纤维素模型D-纤维二糖与钠盐相互作用的多维解析：FT-IR、热重及计算模拟揭示分子机制

为解析纤维素复合材料开发中的关键问题——纤维素与金属盐（尤其是阴离子）的分子互作机制，研究人员采用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、热重分析（TG）和密度泛函理论（DFT）技术，系统评估了D-纤维二糖与14种钠盐的相互作用。研究发现：Na2B4O7引起最大FT-IR谱带位移（61.85?cm?1），并显著降低材料热稳定性；DFT计算证实硼酸盐阴离子通过路易斯酸性、多原子位点及强氢键作用驱动高效结合。该研究为纤维素功能化设计提供了理论依据。

　　

论文解读

纤维素作为天然高分子材料，在生物医药、绿色包装等领域应用广泛，但其加工性能常受金属盐添加剂的影响。传统研究对盐类阴离子如何通过分子间作用调控纤维素结构与热稳定性的机制尚未明晰，制约了高性能纤维素复合材料的开发。为破解这一难题，研究人员聚焦纤维素模型化合物D-纤维二糖，选取14种典型钠盐（如Na₂B₄O₇、Na₃PO₄），通过多尺度技术揭示了阴离子驱动作用的分子基础。相关成果发表于《Journal of Carbohydrate Chemistry》。

研究采用三项核心技术：① 傅里叶变换红外光谱（FT-IR） 监测D-纤维二糖10个特征谱带位移；② 热重分析（TG） 测定盐复合物的初始分解温度变化；③ 密度泛函理论（DFT） 计算结合能及作用位点（如α/β-D-纤维二糖上下表面）。

研究结果

1. FT-IR位移特征

   Na₂B₄O₇引起十处谱带总位移达61.85?cm^?1，显著高于其他盐类（如Na₃PO₄为34.08?cm^?1），表明硼酸根阴离子与糖环羟基形成强氢键网络。

2. 热稳定性变化

   71.4%的盐类（10/14）导致D-纤维二糖初始分解温度降低，佐证分子作用力改变可削弱材料热稳定性。

3. DFT结合能验证

   Na₂B₄O₇与α/β-D-纤维二糖在上下表面的结合能均为负值（最低达-30.9?kJ/mol），证实自发结合倾向。

4. 硼酸盐作用机制

   硼原子的路易斯酸性、阴离子中多硼氧原子位点（B/O）与纤维二糖形成的强氢键及偶极相互作用，共同构成高效结合的核心驱动力。

结论与意义

本研究首次通过实验与计算相结合的策略，阐明硼酸根阴离子通过路易斯酸-碱作用及多原子协同效应，显著增强与纤维素模型的结合强度。该发现不仅解释了含硼盐类在纤维素加工中的高效塑化现象，更为设计新型盐添加剂提供了理论靶点：调控阴离子的路易斯酸性强度及空间构型可精准优化纤维素复合材料性能。研究建立的FT-IR谱带位移-DFT结合能关联模型，为后续高通量筛选功能化盐类奠定了方法学基础。