下过滤反应混合物，然后使用去离子水重复洗涤，直至流出物为中性，这可使用pH试纸来测定。最后，使用乙醇洗涤磺酸化的珠，并风干。通过滴定测量法根据实施例A2的过程测定，具有磺酸基团的聚合物的化学官能化测定为1.97mmol/g。
实施例A8：聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-3-乙基-1-(4-乙烯基苄基)-3H-咪唑-1-鎓氯化物-co-二乙烯基苯]的制备
使用0.1M HCl溶液重复洗涤装在多孔玻璃漏斗中的聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-3-乙基-1-(4-乙烯基苄基)-3H-咪唑-1-鎓硫酸氢盐-co-二乙烯基苯]树脂珠(实施例A7的样品)，以确保HSO4 -与Cl-的完全交换。然后使用去离子水洗涤树脂，直至流出物为中性，其可使用pH试纸测定。最后使用乙醇洗涤树脂，并风干。
实施例A9：聚[苯乙烯-co-1-(4-乙烯基苄基)-3H-咪唑-1-鎓氯化物-co-二乙烯基苯]的制备
将聚(苯乙烯-co-乙烯基苄基氯化物-co-二乙烯基苯)(Cl-密度＝～4.0mmol/g,10g,40mmol)装入装配有磁力搅拌棒和冷凝器的100mL烧瓶中。将氯仿(50ml)加入至烧瓶中并搅拌，从而形成树脂浆料。然后将咪唑(2.8g,41.13mmol)加入至树脂浆料中，并在40℃下搅拌18h。反应完全后，使用多孔玻璃漏斗在真空下过滤反应混合物，使用去离子水和乙醇依次洗涤，最后风干。通过滴定测量法根据实施例A2的过程测定，具有咪唑鎓氯化物基团的聚合物树脂的化学官能化测定为2.7mmol/g。
实施例A10：聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-1-(4-乙烯基苄基)-3H-咪唑-1-鎓硫酸氢盐-co-二乙烯基苯]的制备
将聚[苯乙烯-co-1-(4-乙烯基苄基)-3H-咪唑-1-鎓氯化物-co-二乙烯基苯](5g)装入装配有磁力搅拌棒和冷凝器的100mL烧瓶中。将冷的浓硫酸(>98％w/w,H2SO4,80mL)逐渐加入至烧瓶中并搅拌，由此形成暗红色的树脂浆料。将该浆料在95℃下搅拌8h。冷却后，使用多孔玻璃漏斗在真空下过滤反应混合物，然后使用去离子水重复洗涤，直至流出物为中性，这可使用pH试纸来测定。最后，使用乙醇洗涤磺酸化的珠，并风干。通过滴定测量法根据实施例A2的过程测定，具有磺酸基团的聚合物树脂的化学官能化测定为1.26mmol/g。
实施例A11：聚[苯乙烯-co-3-甲基-1-(4-乙烯基苄基)-3H-苯并咪唑-1-鎓氯化物-co-二乙烯基苯]的制备
将聚(苯乙烯-co-乙烯基苄基氯化物-co-二乙烯基苯)(Cl-密度＝～4.0mmol/g,4g,16mmol)装入装配有磁力搅拌棒和冷凝器的100mL烧瓶中。将干态二甲基甲酰胺(50ml)加入至烧瓶中(在N2下通过套管)并搅拌，从而形成粘性聚合物树脂浆料。然后将1-甲基苯并咪唑(3.2g,24.2mmol)加入至树脂浆料中，并将所得的反应混合物在95℃下搅拌18h。冷却后，使用多孔玻璃漏斗在真空下过滤反应混合物，使用去离子水和乙醇依次洗涤，最后风干。通过滴定测量法根据实施例A2的过程测定，具有甲基苯并咪唑鎓氯化物基团的聚合物的化学官能化测定为1.63mmol/g。
实施例A12：聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-3-甲基-1-(4-乙烯基苄基)-3H-苯并咪唑-1-鎓硫酸氢盐-co-二乙烯基苯]的制备
将聚[苯乙烯-co-3-甲基-1-(4-乙烯基苄基)-3H-苯并咪唑-1-鎓氯化物-co-二乙烯基苯](5.5g)装入装配有磁力搅拌棒和冷凝器的100mL烧瓶中。将冷的浓硫酸(>98％w/w,H2SO4,42mL)和发烟硫酸(20％游离SO3,8mL)逐渐加入至烧瓶中并搅拌，由此形成暗红色的树脂浆料。将该浆料在85℃下搅拌4h。冷却后，使用多孔玻璃漏斗在真空下过滤反应混合物，然后使用去离子水重复洗涤，直至流出物为中性，这可使用pH试纸来测定。最后，使用乙醇洗涤磺酸化的珠，并风干。通过滴定测量法根据实施例A2的过程测定，具有磺酸基团的聚合物的化学官能化测定为1.53mmol/g。
实施例A13：聚[苯乙烯-co-1-(4-乙烯基苄基)-吡啶鎓氯化物-co-二乙烯基苯]的制备
将聚(苯乙烯-co-乙烯基苄基氯化物-co-二乙烯基苯)(Cl-密度＝～4.0mmol/g,5g,20mmol)装入装配有磁力搅拌棒和冷凝器的100mL烧瓶中。将干态二甲基甲酰胺(45ml)加入至烧瓶中(在N2下通过套管)同时进行搅拌，从而得到聚合物树脂的均匀的粘性浆料。然后将吡啶(3mL,37.17mmol)加入至树脂浆料中，并在85-90℃下搅拌18h。冷却后，使用多孔玻璃漏斗在真空下过滤反应混合物，使用去离子水和乙醇依次洗涤，最后风干。通过滴定测量法根据实施例A2的过程测定，具有吡啶鎓氯化物基团的聚合物树脂的化学官能化测定为3.79mmol/g。
实施例A14：聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-1-(4-乙烯基苄基)-吡啶鎓-硫酸氢盐-co-二乙烯基苯]的制备
将聚[苯乙烯-co-1-(4-乙烯基苄基)-吡啶鎓氯化物-co-二乙烯基苯](4g)树脂珠装入装配有磁力搅拌棒和冷凝器的100mL烧瓶中。在搅拌下，将冷的浓硫酸(>98％w/w,H2SO4,45mL)逐渐加入至烧瓶中，由此形成暗红色的均匀的树脂浆料。在持续搅拌下，将该浆料在95-100℃下搅拌5h。反应完全后，使用多孔玻璃漏斗在真空下过滤冷却的反应混合物，然后使用去离子水重复洗涤，直至流出物为中性，这可使用pH试纸来测定。最后，使用乙醇洗涤树脂珠，并风干。通过滴定测量法根据实施例A2的过程测定，具有磺酸基团的聚合物的化学官能化测定为0.64mmol/g。
实施例A15：聚[苯乙烯-co-1-(4-乙烯基苄基)-吡啶鎓氯化物-co-3-甲基-1-(4-乙烯基苄基)-3H-咪唑-1-鎓氯化物-co-二乙烯基苯]的制备
将聚(苯乙烯-co-乙烯基苄基氯化物-co-二乙烯基苯)(Cl-密度＝～4.0mmol/g,10g,40mmol)装入装配有磁力搅拌棒和冷凝器的100mL烧瓶中。将干态二甲基甲酰胺(80ml)加入至烧瓶中(在N2下通过套管)同时进行搅拌，从而形成聚合物树脂的粘性浆料。然后将吡啶(1.6mL,19.82mmol)和1-甲基咪唑(1.7mL,21.62mmol)加入至树脂浆料中，并在95℃下将所得的反应混合物搅拌18h。反应完全后，将反应混合物冷却，使用多孔玻璃漏斗在真空下过滤，使用去离子水和乙醇依次洗涤，最后风干。通过滴定测量法根据实施例A2的过程测定，具有吡啶鎓氯化物和1-甲基咪唑鎓氯化物基团的聚合物的化学官能化测定为3.79mmol/g。
实施例A16：聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-1-(4-乙烯基苄基)-吡啶鎓氯化物-co-3-甲基-1-(4-乙烯基苄基)-3H-咪唑-1-鎓硫酸氢盐-co-二乙烯基苯]的这制备
将聚[苯乙烯-co-1-(4-乙烯基苄基)-吡啶鎓氯化物-co-3-甲基-1-(4-乙烯基苄基)-3H-咪唑-1-鎓氯化物-co-二乙烯基苯](5g)装入装配有磁力搅拌棒和冷凝器的100mL烧瓶中。在搅拌下，将冷的浓硫酸(>98％w/w,H2SO4,75mL)和发烟硫酸(20％游离SO3,2mL)逐渐加入至烧瓶中，由此形成暗红色的均匀的树脂浆料。在持续搅拌下，将该浆料在95-100℃下搅拌12h。反应完全后，使用多孔玻璃漏斗在真空下过滤冷却的反应混合物，然后使用去离子水重复洗涤，直至流出物为中性，这可使用pH试纸来测定。最后，使用乙醇洗涤磺酸化的树脂珠，并风干。通过滴定测量法根据实施例A2的过程测定，具有磺酸基团的聚合物树脂的化学官能化测定为1.16mmol/g。
实施例A17：聚[苯乙烯-co-4-甲基-4-(4-乙烯基苄基)-吗啉-4-鎓氯化物-co-二乙烯基苯]的制备
将聚(苯乙烯-co-乙烯基苄基氯化物-co-二乙烯基苯)(Cl-密度＝～4.0mmol/g,10g,40mmol)装入装配有磁力搅拌棒和冷凝器的100mL烧瓶中。将干态二甲基甲酰胺(85ml)加入至烧瓶中(在N2下通过套管)同时进行搅拌，从而形成聚合物树脂的均匀的粘性浆料。然后将1-甲基吗啉(5.4mL,49.12mmol)加入至树脂浆料中，并在95℃下将所得的反应混合物搅拌18h。冷却后，使用多孔玻璃漏斗在真空下过滤反应混合物，使用去离子水和乙醇依次洗涤，最后风干。通过滴定测量法根据实施例A2的过程测定，具有甲基吗啉鎓氯化物基团的聚合物的化学官能化测定为3.33mmol/g。
实施例A18：聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-4-甲基-4-(4-乙烯基苄基)-吗啉-4-鎓硫酸氢盐-co-二乙烯基苯]的制备
将聚[苯乙烯-co-1-4-甲基-4-(4-乙烯基苄基)-吗啉-4-鎓氯化物-co-二乙烯基苯](8g)装入装配有磁力搅拌棒和冷凝器的100mL烧瓶中。在搅拌下，将冷的浓硫酸(>98％w/w,H2SO4,50mL)逐渐加入至烧瓶中，由此形成暗红色的浆料。将该浆料在90℃下搅拌8h。冷却后，使用多孔玻璃漏斗在真空下过滤冷却的反应混合物，然后使用去离子水重复洗涤，直至流出物为中性，这可使用pH试纸来测定。最后，使用乙醇洗涤磺酸化的树脂珠，并风干。通过滴定测量法根据实施例A2的过程测定，具有磺酸基团的聚合物树脂的化学官能化测定为1.18mmol/g。
实施例A19：[聚苯乙烯-co-三苯基-(4-乙烯基苄基)-磷鎓氯化物-co-二乙烯基苯]的制备
将聚(苯乙烯-co-乙烯基苄基氯化物-co-二乙烯基苯)(Cl-密度＝～4.0mmol/g,10g,40mmol)装入装配有磁力搅拌棒和冷凝器的100mL烧瓶中。将干态二甲基甲酰胺(80ml)加入至烧瓶中(在N2下通过套管)同时进行搅拌，并且获得聚合物树脂的均匀的粘性浆料。然后将三苯基膦(11.6g,44.23mmol)加入至树脂浆料中，并在95℃下将所得的反应混合物搅拌18h。冷却后，使用多孔玻璃漏斗在真空下过滤反应混合物，使用去离子水和乙醇依次洗涤，最后风干。通过滴定测量法根据实施例A2的过程测定，具有三苯基磷鎓氯化物基团的聚合物的化学官能化测定为2.07mmol/g。
实施例A20：聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-三苯基-(4-乙烯基苄基)-磷鎓硫酸氢盐-co-二乙烯基苯]的制备
将聚(苯乙烯-co-三苯基-(4-乙烯基苄基)-磷鎓氯化物-co-二乙烯基苯)(7g)装入装配有磁力搅拌棒和冷凝器的100mL烧瓶中。在搅拌下，将冷的浓硫酸(>98％w/w,H2SO4,40mL)和发烟硫酸(20％游离SO3,15mL)逐渐加入至烧瓶中，由此形成暗红色的浆料。将该浆料在95℃下搅拌8h。冷却后，使用多孔玻璃漏斗在真空下过滤反应混合物，然后使用去离子水重复洗涤，直至流出物为中性，这可使用pH试纸来测定。最后，使用乙醇洗涤磺酸化的树脂珠，并风干。通过滴定测量法根据实施例A2的过程测定，具有磺酸基团的聚合物的化学官能化测定为2.12mmol/g。
实施例A21：聚[苯乙烯-co-1-(4-乙烯基苄基)-哌啶-co-二乙烯基苯]的制备
将聚(苯乙烯-co-乙烯基苄基氯化物-co-二乙烯基苯)(Cl-密度＝～4.0mmol/g,10g,40mmol)装入装配有磁力搅拌棒和冷凝器的100mL烧瓶中。将干态二甲基甲酰胺(50ml)加入至烧瓶中(在N2下通过套管)同时进行搅拌，并且获得聚合物树脂的均匀的粘性浆料。然后将哌啶(4g,46.98mmol)加入至树脂浆料中，并在95℃下将所得的反应混合物搅拌16h。冷却后，使用多孔玻璃漏斗在真空下过滤反应混合物，使用去离子水和乙醇依次洗涤，最后风干。
实施例A22：聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-1-(4-乙烯基苄基)-哌啶-co-二乙烯基苯]的制备
将聚[苯乙烯-co-1-(4-乙烯基苄基)-哌啶-co-二乙烯基苯](7g)装入装配有磁力搅拌棒和冷凝器的100mL烧瓶中。在搅拌下，将冷的浓硫酸(>98％w/w,H2SO4,45mL)和发烟硫酸(20％游离SO3,12mL)逐渐加入至烧瓶中，由此形成暗红色的浆料。将该浆料在95℃下搅拌8h。反应结束后，使用多孔玻璃漏斗在真空下过滤冷却的反应混合物，然后使用去离子水重复洗涤，直至流出物为中性，这可使用pH试纸来测定。最后，使用乙醇洗涤树脂珠，并风干。通过滴定测量法根据实施例A2的过程测定，具有磺酸基团的聚合物的化学官能化测定为0.72mmol/g。
实施例A23：聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-1-甲基-1-(4-乙烯基苄基)-哌啶-1-鎓氯化物-co-二乙烯基苯]的制备
将聚(苯乙烯-co-4-(1-哌啶)甲基苯乙烯-co-二乙烯基苯)(4g)装入装配有磁力搅拌棒和冷凝器的100mL烧瓶中。在搅拌下，将干态二甲基甲酰胺(40ml)加入至烧瓶中(在N2下通过套管)，从而获得均匀的粘性浆料。然后将碘甲烷(1.2ml)和碘化钾(10mg)加入至烧瓶中。在95℃下将反应混合物搅拌24h。冷却后，使用多孔玻璃漏斗在真空下过滤反应混合物，然后使用稀HCl溶液多次洗涤，以确保I-和Cl-充分交换。最后，使用去离子水洗涤树脂，直至流出物为中性，其可使用pH试纸测定。最后，将树脂风干。
实施例A24：聚[苯乙烯-co-4-(4-乙烯基苄基)-吗啉-co-二乙烯基苯]的制备
将聚(苯乙烯-co-乙烯基苄基氯化物-co-二乙烯基苯)(Cl-密度＝～4.0mmol/g,10g,40mmol)装入装配有磁力搅拌棒和冷凝器的100mL烧瓶中。将干态二甲基甲酰胺(40ml)加入至烧瓶中(在N2下通过套管)同时进行搅拌，从而获得聚合物树脂的均匀的粘性浆料。然后将吗啉(4g,45.92mmol)加入至树脂浆料中，并在持续搅拌下在95℃下将所得的反应混合物搅拌16h。反应完全后，将反应混合物冷却，使用多孔玻璃漏斗在真空下过滤，然后使用去离子水和乙醇依次洗涤，最后风干。
实施例A25：聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-4-(4-乙烯基苄基)-吗啉-co-二乙烯基苯]的制备
将聚[苯乙烯-co-4-(4-乙烯基苄基)-吗啉-co-二乙烯基苯](10g)装入装配有磁力搅拌棒和冷凝器的200mL烧瓶中。将冷的浓硫酸(>98％w/w,H2SO4,90mL)和发烟硫酸(20％游离SO3,10mL)逐渐加入至烧瓶中同时进行搅拌，由此形成暗红色的浆料。将该浆料在95℃下搅拌8h。冷却后，使用多孔玻璃漏斗在真空下过滤冷却的反应混合物，然后使用去离子水重复洗涤，直至流出物为中性，这可使用pH试纸来测定。最后，使用乙醇洗涤磺酸化的树脂珠，并风干。通过滴定测量法根据实施例A2的过程测定，具有磺酸基团的聚合物的化学官能化测定为0.34mmol/g。
实施例A26：聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-4-(4-乙烯基苄基)-吗啉-4-氧化物-co-二乙烯基苯]的制备
将聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-4-(4-乙烯基苄基)-吗啉-co-二乙烯基苯](6g)装入装配有磁力搅拌棒和冷凝器的100mL烧瓶中。然后，将甲醇(60mL)装入烧瓶中，之后加入过氧化氢(30％在水中形成的溶液,8.5mL)。在持续搅拌下，将反应混合物回流8h。冷却后，过滤反应混合物，使用去离子水和乙醇依次洗涤，最后风干。
实施例A27：聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苄基-三乙基铵氯化物-co-二乙烯基苯]的制备
将聚(苯乙烯-co-乙烯基苄基氯化物-co-二乙烯基苯)(Cl-密度＝～4.0mmol/g,10g,40mmol)装入装配有磁力搅拌棒和冷凝器的100mL烧瓶中。将干态二甲基甲酰胺(80ml)加入至烧瓶中(在N2下通过套管)同时进行搅拌，从而获得聚合物树脂的均匀的粘性浆料。然后将三乙胺(5mL,49.41mmol)加入至树脂浆料中，并将所得的反应混合物在95℃下搅拌18h。冷却后，使用多孔玻璃漏斗在真空下过滤反应混合物，使用去离子水和乙醇依次洗涤，最后风干。通过滴定测量法根据实施例A2的过程测定，具有三乙基铵氯化物基团的聚合物树脂的化学官能化测定为2.61mmol/g。
实施例A28：聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-三乙基-(4-乙烯基苄基)-铵氯化物-co-二乙烯基苯]的制备
将聚[苯乙烯-co-三乙基-(4-乙烯基苄基)-铵氯化物-co-二乙烯基苯](6g)装入装配有磁力搅拌棒和冷凝器的100mL烧瓶中。在搅拌下，将冷的浓硫酸(>98％w/w,H2SO4,60mL)逐渐加入至烧瓶中，由此形成暗红色的树脂的均匀的浆料。将该浆料在95-100℃下搅拌8h。冷却后，使用多孔玻璃漏斗在真空下过滤反应混合物，然后使用去离子水重复洗涤，直至流出物为中性，这可使用pH试纸来测定。最后，使用乙醇洗涤磺酸化的树脂珠，并风干。通过滴定测量法根据实施例A2的过程测定，具有磺酸基团的聚合物的化学官能化测定为0.31mmol/g。
实施例A29：聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-乙烯基苄基氯化物-co-二乙烯基苯]的制备
将聚(苯乙烯-co-乙烯基苄基氯化物-co-二乙烯基苯)(6g)装入装配有磁力搅拌棒和冷凝器的100mL烧瓶中。在搅拌下，将发烟硫酸(20％游离SO3,25mL)逐渐加入至烧瓶中，由此形成暗红色的浆料。将该浆料在90℃下搅拌5h。冷却后，使用多孔玻璃漏斗在真空下过滤反应混合物，然后使用去离子水和乙醇依次洗涤，最后风干。通过滴定测量法根据实施例A2的过程测定，具有磺酸基团的聚合物的化学官能化测定为0.34mmol/g。
实施例A30：聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-3-甲基-1-(4-乙烯基苄基)-3H-咪唑-1-鎓氯化物-co-二乙烯基苯]的制备
将聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-乙烯基苄基氯化物-co-二乙烯基苯](5g)装入装配有磁力搅拌棒和冷凝器的100mL烧瓶中。将干态二甲基甲酰胺(2ml)加入至烧瓶中(在N2下通过套管)同时进行搅拌，并且获得聚合物树脂的均匀的粘性浆料。然后将1-甲基咪唑(3mL,49.41mmol)加入至树脂浆料中，并将所得的反应混合物在95℃下搅拌18h。冷却后，使用多孔玻璃漏斗在真空下过滤反应混合物，然后使用去离子水重复洗涤。最后，使用乙醇洗涤树脂珠，并风干。通过滴定测量法根据实施例A2的过程测定，具有磺酸基团和甲基咪唑鎓氯化物基团的聚合物的化学官能化分别测定为0.23mmol/g和2.63mmol/g。
实施例A31：聚[苯乙烯-co-3-甲基-1-(4-乙烯基苄基)-3H-咪唑-1-鎓氯化物-co-4-硼羰基-1-(4-乙烯基苄基)-吡啶鎓氯化物-co-二乙烯基苯]的制备
将聚(苯乙烯-co-乙烯基苄基氯化物-co-二乙烯基苯)(Cl-密度＝～4.0mmol/g,10g,40mmol)装入装配有磁力搅拌棒和冷凝器的100mL烧瓶中。将干态二甲基甲酰胺(80ml)加入至烧瓶中(在N2下通过套管)同时进行搅拌，从而获得聚合物树脂的均匀的粘性浆料。然后将4-吡啶基-硼酸(1.8g,14.6mmol)加入至树脂浆料中，并将所得的反应混合物在95℃下搅拌2天。然后，将1-甲基咪唑(3mL,49.41mmol)加入至反应混合物中，并在95℃下搅拌1天。冷却至室温后，使用多孔玻璃漏斗在真空下过滤反应混合物，使用去离子水和乙醇依次洗涤，最后风干。通过滴定测量法根据实施例A2的过程测定，具有硼酸基团的聚合物的化学官能化分别测定为0.28mmol/g。
实施例A32：聚[苯乙烯-co-3-甲基-1-(4-乙烯基苄基)-3H-咪唑-1-鎓氯化物-co-1-(4-乙烯基苯基)甲基膦酸-co-二乙烯基苯]的制备
将聚[苯乙烯-co-3-甲基-1-(4-乙烯基苄基)-3H-咪唑-1-鎓氯化物-co-二乙烯基苯](Cl-密度＝～2.73mmol/g,5g)装入装配有磁力搅拌棒和冷凝器的100mL烧瓶中。将亚磷酸三乙酯(70ml)加入至烧瓶中，并将所得的悬液在120℃下搅拌2天。使用多孔玻璃漏斗过滤反应混合物，并使用去离子水和乙醇依次洗涤树脂珠。然后，将这些树脂珠悬浮在浓HCl(80ml)中，并在持续搅拌下在115℃下回流24h。冷却至室温后，使用多孔玻璃漏斗在真空下过滤反应混合物，然后使用去离子水重复洗涤。最后，使用乙醇洗涤树脂珠，并风干。通过滴定测量法根据实施例A2的过程测定，具有膦酸基团和甲基咪唑鎓氯化物基团的聚合物的化学官能化分别测定为0.11mmol/g和2.81mmol/g。
实施例A33：聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-乙烯基苄基氯化物-co-乙烯基-2-吡啶-co-二乙烯基苯]的制备
将聚(苯乙烯-co-乙烯基苄基氯化物-co-乙烯基-2-吡啶-co-二乙烯基苯)(5g)装入装配有磁力搅拌棒和冷凝器的100mL烧瓶中。在搅拌下，将冷的浓硫酸(>98％w/w,H2SO4,80mL)逐渐加入至烧瓶中，由此形成暗红色的浆料。将该浆料在95℃下搅拌8h。冷却至室温后，使用多孔玻璃漏斗在真空下过滤反应混合物，使用去离子水重复洗涤，直至流出物为中性，这可使用pH试纸来测定。最后，使用乙醇洗涤磺酸化的珠，并风干。通过滴定测量法根据实施例A2的过程测定，具有磺酸基团的聚合物的化学官能化测定为3.49mmol/g。
实施例A34：聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-乙烯基苄基氯化物-co-1-甲基-2-乙烯基-吡啶鎓氯化物-co-二乙烯基苯]的制备
将聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-乙烯基苄基氯化物-co-乙烯基-2-吡啶-co-二乙烯基苯](4g)装入装配有磁力搅拌棒和冷凝器的100mL烧瓶中。在搅拌下，将干态二甲基甲酰胺(80ml)加入至烧瓶中(在N2下通过套管)，从而获得均匀的粘性浆料。然后将碘甲烷(1.9ml)逐渐加入至烧瓶中，然后加入碘化钾(10mg)。将反应混合物在95℃下搅拌24h。冷却至室温后，使用多孔玻璃漏斗在真空下过滤冷却的反应混合物，然后使用稀释的HCl溶液多次洗涤，以确保I-和Cl-的完全交换。最后，使用去离子水洗涤树脂珠，直至流出物为中性(其可以使用pH试纸测定)，然后风干。
实施例A35：聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯磺酸-co-4-(4-乙烯基苄基)-吗啉-4-氧化物-co-二乙烯基苯]的制备
将聚[苯乙烯-co-4-(4-乙烯基苄基)-吗啉-4-氧化物-co-二乙烯基苯](3g)装入装配有磁力搅拌棒和冷凝器的100mL烧瓶中。在搅拌下，将冷的浓硫酸(>98％w/w,H2SO4,45mL)逐渐加入至烧瓶中，由此形成暗红色的浆料。将该浆料在95℃下搅拌8h。冷却至室温后，使用多孔玻璃漏斗在真空下过滤反应混合物，使用去离子水重复洗涤，直至流出物为中性，这可以使用pH试纸来测定。最后，使用乙醇洗涤磺酸化的珠，并风干。
实施例A36：聚[苯乙烯-co-4-乙烯基苯基膦酸-co-3-甲基-1-(4-乙烯基苄基)-3H-咪唑-1-鎓氯化物-co-二乙烯基苯]的制备
将聚[苯乙烯-co-3-甲基-1-(4-乙烯基苄基)-3H-咪唑-1-鎓氯化物-co-二乙烯基苯](Cl-密度＝～2.73mmol/g,5g)装入装配有磁力搅拌棒和冷凝器的100mL烧瓶中。将亚磷酸二乙酯(30ml)和叔丁基过氧化物(3.2ml)加入至烧瓶中，并将所得的悬液在120℃下搅拌2天。使用多孔玻璃漏斗过滤反应混合物，并使用去离子水和乙醇重复洗涤树脂珠。然后，将这些树脂珠悬浮在浓HCl(80ml)中，并在持续搅拌下在115℃下回流2天。冷却至室温后，使用多孔玻璃漏斗在真空下过滤反应混合物，然后使用去离子水重复洗涤。最后，使用乙醇洗涤树脂珠，并风干。通过滴定测量法根据实施例A2的过程测定，具有芳香膦酸基团的聚合物的化学官能化测定为0.15mmol/g。
实施例A37：聚[苯乙烯-co-3-羧甲基-1-(4-乙烯基苄基)-3H-咪唑-1-鎓氯化物-co-二乙烯基苯]的制备
将聚(苯乙烯-co-乙烯基苄基氯化物-co-二乙烯基苯)(Cl-密度＝～4.0mmol/g,10g,40mmol)装入装配有磁力搅拌棒和冷凝器的100mL烧瓶中。将二甲基甲酰胺(50ml)加入至烧瓶中，并搅拌，从而形成树脂浆料。然后，咪唑(2.8g,41.13mmol)加入至树脂浆料中，并在80℃下搅拌8h。然后，将反应混合物冷却至40℃，并将叔丁氧化物(1.8g)加入至反应混合物中，再搅拌1h。接着，将溴乙基乙酸盐(4ml)加入至反应混合物中，并将该反应混合物在80℃下搅拌6h。冷却至室温后，使用多孔玻璃漏斗在真空下过滤反应混合物，然后使用去离子水重复洗涤。将洗涤的树脂珠悬浮在乙醇的氢氧化钠溶液中，并过夜回流。过滤树脂珠，并依次地，使用去离子水多次洗涤，再使用乙醇洗涤，最后风干。通过滴定测量法根据实施例A2的过程测定，具有羧酸基团的聚合物的化学官能化测定为0.09mmol/g。
实施例A38：聚[苯乙烯-co-5-(4-乙烯基苄基氨基)-异酞酸-co-3-甲基-1-(4-乙烯基苄基)-3H-咪唑-1-鎓氯化物-co-二乙烯基苯]的制备
将聚(苯乙烯-co-乙烯基苄基氯化物-co-二乙烯基苯)(Cl-密度＝～4.0mmol/g,10g,40mmol)装入装配有磁力搅拌棒和冷凝器的100mL烧瓶中。将干态二甲基甲酰胺(80ml)加入至烧瓶中(在N2下通过套管)并进行搅拌，由此获得聚合物树脂的均匀的粘性浆料。然后，将氨基异酞酸二甲酯(3.0g,14.3mmol)加入至树脂浆料中，并将所得的反应混合物在95℃下搅拌16h。然后，将1-甲基咪唑(2.3mL,28.4mmol)加入至反应混合物中，并在95℃下进一步搅拌1天。冷却至室温后，使用多孔玻璃漏斗在真空下过滤反应混合物，使用去离子水和乙醇依次洗涤。将洗涤的树脂珠悬浮于乙醇的氢氧化钠溶液中，并过夜回流。过滤树脂珠，并依次地，使用去离子水多次洗涤，再用乙醇洗涤，最后风干。通过滴定测量法根据实施例A2的过程测定，具有羧酸基团的聚合物的化学官能化测定为0.16mmol/g。
实施例A39：聚[苯乙烯-co-(4-乙烯基苄基氨基)-乙酸-co-3-甲基-1-(4-乙烯基苄基)-3H-咪唑-1-鎓氯化物-co-二乙烯基苯]的制备
将聚(苯乙烯-co-乙烯基苄基氯化物-co-二乙烯基苯)(Cl-密度＝～4.0mmol/g,10g,40mmol)装入装配有磁力搅拌棒和冷凝器的100mL烧瓶中。将干态二甲基甲酰胺(80ml)加入至烧瓶中(在N2下通过套管)并进行搅拌，由此获得聚合物树脂的均匀的粘性浆料。然后，将甘氨酸(1.2g,15.9mmol)加入至树脂浆料中，并将所得的反应混合物在95℃下搅拌2天。然后，将1-甲基咪唑(2.3mL,28.4mmol)加入至反应混合物中，并在95℃下进一步搅拌12小时。冷却至室温后，使用多孔玻璃漏斗在真空下过滤反应混合物，使用去离子水和乙醇依次洗涤，最后风干。通过滴定测量法根据实施例A2的过程测定，具有羧酸基团的聚合物的化学官能化测定为0.05mmol/g。
实施例A40：聚[苯乙烯-co-(1-乙烯基-1H-咪唑)-co-二乙烯基苯]的制备
在0℃下，向500mL圆底烧瓶(RBF)中逐渐加入由35g(371mmol)1-乙烯基咪唑,10g(96mmol)苯乙烯,1g(7.7mmol)二乙烯基苯(DVB)和1.5g(9.1mmol)偶氮二异丁腈(AIBN)在150mL苯/四氢呋喃(THF)(1:1的体积比)的混合物中形成的溶液，其中所述的圆底烧瓶包含在0℃下由1.00g聚(乙烯基醇)在250.0mL去离子H2O中形成的搅拌的溶液。在0℃下搅拌2个小时使混合物均化后，将反应烧瓶转移至油浴中使反应温度升高至75℃，并将混合物强力搅拌24小时。使用多孔玻璃漏斗真空过滤所得的聚合物，使用20％(以体积计)的甲烷在水、THF和MeOH中形成的溶液重复洗涤，然后在减压下在50℃下过夜干燥。
实施例A41：聚(苯乙烯-co-乙烯基苄基甲基咪唑鎓氯化物-co-乙烯基苄基甲基吗啉鎓氯化物-co-乙烯基苄基三苯基磷鎓氯化物-co-二乙烯基苯)的制备
将1-甲基咪唑(4.61g,56.2mmol),4-甲基吗啉(5.65g,56.2mmol)和三苯基膦(14.65,55.9mmol)装入装配有磁力搅拌棒和冷凝器的500mL烧瓶中。将丙酮(100ml)加入至烧瓶中并将混合物在50℃下搅拌10min。将聚(苯乙烯-co-乙烯基苄基氯化物-co-二乙烯基苯)(1％DVB,Cl-密度＝4.18mmol/g干树脂,40.22g,168mmol)装入烧瓶中，同时进行搅拌，直至获得均匀的聚合物悬液。将所得的反应混合物回流24h。冷却后，使用多孔玻璃漏斗在真空下过滤反应混合物，使用丙酮和乙基乙酸盐依次洗涤，并在70℃下过夜干燥。通过滴定测量法测定具有氯化物基团的聚合物树脂的化学官能化测定为2.61mmol/g干树脂。
实施例A42：磺酸化聚(苯乙烯-co-乙烯基苄基甲基咪唑鎓硫酸氢盐-co-乙烯基苄基甲基吗啉鎓硫酸氢盐-co-乙烯基苄基三苯基磷鎓硫酸氢盐-co-二乙烯基苯)的制备
将聚(苯乙烯-co-乙烯基苄基甲基咪唑鎓氯化物-co-乙烯基苄基甲基吗啉鎓氯化物-co-乙烯基苄基三苯基磷鎓氯化物-co-二乙烯基苯)(35.02g)装入装配有磁力搅拌棒和冷凝器的500mL烧瓶中。将发烟硫酸(20％游离SO3,175mL)逐渐加入至烧瓶中并搅拌，从而形成暗红色的树脂悬液。将混合物在90℃下过夜搅拌。冷却至室温后，使用多孔玻璃漏斗在真空下过滤反应混合物，然后使用去离子水重复洗涤，直至流出物中为中性，这可以使用pH试纸来测定。将磺酸化的聚合物树脂风干至终含水率为56％g H2O/g湿聚合物。测定具有磺酸基团的聚合物树脂的化学官能化为3.65mmol/g干树脂。
实施例A43：聚(苯乙烯-co-乙烯基苄基甲基咪唑鎓氯化物-co-乙烯基苄基甲基吗啉鎓氯化物-co-乙烯基苄基三苯基磷鎓氯化物-co-二乙烯基苯)的制备
将1-甲基咪唑(7.02g,85.5mmol),4-甲基吗啉(4.37g,43.2mmol)和三苯基膦(11.09,42.3mmol)装入装配有磁力搅拌棒和冷凝器的500mL烧瓶中。将丙酮(100ml)加入至烧瓶中并将混合物在50℃下搅拌10min。将聚(苯乙烯-co-乙烯基苄基氯化物-co-二乙烯基苯)(1％DVB,Cl-密度＝4.18mmol/g干树脂,40.38g,169mmol)装入烧瓶中，同时进行搅拌，直至获得均匀的悬液。将所得的反应混合物回流18h。冷却后，使用多孔玻璃漏斗在真空下过滤反应混合物，使用丙酮和乙基乙酸盐依次洗涤，并在70℃下过夜干燥。通过滴定测量法测定具有氯化物基团的聚合物树脂的化学官能化测定为2.36mmol/g干树脂。
实施例A44：磺酸化聚(苯乙烯-co-乙烯基苄基甲基咪唑鎓硫酸氢盐-co-乙烯基苄基甲基吗啉鎓硫酸氢盐-co-乙烯基苄基三苯基磷鎓硫酸氢盐-co-二乙烯基苯)的制备
将聚(苯乙烯-co-乙烯基苄基甲基咪唑鎓氯化物-co-乙烯基苄基甲基吗啉鎓氯化物-co-乙烯基苄基三苯基磷鎓氯化物-co-二乙烯基苯)(35.12g)装入装配有磁力搅拌棒和冷凝器的500mL烧瓶中。将发烟硫酸(20％游离SO3,175mL)逐渐加入至烧瓶中并搅拌，从而形成暗红色的树脂浆料。将浆料在90℃下过夜搅拌。冷却后，使用多孔玻璃漏斗在真空下过滤反应混合物，然后使用去离子水重复洗涤，直至流出物中为中性，这可以使用pH试纸来测定。最后，将磺酸化的珠风干。测定具有磺酸基团的聚合物树脂的化学官能化为4.38mmol/g干树脂。
实施例A45：聚(苯乙烯-co-乙烯基苄基甲基吗啉鎓氯化物-co-乙烯基苄基三苯基磷鎓氯化物-co-二乙烯基苯)的制备
将4-甲基吗啉(8.65g,85.5mmol)和三苯基膦(22.41,85.3mmol)装入装配有磁力搅拌棒和冷凝器的500mL烧瓶中。将丙酮(100ml)加入至烧瓶中并将混合物在50℃下搅拌10min。将聚(苯乙烯-co-乙烯基苄基氯化物-co-二乙烯基苯)(1％DVB,Cl-密度＝4.18mmol/g干树脂,40.12g,167mmol)装入烧瓶中，同时进行搅拌，直至获得均匀的悬液。将所得的反应混合物回流24h。冷却后，使用多孔玻璃漏斗在真空下过滤反应混合物，使用丙酮和乙基乙酸盐依次洗涤，并在70℃下过夜干燥。通过滴定测量法测定具有氯化物基团的聚合物树脂的化学官能化测定为2.22mmol/g干树脂。
实施例A46：磺酸化聚(苯乙烯-co-乙烯基苄基甲基吗啉鎓硫酸氢盐-co-乙烯基苄基三苯基磷鎓硫酸氢盐-co-二乙烯基苯)的制备
将聚(苯乙烯-co-乙烯基苄基甲基咪唑鎓氯化物-co-乙烯基苄基甲基吗啉鎓氯化物-co-乙烯基苄基三苯基磷鎓氯化物-co-二乙烯基苯)(35.08g)装入装配有磁力搅拌棒和冷凝器的500mL烧瓶中。将发烟硫酸(20％游离SO3,175mL)逐渐加入至烧瓶中并搅拌，从而形成暗红色的树脂浆料。将浆料在90℃下过夜搅拌。冷却后，使用多孔玻璃漏斗在真空下过滤反应混合物，然后使用去离子水重复洗涤，直至流出物中为中性，这可以使用pH试纸来测定。将磺酸化的珠在空气中干燥至终含水率为52％g H2O/g湿树脂。测定具有磺酸基团的聚合物树脂的化学官能化为4.24mmol/g干树脂。
实施例A47：酚醛树脂的制备
将苯酚(12.87g,136.8mmol)分配至装配有搅拌棒和冷凝器的100mL圆底烧瓶(RBF)中。将去离子水(10g)装入烧瓶中。加入37％甲醛溶液(9.24g,110mmol)和草酸(75mg)。将所得的反应混合物回流30min。然后，其他其他的草酸(75mg)，并再持续回流1个小时。形成一大块固体树脂，使用研钵及研杵将所述的树脂研磨成粗粉。使用水和甲醇重复洗涤树脂，然后在70℃下过夜干燥。
实施例A48：氯甲基化的酚醛树脂的制备
将酚醛树脂(5.23g,44mmol)分配至装配有搅拌棒、冷凝器和氮气管线的100mL三颈圆底烧瓶(RBF)中。然后，将无水二氯乙烷(DCE,20ml)装入至烧瓶中。向树脂在DCE中形成的冰冷的悬液中加入氯化锌(6.83g,50mmol)。然后，向反应物中滴加氯甲基甲基醚(4.0ml,51mmol)。将混合物温暖至室温并在50℃下搅拌6h。通过真空过滤回收产物树脂，并使用水、丙酮和二氯甲烷依次洗涤。将洗涤的树脂在40℃下过夜干燥。
实施例A49：三苯基膦官能化的酚醛树脂的制备
将三苯基膦(10.12,38.61mmol)装入装配有磁力搅拌棒和冷凝器的100mL烧瓶中。将丙酮(30ml)加入烧瓶中，并将混合物在50℃下搅拌10min。氯甲基化的酚醛树脂(4.61g,38.03mmol)装入烧瓶中，同时进行搅拌。将所得的反应混合物回流24h。冷却后，使用多孔玻璃漏斗在真空下过滤反应混合物，使用丙酮和乙基乙酸盐依次洗涤，并在70℃下过夜干燥。
实施例A50：磺酸化三苯基膦官能化的酚醛树脂的制备
将三苯基膦官能化的酚醛树脂(5.12g,13.4mmol)装入装配有磁力搅拌棒和冷凝器的100mL烧瓶中。将发烟硫酸(20％游离SO3,25mL)逐渐加入至烧瓶中并搅拌，从而形成暗红色的树脂浆料。将浆料在90℃下过夜搅拌。冷却后，使用多孔玻璃漏斗在真空下过滤反应混合物，然后使用去离子水重复洗涤，直至流出物中为中性，这可以使用pH试纸来测定。将磺酸化的树脂在空气中干燥至终含水率为49％g H2O/g湿树脂。测定具有磺酸基团的聚合物树脂的化学官能化为3.85mmol/g干树脂。
实施例A51：聚(苯乙烯-co-乙烯基咪唑-co-二乙烯基苯)的制备
将去离子水(75mL)装入装配有机械搅拌器、冷凝器和N2管线的500mL三颈圆底烧瓶中。将氯化钠(1.18g)和羧甲基纤维素(0.61g)装入烧瓶中，并搅拌5min。将乙烯基咪唑(3.9mL,42.62mmol),苯乙烯(4.9mL,42.33mmol)和二乙烯基苯(0.9mL,4.0mmol)在异辛醇(25mL)中形成的溶液装入烧瓶中。将所得的乳液在500rpm下在室温下搅拌1h。加入苯酰基过氧化物(75％,1.205g)，并将温度升高至80℃。在搅拌速率为500rpm下，将反应混合物在80℃下加热8h。通过真空过滤回收聚合物产物，并使用水和丙酮多次洗涤。使用水和丙酮，通过索氏萃取来纯化分离的聚合物。将树脂在40℃下过夜干燥。
实施例A52：聚(苯乙烯-co-乙烯基甲基咪唑鎓碘化物-co-二乙烯基苯)的制备
将聚(苯乙烯-co-乙烯基咪唑-co-二乙烯基苯)(3.49g,39mmol)分配至装配有搅拌棒、冷凝器和氮气管线的100mL三颈圆底烧瓶(RBF)中。然后，将无水四氢呋喃(20ml)装入至烧瓶中。向树脂在四氢呋喃中形成的冰冷的悬液中加入叔丁氧化钾(5.62g,50mmol)并搅拌30min。然后，向反应物中滴加碘甲烷(3.2ml,51mmol)。将混合物温暖至室温并在50℃下搅拌6h。通过真空过滤回收产物树脂，并使用水、丙酮和二氯甲烷依次洗涤。将洗涤的树脂在40℃下过夜干燥。
实施例A53：磺酸化聚(苯乙烯-co-乙烯基甲基咪唑鎓硫酸氢盐-co-二乙烯基苯)的制备
将聚(苯乙烯-co-乙烯基甲基咪唑鎓碘化物-co-二乙烯基苯)(3.89g,27.8mmol)装入装配有磁力搅拌棒和冷凝器的100mL烧瓶中。将发烟硫酸(20％游离SO3,20mL)逐渐加入至烧瓶中并搅拌，从而形成暗红色的浆料。将浆料在90℃下过夜搅拌。冷却后，使用多孔玻璃漏斗在真空下过滤反应混合物，然后使用去离子水重复洗涤，直至流出物中为中性，这可以使用pH试纸来测定。将磺酸化的聚合物在空气中干燥至终含水率为51％g H2O/g湿树脂。
实施例A54：聚(苯乙烯-co-乙烯基苄基三苯基磷鎓氯化物-co-二乙烯基苯)的制备
向装配有磁力搅拌棒和冷凝器的250mL烧瓶中装入三苯基膦(38.44g,145.1mmol)。将丙酮(50mL)加入烧瓶中，并将混合物在50℃下搅拌10min。将聚(苯乙烯-co-乙烯基苄基氯化物-co-二乙烯基苯)(8％DVB,Cl-密度＝4.0mmol/g干树脂,30.12g,115.6mmol)装入烧瓶中，同时进行搅拌，直至获得均匀的悬液。将所得的反应混合物回流24h。冷却后，使用多孔玻璃漏斗在真空下过滤反应混合物，然后使用丙酮和乙基乙酸盐依次洗涤，并在70℃下过夜干燥。通过滴定测量法测定具有三苯基磷鎓氯化物基团的聚合物树脂的化学官能化为1.94mmol/g干树脂。
实施例A55：磺酸化聚(苯乙烯-co-乙烯基苄基三苯基磷鎓硫酸氢盐-co-二乙烯基苯)的制备
将聚(苯乙烯-co-乙烯基苄基三苯基磷鎓氯化物-co-二乙烯基苯)(40.12g)装入装配有磁力搅拌棒和冷凝器的500mL烧瓶中。将发烟硫酸(20％游离SO3,160mL)逐渐加入至烧瓶中并搅拌，从而形成暗红色的树脂浆料。将浆料在90℃下过夜搅拌。冷却后，使用多孔玻璃漏斗在真空下过滤反应混合物，然后使用去离子水重复洗涤，直至流出物中为中性，这可以使用pH试纸来测定。将磺酸化的珠在空气中干燥至终含水率为54％g H2O/g湿树脂。测定具有磺酸基团的聚合物树脂的化学官能化为4.39mmol/g干树脂。
实施例A56：聚(苯乙烯-co-乙烯基苄基三苯基磷鎓氯化物-co-二乙烯基苯的制备
向装配有磁力搅拌棒和冷凝器的250mL烧瓶中装入三苯基膦(50.22g,189.6mmol)。将丙酮(50mL)加入烧瓶中，并将混合物在50℃下搅拌10min。将聚(苯乙烯-co-乙烯基苄基氯化物-co-二乙烯基苯)(4％DVB,Cl-密度＝5.2mmol/g干树脂,30.06g,152.08mmol)装入烧瓶中，同时进行搅拌，直至获得均匀的悬液。将所得的反应混合物回流24h。冷却后，使用多孔玻璃漏斗在真空下过滤反应混合物，然后使用丙酮和乙基乙酸盐依次洗涤，并在70℃下过夜干燥。通过滴定测量法测定具有三苯基磷鎓氯化物基团的聚合物树脂的化学官能化为2.00mmol/g干树脂。
实施例A57：磺酸化聚(苯乙烯-co-乙烯基苄基三苯基磷鎓硫酸氢盐-co-二乙烯基苯)的制备
将聚(苯乙烯-co-乙烯基苄基三苯基磷鎓氯化物-co-二乙烯基苯)(40.04g)装入装配有磁力搅拌棒和冷凝器的500mL烧瓶中。将发烟硫酸(20％游离SO3,160mL)逐渐加入至烧瓶中并搅拌，从而形成暗红色的树脂浆料。将浆料在90℃下过夜搅拌。冷却后，使用多孔玻璃漏斗在真空下过滤反应混合物，然后使用去离子水重复洗涤，直至流出物中为中性，这可以使用pH试纸来测定。将磺酸化的珠在空气中干燥至终含水率为47％g H2O/g湿树脂。测定具有磺酸基团的聚合物树脂的化学官能化为4.36mmol/g干树脂。
实施例A58：聚(苯乙烯-co-乙烯基苄基甲基咪唑鎓氯化物-co-二乙烯基苯)的制备
向装配有磁力搅拌棒和冷凝器的250mL烧瓶中装入1-甲基咪唑(18mL,223.5mmol)。将丙酮(75mL)加入烧瓶中，并将混合物在50℃下搅拌10min。将聚(苯乙烯-co-乙烯基苄基氯化物-co-二乙烯基苯)(8％DVB,Cl-密度＝4.0mmol/g干树脂,40.06,153.7mmol)装入烧瓶中，同时进行搅拌，直至获得均匀的悬液。将所得的反应混合物回流24h。冷却后，使用多孔玻璃漏斗在真空下过滤反应混合物，然后使用丙酮和乙基乙酸盐依次洗涤，并在70℃下过夜干燥。通过滴定测量法测定具有甲基咪唑鎓氯化物基团的聚合物树脂的化学官能化为3.54mmol/g干树脂。
实施例A59：磺酸化聚(苯乙烯-co-乙烯基苄基甲基咪唑鎓硫酸氢盐-co-二乙烯基苯)的制备
将聚(苯乙烯-co-乙烯基苄基甲基咪唑鎓氯化物-co-二乙烯基苯)(30.08g)装入装配有磁力搅拌棒和冷凝器的500mL烧瓶中。将发烟硫酸(20％游离SO3,120mL)逐渐加入至烧瓶中并搅拌，从而形成暗红色的树脂浆料。将浆料在90℃下过夜搅拌。冷却后，使用多孔玻璃漏斗在真空下过滤反应混合物，然后使用去离子水重复洗涤，直至流出物中为中性，这可以使用pH试纸来测定。将磺酸化的珠在空气中干燥至终含水率为50％g H2O/g湿树脂。测定具有磺酸基团的聚合物树脂的化学官能化为2.87mmol/g干树脂。
实施例A60：聚(苯乙烯-co-乙烯基苄基甲基咪唑鎓氯化物-co-二乙烯基苯)的制备
向装配有磁力搅拌棒和冷凝器的250mL烧瓶中装入1-甲基咪唑(20mL,248.4mmol)。将丙酮(75mL)加入烧瓶中，并将混合物在50℃下搅拌10min。将聚(苯乙烯-co-乙烯基苄基氯化物-co-二乙烯基苯)(4％DVB,Cl-密度＝5.2mmol/g干树脂,40.08,203.8mmol)装入烧瓶中，同时进行搅拌，直至获得均匀的悬液。将所得的反应混合物回流24h。冷却后，使用多孔玻璃漏斗在真空下过滤反应混合物，然后使用丙酮和乙基乙酸盐依次洗涤，并在70℃下过夜干燥。通过滴定测量法测定具有甲基咪唑鎓氯化物基团的聚合物树脂的化学官能化为3.39mmol/g干树脂。
实施例A61：磺酸化聚(苯乙烯-co-乙烯基苄基甲基咪唑鎓硫酸氢盐-co-二乙烯基苯)的制备
将聚(苯乙烯-co-乙烯基苄基甲基咪唑鎓氯化物-co-二乙烯基苯)(30.14g)装入装配有磁力搅拌棒和冷凝器的500mL烧瓶中。将发烟硫酸(20％游离SO3,120mL)逐渐加入至烧瓶中并搅拌，从而形成暗红色的树脂浆料。将浆料在90℃下过夜搅拌。冷却后，使用多孔玻璃漏斗在真空下过滤反应混合物，然后使用去离子水重复洗涤，直至流出物中为中性，这可以使用pH试纸来测定。将磺酸化的珠在空气中干燥至终含水率为55％g H2O/g湿树脂。测定具有磺酸基团的聚合物树脂的化学官能化为2.78mmol/g干树脂。
实施例A62：聚(苯乙烯-co-乙烯基苄基三苯基磷鎓氯化物-co-二乙烯基苯)的制备
向装配有磁力搅拌棒和冷凝器的250mL烧瓶中装入三苯基膦(44.32g,163.9mmol)。将丙酮(50mL)加入烧瓶中，并将混合物在50℃下搅拌10min。将聚(苯乙烯-co-乙烯基苄基氯化物-co-二乙烯基苯)(13％DVB大孔树脂,Cl-密度＝4.14mmol/g干树脂,30.12g,115.6mmol)装入烧瓶中，同时进行搅拌，直至获得均匀的悬液。将所得的反应混合物回流24h。冷却后，使用多孔玻璃漏斗在真空下过滤反应混合物，然后使用丙酮和乙基乙酸盐依次洗涤，并在70℃下过夜干燥。
实施例A63：磺酸化聚(苯乙烯-co-乙烯基苄基三苯基磷鎓硫酸氢盐-co-二乙烯基苯)的制备
将聚(苯乙烯-co-乙烯基苄基三苯基磷鎓氯化物-co-二乙烯基苯)(30.22g)装入装配有磁力搅拌棒和冷凝器的500mL烧瓶中。将发烟硫酸(20％游离SO3,90mL)逐渐加入至烧瓶中并搅拌，从而形成暗红色的树脂浆料。将浆料在90℃下搅拌1小时。冷却后，使用多孔玻璃漏斗在真空下过滤反应混合物，然后使用去离子水重复洗涤，直至流出物中为中性，这可以使用pH试纸来测定。将磺酸化的珠在空气中干燥至终含水率为46％g H2O/g湿树脂。测定具有磺酸基团的聚合物树脂的化学官能化为2.82mmol/g干树脂。
实施例A64：聚(苯乙烯-co-乙烯基苄基三苯基磷鎓氯化物-co-二乙烯基苯)的制备
向装配有磁力搅拌棒和冷凝器的250mL烧瓶中装入三苯基膦(55.02g,207.7mmol)。将丙酮(50mL)加入烧瓶中，并将混合物在50℃下搅拌10min。将聚(苯乙烯-co-乙烯基苄基氯化物-co-二乙烯基苯)(6.5％DVB大孔树脂,Cl-密度＝5.30mmol/g干树脂,30.12g,157.4mmol)装入烧瓶中，同时进行搅拌，直至获得均匀的悬液。将所得的反应混合物回流24h。冷却后，使用多孔玻璃漏斗在真空下过滤反应混合物，然后使用丙酮和乙基乙酸盐依次洗涤，并在70℃下过夜干燥。
实施例A65：磺酸化聚(苯乙烯-co-乙烯基苄基三苯基磷鎓硫酸氢盐-co-二乙烯基苯)的制备
将聚(苯乙烯-co-乙烯基苄基三苯基磷鎓氯化物-co-二乙烯基苯)(30.12g)装入装配有磁力搅拌棒和冷凝器的500mL烧瓶中。将发烟硫酸(20％游离SO3,90mL)逐渐加入至烧瓶中并搅拌，从而形成暗红色的树脂浆料。将浆料在90℃下搅拌1小时。冷却后，使用多孔玻璃漏斗在真空下过滤反应混合物，然后使用去离子水重复洗涤，直至流出物中为中性，这可以使用pH试纸来测定。将磺酸化的珠在空气中干燥至终含水率为49％g H2O/g湿树脂。测定具有磺酸基团的聚合物树脂的化学官能化为2.82mmol/g干树脂。
实施例A66：聚(苯乙烯-co-乙烯基苄基三苯基磷鎓氯化物-co-二乙烯基苯)的制备
向装配有磁力搅拌棒和冷凝器的250mL烧瓶中装入三苯基膦(38.42g,145.0mmol)。将丙酮(50mL)加入烧瓶中，并将混合物在50℃下搅拌10min。将聚(苯乙烯-co-乙烯基苄基氯化物-co-二乙烯基苯)(4％DVB,Cl-密度＝4.10mmol/g干树脂,30.12g,115.4mmol)装入烧瓶中，同时进行搅拌，直至获得均匀的悬液。将所得的反应混合物回流24h。冷却后，使用多孔玻璃漏斗在真空下过滤反应混合物，然后使用丙酮和乙基乙酸盐依次洗涤，并在70℃下过夜干燥。
实施例A67：磺酸化聚(苯乙烯-co-乙烯基苄基三苯基磷鎓硫酸氢盐-co-二乙烯基苯)的制备
将聚(苯乙烯-co-乙烯基苄基三苯基磷鎓氯化物-co-二乙烯基苯)(30.18g)装入装配有磁力搅拌棒和冷凝器的500mL烧瓶中。将发烟硫酸(20％游离SO3,120mL)逐渐加入至烧瓶中并搅拌，从而形成暗红色的树脂浆料。将浆料在90℃下过夜搅拌。冷却后，使用多孔玻璃漏斗在真空下过滤反应混合物，然后使用去离子水重复洗涤，直至流出物中为中性，这可以使用pH试纸来测定。将磺酸化的珠在空气中干燥至终含水率为59％g H2O/g湿树脂。测定具有磺酸基团的聚合物树脂的化学官能化为3.03mmol/g干树脂。
实施例A68：聚(苯乙烯-co-乙烯基苄基三苯基磷鎓氯化物-co-二乙烯基苯)的制备
向装配有磁力搅拌棒和冷凝器的500mL烧瓶中装入三苯基膦(44.22g,166.9mmol)。将丙酮(70mL)加入烧瓶中，并将混合物在50℃下搅拌10min。将聚(苯乙烯-co-乙烯基苄基氯化物-co-二乙烯基苯)(4％DVB,Cl-密度＝3.9mmol/g干树脂,35.08g,130.4mmol)装入烧瓶中，同时进行搅拌，直至获得均匀的悬液。将所得的反应混合物回流24h。冷却后，使用多孔玻璃漏斗在真空下过滤反应混合物，然后使用丙酮和乙基乙酸盐依次洗涤，并在70℃下过夜干燥。
实施例A69：磺酸化聚(苯乙烯-co-乙烯基苄基三苯基磷鎓硫酸氢盐-co-二乙烯基苯)的制备
将聚(苯乙烯-co-乙烯基苄基三苯基磷鎓氯化物-co-二乙烯基苯)(30.42g)装入装配有磁力搅拌棒和冷凝器的500mL烧瓶中。将发烟硫酸(20％游离SO3,120mL)逐渐加入至烧瓶中并搅拌，从而形成暗红色的树脂浆料。将浆料在90℃下过夜搅拌。冷却后，使用多孔玻璃漏斗在真空下过滤反应混合物，然后使用去离子水重复洗涤，直至流出物中为中性，这可以使用pH试纸来测定。将磺酸化的珠在空气中干燥至终含水率为57％g H2O/g湿树脂。测定具有磺酸基团的聚合物树脂的化学官能化为3.04mmol/g干树脂。
实施例A70：聚(丁基-乙烯基咪唑鎓氯化物-co-丁基咪唑鎓氯化物-co-苯乙烯)的制备
向装配有机械搅拌器和逆流冷凝器的500mL烧瓶中加入250mL丙酮,10g咪唑,14g乙烯基咪唑,15g苯乙烯,30g二氯丁烷以及1g偶氮二异丁腈(AIBN)。将所得的溶液在回流条件下搅拌24h，从而产生聚合物固体。由烧瓶中移除固体聚合物，使用丙酮重复洗涤，并使用研钵及研杵研磨成粗粉，从而产生产物。
实施例A71：磺酸化聚(丁基-乙烯基咪唑鎓硫酸氢盐-co-丁基咪唑鎓硫酸氢盐-co-苯乙烯)的制备
将聚(丁基-乙烯基咪唑鎓氯化物-co-丁基咪唑鎓氯化物-co-苯乙烯)(30.42g)装入装配有机械搅拌器的500mL烧瓶中。将发烟硫酸(20％游离SO3,120mL)逐渐加入至烧瓶中，直至聚合物完全悬浮。将所得的浆料在90℃下搅拌5小时。冷却后，使用多孔玻璃漏斗在真空下过滤反应混合物，然后使用去离子水重复洗涤，直至流出物中为中性，这可以使用pH试纸来测定。
固载化催化剂的制备
实施例B1a：由美洲山杨(Populustremuloides)制备碳载体
使用装配有2.0mm输出筛子的1马力(HP)试验室旋转刀磨，通过研磨由山杨物种中的美洲山杨得到的1.0kg市售来源的硬木材木屑(输入含水率为15％g H2O/g木材；碳含量为45％g碳/g木材)而获得含碳起始材料。将输出的硬木材研磨粉末在70℃下干燥至含水率低于15％g H2O/g木材。将500g所得的干燥木材装入装配有电热加热套、氮气输入管线、排气管线(定向于具有喷水装置的洗涤器)、以及精确至±0.5℃的顶部和底部热电偶的5L玻璃反应容器中。使用氮气将装载后的反应容器的气氛吹扫10分钟，此后将氮气流降低至驱动氮气通过洗涤器装置所需的最低程度，并在反应过程中保持在该最低流速下。在30分钟内将温度逐渐升高至350℃，保持4.0小时，然后在30分钟的时间内降低至室温。由反应容器回收175g黑褐色材料。将产物温和地研磨成粗粉，从而产生碳载体材料。
实施例B1b：由椰子壳制备碳载体
使用装配有2.0mm输出筛子的1马力(HP)试验室旋转刀磨，通过研磨1.0kg市售来源的椰子壳木屑(输入含水率为10％g H2O/g木材；碳含量为50％g碳/g壳)而获得含碳起始材料。将输出研磨粉末在70℃下干燥至含水率低于5％g H2O/g材料。将500g所得的干燥材料装入装配有电热加热套、氮气输入管线、排气管线(定向于具有喷水装置的洗涤器)、以及精确至0.5℃的顶部和底部热电偶的5L玻璃反应容器中。使用氮气将装载后的反应容器的气氛吹扫10分钟，此后将氮气流降低至驱动氮气通过洗涤器装置所需的最低程度，并在反应过程中保持在该最低流速下。在30分钟内将温度逐渐升高至350℃，保持4.0小时，然后在30分钟的时间内降低至室温。由反应容器回收的粉末温和地研磨成粗粉，从而产生碳载体材料。
实施例B1c：由虾壳制备碳载体
使用装配有2.0mm输出筛子的1马力(HP)试验室旋转刀磨，通过研磨100g市售来源的虾壳(输入含水率为10％g H2O/g木材；碳含量为40％g碳/g壳；以及5％g氮/g壳)而获得含碳起始材料。将输出研磨粉末在70℃下干燥至含水率低于5％g H2O/g材料。将70g所得的干燥材料装入装配有电热加热套、氮气输入管线、排气管线(定向于具有喷水装置的洗涤器)、以及精确至0.5℃的顶部和底部热电偶的1L玻璃反应容器中。使用氮气将装载后的反应容器的气氛吹扫10分钟，此后将氮气流降低至驱动氮气通过洗涤器装置所需的最低程度，并在反应过程中保持在该最低流速下。在30分钟内将温度逐渐升高至350℃，保持4.0小时，然后在30分钟的时间内降低至室温。由反应容器回收的粉末温和地研磨成粗粉，从而产生35.2g碳载体材料。
实施例B1d：由壳聚糖制备碳载体
使用装配有2.0mm输出筛子的1马力(HP)试验室旋转刀磨，通过研磨1.0kg市售来源的壳聚糖(输入含水率为2％g H2O/g壳聚糖；碳含量为40％g碳/g壳；以及8％g氮/g壳)而获得含碳起始材料。将输出研磨粉末在70℃下干燥至含水率低于5％g H2O/g材料。将500g所得的干燥材料装入装配有电热加热套、氮气输入管线、排气管线(定向于具有喷水装置的洗涤器)、以及精确至0.5℃的顶部和底部热电偶的5L玻璃反应容器中。使用氮气将装载后的反应容器的气氛吹扫10分钟，此后将氮气流降低至驱动氮气通过洗涤器装置所需的最低程度，并在反应过程中保持在该最低流速下。在30分钟内将温度逐渐升高至350℃，保持4.0小时，然后在30分钟的时间内降低至室温。由反应容器回收的粉末温和地研磨成粗粉，从而产生214g碳载体材料。
实施例B2a：实施例B1a的碳载体的氯甲基化
在装配有搅拌棒、冷凝器和氮气管线的100mL三颈圆底烧瓶(RBF)中，将实施例B1a的碳载体悬浮于无水二氯乙烷(DCE)中。在持续的氮气流下，使用冰水浴将搅拌的悬液冷却至0℃。向搅拌的悬液中加入无水氯化锌。然后，在15分钟的时间内，将氯甲基甲基醚滴加至反应物中。将反应物温暖至室温，并在50℃下搅拌6小时。通过真空过滤回收产物，并依次使用水、丙酮和二氯甲烷洗涤。将洗涤的固体在真空下在40℃下干燥。通过元素分析和重量测量法来测定氯甲基化的程度。
实施例B2b：实施例B1a的碳载体的氯酰化
在装配有搅拌棒、冷凝器和氮气输入管线的100mL三颈圆底烧瓶(RBF)中，将实施例B1a的碳载体悬浮于无水二氯乙烷(DCE)中。在持续的氮气流下，使用冰水浴将搅拌的悬液冷却至0℃。向搅拌的悬液中加入无水氯化铝。然后，在15分钟的时间内，将氯乙酰基氯化物滴加至反应物中。将反应物温暖至室温，并在50℃下搅拌12小时。通过真空过滤回收产物，并依次使用水、丙酮和二氯甲烷洗涤。将洗涤的固体在真空下在40℃下干燥由此产生终产物。通过元素分析和重量测量法来测定氯酰化的程度为3.0mmol氯化物/克干材料。
实施例B2c：生物碳的氯甲基化
在装配有搅拌棒、冷凝器和氮气管线的100mL三颈圆底烧瓶(RBF)中，将实施例B1a的碳载体悬浮于无水二氯乙烷(DCE)中。在持续的氮气流下，使用冰水浴将搅拌的悬液冷却至0℃。向搅拌的悬液中加入无水氯化锌。然后，在15分钟的时间内，将氯甲基甲基醚滴加至反应物中。将反应物温暖至室温，并在50℃下搅拌6小时。通过真空过滤回收产物，并依次使用水、丙酮和二氯甲烷洗涤。将洗涤的固体在真空下在40℃下过夜干燥。通过元素分析和重量测量法来测定氯甲基化的程度。
实施例B3a：实施例B2a的烷基化碳载体的季铵化
向装配有磁力搅拌棒和冷凝器的500mL烧瓶中装入丙酮(100ml),1-甲基咪唑(4.6g,56mmol),4-甲基吗啉(5.7g,56mmol),和三苯基膦(14.7,56mmol)。将所得的混合物在50℃下搅拌10分钟。将由实施例B2a获得的40g氯甲基化的碳载体悬浮在搅拌的溶液中。将所得反应混合物在回流条件下加热24小时。冷却后，使用多孔玻璃漏斗在真空下过滤反应混合物，依次使用丙酮和乙基乙酸盐洗涤，并且在70℃下干燥。通过Cl-对AgNO3的离子交换滴定测量法来测定季铵化的程度。
实施例B3b：实施例B2b的烷基化碳载体的季铵化
向装配有磁力搅拌棒和冷凝器的500mL烧瓶中装入丙酮(100ml),1-甲基咪唑(4.6g,56mmol),4-甲基吗啉(5.7g,56mmol),和三苯基膦(14.7,56mmol)。将所得的混合物在50℃下搅拌10分钟。将由实施例B2b获得的40g氯酰化的碳载体悬浮在搅拌的溶液中。将所得反应混合物在回流条件下加热24小时。冷却后，使用多孔玻璃漏斗在真空下过滤反应混合物，依次使用丙酮和乙基乙酸盐洗涤，并且在70℃下过夜干燥。通过Cl-对AgNO3的离子交换滴定测量法测定季铵化的程度为1.7mmol Cl-/克干固体。
实施例B4a：实施例B3a的季铵化碳载体的磺酸化
向装配有磁力搅拌棒和冷凝器的500mL烧瓶中装入发烟硫酸(20％游离SO3,50mL)和浓硫酸(>95％w/w,ACS试剂级,50mL)。向搅拌的酸中加入由实施例B3a获得的30g季铵化的碳载体，从而形成深黑色的悬液。将混合物在90℃下搅拌4小时。冷却至室温后，使用多孔玻璃漏斗在真空下过滤反应混合物，然后使用去离子水重复洗涤，直至流出物为中性，这可以通过pH试纸来测定。将磺酸化的载体风干至终含水率为50％g H2O/g湿聚合物。通过针对氢氧化钠的酸-碱滴定测量法来测定具有磺酸基团的载体的化学官能化。
实施例B4b：实施例B3b的季铵化碳载体的磺酸化
向装配有磁力搅拌棒和冷凝器的500mL烧瓶中装入发烟硫酸(20％游离SO3,50mL)和浓硫酸(>95％w/w,ACS试剂级,50mL)。向搅拌的酸中加入由实施例B3b获得的30g季铵化的碳载体，从而形成深黑色的悬液。将混合物在90℃下搅拌4小时。冷却至室温后，使用多孔玻璃漏斗在真空下过滤反应混合物，然后使用去离子水重复洗涤，直至流出物为中性，这可以通过pH试纸来测定。将磺酸化的载体风干至终含水率为56％g H2O/g湿聚合物。测定具有磺酸基团的载体树脂的化学官能化为3.65mmol/g干树脂。
实施例B5：氯酰化碳载体的制备
通过将市售可得的活性碳(Sigma-Aldrich)在去离子水中搅拌几分钟来制备该活性碳以用于反应。搅拌后，使较大的颗粒沉淀，并通过倾倒上清液除去保持悬浮的细颗粒。洗涤后，将活性碳在105℃下干燥24小时。将干燥的活性碳(63.2g)分配至装配有磁力搅拌棒、冷凝器和氮气管线的500mL三颈圆底烧瓶(RBF)中。将无水二氯乙烷(DCE,80ml)装入烧瓶中并搅拌，从而形成悬液，然后使用冰水浴将其冷却至0℃。将无水氯化铝(48g)加入碳在DCE中形成的冰冷的悬液中，并在氮气气氛下搅拌。然后，将氯乙酰基氯化物(27ml)滴加至反应物中。将混合物逐渐温暖至室温，并过夜搅拌。使用多孔玻璃漏斗通过真空过滤回收官能化的碳产物，并使用水、丙酮和二氯甲烷依次洗涤。将洗涤的树脂在70℃下过夜干燥，从而产生氯酰化的碳载体。
实施例B6a：碳负载的乙酰基-三磷鎓氯化物的制备
将由实施例B5得到的氯乙酰化的碳(15.02g)装入装配有机械搅拌器、干燥氮气管线和净化阀的250mL三颈烧瓶(TNF)中。将干态二甲基甲酰胺(30mL)加入烧瓶中，并搅拌所得的混合物，从而形成悬液。将三苯基膦(7.5g)加入悬液中，然后使用油浴将其加热至95℃。将搅拌的悬液保持在95℃。冷却后，使用多孔玻璃漏斗在真空下过滤反应混合物，依次使用去离子水和丙酮洗涤，最后风干。通过针对硝酸银标准溶液的树脂氯化物滴定测量法(在去离子水和二甲基甲酰胺的1:1混合物中)使用铬酸钾作为指示剂，测定具有三苯基磷鎓基团的氯乙酰化碳载体的化学官能化测定为0.6mmol/g。
实施例B6b：碳负载的乙醇基-甲基吗啉鎓氯化物的制备
将由实施例B5得到的氯乙酰化碳载体(15.11g)装入装配有机械搅拌器、干燥氮气管线和净化阀的250mL三颈烧瓶(TNF)中。将干态二甲基甲酰胺(30mL)加入烧瓶中，并搅拌所得的混合物，从而形成悬液。将4-甲基吗啉(6.82g)加入悬液中，然后使用油浴将其加热至95℃。将悬液过夜保持在95℃。冷却后，使用多孔玻璃漏斗真空过滤反应混合物，依次使用去离子水和丙酮洗涤，最后风干。通过针对硝酸银标准溶液的树脂氯化物滴定测量法(在去离子水和二甲基甲酰胺的1:1混合物中)使用铬酸钾作为指示剂，测定具有甲基吗啉鎓基团的氯乙酰化碳载体的化学官能化测定为0.3mmol/g。
实施例B6c：碳负载的乙酰基-甲基吗啉鎓氯化物的制备
将氯乙酰化的碳载体(15.08g,实施例B5的样品)装入装配有磁力搅拌器、干燥氮气管线和净化阀的250三颈烧瓶(TNF)中。将干态二甲基甲酰胺(30mL)加入烧瓶中。将咪唑(3.4g)加入悬液中，然后使用油浴将其加热至95℃。冷却后，使用多孔玻璃漏斗真空过滤反应混合物，从而除去残余的酸。依次使用去离子水和丙酮洗涤所得的固体黑色颗粒，最后风干。通过针对硝酸银标准溶液的树脂氯化物滴定测量法(在去离子水和二甲基甲酰胺的1:1混合物中)使用铬酸钾作为指示剂，测定具有咪唑鎓基团的氯乙酰化碳载体的化学官能化测定为0.5mmol/g。
实施例B7a：碳负载的乙酰基-三磷鎓磺酸的制备
将由实施例B6a得到的碳负载的酰基三苯基磷鎓氯化物(10.08g)装入装配有磁力搅拌棒和冷凝器的干燥100mL烧瓶中。将发烟硫酸(20％游离SO3,30mL)逐渐加入烧瓶中。将浆料在95℃下搅拌6h。冷却后，使用多孔玻璃漏斗真空过滤反应混合物，然后使用去离子水重复洗涤，直至流出物为中性，这可以通过pH试纸来测定。在空气下，将碳负载的催化剂干燥至终含水率为10.1％g H2O/g湿树脂。针对氢氧化钠的标准溶液，通过滴定已知质量的催化剂的悬液(在氯化钠水溶液中)，使用酚酞作为指示剂，测定具有磺酸基团的化学官能化测定为0.65mmol/g。
实施例B7b：碳负载的乙酰基-甲基吗啉鎓磺酸的制备
将由实施例B6b得到的碳负载的酰基甲基吗啉鎓氯化物(10.08g)装入装配有磁力搅拌棒和冷凝器的干燥100mL烧瓶中。将发烟硫酸(20％游离SO3,30mL)逐渐加入烧瓶中。将浆料在95℃下搅拌6h。冷却后，使用多孔玻璃漏斗真空过滤反应混合物，从而除去残余的酸。然后使用去离子水重复洗涤固体黑色颗粒，直至流出物为中性，这可以通过pH试纸来测定。在空气下，将碳负载的催化剂干燥至终含水率为15.0％g H2O/g湿树脂。针对氢氧化钠的标准溶液，通过滴定已知质量的催化剂的悬液(在氯化钠水溶液中)，使用酚酞作为指示剂，测定具有磺酸基团的化学官能化测定为0.58mmol/g。
实施例B7c：碳负载的乙酰基-咪唑鎓磺酸的制备
将由实施例B6c得到的碳负载的酰基咪唑鎓氯化物(10.08g)装入装配有磁力搅拌棒和冷凝器的干燥100mL烧瓶中。将发烟硫酸(20％游离SO3,30mL)逐渐加入烧瓶中。将浆料在95℃下搅拌6h。冷却后，使用多孔玻璃漏斗真空过滤反应混合物。使用去离子水重复洗涤所得的固体黑色颗粒，直至流出物为中性，这可以通过pH试纸来测定。在空气下，将磺酸化的催化剂干燥至终含水率为4.51％g H2O/g湿树脂。针对氢氧化钠的标准溶液，通过滴定包含已知质量的催化剂的悬液(在氯化钠水溶液中)，使用酚酞作为指示剂，测定具有磺酸基团的化学官能化测定为0.58mmol/g。
使用示例性催化剂由生物质供料生产糖
实施例C1：使用实施例A3中所述的催化剂来消化甘蔗的甘蔗渣
切割甘蔗的甘蔗渣(50％g H2O/g湿甘蔗渣，其干物质组成为：39.0％g葡聚糖/g干生物质,17.3％g木聚糖/g干生物质,5.0％g阿聚糖/g干生物质,1.1％g半乳糖体/g干生物质,5.5％g乙酸盐/g干生物质,5.0％g可溶性提取物/g干生物质,24.1％g木质素/g干生物质,和3.1％g灰份/g干生物质)，使得最大的颗粒尺寸不大于1cm。使用基于本领域已知的过程的方法来测定木质纤维素生物质的组成。参见R.Ruiz and T.Ehrman,“Determinationof Carbohydrates in Biomass by High Performance Liquid Chromatography,”NRELLaboratoryAnalytical Procedure LAP-002(1996)；D.Tempelton and T.Ehrman,“Determination of Acid-Insoluble Lignin in Biomass,”NREL LaboratoryAnalyticalProcedure LAP-003(1995)；T.Erhman,“Determination of Acid-Soluble Lignin inBiomass,”NREL Laboratory Analytical Procedure LAP-004(1996)；and T.Ehrman,“Standard Method for Ash inBiomass,”NREL LaboratoryAnalytical Procedure LAP-005(1994)。
向15mL圆柱形玻璃反应瓶中加入：0.50g甘蔗渣样品；0.30g在实施例A3制备的催化剂(初始含水率：12％g H2O/g分散的催化剂)；和800L去离子H2O。使用玻璃搅拌棒充分混合反应物，从而使催化剂颗粒均匀地分布在整个生物质中。温和地压紧所得的混合物，从而形成固体反应物块。使用酚醛盖密封玻璃反应器，并在120℃下温育4小时。
实施例C2：分离由甘蔗的甘蔗渣水解得到的催化剂/产物混合物
将由实施例C1得到的圆柱形玻璃反应器冷却至室温并开封。将5.0mL蒸馏H2O加入反应瓶中，并通过磁力搅拌将所得的液体和固体的混合物搅拌2分钟。搅拌后，使固体沉淀30秒，从而生产分层的混合物。在反应瓶的底部形成固体催化剂的层。在固体催化剂上方形成木质素和残余的生物质的固体层。在木质素和残余的生物质上方形成短链β-葡聚糖的无定形固体层。最后，在短链β-葡聚糖的上方形成了可溶性糖的液体层。
实施例C3：回收由甘蔗的甘蔗渣的水解而得到的糖和可溶性碳水化合物
通过倾倒来分离由实施例C2得到的上清液和残余的不溶性材料。通过高效液相色谱(HPLC)结合光谱分析方法来测定水解产物的可溶性糖的含量。在装配有折射率(RI)检测器的Hewlett-Packard 1050Series仪器(使用30cmx 7.8mm Phenomenex HPB柱并使用水作为流动相)上，进行可溶性糖和寡糖的HPLC测定。通过铅交换的磺酸化聚苯乙烯保护柱和三烷基铵氢氧化物离子交换保护柱来保护糖柱。使用0.2m注射器过滤器在注射之前微量过滤所有的HPLC样品。通过参照由已知标准品生成的校准来测定样品的浓度。
催化剂将生物质的纤维素和半纤维素成分水解成可溶性糖的能力可以通过测定有效的一阶速率常数来测量。通过计算回收物质的摩尔与物质(其是基于输入生物质的已知组成、反应物和产物的已知分子量、以及所考虑的反应的已知的化学计量，在输入反应物完全转化时而获得的)的理论摩尔的比值来测定化物物质(例如葡聚糖、木聚糖、阿聚糖)的反应程度。
就使用实施例A3中所述的催化剂来消化甘蔗的甘蔗渣而言，测定木聚糖转化成木糖的一阶速率常数为0.3/hr。测定葡聚糖转化成可溶性单糖和寡糖(包含二糖)的一阶速率常数为0.08/hr。
实施例C4：回收由水解的甘蔗的甘蔗渣而得到的不溶性的寡葡聚糖
将额外的5.0mL水加入由实施例C3得到的残余的固体中，并温和地搅拌混合物，使仅仅最轻的颗粒悬浮。倾倒悬液，从而由残余的木质素和残余的催化剂中除去轻颗粒，而所述的残余的木质素和残余的催化剂保持在反应器底部的固体沉淀中。通过离心浓缩固体颗粒。
根据Zhang和Lynd的方法，通过将葡聚糖提取至冰冷的磷酸中、使提取的碳水化合物沉淀至水中并测量末端还原糖与糖单体的总数量的比值来测定残余的水不溶性葡聚糖(包含短链寡糖)的数均聚合度(DOPN)。参见Y.-H.Percival Zhang and Lee R.Lynd,“Determination of the Number-Average Degree ofPolymerization ofCellodextrinsand Cellulose with Application to Enzymatic Hydrolysis,”Biomacromolecules,6,1510-1515(2005)。在BeckmanDU-640仪器上实施UV可见分光光度分析。在其中半纤维素的消化是完全的情况(通过HPLC测定)下，在无需磷酸提取的条件下实施残余的纤维素的DOP测定。在一些情况下，通过纤维素的Gel Permeation Chromatography(GPC)分析(其是使用适用于Evans etal方法的过程来实施的)来证明数均聚合物。参见R.Evans,R.Wearne,A.F.A.Wallis,“Molecular Weight Distribution of Cellulose as ItsTricarbanilate by High Performance Size Exclusion Chromatography,”J.Appl.Pol.Sci.,37,3291-3303(1989)。
在包含3mL干态DMSO的20mL反应瓶中悬浮大约50mg纤维素样品(在减压下在50℃下过夜干燥)。使用PFTE隔膜密封反应瓶，使用干态N2吹扫，然后通过注射器加入1.0mL苯基异氰酸酯。在周期性的混合下，将反应混合物在60℃下温育4小时，直至大部分的纤维素溶解。通过加入1.0mL干态MeOH来淬灭过滤的异氰酸酯。通过离心，残余的固体形成团粒，并将1mL上清液的等分物加入至5mL 30％v/v MeOH/dH2O中，从而生成异氰酸苯酯化的纤维素的白色沉淀。通过离心回收产物，并使用30％v/v MeOH重复洗涤，然后在减压下在50℃下干燥10小时。在Hewlett-Packard 1050Series HPLC(使用一系列TSK-Gel(G3000Hhr,G4000Hhr,G5000Hhr)柱和四氢呋喃(THF)作为流动相，并具有UV/Vis检测)上实施GPC。使用基于已知分子量的聚苯乙烯标准品的校准来测定纤维素的分子量分布。
就使用实施例A3所示的催化剂来消化甘蔗的甘蔗渣而言，测定寡葡聚糖的数均聚合度为19±4葡萄糖酐(AHG)单元。观察到的残余纤维素的聚合度降低至明显低于输入纤维素的晶畴的聚合物(对于该纤维，DOPN>200AHG单元)的值，表明催化剂成功地水解晶体纤维素。测定β-葡聚糖转化成短链寡葡聚糖的一阶速率常数为0.2/hr。
实施例C5：分离和回收由水解的甘蔗的甘蔗渣而得到的木质素、残余的未反应的生物质和催化剂
将额外的10mL水加入至实施例C4中的残余固体中。搅拌混合物，使得在催化剂未悬浮的条件下使残余的木质素(以及残余的未反应的生物质颗粒)悬浮。使用水洗涤回收的催化剂，然后在重力烤箱中在110℃下干燥至恒定的质量，从而产生99.6％g/g回收物。通过滴定回收的催化剂，测定回收的催化剂上磺酸基团的官能密度为1.59±0.02mmol/g，表明酸官能化的轻微损失。
实施例C6：回收催化剂的再利用
将由实施例C5回收得到的一些催化剂(0.250g干重)返回至15mL圆柱形反应瓶中。将0.50g其他的生物质(与实施例C5中的生物质相同的组成)和800μL去离子H2O加入至反应器中，并将内含物充分混合，如实施例C1所述。密封反应器，并在115℃下温育4小时。反应后，根据实施例C2-C5所述的过程分离产物混合物。测定木聚糖转化成木糖的一阶速率常数为0.3/hr。测定葡聚糖转化成可溶性单糖和寡糖(包含二糖)的一阶速率常数为0.1/hr。测定残余纤维素的数均聚合度为DOPN＝20±4AHG单元，并且测定β-葡聚糖转化成短链寡葡聚糖的一阶速率常数为0.2/hr。
实施例C7：使用在实施例A34中制备的催化剂来水解玉米秸秆
切割玉米秸秆(7.2％g H2O/g湿生物质，其干物质的组成为：33.9％g葡聚糖/g干生物质,24.1％g木聚糖/g干生物质,4.8％g阿聚糖/g干生物质,1.5％g半乳糖体/g干生物质,4.0％g乙酸盐/g干生物质,16.0％g可溶性提取物/g干生物质,11.4％g木质素/g干生物质,和1.4％g灰份/g干生物质)，使得最大的颗粒尺寸不大于1cm。向15mL圆柱形玻璃反应瓶中加入：0.45g甘蔗渣样品；0.22g实施例A34中制备的催化剂(初始含水率：0.8％g H2O/g分散的催化剂)；和2.3mL去离子H2O。使用玻璃搅拌棒充分混合反应物，从而使催化剂颗粒均匀地分布在整个生物质中。温和地压紧所得的混合物，从而形成固体反应物块。使用酚醛盖密封玻璃反应器，并在110℃下温育5小时。反应后，根据实施例C2-C5所述的过程分离产物混合物。测定木聚糖转化成木糖的一阶速率常数为0.1/hr。测定葡聚糖转化成可溶性单糖和寡糖(包含二糖)的一阶速率常数为0.04/hr。测定残余纤维素的数均聚合度为DOPN＝20±4AHG单元，并且测定β-葡聚糖转化成短链寡葡聚糖的一阶速率常数为0.06/hr。
实施例C8：使用在实施例A20中制备的催化剂来水解油棕的空果串
切割破碎的油棕空果串(8.7％g H2O/g湿生物质，其干物质的组成为：35.0％g葡聚糖/g干生物质,21.8％g木聚糖/g干生物质,1.8％g阿聚糖/g干生物质,4.8％g乙酸盐/g干生物质,9.4％g可溶性提取物/g干生物质,24.2％g木质素/g干生物质,和1.2％g灰份/g干生物质)，使得最大的颗粒尺寸不大于1cm。向15mL圆柱形玻璃反应瓶中加入：0.46g甘蔗渣样品；0.43g实施例A20中制备的催化剂(初始含水率：18.3％g H2O/g分散的催化剂)；和1.3mL去离子H2O。使用玻璃搅拌棒充分混合反应物，从而使催化剂颗粒均匀地分布在整个生物质中。温和地压紧所得的混合物，从而形成固体反应物块。使用酚醛盖密封玻璃反应器，并在110℃下温育5小时。反应后，根据实施例C2-C5所述的过程分离产物混合物。测定木聚糖转化成木糖的一阶速率常数为0.4/hr。测定葡聚糖转化成可溶性单糖和寡糖(包含二糖)的一阶速率常数为0.04/hr。测定残余纤维素的数均聚合度为DOPN＝20±4AHG单元，并且测定β-葡聚糖转化成短链寡葡聚糖的一阶速率常数为0.06/hr。
实施例C9：使用在实施例A32中制备的催化剂来水解甘蔗的甘蔗渣
切割甘蔗的甘蔗渣(12.5％g H2O/g湿甘蔗渣，其干物质组成为：39.0％g葡聚糖/g干生物质,17.3％g木聚糖/g干生物质,5.0％g阿聚糖/g干生物质,1.1％g半乳糖体/g干生物质,5.5％g乙酸盐/g干生物质,5.0％g可溶性提取物/g干生物质,24.1％g木质素/g干生物质,和3.1％g灰份/g干生物质)，使得最大的颗粒尺寸不大于1cm。向15mL圆柱形玻璃反应瓶中加入：0.53g甘蔗渣样品；0.52g实施例A32中制备的催化剂(初始含水率：3.29％g H2O/g分散的催化剂)；和1.4mL去离子H2O。使用玻璃搅拌棒充分混合反应物，从而使催化剂颗粒均匀地分布在整个生物质中。温和地压紧所得的混合物，从而形成固体反应物块。使用酚醛盖密封玻璃反应器，并在115℃下温育4小时。反应后，根据实施例C2-C5所述的过程分离产物混合物。测定木聚糖转化成木糖的一阶速率常数为0.59/hr。测定葡聚糖转化成可溶性单糖和寡糖(包含二糖)的一阶速率常数为0.05/hr。测定残余纤维素的数均聚合度为DOPN＝23±4AHG单元，并且测定β-葡聚糖转化成短链寡葡聚糖的一阶速率常数为0.07/hr。
实施例C10：使用在实施例A18中制备的催化剂来水解甘蔗的甘蔗渣
切割甘蔗的甘蔗渣(12.5％g H2O/g湿甘蔗渣，其干物质组成为：39.0％g葡聚糖/g干生物质,17.3％g木聚糖/g干生物质,5.0％g阿聚糖/g干生物质,1.1％g半乳糖体/g干生物质,5.5％g乙酸盐/g干生物质,5.0％g可溶性提取物/g干生物质,24.1％g木质素/g干生物质,和3.1％g灰份/g干生物质)，使得最大的颗粒尺寸不大于1cm。向15mL圆柱形玻璃反应瓶中加入：0.51g甘蔗渣样品；0.51g实施例A18中制备的催化剂(初始含水率：7.9％g H2O/g分散的催化剂)；和1.4mL去离子H2O。使用玻璃搅拌棒充分混合反应物，从而使催化剂颗粒均匀地分布在整个生物质中。温和地压紧所得的混合物，从而形成固体反应物块。使用酚醛盖密封玻璃反应器，并在115℃下温育4小时。反应后，根据实施例C2-C5所述的过程分离产物混合物。测定木聚糖转化成木糖的一阶速率常数为0.06/hr。测定葡聚糖转化成可溶性寡糖、二糖和单糖的一阶速率常数为0.05/hr。测定残余纤维素的数均聚合度为DOPN＝20±4AHG单元，并且测定β-葡聚糖转化成短链寡葡聚糖的一阶速率常数为0.07/hr。
实施例C11：糖的高选择性
切割破碎的油棕空果串(8.7％g H2O/g湿生物质，其干物质的组成为：35.0％g葡聚糖/g干生物质,21.8％g木聚糖/g干生物质,1.8％g阿聚糖/g干生物质,4.8％g乙酸盐/g干生物质,9.4％g可溶性提取物/g干生物质,24.2％g木质素/g干生物质,和1.2％g灰份/g干生物质)，使得最大的颗粒尺寸不大于1cm。向15mL圆柱形玻璃反应瓶中加入：0.51g甘蔗渣样品；0.51g实施例A3中制备的催化剂(初始含水率：8.9％g H2O/g分散的催化剂)；和2.6mL去离子H2O。使用玻璃搅拌棒充分混合反应物，从而使催化剂颗粒均匀地分布在整个生物质中。温和地压紧所得的混合物，从而形成固体反应物块。使用酚醛盖密封玻璃反应器，并在115℃下温育4小时。反应后，将10.0mL去离子H2O加入至产物混合物中，使可溶性物质溶解，并使固体沉淀。在Agilent 1100Series仪器(使用了30cm x 7.8mm SupelcogelTMH柱(或者在一些情况下，使用Phenomenex HOA柱)，并使用0.005N硫酸的水溶液作为流动相)上对由生物质样品释放的糖脱水产物和有机酸实施HPLC测定。通过参照由已知浓度的高纯度溶液生成的校准曲线来实施糖降解产物的定量，所述的产物为：甲酸、乙酰丙酸、5-羟基甲基糠醛以及2-糠醛。发现用于生产降解产物的一阶速率常数为<0.001/hr，表明>99％mol糖/mol降解产物。
实施例C12：由甘蔗的甘蔗渣得到的纤维素糖的发酵
切割甘蔗的甘蔗渣(12.5％g H2O/g湿甘蔗渣，其干物质组成为：39.0％g葡聚糖/g干生物质,17.3％g木聚糖/g干生物质,5.0％g阿聚糖/g干生物质,1.1％g半乳糖体/g干生物质,5.5％g乙酸盐/g干生物质,5.0％g可溶性提取物/g干生物质,24.1％g木质素/g干生物质,和3.1％g灰份/g干生物质)，使得最大的颗粒尺寸不大于1cm。向15mL圆柱形玻璃反应瓶中加入：1.61g甘蔗渣样品；1.8g实施例A3中制备的催化剂(初始含水率：12.1％g H2O/g分散的催化剂)；和5.0mL去离子H2O。使用玻璃搅拌棒充分混合反应物，从而使催化剂颗粒均匀地分布在整个生物质中。温和地压紧所得的混合物，从而形成固体反应物块。使用酚醛盖密封玻璃反应器，并在110℃下温育5小时。在5小时后，将额外的1.0mL蒸馏H2O加入至反应混合物中，然后将其在105℃下再温育2小时。将湿反应物块装载于装配有0.2微米的过滤器的注射器中，并将水解产物由产物混合物中压至无菌容器中。向培养管中加入2.5mL培养基(通过将10g酵母提取物和20g蛋白胨在500mL蒸馏水中稀释、然后通过无菌过滤进行纯化而制备的)、2.5mL水解产物以及100mL酵母浆料(通过将500mg Alcotec 24hour TurboSuper酵母溶解于5mL 30℃的无菌H2O中而制备的)。使培养物在30℃下在振荡培养箱中生长，并在24、48和72小时时移出1mL等分物。对于各等分物，通过分光光度计测量各等分物来测定培养物的光密度。通过离心来纯化等分物，并通过HPLC分析上清液以测定葡萄糖,木糖,半乳糖,阿拉伯糖,乙醇和甘油的浓度。24小时后，在发酵上清液中发现乙醇和甘油，表明相对于水解产物中的初始葡萄糖，发酵产率为至少65％(以摩尔计)。
实施例C13：由木薯茎得到的纤维素糖的发酵
在咖啡豆磨具中破碎木薯茎(2.0％g H2O/g湿木薯茎，其干物质组成为：53.0％g葡聚糖/g干生物质,6.0％g木聚糖/g干生物质,2.5％g阿聚糖/g干生物质,5.5％g乙酸盐/g干生物质,5.9％g可溶性提取物/g干生物质,24.2％g木质素/g干生物质,和2.1％g灰份/g干生物质)，使得最大颗粒尺寸不大于2mm。向15mL圆柱形玻璃反应瓶中加入：1.9g破碎的木薯茎；2.0g实施例A3中制备的催化剂(初始含水率：12.1％g H2O/g分散的催化剂)；和8.0mL去离子H2O。使用玻璃搅拌棒充分混合反应物，从而使催化剂颗粒均匀地分布在整个生物质中。温和地压紧所得的混合物，从而形成固体反应物块。使用酚醛盖密封玻璃反应器，并在110℃下温育5小时。在5小时后，将额外的2.0mL蒸馏H2O加入至反应混合物中，然后将其在105℃下再温育2小时。将湿反应物块装载于装配有0.2微米的过滤器的注射器中，并将水解产物由产物混合物中压至无菌容器中。向培养管中加入2.5mL培养基(通过将10g酵母提取物和20g蛋白胨在500mL蒸馏水中稀释、然后通过无菌过滤进行纯化而制备的)、2.5mL水解产物以及100mL酵母浆料(通过将500mgAlcotec 24hour Turbo Super酵母溶解于5mL 30℃的无菌H2O中而制备的)。使培养物在30℃下在振荡培养箱中生长，并在24、48和72小时时移出1mL等分物。对于各等分物，通过分光光度计测量各等分物来测定培养物的光密度。通过离心来纯化等分物，并通过HPLC分析上清液以测定葡萄糖,木糖,半乳糖,阿拉伯糖,乙醇和甘油的浓度。24小时后，在发酵上清液中发现乙醇和甘油，表明相对于水解产物中的初始葡萄糖，发酵产率为至少70％(以摩尔计)。
实施例C14：由不溶性淀粉得到的葡萄糖的发酵
向15mL圆柱形玻璃反应瓶中加入：4.0g玉米淀粉(3％g H2O/g湿淀粉，其干物质组成为：98％g葡聚糖/g干生物质),3.9g实施例A3中制备的催化剂(初始含水率：12.25％gH2O/g分散的催化剂),和12.0mL去离子H2O。使用玻璃搅拌棒充分混合反应物，从而使催化剂颗粒均匀地分布在整个生物质中。温和地压紧所得的混合物，从而形成固体反应物块。使用酚醛盖密封玻璃反应器，并在110℃下温育5小时。在5小时后，将额外的2.0mL蒸馏H2O加入至反应混合物中，然后将其在105℃下再温育2小时。将湿反应物块装载于装配有0.2微米的过滤器的注射器中，并将水解产物由产物混合物中压至无菌容器中。向培养管中加入2.5mL培养基(通过将10g酵母提取物和20g蛋白胨在500mL蒸馏水中稀释、然后通过无菌过滤进行纯化而制备的)、2.5mL水解产物以及100mL酵母浆料(通过将500mgAlcotec 24hourTurboSuper酵母溶解于5mL 30℃的无菌H2O中而制备的)。使培养物在30℃下在振荡培养箱中生长，并在24、48和72小时时移出1mL等分物。对于各等分物，通过分光光度计测量各等分物来测定培养物的光密度。通过离心来纯化等分物，并通过HPLC分析上清液以测定葡萄糖,木糖,半乳糖,阿拉伯糖,乙醇和甘油的浓度。24小时后，在发酵上清液中发现乙醇和甘油，表明相对于水解产物中的初始葡萄糖，发酵产率为至少88％(以摩尔计)。
实施例C15：使用实施例A3制备的催化剂对由消化甘蔗的甘蔗渣而获得的寡葡聚糖实施的酶的糖化作用
将实施例C4获得的50.0mg寡葡聚糖悬浮于培养管中的pH4.8的0.4mL 0.05摩尔乙酸盐缓冲剂溶液中。将悬液预温暖至40℃，其后加入0.5FPU由里氏木霉(Trichodermareesei)得到的纤维素酶和2IU由黑曲霉(Aspergillus niger)得到的纤维二糖酶(在40℃下在0.1mL柠檬酸盐缓冲剂中稀释)。在5个小时内，每小时由酶反应物中取样50.0mL等分物。对于各等分物，通过在0.7mL蒸馏水中稀释50.0mL样品并加入0.3mL DNS试剂(通过将91g酒石酸钾钠、3.15g二硝基水杨酸、131mL2摩尔氢氧化钠、2.5g苯酚和2.5g亚硫酸钠在500mL蒸馏H2O中稀释而制备)来结束反应。将1mL混合物密封于微量离心管中并在水中沸腾恰好5分钟。通过将540nm的吸光率与由已知浓度的葡萄糖样品生成的校准曲线来测量出现的还原糖。测定在糖化反应中用于还原糖释放的一阶速率常数为0.15/hr。
比较例C16：使用交联的磺酸化聚苯乙烯尝试水解甘蔗的甘蔗渣(阴性对照1)
将本发明所述的催化剂的纤维素消化能力与有机和工业化学中用于催化作用的常规酸化的聚合物-树脂的纤维素消化能力比较(T.Okuhara,“Water-Tolerant SolidAcidCatalysts,”Chem.Rev.,102,3641-3666(2002))。切割甘蔗的甘蔗渣(12.5％g H2O/g湿甘蔗渣，其干物质组成为：39.0％g葡聚糖/g干生物质,17.3％g木聚糖/g干生物质,5.0％g阿聚糖/g干生物质,1.1％g半乳糖体/g干生物质,5.5％g乙酸盐/g干生物质,5.0％g可溶性提取物/g干生物质,24.1％g木质素/g干生物质,和3.1％g灰份/g干生物质)，使得最大颗粒尺寸不大于1cm。向15mL圆柱形玻璃反应瓶中加入：0.51g甘蔗渣样品；0.53g磺酸化的聚苯乙烯(50WX2树脂,酸官能化：4.8mmol/g,初始含水率：19.6％g H2O/g分散的催化剂),和1.4mL去离子H2O。使用玻璃搅拌棒充分混合反应物，从而使催化剂颗粒均匀地分布在整个生物质中。温和地压紧所得的混合物，从而形成固体反应物块。使用酚醛盖密封玻璃反应器，并在115℃下温育6小时。反应后，按照实施例C2-C5中所述的过程来分离产物混合物。测定木聚糖转化成木糖的一阶速率常数为0.1/hr。测定葡聚糖转化成可溶性寡糖、二糖和单糖的一阶速率常数为<0.01/hr。发现残余的纤维素的数均聚合度为DOPN>300AHG单元，表明很少或未消化生物质样品中的晶体纤维素。未检测到短链寡糖。与图(1)中所描绘的消化产物不同，残余的生物质展现出颗粒尺寸很少或未发生结构的减小。
比较例C17：使用磺酸化聚苯乙烯尝试水解甘蔗的甘蔗渣(阴性对照2)
切割甘蔗的甘蔗渣(12.5％g H2O/g湿甘蔗渣，其干物质组成为：39.0％g葡聚糖/g干生物质,17.3％g木聚糖/g干生物质,5.0％g阿聚糖/g干生物质,1.1％g半乳糖体/g干生物质,5.5％g乙酸盐/g干生物质,5.0％g可溶性提取物/g干生物质,24.1％g木质素/g干生物质,和3.1％g灰份/g干生物质)，使得最大颗粒尺寸不大于1cm。向15mL圆柱形玻璃反应瓶中加入：0.52g甘蔗渣样品；0.55g磺酸化的聚苯乙烯(15,酸官能化：4.6mmol/g,初始含水率：10.8％g H2O/g分散的催化剂),和1.8mL去离子H2O。使用玻璃搅拌棒充分混合反应物，从而使催化剂颗粒均匀地分布在整个生物质中。温和地压紧所得的混合物，从而形成固体反应物块。使用酚醛盖密封玻璃反应器，并在115℃下温育6小时。反应后，按照实施例C2-C5中所述的过程来分离产物混合物。测定木聚糖转化成木糖的一阶速率常数为0.1/hr。测定葡聚糖转化成可溶性寡糖、二糖和单糖的一阶速率常数为<0.01/hr。测定残余的纤维素的数均聚合度为DOPN>300AHG单元，表明很少或未消化生物质样品中的晶体纤维素。未检测到短链寡糖。与图(1)中所描绘的消化产物不同，残余的生物质展现出颗粒尺寸很少或未发生结构的减小。
比较例C18：使用交联的聚丙烯酸尝试水解甘蔗的甘蔗渣(阴性对照3)
切割甘蔗的甘蔗渣(12.5％g H2O/g湿甘蔗渣，其干物质组成为：39.0％g葡聚糖/g干生物质,17.3％g木聚糖/g干生物质,5.0％g阿聚糖/g干生物质,1.1％g半乳糖体/g干生物质,5.5％g乙酸盐/g干生物质,5.0％g可溶性提取物/g干生物质,24.1％g木质素/g干生物质,和3.1％g灰份/g干生物质)，使得最大颗粒尺寸不大于1cm。向15mL圆柱形玻璃反应瓶中加入：0.50g甘蔗渣样品；0.50g聚丙烯酸的柱(IRC86树脂,酸官能化：10.7mmol/g,初始含水率：5.2％g H2O/g分散的催化剂),和1.8mL去离子H2O。使用玻璃搅拌棒充分混合反应物，从而使催化剂颗粒均匀地分布在整个生物质中。温和地压紧所得的混合物，从而形成固体反应物块。使用酚醛盖密封玻璃反应器，并在115℃下温育6小时。反应后，按照实施例C2-C5中所述的过程来分离产物混合物。测定木聚糖转化成木糖的一阶速率常数为0.05/hr。测定葡聚糖转化成可溶性寡糖、二糖和单糖的一阶速率常数为<0.001/hr。测定残余的纤维素的数均聚合度为DOPN>300AHG单元，表明很少或未消化生物质样品中的晶体纤维素。未检测到短链寡糖。残余的生物质展现出颗粒尺寸很少或未发生结构的减小。
比较例C19：使用在实施例A2中制备的非酸性离聚物来尝试水解甘蔗的甘蔗渣(阴性对照4)
切割甘蔗的甘蔗渣(12.5％g H2O/g湿甘蔗渣，其干物质组成为：39.0％g葡聚糖/g干生物质,17.3％g木聚糖/g干生物质,5.0％g阿聚糖/g干生物质,1.1％g半乳糖体/g干生物质,5.5％g乙酸盐/g干生物质,5.0％g可溶性提取物/g干生物质,24.1％g木质素/g干生物质,和3.1％g灰份/g干生物质)，使得最大颗粒尺寸不大于1cm。向15mL圆柱形玻璃反应瓶中加入：0.50g甘蔗渣样品；0.50g聚[苯乙烯-co-3-甲基-1-(4-乙烯基-苄基)-3H-咪唑-1-鎓氯化物-co-二乙烯基苯](如实施例A2中所述的催化剂,酸官能化：0.0mmol/g,初始含水率：4.0％g H2O/g分散的聚合物),和1.8mL去离子H2O。使用玻璃搅拌棒充分混合反应物，从而使催化剂颗粒均匀地分布在整个生物质中。温和地压紧所得的混合物，从而形成固体反应物块。使用酚醛盖密封玻璃反应器，并在115℃下温育6小时。反应后，按照实施例C2-C5中所述的过程来分离产物混合物。测定木聚糖转化成木糖的一阶速率常数为0.001/hr。观察到不具有可检测量的可溶性寡糖、二糖和单糖。测定残余的纤维素的数均聚合度为DOPN>300AHG单元，表明很少或未消化生物质样品中的晶体纤维素。未检测到短链寡糖。与图(1)中所描绘的消化产物不同，残余的生物质展现出其输入形式未发生物理改变。
实施例D1：使用实施例B4a中所述的催化剂来消化甘蔗的甘蔗渣
使用装配有2mm筛子的1马力试验室旋转刀磨来粉碎甘蔗的甘蔗渣。甘蔗渣具有以下组成：50％g H2O/g湿甘蔗渣，其干物质组成为：39.0％g葡聚糖/g干生物质,17.3％g木聚糖/g干生物质,5.0％g阿聚糖/g干生物质,1.1％g半乳糖体/g干生物质,5.5％g乙酸盐/g干生物质,5.0％g可溶性提取物/g干生物质,24.1％g木质素/g干生物质,和3.1％g灰份/g干生物质。使用基于本领域已知过程的方法来测定甘蔗渣的组成。参见R.Ruiz andT.Ehrman,“Determination of Carbohydrates in Biomass by High PerformanceLiquid Chromatography,”NREL Laboratory Analytical Procedure LAP-002(1996)；D.Tempelton and T.Ehrman,“Determination ofAcid-Insoluble Lignin in Biomass,”NREL Laboratory Analytical Procedure LAP-003(1995)；T.Erhman,“Determination ofAcid-Soluble Lignin in Biomass,”NREL Laboratory Analytical Procedure LAP-004(1996)；and T.Ehrman,“Standard Method forAsh inBiomass,”NRELLaboratoryAnalytical Procedure LAP-005(1994)。
向20mL血清瓶中加入：1.0g甘蔗渣样品；1.0g根据实施例B4a中的过程而制备的催化剂(初始含水率：12％g H2O/g分散的聚合物),和1600L去离子H2O。使用玻璃搅拌棒充分混合反应物，从而使催化剂颗粒均匀地分布在整个生物质中。温和地压紧所得的混合物，从而形成固体反应物块。使用胶塞和压盖密封反应瓶，并在105℃下温育4小时。
实施例D2：分离分离由甘蔗的甘蔗渣水解得到的催化剂/产物混合物
将由实施例D1得到的血清瓶反应器冷却至室温并开封。将15.0mL蒸馏H2O加入反应瓶中，并温和地混合所得的液体和固体的混合物。搅拌后，使固体沉淀30秒，从而生产分层的混合物，其中催化剂在底部，而木质素和未反应的生物质在顶部。短链β-葡聚糖保持悬浮在木质素和残余的生物质上方的液体层中。
实施例D3：回收由甘蔗的甘蔗渣的水解而得到的糖和可溶性碳水化合物
通过倾倒来分离由实施例D2得到的上清液和悬浮的葡聚糖。通过高效液相色谱(HPLC)结合光谱分析方法来测定水解产物的可溶性糖的含量。在装配有折射率(RI)检测器的Hewlett-Packard 1100Series仪器(使用30cm x7.8mmBioRadAminex HPX-87P柱并使用水作为流动相)上进行可溶性糖和寡糖的HPLC测定。通过铅交换的磺酸化聚苯乙烯保护柱和三烷基铵氢氧化物离子交换保护柱来保护糖柱。使用0.2m注射器过滤器在注射之前微量过滤所有的HPLC样品。通过参照由已知标准品生成的校准来测定样品的浓度。
催化剂将生物质的纤维素和半纤维素成分水解成可溶性糖的能力可以通过测定有效的一阶速率常数来测量。通过计算回收物质的摩尔与物质(其是基于输入生物质的已知组成、反应物和产物的已知分子量、以及所考虑的反应的已知的化学计量，在输入反应物完全转化时而获得的)的理论摩尔的比值来测定化物物质(例如葡聚糖、木聚糖、阿聚糖)的反应程度。
就使用实施例B4a中的过程而制备的催化剂来消化甘蔗的甘蔗渣而言，测定木聚糖转化成木糖的一阶速率常数为0.5/hr。测定葡聚糖转化成可溶性单糖和寡糖(包含二糖)的一阶速率常数为0.1/hr。
实施例D4：分离和回收由水解的甘蔗的甘蔗渣而得到的木质素、残余的未反应的生物质和催化剂
将额外的10mL水加入至实施例D3中的残余固体中。搅拌混合物，使得在催化剂未悬浮的条件下使残余的木质素和残余的未反应的生物质颗粒悬浮，并通过倾倒移出木质素和残余的生物质。使用水洗涤回收的催化剂，然后在重力烤箱中在110℃下干燥至恒定的质量，从而产生99％g/g回收物。
实施例D5：回收催化剂的再利用
将由实施例D4回收得到的一些催化剂(0.250g干材料)返回至血清瓶反应器中。将0.25g其他的生物质(与实施例D1中的生物质相同的组成)和800μL去离子H2O加入至反应器中，并将内含物充分混合，如实施例D1所述。密封反应器，并在105℃下温育4小时。反应后，根据实施例D2-D3所述的过程分离产物混合物。测定木聚糖转化成木糖的一阶速率常数为0.5/hr。测定葡聚糖转化成可溶性单糖和寡糖(包含二糖)的一阶速率常数为0.1/hr。
实施例D6：使用实施例B7a的催化剂来消化生物质
将木质纤维素组成为0.286g葡聚糖/g干生物质,0.202g木聚糖/g干生物质,0.041g半乳糖体/g干生物质,0.026g阿聚糖/g干生物质,0.027g乙酰基-葡糖苷/g干生物质,0.134g木质素/g干生物质,0.225提取的可溶性物质/g干生物质,和含水率7.04％gH2O/g生物质的玉米秸秆(1.0843g)；由实施例B7a得到的催化剂(1.0432g,含水率为4.09％g H2O/g催化剂)；和去离子水(2.93mL)加入20mL血清瓶中。将瓶盖上，使用铝质压盖密封并放置于144℃强制对流试验室烤箱中。在反应过程中，将密闭瓶内部的温度升高，然后保持在135℃。在达到135℃后总计40分钟之后，由烤箱中移出瓶并将其冷却至室温。将瓶开封，将15.00mL去离子水加入至瓶中，并搅拌所得的混合物，然后静止15分钟。使用注射器，过滤通过0.2微米的聚醚砜过滤器而除去3.0mL所得的水解产物。使用Agilent 1100高效液相色谱(HPLC)系统(装配有80℃的BioRadAminex HPX-87P柱，在50℃下的折射率检测，去离子水用于流动相以及流速为0.7mL/min)，针对葡萄糖、木糖、半乳糖和阿拉伯糖来分析滤液样品。基于包含已知浓度的分析靶物的标准溶液来测定样品中可溶性物质的浓度。使用Agilent 1100HPLC系统(装配有BioRadAminexHPX-87H柱；在50℃下的折射率检测；25mM硫酸水溶液作为流动相；流速为0.65mL/min持续20分钟，然后0.75mL/min持续30分钟)，针对乙酸、甲酸、乙酰丙酸、5-羟基甲基糠醛和糠醛来分析水解产物的分离样品。基于包含已知浓度的分析靶物的标准溶液来测定样品中可溶性物质的浓度。为了测定水解产物中存在的可溶性寡糖，将4.00mL水解产物移至分开的20mL血清瓶中。将0.145mL 72％g/g硫酸加入瓶中，然后将其密封并在试验室高压釜中在121℃下温育60分钟。通过加入0.2g碳酸钙并搅拌来中和所得的液体。在气体释放完全后，离心所得的混合物。将上清液样品过滤通过0.2微米的聚醚砜注射器过滤器，并使用上文所述的糖测定的相同的方法，针对葡萄糖,木糖,半乳糖和阿拉伯糖进行分析。但是，通过与标准品比较来计算可溶性物质的含量，其中所述的标准品经过与分析样品相同的稀酸水解条件(在121℃下)。在考虑了所有相关的稀释因子后，通过酸水解的样品之间的差异来测定初始水解产物中的寡糖的浓度。通过由HPLC测定的可溶性物质的浓度，基于出现的可溶性葡萄糖和葡寡糖，测定纤维素转化成可溶性糖和寡糖的有效的一阶速率常数为0.11/hr，并且基于出现的阿拉伯糖和阿拉伯-寡糖，测定半纤维素转化成可溶性糖和寡糖的有效的一阶速率常数为0.51/hr。
实施例D7：使用实施例B7c的催化剂来消化生物质
将木质纤维素组成为0.286g葡聚糖/g干生物质,0.202g木聚糖/g干生物质,0.041g半乳糖体/g干生物质,0.026g阿聚糖/g干生物质,0.027g乙酰基-葡糖苷/g干生物质,0.134g木质素/g干生物质,0.225提取的可溶性物质/g干生物质,和含水率7.04％gH2O/g生物质的玉米秸秆(1.0829g)；由实施例B7a得到的催化剂(1.0510g,含水率为5.14％g H2O/g催化剂)；和去离子水(2.87mL)加入20mL血清瓶中。将瓶盖上，使用铝质压盖密封并放置于144℃强制对流试验室烤箱中。在反应过程中，将密闭瓶内部的温度升高，然后保持在135℃。在达到135℃后总计40分钟之后，由烤箱中移出瓶并将其冷却至室温。将瓶开封，将15.00mL去离子水加入至瓶中，并搅拌所得的混合物，然后静止15分钟。使用注射器，过滤通过0.2微米的聚醚砜过滤器而除去3.0mL所得的水解产物。使用Agilent 1100高效液相色谱(HPLC)系统(装配有80℃的BioRadAminex HPX-87P柱，在50℃下的折射率检测，去离子水用于流动相以及流速为0.7mL/min)，针对葡萄糖、木糖、半乳糖和阿拉伯糖来分析滤液样品。基于包含已知浓度的分析靶物的标准溶液来测定样品中可溶性物质的浓度。使用Agilent 1100HPLC系统(装配有BioRadAminexHPX-87H柱；在50℃下的折射率检测；25mM硫酸水溶液作为流动相；流速为0.65mL/min持续20分钟，然后0.75mL/min持续30分钟)，针对乙酸、甲酸、乙酰丙酸、5-羟基甲基糠醛和糠醛来分析水解产物的分离样品。基于包含已知浓度的分析靶物的标准溶液来测定样品中可溶性物质的浓度。为了测定水解产物中存在的可溶性寡糖，将4.00mL水解产物移至分开的20mL血清瓶中。将0.145mL 72％g/g硫酸加入瓶中，然后将其密封并在试验室高压釜中在121℃下温育60分钟。通过加入0.2g碳酸钙并搅拌来中和所得的液体。在气体释放完全后，离心所得的混合物。将上清液样品过滤通过0.2微米的聚醚砜注射器过滤器，并使用上文所述的糖测定的相同的方法，针对葡萄糖,木糖,半乳糖和阿拉伯糖进行分析，但是，通过与标准品比较来计算可溶性物质的含量，其中所述的标准品经过与分析样品相同的稀酸水解条件(在121℃下)。在考虑了所有相关的稀释因子后，通过酸水解的样品之间的差异来测定初始水解产物中的寡糖的浓度。通过由HPLC测定的可溶性物质的浓度，基于出现的可溶性葡萄糖和葡寡糖，测定纤维素转化成可溶性糖和寡糖的有效的一阶速率常数为0.12/hr，并且基于出现的阿拉伯糖和阿拉伯-寡糖，测定半纤维素转化成可溶性糖和寡糖的有效的一阶速率常数为0.30/hr。
实施例E1：使用A20的催化剂，比较由各种供料得到的糖的生产
使用装配有2mm筛子的1马力试验室旋转刀磨磨碎下表2中的各种供料。根据本领域已知的过程来测定各种供料的比较。例如参见R.Ruiz and T.Ehrman,“DeterminationofCarbohydrates in Biomass by High Performance Liquid Chromatography,”NRELLaboratory Analytical Procedure LAP-002(1996)；D.Tempelton and T.Ehrman,“Determination ofAcid-Insoluble Lignin in Biomass,”NREL Laboratory AnalyticalProcedure LAP-003(1995)；T.Erhman,“Determination of Acid-Soluble Lignin inBiomass,”NREL Laboratory Analytical Procedure LAP-004(1996)；and T.Ehrman,“Standard Method forAsh inBiomass,”NREL LaboratoryAnalytical Procedure LAP-005(1994)。转化率示于表3中。
表2.水解之前，供料组成的概括
表3.总体转化率的概括
向20mL血清瓶中加入：1.0g磨碎的供料、1.0g催化剂A20和2mL去离子水。使用玻璃搅拌棒充分混合反应物，使催化剂颗粒均匀地分布在整个供料中。温和地压紧所得的混合物，从而形成固体反应物块。使用胶塞和压盖密封反应瓶，并在105℃下温育4小时。
反应后，将血清瓶冷却至室温并开封。将15.0mL蒸馏H2O加入至反应瓶中，并通过涡流将所得的液体与固体的混合物混合2分钟。搅拌后，使固体沉淀30秒，从而产生分层的混合物，其中催化剂在底部，而木质素和未反应的生物质在顶部。短链β-葡聚糖保持悬浮在木质素和残余的生物质上方的液体层中。
通过倾倒来恩利上清液和悬浮的β-葡聚糖。通过高效液相色谱(HPLC)结合光谱分析方法来测定水解产物的可溶性糖的含量。在装配有折射率(RI)检测器的Hewlett-Packard 1100Series仪器(使用30cm x 7.8mm BioRad Aminex HPX-87P柱并使用水作为流动相来)上进行可溶性糖和寡糖的HPLC测定。通过铅交换的磺酸化聚苯乙烯保护柱和三烷基铵氢氧化物离子交换保护柱来保护糖柱。使用0.2mm注射器过滤器在注射之前微量过滤所有的HPLC样品。通过参照由已知标准品生成的校准来测定样品的浓度。
催化剂将各种供料的纤维素和半纤维素成分水解成可溶性糖的能力可以通过测定上表2中概括的有效的一阶速率常数来测量。通过计算回收物质的摩尔与物质(其是基于输入生物质的已知组成、反应物和产物的已知分子量、以及所考虑的反应的已知的化学计量，在输入反应物完全转化时而获得的)的理论摩尔的比值来测定化物物质(例如葡聚糖、木聚糖、阿聚糖)的反应程度。
实施例F1：使用A20的催化剂，由甘蔗的甘蔗渣生产食品试剂
通过使甘(12.5％g H2O/g湿甘蔗渣，其干物质组成为：39.0％g葡聚糖/g生物质,17.3％g木聚糖/g干生物质,5.0％g阿聚糖/g干生物质,1.1％g半乳糖体/g干生物质,5.5％g乙酸盐/g干生物质,5.0％g可溶性提取物/g干生物质,24.1％g木质素/g干生物质,和3.1％g灰份/g干生物质)蔗的甘蔗渣通过装配有1/8英寸的筛子的旋转叶片磨来制备甘蔗的甘蔗渣。在105℃下使重复的100mg样品干燥至恒定的质量时，通过测量质量损失来测定所得的磨碎生物质的含水率为10.1％g H2O/g湿甘蔗渣。
在105℃下使重复的100mg样品干燥至恒定的质量时，通过测量质量损失来测定根据实施例A20的过程而制备的催化剂的含水率为69.0％g H2O/g湿甘蔗渣。
将1.2kg磨碎的甘蔗渣与3.5kg根据实施例A20的过程而制备的催化剂合并在装配有旋转犁轴搅拌机(rotating plough axial mixer)的夹套式22L不锈钢反应器中。在搅拌机运转的情况下，通过使140℃的蒸汽流过反应器夹套，在26分钟的时间内将反应器的内含物逐渐升高至105℃。在达到105℃之后，使搅拌机停止运转，并根据需要，通过使108℃的蒸汽流过夹套而将内含物在105℃下保持4小时。4小时后，通过使冷水流过反应器夹套而将反应器内含物冷却至60℃。将反应器的内含物转移至20L桶中，向其中加入10L水，并以人工方式搅拌内含物，从而形成粘性浆料。混合后，使浆料沉淀4小时，使催化剂和未反应的生物质沉淀在桶的底部。通过倾倒除去上清液。将沉淀过程重复3次，从而回收可溶性物质，将由每个洗涤步骤得到的上清液合并至单一的容器中。
在真空下通过蒸发水而将全部的上清液浓缩至粘性浆料。观察到该浆料具有与烧烤调味酱相似的香味。测定浆料中主要的有机物质为木糖、葡萄糖、阿拉伯糖和乙酸。通过高效液相色谱(HPLC)，在装配有折射率(RI)检测器的Hewlett-Packard Series 1100仪器(使用了30cm x 7.8mm BioRad Aminex-HPB柱，并使用水作为流动相)上进行测定。通过铅形式的阳离子和氢氧化物形式的离子保护柱的组合来保护糖分析柱。使用0.2m注射器过滤器在注射之前微量过滤所有的HPLC样品。通过参照由已知的标准品生成的校准来测定样品的浓度。通过电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)测定浆料中主要的营养矿物为钙、钾、铁、锌、钠和镁。

Claims (18)

1.一种包含固载体、附着在该固载体上的酸性部分和附着在该固载体上的离子部分的催化剂，
其中所述的固载体包含材料，其中所述的材料选自生物碳,无定形碳,和活性碳,氧化镁,氧化锆,粘土,硅酸镁,沸石,陶瓷，以及它们的任意的组合，
其中每个酸性部分独立地具有至少一个Bronsted-Lowry酸，以及
其中每个离子部分独立地具有至少一个含氮阳离子基团、至少一个含磷阳离子基团或者它们的组合，
其中每个所述的含氮阳离子基团独立地选自吡喃鎓,咪唑鎓,吡唑鎓,恶唑鎓,噻唑鎓,吡啶鎓,嘧啶鎓,吡嗪鎓,哒嗪鎓,噻嗪鎓,吗啉鎓,哌啶鎓,哌嗪鎓,和吡咯烷鎓；以及
每个所述的含磷阳离子基团独立地选自三苯基磷鎓,三甲基磷鎓,三乙基磷鎓,三丙基磷鎓,三丁基磷鎓,三氯磷鎓,和三氟磷鎓。
2.根据权利要求1所述的催化剂，其中每个所述的Bronsted-Lowry酸独立地选自磺酸,膦酸,乙酸,异酞酸,硼酸和全氟化的酸。
3.权利要求1所述的催化剂，其中一个或多个所述的酸性部分直接附着在所述的固载体上。
4.权利要求1所述的催化剂，其中一个或多个所述的酸性部分通过连接体附着在所述的固载体上。
5.权利要求4所述的催化剂，其中每个所述的连接体独立地选自未取代的或取代的烷基连接体、未取代的或取代的环烷基连接体、未取代的或取代的烯基连接体、未取代的或取代的芳基连接体、未取代的或取代的杂芳基连接体、未取代的或取代的烷基醚连接体、未取代的或取代的烷基酯连接体、以及未取代的或取代的烷基氨基甲酸连接体。
6.权利要求1所述的催化剂，其中一个或多个所述的离子部分直接附着在所述的固载体上。
7.权利要求1所述的催化剂，其中一种或多个所述的离子部分通过连接体附着在所述的固载体上。
8.权利要求7所述的催化剂，其中每个所述的连接体独立地选自未取代的或取代的烷基连接体、未取代的或取代的环烷基连接体、未取代的或取代的烯基连接体、未取代的或取代的芳基连接体、未取代的或取代的杂芳基连接体、未取代的或取代的烷基醚连接体、未取代的或取代的烷基酯连接体、以及未取代的或取代的烷基氨基甲酸连接体。
9.权利要求1所述的催化剂，其进一步包含附着在所述的固载体上的疏水性部分。
10.权利要求9所述的催化剂，其中每个所述的疏水性部分选自未取代的或取代的烷基、未取代的或取代的环烷基、未取代的或取代的芳基、以及未取代的或取代的杂芳基。
11.权利要求1所述的催化剂，其进一步包含附着在所述的固载体上的酸性-离子部分，其中每个所述的酸性-离子部分包含Bronsted-Lowry酸和阳离子基团。
12.权利要求1所述的催化剂，其中所述的材料选自生物碳,无定形碳,和活性碳。
13.权利要求1所述的催化剂，其中所述的催化剂的Bronsted-Lowry酸的总量为0.01mmol至4.0mmol/克催化剂。
14.权利要求1所述的催化剂，其中所述的催化剂的含氮阳离子基团和抗衡离子的总量或者含磷阳离子基团和抗衡离子的总量为0.01mmol至4.0mmol/克催化剂。
15.权利要求1所述的催化剂，其中所述的催化剂选自：
碳负载的吡喃鎓氯化物磺酸；
碳负载的咪唑鎓氯化物磺酸；
碳负载的吡唑鎓氯化物磺酸；
碳负载的恶唑鎓氯化物磺酸；
碳负载的噻唑鎓氯化物磺酸；
碳负载的吡啶鎓氯化物磺酸；
碳负载的嘧啶鎓氯化物磺酸；
碳负载的吡嗪鎓氯化物磺酸；
碳负载的哒嗪鎓氯化物磺酸；
碳负载的噻嗪鎓氯化物磺酸；
碳负载的吗啉鎓氯化物磺酸；
碳负载的哌啶鎓氯化物磺酸；
碳负载的哌嗪鎓氯化物磺酸；
碳负载的吡咯烷鎓氯化物磺酸；
碳负载的三苯基磷鎓氯化物磺酸；
碳负载的三甲基磷鎓氯化物磺酸；
碳负载的三乙基磷鎓氯化物磺酸；
碳负载的三丙基磷鎓氯化物磺酸；
碳负载的三丁基磷鎓氯化物磺酸；
碳负载的三氟磷鎓氯化物磺酸；
碳负载的吡喃鎓溴化物磺酸；
碳负载的咪唑鎓溴化物磺酸；
碳负载的吡唑鎓溴化物磺酸；
碳负载的恶唑鎓溴化物磺酸；
碳负载的噻唑鎓溴化物磺酸；
碳负载的吡啶鎓溴化物磺酸；
碳负载的嘧啶鎓溴化物磺酸；
碳负载的吡嗪鎓溴化物磺酸；
碳负载的哒嗪鎓溴化物磺酸；
碳负载的噻嗪鎓溴化物磺酸；
碳负载的吗啉鎓溴化物磺酸；
碳负载的哌啶鎓溴化物磺酸；
碳负载的哌嗪鎓溴化物磺酸；
碳负载的吡咯烷鎓溴化物磺酸；
碳负载的三苯基磷鎓溴化物磺酸；
碳负载的三甲基磷鎓溴化物磺酸；
碳负载的三乙基磷鎓溴化物磺酸；
碳负载的三丙基磷鎓溴化物磺酸；
碳负载的三丁基磷鎓溴化物磺酸；
碳负载的三氟磷鎓溴化物磺酸；
碳负载的吡喃鎓硫酸氢盐磺酸；
碳负载的咪唑鎓硫酸氢盐磺酸；
碳负载的吡唑鎓硫酸氢盐磺酸；
碳负载的恶唑鎓硫酸氢盐磺酸；
碳负载的噻唑鎓硫酸氢盐磺酸；
碳负载的吡啶鎓硫酸氢盐磺酸；
碳负载的嘧啶鎓硫酸氢盐磺酸；
碳负载的吡嗪鎓硫酸氢盐磺酸；
碳负载的哒嗪鎓硫酸氢盐磺酸；
碳负载的噻嗪鎓硫酸氢盐磺酸；
碳负载的吗啉鎓硫酸氢盐磺酸；
碳负载的哌啶鎓硫酸氢盐磺酸；
碳负载的哌嗪鎓硫酸氢盐磺酸；
碳负载的吡咯烷鎓硫酸氢盐磺酸；
碳负载的三苯基磷鎓硫酸氢盐磺酸；
碳负载的三甲基磷鎓硫酸氢盐磺酸；
碳负载的三乙基磷鎓硫酸氢盐磺酸；
碳负载的三丙基磷鎓硫酸氢盐磺酸；
碳负载的三丁基磷鎓硫酸氢盐磺酸；
碳负载的三氟磷鎓硫酸氢盐磺酸；
碳负载的吡喃鎓甲酸盐磺酸；
碳负载的咪唑鎓甲酸盐磺酸；
碳负载的吡唑鎓甲酸盐磺酸；
碳负载的恶唑鎓甲酸盐磺酸；
碳负载的噻唑鎓甲酸盐磺酸；
碳负载的吡啶鎓甲酸盐磺酸；
碳负载的嘧啶鎓甲酸盐磺酸；
碳负载的吡嗪鎓甲酸盐磺酸；
碳负载的哒嗪鎓甲酸盐磺酸；
碳负载的噻嗪鎓甲酸盐磺酸；
碳负载的吗啉鎓甲酸盐磺酸；
碳负载的哌啶鎓甲酸盐磺酸；
碳负载的哌嗪鎓甲酸盐磺酸；
碳负载的吡咯烷鎓甲酸盐磺酸；
碳负载的三苯基磷鎓甲酸盐磺酸；
碳负载的三甲基磷鎓甲酸盐磺酸；
碳负载的三乙基磷鎓甲酸盐磺酸；
碳负载的三丙基磷鎓甲酸盐磺酸；
碳负载的三丁基磷鎓甲酸盐磺酸；
碳负载的三氟磷鎓甲酸盐磺酸；
碳负载的吡喃鎓乙酸盐磺酸；
碳负载的咪唑鎓乙酸盐磺酸；
碳负载的吡唑鎓乙酸盐磺酸；
碳负载的恶唑鎓乙酸盐磺酸；
碳负载的噻唑鎓乙酸盐磺酸；
碳负载的吡啶鎓乙酸盐磺酸；
碳负载的嘧啶鎓乙酸盐磺酸；
碳负载的吡嗪鎓乙酸盐磺酸；
碳负载的哒嗪鎓乙酸盐磺酸；
碳负载的噻嗪鎓乙酸盐磺酸；
碳负载的吗啉鎓乙酸盐磺酸；
碳负载的哌啶鎓乙酸盐磺酸；
碳负载的哌嗪鎓乙酸盐磺酸；
碳负载的吡咯烷鎓乙酸盐磺酸；
碳负载的三苯基磷鎓乙酸盐磺酸；
碳负载的三甲基磷鎓乙酸盐磺酸；
碳负载的三乙基磷鎓乙酸盐磺酸；
碳负载的三丙基磷鎓乙酸盐磺酸；
碳负载的三丁基磷鎓乙酸盐磺酸；
碳负载的三氟磷鎓乙酸盐磺酸；
碳负载的吡喃鎓氯化物膦酸；；
碳负载的咪唑鎓氯化物膦酸；
碳负载的吡唑鎓氯化物膦酸；
碳负载的恶唑鎓氯化物膦酸；
碳负载的噻唑鎓氯化物膦酸；
碳负载的吡啶鎓氯化物膦酸；
碳负载的嘧啶鎓氯化物膦酸；
碳负载的吡嗪鎓氯化物膦酸；
碳负载的哒嗪鎓氯化物膦酸；
碳负载的噻嗪鎓氯化物膦酸；
碳负载的吗啉鎓氯化物膦酸；
碳负载的哌啶鎓氯化物膦酸；
碳负载的哌嗪鎓氯化物膦酸；
碳负载的吡咯烷鎓氯化物膦酸；
碳负载的三苯基磷鎓氯化物膦酸；
碳负载的三甲基磷鎓氯化物膦酸；
碳负载的三乙基磷鎓氯化物膦酸；
碳负载的三丙基磷鎓氯化物膦酸；
碳负载的三丁基磷鎓氯化物膦酸；
碳负载的三氟磷鎓氯化物膦酸；
碳负载的吡喃鎓溴化物膦酸；
碳负载的咪唑鎓溴化物膦酸；
碳负载的吡唑鎓溴化物膦酸；
碳负载的恶唑鎓溴化物膦酸；
碳负载的噻唑鎓溴化物膦酸；
碳负载的吡啶鎓溴化物膦酸；
碳负载的嘧啶鎓溴化物膦酸；
碳负载的吡嗪鎓溴化物膦酸；
碳负载的哒嗪鎓溴化物膦酸；
碳负载的噻嗪鎓溴化物膦酸；
碳负载的吗啉鎓溴化物膦酸；
碳负载的哌啶鎓溴化物膦酸；
碳负载的哌嗪鎓溴化物膦酸；
碳负载的吡咯烷鎓溴化物膦酸；
碳负载的三苯基磷鎓溴化物膦酸；
碳负载的三甲基磷鎓溴化物膦酸；
碳负载的三乙基磷鎓溴化物膦酸；
碳负载的三丙基磷鎓溴化物膦酸；
碳负载的三丁基磷鎓溴化物膦酸；
碳负载的三氟磷鎓溴化物膦酸；
碳负载的吡喃鎓硫酸氢盐膦酸；
碳负载的咪唑鎓硫酸氢盐膦酸；
碳负载的吡唑鎓硫酸氢盐膦酸；
碳负载的恶唑鎓硫酸氢盐膦酸；
碳负载的噻唑鎓硫酸氢盐膦酸；
碳负载的吡啶鎓硫酸氢盐膦酸；
碳负载的嘧啶鎓硫酸氢盐膦酸；
碳负载的吡嗪鎓硫酸氢盐膦酸；
碳负载的哒嗪鎓硫酸氢盐膦酸；
碳负载的噻嗪鎓硫酸氢盐膦酸；
碳负载的吗啉鎓硫酸氢盐膦酸；
碳负载的哌啶鎓硫酸氢盐膦酸；
碳负载的哌嗪鎓硫酸氢盐膦酸；
碳负载的吡咯烷鎓硫酸氢盐膦酸；
碳负载的三苯基磷鎓硫酸氢盐膦酸；
碳负载的三甲基磷鎓硫酸氢盐膦酸；
碳负载的三乙基磷鎓硫酸氢盐膦酸；
碳负载的三丙基磷鎓硫酸氢盐膦酸；
碳负载的三丁基磷鎓硫酸氢盐膦酸；
碳负载的三氟磷鎓硫酸氢盐膦酸；
碳负载的吡喃鎓甲酸盐膦酸；
碳负载的咪唑鎓甲酸盐膦酸；
碳负载的吡唑鎓甲酸盐膦酸；
碳负载的恶唑鎓甲酸盐膦酸；
碳负载的噻唑鎓甲酸盐膦酸；
碳负载的吡啶鎓甲酸盐膦酸；
碳负载的嘧啶鎓甲酸盐膦酸；
碳负载的吡嗪鎓甲酸盐膦酸；
碳负载的哒嗪鎓甲酸盐膦酸；
碳负载的噻嗪鎓甲酸盐膦酸；
碳负载的吗啉鎓甲酸盐膦酸；
碳负载的哌啶鎓甲酸盐膦酸；
碳负载的哌嗪鎓甲酸盐膦酸；
碳负载的吡咯烷鎓甲酸盐膦酸；
碳负载的三苯基磷鎓甲酸盐膦酸；
碳负载的三甲基磷鎓甲酸盐膦酸；
碳负载的三乙基磷鎓甲酸盐膦酸；
碳负载的三丙基磷鎓甲酸盐膦酸；
碳负载的三丁基磷鎓甲酸盐膦酸；
碳负载的三氟磷鎓甲酸盐膦酸；
碳负载的吡喃鎓乙酸盐膦酸；
碳负载的咪唑鎓乙酸盐膦酸；
碳负载的吡唑鎓乙酸盐膦酸；
碳负载的恶唑鎓乙酸盐膦酸；
碳负载的噻唑鎓乙酸盐膦酸；
碳负载的吡啶鎓乙酸盐膦酸；
碳负载的嘧啶鎓乙酸盐膦酸；
碳负载的吡嗪鎓乙酸盐膦酸；
碳负载的哒嗪鎓乙酸盐膦酸；
碳负载的噻嗪鎓乙酸盐膦酸；
碳负载的吗啉鎓乙酸盐膦酸；
碳负载的哌啶鎓乙酸盐膦酸；
碳负载的哌嗪鎓乙酸盐膦酸；
碳负载的吡咯烷鎓乙酸盐膦酸；
碳负载的三苯基磷鎓乙酸盐膦酸；
碳负载的三甲基磷鎓乙酸盐膦酸；
碳负载的三乙基磷鎓乙酸盐膦酸；
碳负载的三丙基磷鎓乙酸盐膦酸；
碳负载的三丁基磷鎓乙酸盐膦酸；
碳负载的三氟磷鎓乙酸盐膦酸；
碳负载的乙酰基-三磷鎓磺酸；
碳负载的乙酰基-甲基吗啉鎓磺酸；和
碳负载的乙酰基-咪唑鎓磺酸。
16.一种组合物，其包含：
生物质；以及
根据权利要求1至15的任意一项所述的催化剂。
17.一种用于将生物质降解成一种或多种糖的方法，其包含：
a)提供生物质；
b)使所述的生物质与根据权利要求1至15的任意一项所述的催化剂相接触，从而形成反应混合物；
c)将所述的反应混合物中的生物质降解成液相和固相，其中所述的液相包含一种或多种糖，并且其中所述的固相包含残余的生物质；
d)将至少一部分所述的液相与所述的固相分离；以及
e)由所述的分离的液相回收所述的一种或多种糖。
18.权利要求17所述的方法，其中所述的步骤(b)进一步包含将所述的生物质和催化剂与水相接触，从而形成所述的反应混合物。
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