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木素结构木素结构 NMRNMR 研究发展研究发展摘 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 1H-NMR 、19F-NMR 、29Si-NMR 在木素结构研究中的应用关键词：13C-NMR 31P-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一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素结构研究方法众多，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之一自从 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]。

31Ｐ-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1 1H NMR 谱在木素结构化学中的应用1H-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 1H-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(δ)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 δ＝0～9ppm1Ｈ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 1ＨNMR 技术的优点，但由于它分辨率低而变得不受欢迎现在 1ＨNMR 谱仅用于分析低分子量的木素产品2 13C NMR 谱在木素化学中的应用相比 1H-NMR 谱,13ＣNMR 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 ％，，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 13Ｃ标记的松柏醇葡萄糖苷等木素前驱物只能分析木素中含有 β-O-4’, β-5’,β–β’，α-O-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 13Ｃ标记的松柏醇葡萄糖苷，将其投入正在生长的植物体内可以分析5－5’,4-O-5’等木素中存在的键型2.3 带 13Ｃ 标记的木素前驱物在研究木素－碳水化合物复合体结构中的应用从 20 世纪 80 年代开始，人们试图用 13Ｃ-NMR 分析法研究木素结构及木素－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 13Ｃ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苷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 α 位带 13Ｃ同位素标记的松柏醇葡萄糖苷作为起始物,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 13Ｃ标记的 DHP 和综纤维素复合物(DHPHC)。

用高分辨率固体 13Ｃ-NMR 和红外光谱对 DHPHC 进行分析红外分析显示:该实验环境下用松柏醇葡萄糖苷合成的 DHPHC 同天然银杏木材木粉在组成和结构上很相似13Ｃ-NMR 证明了木素结构单元在 α 位与碳水化合物主要以醚键和酯键连接3 31P ＮＭＲ谱在木素结构化学中的应用近年来开始利用 31Ｐ-NMR 测定碳水化合物及木素的功能基( 羟基、羧基、羰基和醌基等)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行 31P-NMR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 COOH 等基团)与磷化试剂反应生成含磷的衍生物来标记这些活泼中心,然后用 31Ｐ-NMR 光谱技术进行测定对于木素,具有这些不稳定氢活泼中心的基团有酚羟基(Ph-OH),脂肪羟基(aliph-OH),羧基(COOH),醛基(CHO)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]3.1 31P ＮＭＲ光谱分析制浆漂白过程中的木素Argyropoulos 研究山毛榉经蒸汽爆破法处理溶出的木素,利用 31ＰNMR 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羟基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的β-Ｏ-4 连接优先断裂,两者结果相一致β-Ｏ-4 结构是木素中的主要连接键,此结构在木素Ｃ9 单元的比例反映出木素的聚合度Sun[14]等人研究臭氧、二氧化氯、DMD 及过氧化氢处理碱残余木素,利用 31Ｐ-NMR 技术可以准确测定其木素的羧基、酚羟基及 β-Ｏ-4 醚键的断裂情况Argyropoulos [15]用 31Ｐ-NMR 技术测定 MILOX 制浆过程中木素结构特征的变化在 MILOX 过程的第一阶段得出的愈创木型酚羟基多,表明此过程愈创木基木素优先溶出,主要是由于愈创木素富集的胞间层木素具有更大的可及性。

3.2 固体 31Ｐ ＮＭＲ核磁共振光谱对于纸浆,特别是磨木浆和机械浆,其木素结构中含有醛基、邻醌或对醌,α、β 不饱和羰基和羧基等结构如果将木素分离出来,这些基团容易发生变化,测出的结果不能反映浆中木素的真实特征利用亚磷酸三甲酯可以与上述基团反应生成磷酸酯的衍生物,其固体 31Ｐ CP/MAS NMR光谱的信号具有特征的化学位移Lebo 和 Lonsby 利用此反应测定机械浆中的邻醌基团(由光诱导所产生)[13]Argyropoulos 用亚磷酸三甲酯处理磨木浆(SGW)后测定固体 31Ｐ CP/MAS NMR 光谱,发现在 δ=10 处有一个强宽峰,这是邻醌的磷酸酯衍生物重排后产物引起的3.3 31P ＮＭＲ光谱在木素结构分析中的其它应用Leonid G.Akim[16] 等人用 31Ｐ-NMR 光谱分析从各基因改良后的树木中获得的木素，通过测定其中的游离酚羟基来分析经改良后各树木中木素结构的差别由于 31P 可以用来测定木素中含有不稳定氢的基团如酚羟基(Ph-OH),脂肪羟基(aliph-OH),羧基(COOH),醛基(CHO)，Claudia Crestini 等在此理论基础，研究了稻草木素结构中的醚键。

通过将温和的碱性降解与 31Ｐ-NMR 结合起来可以分析各种醚键结构及它们各自在整体稻杆木素中的分布情况[17]Dimitris S.Argyropoulos 等[18]利用 31Ｐ-NMR 提出了半定量研究分离木素中邻醌与对醌的量的方法M.ZAWADZKI[19]等也利用 31Ｐ-NMR 谱测定了分离木素中的醌的量，并指出浆料中的木素经氧化和 CLO2 漂白后，醌的结构会增加，而经过 CLO2 漂白后残余木素中醌的结构会减少Shin-ichiro Tohmura[20]等利用 31Ｐ-NMR 谱定量测定和检测了针叶材硫酸盐法制浆残余木素和磨木木素中的各种醚键，此外还提供了与缩合型和非缩合型苯环相连接的 β 芳基醚键的有关信息并发现大部分的 β 芳基醚键在经过硫酸盐法制浆后都断开了P.Malkavaara,R.Alen 和 E.Kolehmainen[21]将 13Ｃ-NMR 和 31Ｐ-NMR 谱结合起来分析了针叶木和阔叶木硫酸盐法制浆所得黒液中各种酚羟基与脂肪羟基的含量，并在分析的基础上提出了预测黒液燃烧性能的模型4 19F ＮＭＲ谱在木素结构化学中的应用19F 与 31P 一样，自然丰度为 100 %, 19F-NMR 谱的化学位移范围宽。

木素的氟衍生物的稳定性好，同时氟原子在芳环上的位置对化学位移非常灵敏，容易得到各种羟基的信号，特别是可以测定羧基的含量，这些都是 19F-NMR 的优点[2]Behazad C.Ahvazi,Claudia [22]等利用 19F-NMR 对木素中存在的羰基进行了检测和分类，证明了所使用的方法可以用来定量分析可溶性的原生和改良木素5 29Si ＮＭＲ谱在木素结构化学中的应用Robert Brezny 首先报道了用 29Si-NMR 法测定多种模型物的三甲基硅醚衍生物的结构 29Si 的自旋量子数I＝1/2，其自然丰度 4.7％，因此，29Si-NMR 的测定灵教度很低，但是可以用常规的 INEPT 技术使三甲基硅醚衍生物中 29Si 的信号放大29Si-NMR 主要用于研究能引进 Si原子的一 OH, -COOH 基团和可以烯醇化的羰基用硅醚化试剂使这些基团醚化，引进 Si 原子，即可用”Si-NMR 进行分析，因而可以用于研究木素和碳水化合物的功能基[13]参考文献[1] 邓长江，刘学恕，张宏书，等. 定量 13C-NMR 谱表征蔗渣碱木素结构. 纤维素科学与技术，1995，.3：38~43.[2] 周学飞，余家鸾，陈嘉翔. 核磁共振法在研究木素和碳水化合物结构方面的应用. 纤维素科学与技术，1997，5 :42~48.[3] 刘贵生，段新方，刘君良，等. 1Ｈ,13Ｃ-NMR 光谱在木素化学研究中的应用. 吉林林学院学报， 12：239~243.[4] Terashima N, Hafren J, Westermark U. Nondestructive Analysis of Lignin Structure by NMR Spectroscopy of Spectroscopy of Specifically 13C-Enriched Lignins. Holzforschung，XX，56：43~50.[5] Xie Y，Terashima N. Selective Carbon 13-Enrichment of Side Carbons of Ginkgo Lignin Traced by Carbon 13 Nuclear Magnetic Resonance Mokuzai Gakkaishi ,1991,37(10) :935~941.[6] Xie Y， Yasuda S , Terashima N. Selective Carbon 13-Enrichment of Side Carbons of Oleander Lignin Traced by Carbon 13 Nuclear Magnetic Resonance. Mokuzai Gakkaishi，1994，40：191~198.[7] Xie Y，Terashima N.Sele。