木素结构nmr研究发展.doc

木素结构NMR研究发展文章标题：木素结构NMr研究发展摘要：由于木素结构的复杂性，近年来出现了各种研究木素结构的新 方法本文主要阐述了 13C-NMr及31P-NMr在木素结构研究中的进展 简单介绍了 lH-NMr、19F-NMr、29Si-NMr在木素结构研究中的应用关 键词：13C-NMr31P-NMr木素结构木素是植物的主要成份之一，它是由苯基丙烷结构单元组成具有三维空 间结构的复杂高分子聚合物不同植物的木素其结构有所不同，不同处 理方法所得同…植物木素其结构也常有差异由于木素结构的多样性、 复杂性和易变性，使其结构研究成为科学工作者长期探索的课题木索 结构研究方法众多，有化学分析法、紫外光谱法、红外光谱法及核磁共 振氢谱等仪器分析方法，对木素组成及某些官能团的特征研究有着重要 作用然而，由于13C-NMr可以测定同一分子中处于不同化学环境的碳 原子的化学位移，因而可以准确、快速地了解木素分子的细微结构，从 而成为研究木质素结构的主要手段Z-o自从Nimz等运用13C-NMr方 法研究木质素结构以来，应用13C-NMr技术研究不同植物木质素结构日 益广泛，从而使人们对木素的认识更为深刻［1］。

31 P-NMr光谱由于其 能定量研究木素中存在的各种官能团，使得其在木素定量研究中变得普 遍因此迄今为止，使用最多的核磁共振法是13C-NMr和31P-NMr,近 年来亦有29Si-NMr, 31P-NMr和19F-NMr研究木素和碳水化合物的功能 基本文主要介绍13C-NMr及31P-NMr在木素结构研究中的进展，对其 它的NMr只做简单的介绍llHNMr谱在木素结构化学中的应用111-NMr 法侧定对象是含H的化合物，因此木素和碳水化合物都可进行lH-NMr 分析根据不同位置的H具有不同的化学环境，在图谱中不同化学位移 （）出现共振峰而进行定性分析，峰面积与H原子数成比例，从而也可 进行定量分析化学位移范围为 =0〜9ppmo 1H核自然丰度为100, 核旋磁比大,共振信号峰强，分析时间短，用样量少，这是1 HNMr技术的 优点，但由于它分辨率低而变得不受欢迎现在lHNMr谱仅用于分析 低分子量的木素产品213CNMr谱在木素化学中的应用相比lH-NMr 谱，13 C NMr技术有很大优越性13C-NMr法直接反映C原子所处的化 学环境13C的自然丰度只有1.108%, （12C的自然丰度为98-89/ H 的自然丰度99.85%）,因此测定时灵敏度低，但可用脉冲核磁共振加 傅利叶变换法提高其灵敏度13C-NMr有许多优点：（1）各种有机物都含C 原子；（2）不同13C的化学位移变化范围大（0〜220ppm）； （3）化学环境 稍有不同的13C核都有不同的化学位移值⑵o相对于1 HNMr谱,使用 频率对于13CNMr谱信号加宽受到影响较小，因为在相同场强下13C NMr谱占有比较宽的频率范围（13 C约为1H的20倍），因此13 C NMr的 分辨率高。

即使考虑偶极作用谱线变宽这个原因，13 CNMr分辨率还是 高o 13CNMr可以利用去偶技术,消除自旋偶合，得到纯的13C谱，它比 较简单，干扰少，可以得到整个碳骨架结构信息此外，谱线变宽正比丁 核磁矩平方，（13C磁矩约为1H磁矩的14）;同时，碳核处在大分子骨架中,碳周围质子屏蔽了中间分子的偶极 作用，这更进一步促进13C信号峰明显窄于1H信号峰由于以上这些 原因决定13CNMr谱研究木素有比较高的效果在木素结构研究中13 CNMr谱实际上已取代了 lHNMr［3］而且13C的丰度可以通过同位素 示踪的方法得到弥补［4〜10］2. 1固体13CNMrCPMAS方法在木素化学中应用CPMAS方法是获取固体高分辨核磁共振谱的最有效方法，该法用于木素 研究中所谓CPMAS是交叉极化序列(CP)和魔角变换技术(MAS)的结合，前者能克服固 体核磁共振谱信号弱的缺点;后者以魔角(54. 7)来旋转试样可以使宽 信号峰变成清晰的尖峰虽然固体的木素13CNMr谱的分辨率弱于液体 的13CNMr分辨率，但是这个方法的绝对优越性是能在对木素样品不采 取任何化学或机械处理的情况下对其进行测定用这个方法实际能研究 不溶于任何有机溶剂的样品。

此外,有可能得到固体中特殊相互作用的 信息和分子动力学等方I fl I的信息考虑化学方法测怎木索1甘，部分木索 溶解产生了复杂测况，特别是部分木素结构点阵被破坏这种情况而CPMAS方法避免了这种可能，它是直接测木材、纸浆中木素含量快速方便 的方法在木素的研究中经常用到固体13CNMr［5, 8,9,11］2. 2带13 C标记的木素前驱物在研究木素结构中的应用为了区别于分离木素一 般称存在于细胞壁中的木素为原生木素，原生木素是在多糖存在的环境 下由木素单体通过不可逆的方式聚合而成木素单体和多糖随着细胞年 龄和种类而变化，木素又与多糖通过物理化学的方式结合在一起因此, 将木素从细胞壁中分离出来而又对其三维非均匀立体结构不产生影响 是不可能的在木素化学中经常用磨木木素来进行研究，而磨木木素被认为是从次生壁中分离出來的它的最高得率不到细胞壁中原生木 素的一半，而且其中还有相当数量与木素紧密结合在一起的碳水化合 物通常用来研究木素结构的方法是各种降解分析方法首先将木素氧 化、降解或溶剂分解成单体、二聚体或者寡聚物等片断，然后再测定这 些片断的结构和得率木素的各种结构都是在基于对这些低分子量物质 的认识的基础上提出來的，而所有低分子量的得率总和不到40%,超 过一半的木索高分子量物质不能被这种降解方法所分析到。

原生木索的 这种特点使得对其结构的研究变得困难，用放射性和稳定同位素示踪法 可以克服上述方法所带来的困难，因为它在不将木素从细胞壁中分离出 来的同时就可以提供有关原生木素结构的信息通过放射性同位素14C 和3H的使用，细胞壁中各形态区域非均匀木素的结构和分布都得到了 研究然而，放射性同位素示踪法不能提供有关被同位素标记的碳和氢 所处的化学环境的直接信息用13 C强化并结合固体NMr可以提供有 关原牛木素化学结构的信息而不川将其从细胞壁中分离出来各种植物 中某一被13 C选择性强化的原生木素可以通过将带13 C标记的前驱物 注入到该植物中获得NoritsuguTerashima[4]等人通过分别将在a , B, Y位带13 C标记和未带标记的松柏醇葡萄糖苜注入到正在生长的 银杏树体内来获得带13C标记的愈疮木基苯内烷单元对木质部中含 有13 C标记的木素进行NMr分析，并用带13 C标记木素的NMr谱图减 去未带标记木素的NMr谱图得到细胞壁中整体木素侧链碳得到增强的 谱图，在各种条件下测定信号强度并考虑到各种标准的不确定性，可以 得到木素内部各主要键的连接情况用13 C-NMr研究木素结构时，由 于天然木素13C丰度很低以及各碳原子Z间信号的相互重叠使得分析 木素结构变得困难。

为了克服这一困难，谢益民等将带有13C标记的 松伯醇葡萄糖莒注入到正在生长的银杏树体内，得到带13C标记的木 素，其13 C丰度为天然木素的3. 5倍，通过分析a-C信号得到增强的 13 C-NMr谱图，说明了银杏木素的结构，而且通过高分辨固体13 C-NMr 分析，发现了银杏原生木素中存在着a-拨基和P-0-4结构［5］将带 有13C标记的紫丁香基前驱物注入到夹竹桃体内，分析了夹竹桃木素 的结构［6］将带13 C标记和未带标记的松柏醇葡萄糖莒注入到稻杆体 内得到13C丰度为天然稻杆体内10倍的木素，而且所得到的带标记和 不带标记的NMr谱图基本没有差别将得到的木素分别进行已酰化和酶 降解得到有关稻杆木素结构的信息这些都说明13 C标记结合NMr技 术可以用來分析稻杆细胞壁中的木素［7］顾瑞军［11］等以侧链a位带 13 C同位素标记的松柏醇葡萄糖莒作为起始物，在实验室中模拟木质素 生物合成过程人工合成脱氢聚合物(DHP),得到带13C标记的DHP用高 分辨率固体13 C NMr和红外光谱对DHP进行了分析红外分析结果显示: 该实验条件下用松柏醇葡萄糖首合成的D II P同天然银杏木材的磨木 木质素(MWL)在组成和结构上有较好的相似性。

13CNMr证明了 B-O -4、B-B、B-5和松柏醇结构为DHP的主要结构，另有少量香兰素结 构和a位亚甲基结构当然，由于木素与碳水化合物以化学键的方式 连接在一起形成木素一碳水化合物复合体(LCC),因此我们在上述研究 木素结构的同时也可以借助NMr谱图来分析LCC的结构［8〜9］由于在 苯基丙烷单元侧链带有13 C标记的松柏醇葡萄糖昔等木素前驱物只能 分析木素中含有B-0-4 , B-5，, B - B, a-0-4等木素结构，因 此Noritsugu［10］等在以前研究木素的基础上合成了苯环4位5位带13 C标记的松柏醇葡萄糖昔，将其投入正在生长的植物体内可以分析5- 5, ,4-0-5等木素中存在的键型2. 3带13 C标记的木素前驱物在研 究木素一碳水化合物复合体结构中的应用从20世纪80年代开始，人们 试图川13 C -NMr分析法研究木素结构及木素一碳水化合物之间的连接 键，但由于木素大分子和碳水化合物的成分相当复杂，从一般的13C -NMr图上很难分辨出木素和碳水化合物之间的链接，从而要结合一些 特殊的分析方法入13 C同位素示踪法，这样就可以确定木素和碳水化 合物两种大分子之间起架桥作用的化学键的形态，并可进一步定性或定 量地分析木素侧链碳原子上LC键的比例。

通过对松柏醇葡萄糖昔的外 源性同位素标记可以有效地进行木素生物合成地研究，并探讨木素以及 LCC地化学结构顾瑞军［12］等以侧链a位带13C同位素标记的松柏 醇葡萄糖苜作为起始物，在实验室条件下模拟木素生物合成过程中木素 —碳水化合物(LCC)复合体的生物合成过程,得到带13 C标记的DHP和 综纤维素复合物(DHPHC)用高分辨率固体13 C-NMr和红外光谱对 DIIPHC进行分析红外分析显示:该实验环境下用松柏醇葡萄糖昔合成 的DIIPHC同天然银杏木材木粉在组成和结构上很相似13 C -NMr证明 了木素结构单元在a位与碳水化合物主要以醸键和酯键连接331PN M R谱在木素结构化学中的应用近年来开始利用31 P-NMr测定碳水化 合物及木素的功能基(轻基、竣基、拨基和醍基等)31P的自然丰度是 100, 31P-NMr测定的灵敏度高，因此它是一种可用核磁共振技术分析 含磷化合物结构的理想的原子核只要将碳水化合物和木素都转变为含 磷的衍生物就能进彳亍31P-NM1"分析近年来，由Argyropoulos等人成功 将此技术应用于木素结构分析含有不稳定氢的化合物(如含有OH, SH 和C00II等基团)与磷化试剂反应生成含磷的衍生物來标记这些活泼中 心,然后川31P-NMr光谱技术进行测定。

对丁木素，具有这些不稳定氢 活泼中心的基团有酚軽基(Ph-OH),脂肪疑基(aliph-0H),竣基(C00H), 醛基(CH0)等反映木素结构特征的官能团当这些基团与磷化试剂反应 后,其衍生物的磷31核磁共振谱图的化学位移处在明显不同的区域由 于衍生物中磷原子周围都是氧原子，因此31P-NMR的信号都是无偶 合的单峰，并且这种31PNMr核磁共振没有NOE效应，对于定量测定官能 团极有利这样就能够对木素中这些重要的基团用磷化物标记后进行定 量测定[13] o 3. 131PNMR光谱分析制浆漂白过程中的木素 Argyropoulos研究山毛樺经蒸汽爆破法处理溶出的木素，利用31 PNMr 光谱技术测定紫丁香型酚羟基是愈疮木型酚羟基的两倍，而总的紫丁香 基与愈疮木基的比例为0. 89,说明了紫丁香型结构优先游离出酚軽基 robert用其它方法研究同类木素时，指出蒸汽爆破法会导致紫丁香基 结构。