无溶剂熔融态对象的核磁共振实验方法

《Inventions》：Approach to NMR Experiments with the Molten Objects Without Solvents

　　

本文提出了一种使用最初为溶液设计的高分辨率探头获得异核单量子相干(HSQC)光谱的方法。该方法适用于研究具有相对低熔点的有机物质，如共聚物、复合材料、蜡、树脂和类似材料。该过程涉及在分析前直接在核磁共振(NMR)样品管内制备物质的熔体。对从同一物质的熔融态和溶液获得的HSQC光谱的比较表明，可以获得具有代表性的光谱，从而能够详细分析其精细结构。该方法已在多种材料上成功测试，包括：石蜡、蜡、蜂蜜、香兰素、聚己内酯、丙交酯与苯酚和马来酸酐的共聚物、聚己内酯和香兰素的复合材料。这种方法能够在不需要昂贵氘代溶剂的情况下，鉴定聚合物和生物样品中的杂质。

研究背景与问题提出：热塑性物质（如共聚物、复合材料、蜡和树脂等）的化学结构分析严重依赖于核磁共振(NMR)光谱技术，特别是能够识别C–H和N–H键的二维异核单量子相干(HSQC)技术。然而，在传统的溶液态NMR光谱分析中，研究人员常面临两大难题：一是目标子结构在样品中含量过低导致信号微弱，二是样品在常规溶剂中的不溶性。例如，在研究ABS（acrylonitrile butadiene styrene，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）与木质素的复合材料时，由于木质素含量低，其NMR信号几乎完全缺失。为解决这些问题，传统方法尝试提高溶液浓度或抑制溶剂信号以改善信噪比，但效果往往不佳。虽然固态NMR光谱技术（如魔角旋转(MAS)和交叉极化(CP)）提供了一种无需溶解样品的分析途径，且可通过双脉冲相位调制(TPPM)等技术提升分辨率，但获取高质量的二维固态光谱依然困难，且常受限于昂贵的专用探头。基于此，研究人员开展了这项研究，旨在开发一种适用于热塑性熔体的新型NMR实验方法。该研究提出直接在标准液态NMR样品管中对低熔点物质进行熔融，并使用常规高分辨率液态探头采集HSQC光谱。研究得出结论，该方法能够成功获取反映精细结构的熔融态HSQC光谱，且灵敏度接近传统溶液态NMR。这项研究的重要意义在于，它打破了传统二维NMR对氘代溶剂的依赖，为不溶性低熔点聚合物的结构解析和杂质检测提供了高性价比的新途径。该论文发表在《Inventions》期刊上。

关键技术方法：研究中主要使用了标准高分辨率宽带液态探头和Bruker AVANCE III? 600光谱仪进行1H和1H–13C HSQC光谱的采集。样本队列来源包括购买的聚己内酯(PCL)、石蜡、L-丙交酯、蜂蜡，以及来自俄罗斯阿尔汉格尔斯克地区蜂场的蜂蜜和蜂巢盖，还有研究期间合成的L-丙交酯与苯酚和马来酸酐的共聚物。关键技术包括直接在NMR样品管中利用甘油浴进行序列熔融以实现样品均匀填充，以及在探头内使用加热氮气流控制熔融状态。数据采集采用了包含DEPT（Distortionless Enhancement by Polarization Transfer，无畸变极化转移增强）算法的hsqcedetgpsisp2.3脉冲序列，并在无锁场条件下通过外标四甲基硅烷(TMS)进行化学位移校准。

研究结果：
1. 评估温度对1H光谱信号的影响：研究人员以L-丙交酯、苯酚和马来酸酐共聚物为例研究发现，在25°C标准条件下，固体样品的1H NMR信号过宽而无法提供有效信息。随着温度逐渐升高并接近熔点（如83°C），由于分子流动性增加导致各向异性相互作用（偶极和四极）减弱，信号线宽显著缩小，光谱分辨率大幅提升。在达到熔点并保持熔融状态（如84°C）后，光谱质量发生进一步改善，从而使得采集具有指导意义的HSQC光谱成为可能。

2. HSQC光谱的采集：在分析多种样品时，研究人员发现对于L-丙交酯和石蜡等成分相对均一的物质，其在熔融后冷却能均匀收缩且不形成内部空腔，因此即使在25°C下也能记录冷却熔体的光谱，且L-丙交酯即使熔点高达96–98°C，也仅需在制备阶段达到该温度即可在冷却后采谱。然而，对于蜂蜡、PCL及其共聚物等成分复杂的物质，冷却后的熔体无法检测到HSQC信号。这些样品必须在采谱期间维持其熔融温度，才能成功获取包含主信号及其精细结构的HSQC光谱，且在探头内熔融状态下采谱比冷却熔体具有更窄的线宽和更高的分辨率。

3. 熔体与溶解物质HSQC光谱的比较：研究人员对比了同种物质在熔融态和溶液态下的HSQC光谱。结果显示两者具有高度的一致性，除了因溶剂影响导致的微小化学位移偏移外，熔体光谱完美重现了溶液实验中观察到的信号精细结构。这表明对于熔点在光谱仪控温系统可达范围内的样品，完全可以不使用昂贵的氘代溶剂来采集高分辨率HSQC光谱。此外，由于蜂蜡和PCL等物质凝固不均匀，必须在NMR探头内直接加热样品，这一功能在所有现代NMR光谱仪上均已具备。该技术还可用于定量分析蜂蜜中的糖类，助力蜂蜜采集地的地理 mapping（映射/溯源）。

4. 聚合物复合材料中杂质的检测：在PCL的熔融态HSQC光谱中，研究人员观察到了酚类杂质的信号（位于110–130/6.2–7.2 ppm处，占比约1%）。通过结合HSQC和HMBC光谱分析，确认这些信号对应于PCL生产中常用的抗氧化剂BHT（butylated hydroxytoluene，丁基羟基甲苯）和3,4-二甲基苯酚酯。为评估该方法的灵敏度，研究人员在PCL中添加了质量分数分别为2.5%、1.25%和0.5%的香兰素。对比光谱显示，在熔体光谱中，即使香兰素浓度低至0.5%，其所有信号依然清晰可辨。这一灵敏度水平几乎等同于高分辨率溶液态NMR，但无需使用氘代溶剂。

总结与讨论：本研究提出了一种从熔融态物质采集HSQC光谱的创新方法。该方法的核心在于直接在NMR样品管内制备物质熔体。研究发现，熔融态和溶解态下获得的HSQC光谱展现出相同的信号集合。研究证实，该方法能够在无需氘代溶剂的情况下，检测到聚合物复合材料熔体中浓度达0.5%及以上的杂质信号。这种技术可广泛应用于蜂蜜采集地的地理溯源、生产制造过程中产品基质内添加剂分布的监控、复合材料的常规结构确认，以及低熔点热塑性材料的深入研究。