CN108445034A

CN108445034A - 一种快速定量分析聚合物链结构及组成的方法

Info

Publication number: CN108445034A
Application number: CN201810242650.5A
Authority: CN
Inventors: 龙映云
Original assignee: Changchun Institute of Applied Chemistry of CAS
Current assignee: Changchun Institute of Applied Chemistry of CAS
Priority date: 2018-03-22
Filing date: 2018-03-22
Publication date: 2018-08-24

Abstract

本发明提供了一种快速定量分析聚合物链结构及组成的方法，利用核磁共振波谱仪，对待测聚合物的氘代溶液进行检测，得到semi‑selective HSQC谱；然后对步骤1)得到的semi‑selective HSQC谱的谱图数据进行计算，得到聚合物的结构和组成。其中，通过控制所述检测使用的semi‑selective HSQC脉冲序列以及检测的采样参数，使得本发明提供的方法得到的谱图定量准确性极高，谱图重现性极好；检测效率可提高20倍左右。

Description

一种快速定量分析聚合物链结构及组成的方法

技术领域

本发明涉及高分子结构鉴定领域，尤其涉及一种快速定量分析聚合物链结构及组成的方法。

背景技术

对于二元或多元共聚物而言，各种反应单体分别在聚合物链中所占的比例以及单体在聚合物链中的链接方式等对聚合物的物理、化学、热力学、力学及使用性能等都有很大的影响，因此聚合物链结构及组成比例备受关注，并且成为共聚物必要的表征指标。目前常规使用定量¹³C NMR谱进行这类结构分析，但存在的问题很多。首先，由于检测核¹³C的天然丰度仅为1.1％，灵敏度仅为¹H的1/5700左右。相较于¹H NMR，¹³C NMR实验所需样品量多很多，且需要大幅增加采样次数和采样时间，方能得到信噪比相对高的谱图；其次，由于聚合物中某些¹³C核的弛豫时间较长，每次扫描前等待其恢复平衡需要较长时间(大约60秒以上)，这意味着相同采样次数需要更多的实验时间；再次，对于大分子共聚物而言，氢谱谱峰的重叠极其严重，碳谱谱线重叠现象也经常出现，对于定量分析的准确性非常不利。

基于上述原因，二维谱逐渐成为新宠，并出现了一些用二维HSQC谱对样品进行定量分析的案例，HSQC技术是一种检测¹³C-¹H直接相关的单量子核磁技术，与1H，¹³C-COSY效果(检测核为¹³C)相似，不同之处是将检测核换为天然丰度为99.98％的¹H核，可以大幅节省实验时间。二维HSQC谱图中横轴(F2维)为¹H NMR谱，纵轴(F1维)为¹³C NMR谱，谱中的交叉信号为¹³C-¹H相关点，表明二者是直接相连的。例如，为了除去C-H耦合对HSQC脉冲序列的影响，用4个不同的延迟时间去分别做4次HSQC，从而获得相对统一的C-H耦合常数，得到间接维具有相同分辨率的谱图，再进行定量分析(J Am Chem Soc 2003，125，4362-4367)。该方法比较繁琐，并不具备提高效率的优点。芬兰的发明了一种用于定量分析的HSQC脉冲序列，并用于木质素的定量分析，但谱图间接维的灵敏度较差，实验时间长，且需要额外添加标准物(Magn Reson Chem 2007，45，937-941)。此外，多数文献二维定量谱或者需要对脉冲序列和耦合常数进行多次筛选计算，或者需要特殊的非商业化的后处理软件，不具有直接的高效的可行性。且文献主要集中在新陈代谢和药物等小分子混合物研究中，基本没有涉及高分子领域。因为，对于共聚物而言，¹H NMR谱和¹³C NMR谱重叠现象经常同时出现，造成二维相关点重叠严重。基于这个问题，Coates利用band-selective HSQC快速对无规聚丙烯和无规聚乙腈的立体构型进行分析研究和报道(ACS Macro Lett 2016，5，181-184)，该方法基于无规聚丙烯的立构规整性主要由甲基的立构性决定，所以忽略链段的取代程度、弛豫时间、C-H一键耦合常数及偏共振效应的影响，作者直接采用band-selective HSQC技术，利用很短的弛豫时间d1＝1秒，很窄的谱宽范围(26-28ppm)，得到一张可用于立构规整性定量分析的二维谱图。整个实验过程所需时间为9分钟以内，效果与56分钟¹³C NMR谱相近，大幅节省了实验时间，但是这个方法存在以下缺点：(1)该方法完全忽略了弛豫时间对二维谱图的影响，使用很短的弛豫恢复时间D1，势必对结构复杂、氢核横向弛豫时间相差较大的样品分析造成较大误差甚至错误；(2)该方法只适用于组成简单的均聚物，且关注的碳核属于同一类型的核，关注的化学位移区间极小，对二元或多元共聚物等完全不适用。定量HSQC脉冲序列则具有灵敏度差、采样时间长的缺点，容易造成由仪器的不稳定性引起谱图变形、定量不准确等问题。

发明内容

有鉴于此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种快速定量分析聚合物链结构及组成的方法，本发明不仅能快速准确的得到聚合物的组成，而且可以用于二元或多元共聚物的检测。

本发明提供了一种快速定量分析聚合物链结构及组成的方法，包括：

1)对待测聚合物的氘代溶液进行核磁共振检测，得到semi-selective HSQC谱；

检测的采样参数为：直接维谱宽为0ppm＜SW(F2)≤20ppm；间接维谱宽为0ppm＜SW(F1)≤200ppm；TD(F2)为8192～65536；TD(F1)为8～65536；扫描次数NS为1～28次；D1为0.1～200s；

2)对步骤1)得到的semi-selective HSQC谱的谱图数据进行分析计算，得到聚合物的结构和组成。

优选的，所述待测聚合物的氘代溶液的浓度为0.5～150mg/mL。

优选的，所述待测聚合物的氘代溶液中还加入弛豫试剂。

优选的，所述弛豫试剂在所述待测聚合物的氘代溶液中的添加量为0～5mg/mL。

优选的，所述直接维谱宽SW(F2)为1～12ppm。

优选的，所述间接维谱宽SW(F2)为1～19ppm。

优选的，所述TD(F2)为16384～32768。

优选的，所述TD(F1)为32～128。

优选的，所述扫描次数NS为4～16。

优选的，所述D1为1～20s。

与现有技术相比，本发明提供了一种快速定量分析聚合物链结构及组成的方法，包括：首先，对待测聚合物的氘代溶液通过核磁共振仪进行检测，得到semi-selelctiveHSQC谱；然后对步骤1)得到的semi-selective HSQC谱的谱图数据进行计算，得到聚合物的结构和组成。其中，通过控制所述检测的脉冲序列为semi-selective HSQC脉冲序列；检测的采样参数为：直接维谱宽为0ppm＜SW(F2)≤20ppm；间接维谱宽为0ppm＜SW(F1)≤200ppm；TD(F2)为8192～65536；TD(F1)为8～65536；扫描次数NS为1～28次；D1为0.1～200s；使得本发明提供的方法能够利用最短的时间、最快的速度、极少的样品获得一张清晰的二维HSQC谱图，并通过对二维谱上相关信号的积分面积和待测样品特定的计算公式，高准确率地获得各单体在聚合物中所占比例及链结构中单体的连接方式等信息，实验结果表明，(1)本发明提供的方法得到的谱图重叠现象大幅改善，定量准确性极高；(2)在相同样品浓度条件下，保证定量准确性一致条件下，实验时间也可缩减为原定量13C NMR谱的5％-10％，效率可提高20倍左右；(3)对于需要做高温定量13C NMR谱才可以计算单体比例的样品来说，该发明可以大幅减少高温对仪器造成的损坏以及对用氮量的需求，具有较高的经济价值；(4)对样品的溶解性和核磁硬件的灵敏度要求大幅降低，可以更广泛地适用溶解性较差的样品，检测表征对象的范围大幅扩大。

附图说明

图1为乙烯/己烯共聚物的¹H NMR谱；

图2为乙烯/己烯共聚物在核磁测试中D1为20s时半定量¹³C NMR谱；

图3为乙烯/己烯共聚物在核磁测试中D1为10s时半定量¹³C NMR谱；

图4为乙烯/己烯共聚物在核磁测试中D1为60s时半定量¹³C NMR谱；

图5为乙烯/己烯共聚物的常规2DHSQC谱；

图6为实验例a)得到的乙烯/己烯共聚物的2D semi-selective HSQC谱；

图7为实验例b)得到的乙烯/己烯共聚物的2D semi-selective HSQC谱；

图8为实验例c)得到的乙烯/己烯共聚物的2D semi-selective HSQC谱。

具体实施方式

1)对待测聚合物的氘代溶液通过核磁共振仪进行检测，得到semi-selectiveHSQC谱；

2)对步骤1)得到的semi-selective HSQC谱的谱图数据进行分析计算，得到聚合物中结构和组成。

按照本发明，本发明对待测聚合物的氘代溶液通过核磁共振技术进行检测，得到semi-selective HSQC谱；其中，所述待测聚合物的氘代溶液的浓度优选为0.5～150mg/mL，更优选为5～30mg/mL；更优选的，所述待测聚合物的氘代溶液中还加入弛豫试剂，所述弛豫试剂优选为乙酰丙酮铬；所述弛豫试剂在所述待测聚合物的氘代溶液中的添加量优选为0～5mg/mL，更优选为0.1～2mg/mL；本发明对待检测的聚合物也没有特殊要求，凡20～150℃温度条件下，可溶解于氘代试剂且不与氘代试剂作用的聚合物，包括均聚物、二元或多元共聚物、聚合物的多种混合物甚至小分子的混合物都可以；此外，本发明对核磁检测的核磁共振仪并没有特殊要求，400MHZ仪器800MHZ仪器或900MHZ仪器均可。

本发明中，所述检测时的各采样参数优选结果如下：所述直接维谱宽SW(F2)优选为1～12ppm，更优选为1～5ppm。所述间接维谱宽SW(F2)优选为1～19ppm，更优选为1～10ppm。所述TD(F2)优选为32～65536，更优选为1024～4096。所述TD(F1)优选为32～256，更优选为32～64。所述扫描次数NS优选为4～16次，更优选为2～8次。所述D1优选为1～20s，更优选为5～10s。

按照本发明，本发明对步骤1)得到的semi-selective HSQC谱的谱图数据进行分析计算，得到聚合物中结构和组成，其中，本发明对得到的谱图数据进行分析计算方式并没有特殊要求，本领域技术人员可以根据实际需求选择合适的计算方式，如包括数据处理窗函数、谱图显示模式和积分面积的计算方式等。

本发明提供的快速定量分析聚合物链结构及组成的方法，包括：首先，对待测聚合物的氘代溶液通过核磁共振技术进行检测，得到semi-selectiveHSQC谱；然后对步骤1)得到的semi-selective HSQC谱进行积分计算，得到聚合物的结构和组成。其中，通过控制所述检测使用的脉冲序列为semi-selective HSQC脉冲序列；检测的采样参数为：直接维谱宽为0ppm＜SW(F2)≤20ppm；间接维谱宽为0ppm＜SW(F1)≤200ppm；TD(F2)为8192～65536；TD(F1)为8～65536；扫描次数NS为1～28次；D1为0.1～200s；使得本发明提供的方法能够利用最短的时间、最快的速度、极少的样品获得一张清晰的二维HSQC谱图，并通过对二维谱上相关信号的积分面积和待测样品特定的计算公式，高准确率地获得各单体在聚合物中所占比例及链结构中单体的连接方式等信息，实验结果表明，(1)本发明提供的方法得到的谱图重叠现象大幅改善，定量准确性极高；(2)在相同样品浓度条件下，保证定量准确性一致条件下，实验时间也可缩减为原定量13C NMR谱的5％-10％，效率可提高20倍左右；(3)对于需要做高温定量13C NMR谱才可以计算单体比例的样品来说，该发明可以大幅减少高温对仪器造成的损坏以及对用氮量的需求，具有较高的经济价值；(4)对样品的溶解性和核磁硬件的灵敏度要求大幅降低，可以更广泛地适用溶解性较差的样品，检测表征对象的范围大幅扩大。

术语解释：

HSQC：检出¹H核的异核单量子相干谱(¹H-detected Heteronuclear Single-Quantum Coherence)，一种将¹H核和与其直接相连的¹³C核关联起来的二维核磁技术。band-selective HSQC：宽带选择的HSQC技术。semi-selective HSQC：半选择性的HSQC技术。定量¹³C谱：一种检出¹³C核的一维NMR技术。通过抑制各种碳核的NOE增益和调节采样时间间隔的方法，使碳谱中信号积分面积与信号对应碳的个数成正比例关系，从而达到定量效果。¹H，¹³C-COSY：¹H核和与其直接相连的¹³C核之间的位移相关谱(¹H，¹³C-COrrelatedSpectroscopY).D1(Delay)：每次扫描采样前等待待测核恢复平衡的时间。NS(number ofscans)：扫描次数。SW：谱宽。o1p：中心化学位移。TD(F2)，TD(F1)：F2和F1维(横轴和纵轴)的自由感应衰减信号的采样点数。EHE：按乙烯-己烯-乙烯顺序排列的聚合物链段。E-乙烯，H-己烯。

下面将结合本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

1)样品的准备。称量40毫克乙烯/己烯共聚物样品于5毫米核磁管，加入0.6ML氘代四氯乙烷，加热充分溶解成均相聚合物溶液。

2)对比实验1

按照常规方法，做高温¹H NMR谱，结果见图1，图1为乙烯/己烯共聚物的¹H NMR谱，实验时间为5min；从图中可以看出，由于谱线的重叠，无法准确计算该聚合物链中乙烯和己烯所占的比例，更无法确定单体的主要连接方式和排布等。

3)按照常规方法，做高温定量¹³C NMR谱，便于与二维HSQC做对比。

为了比较恢复弛豫平衡时间对定量结果的影响，分别取D1＝20s，D1＝10s，D1＝60s，NS＝1000次，采样时间为1.75s，SW＝150ppm，o1p＝30ppm，脉冲序列为C13IG；做了三张谱图，所花费的实验时间分别为365min，183min和1034min。结果见图2～图4，其中，图2为乙烯/己烯共聚物在核磁测试中D1为20s时半定量¹³C NMR谱；图3为乙烯/己烯共聚物在核磁测试中D1为10s时半定量¹³C NMR谱；图4为乙烯/己烯共聚物在核磁测试中D1为60s时半定量¹³C NMR谱；根据文献记载，利用核磁碳谱，对所有乙烯/己烯共聚物具体的计算公式为H％＝{2I_[36-40ppm]/I_[22-34ppm]-2I_[36-40ppm]}x100％，其中I_[36-40ppm]表示谱图中36-40ppm范围内信号峰的积分面积，E％＝100％-H％，从图2计算得出H％＝5.30mol％；E％＝94.70mol％；从图3计算得出H％＝3.60mol％；E％＝96.40mol％，从图4计算得出H％＝5.40mol％；E％＝94.60mol％。

从己烯单元的甲基1B₄(13.34ppm)与亚甲基2B₄(22.45ppm)对应积分面积，可以明显得出结论：D1＝60s更符合真实的定量谱，因为甲基1B₄(13.34ppm)与亚甲基2B₄(22.45ppm)的积分面积相等，与其对应的碳原子个数成比例。若图4谱图计算得到的结论H％＝5.40mol％；E％＝94.60mol％的结论准确率均为100％，则图2所示条件下获得的H％和E％的偏差分别为+1.85％和-0.1％；图3所示条件下获得的H％和E％的偏差分别为+33.33％和-1.90％。可见扫描时间对常规定量碳谱的影响很大。D1取值越大，从谱图计算得到的关于聚合物中各单体所占摩尔比的结果则越接近真实值。节省时间、降低成本则会导致结论远远偏离真实值。

4)按照常规方法，做了一张该样品的二维HSQC谱，结果见图5，图5为乙烯/己烯共聚物的常规2D HSQC谱。采样参数如下：直接维(F2)和间接维(F1)的谱宽分别为13ppm和165ppm，TD(F2)＝2048，TD(F1)＝256，NS＝8，D1＝1.5s，实验时间为120min。从图中可以看出，总体上来说二维相关信号分辨率不太高，间接维有信号重叠的情况，完全无法对二维信号进行清晰地积分处理。

5)实验例

a)在常规HSQC谱图基础上，选择semi-selective HSQC脉冲序列，缩减间接维¹³C的谱宽为19ppm，以提高¹³C维分辨率，采样参数如下：直接维(F2)和间接维(F1)的谱宽分别为12ppm和19ppm，TD(F2)＝1024，TD(F1)＝128，NS＝16，D1＝1s，实验时间为60min。结果见图6，图6为实验例a)得到的乙烯/己烯共聚物的2D semi-selective HSQC谱，对该二维谱信号做积分，其中，图中蓝色数字为二维信号的积分面积。由于该semi-selective HSQC谱F1维区间为21-40ppm，使用碳谱相同的乙烯/己烯聚合物计算公式，即H％＝{2I_[36-40ppm]/I_[22-34ppm]-2I_[36-40ppm]}x100％，计算得出：H％＝4.23mol％；E％＝95.77mol％。相较于图4的定量碳谱，该二维谱计算所得H％和E％的偏差分别为+20.1％和-3.4％.

b)在常规HSQC谱图基础上，选择semi-selective HSQC脉冲序列，缩减间接维¹³C的谱宽为10ppm，以进一步提高¹³C维分辨率，并减少NS至8，以缩减实验时间，降低仪器的不稳定造成信号扭曲的可能性，结果见图7，图7为实验例b)得到的乙烯/己烯共聚物的2D semi-selective HSQC谱。采样参数如下：直接维(F2)和间接维(F1)的谱宽分别为12ppm和10ppm，TD(F2)＝1024，TD(F1)＝128，NS＝8，D1＝1s，实验时间为30min。对该二维谱和折叠区域信号做积分。由于该semi-selective HSQC谱F1维区间为25-35ppm，主要都为亚甲基信号，乙烯/己烯聚合物单体含量比例计算公式为H％＝{I_[28-29.5ppm]/I_[25-35ppm]-I_[28-29.5ppm]}x100％，E％＝100％-H％，得出：H％＝6.30mol％；E％＝93.70mol％。相较于图4的定量碳谱，该二维谱计算所得H％和E％的偏差分别为+16.6％和-0.95％.

c)在常规HSQC谱图基础上，选择semi-selective HSQC脉冲序列，缩减间接维¹³C的谱宽为10ppm，NS至4，延长D1＝10s.在缩减实验时间，提高效率基础上，保证定量谱的准确性。采样参数如下：直接维(F2)和间接维(F1)的谱宽分别为12ppm和10ppm，TD(F2)＝1024，TD(F1)＝128，NS＝4，D1＝10s，实验时间为90min。结果见图8，图8为实验例c)得到的乙烯/己烯共聚物的2D semi-selective HSQC谱，图中红色数字为二维信号的积分面积，蓝色数字为二维化学位移峰位。对该二维谱信号和折叠区域信号做积分，并依据上述乙烯/己烯聚合物相关公式，H％＝{I_[28-29.5ppm]/I_[25-35ppm]-I_[28-29.5ppm]}x100％，E％＝100％-H％，计算得出：H％＝5.05mol％；E％＝94.95mol％。相较于图4的定量碳谱，该二维谱计算所得H％和E％的偏差分别为+6.5％和-0.36％.

d)在选择semi-selective HSQC脉冲序列，缩减间接维¹³C的谱宽为10ppm，NS至4.为进一步缩减实验时间，提高效率基础上，保证定量谱的准确性，添加1mg乙酰丙酮铬，缩减D1。采样参数如下：直接维(F2)和间接维(F1)的谱宽分别为12ppm和10ppm，TD(F2)＝1024，TD(F1)＝128，NS＝4，D1＝5s，实验时间为45min。对该二维谱信号和折叠区域信号做积分，并依据上述乙烯/己烯聚合物相关公式，H％＝{I_[28-29.5ppm]/I_[25-35ppm]-I_[28-29.5ppm]}x100％，E％＝100％-H％，计算得出：H％＝5.25mol％；E％＝94.75mol％。相较于图4的定量碳谱，该二维谱计算所得H％和E％的偏差分别为+2.8％和-0.015％。

结论：以D1＝60s的常规定量碳谱为标准，比较该乙烯/己烯共聚物样品在不同采样条件下的2D semi-selective HSQC谱图，比较对聚合物单体组成的偏差。结果显示在一定优化条件下，保证准确率接近99.5％情况下，对相同的聚烯烃共聚物样品，semi-selective HSQC是一种可以将实验时间缩减至原传统实验时间1/23，效率提高将近22倍的全新定量表征方法。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims

1.一种快速定量分析聚合物链结构及组成的方法，包括：

检测的采样参数为：直接维谱宽为0ppm＜SW(F2)≤20ppm；间接维谱宽为0ppm＜SW(F1)≤200ppm；TD(F2)为8192～65536；TD(F1)为8192～65536；扫描次数NS为1～28次；D1为0.1～200s；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述待测聚合物的氘代溶液的浓度为0.5～150mg/mL。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述待测聚合物的氘代溶液中还加入弛豫试剂。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述弛豫试剂在所述待测聚合物的氘代溶液中的添加量为0～5mg/mL。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述直接维谱宽SW(F2)为1～12ppm。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述间接维谱宽SW(F2)为1～19ppm。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述TD(F2)为16384～32768。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述TD(F1)为32～128。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述扫描次数NS为4～16。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述D1为1～20s。