基于固体核磁共振技术的固体酸结构、酸性及活性分析

固体酸是工业烃转化和生物质精炼中应用最广泛的非均相催化剂之一，了解它们的局部结构和酸性等性质有利于合理设计高效绿色固体酸催化剂，从而提高目标反应的活性和稳定性.近年来，固体核磁共振波谱在定性和定量表征固体酸的局部结构和酸性方面已显示出巨大的应用潜力，甚至可作为一种标准方法.二维固体核磁共振波谱的应用可以进一步揭示固体酸表面位点的结构对称性和不同位点的空间构效关系，从而加深对“催化剂结构-酸性-活性关系”的理解.在这篇综述中，我们总结了用于固体酸表征的固体核磁共振波谱方法和常规实验操作流程，并着重阐述了在使用和不使用探针分子的情况下，固体核磁共振波谱应用于固体酸局部结构和酸性性质研究的进展.     

固体核磁共振技术研究金属氧化物类固体酸催化剂的酸碱性

固体核磁共振技术是研究固体催化剂酸碱性的有效工具.本文主要介绍了本课题组利用固体核磁共振技术进行固体酸催化剂酸碱性研究的进展,包括吸附水分子对金属氧化物表面酸性质影响的研究,以及结合酸碱探针分子共吸附表征方法对金属氧化物表面酸碱性的研究,对固体核磁共振技术定性和定量分析固体催化剂的酸碱性提出了一些新的见解.     

固体核磁共振技术在锡硅分子筛表征中的应用

生物质等绿色资源的高效转化利用是催化科学的重要发展方向.锡硅分子筛因具有优良的催化性能而得到相关研究者的普遍关注.准确构建催化剂活性中心结构/酸性与催化反应性能之间的构效关系是新型高效催化剂设计与研发的基础.固体核磁共振（NMR）是研究分子筛活性中心局域结构、酸特性与催化反应机理的重要手段.本文简述了近年来固体NMR技术在锡硅分子筛研究领域的一系列主要进展,并进行了展望.     

五配位铝强化硅铝固体酸的固体核磁共振研究

Brønsted酸（B酸）是无定型硅铝（ASAs）表面最重要的催化活性位点.通常认为B酸位的形成只依赖于不饱和四配位铝（Al^IV）,且仅具有弱B酸性.通过合成五配位铝（Al^V）富集的ASAs能够大幅提升高铝硅比（Al/Si）时的B酸含量及强度,克服传统Al^IV富集的ASAs的酸性强化瓶颈.本文介绍了Al^V在ASAs酸性强化及合成单原子催化剂中的重要作用.通过采用多种二维固体核磁共振（SSNMR）及原位质子NMR技术,证明了Al^V能够大量富集在ASAs表面,着重介绍了两种基于Al^V的新B酸位的形成机制,并阐明了Al^V诱导单原子催化剂在ASAs表面形成的机理.     

沸石^17O固体核磁共振研究进展

沸石作为一类最重要的固体氧化物材料,是17O固体核磁共振最早研究对象之一.近年来,随着核磁共振谱仪磁体场强的不断提高,以及新脉冲序列的发展,17O固体核磁共振被越来越多地应用于沸石的结构表征,在研究骨架氧结构以及测定Brnsted酸位的O-H键长等方面都提供了非常丰富的信息.本文将介绍17O固体核磁共振的特点,回顾20年来它在沸石研究方面的发展并着重介绍近期这一方面的研究突破.     

沸石17O固体核磁共振研究进展

沸石作为一类最重要的固体氧化物材料,是¹⁷O固体核磁共振最早研究对象之一. 近年来,随着核磁共振谱仪磁体场强的不断提高,以及新脉冲序列的发展,¹⁷O固体核磁共振被越来越多地应用于沸石的结构表征,在研究骨架氧结构以及测定Brønsted酸位的O-H键长等方面都提供了非常丰富的信息. 本文将介绍¹⁷O固体核磁共振的特点,回顾20年来它在沸石研究方面的发展并着重介绍近期这一方面的研究突破.      

19F固体核磁共振技术研究膜蛋白相互作用的进展

固体核磁共振技术因其可实现细胞膜环境中的蛋白质结构研究而广受关注.¹⁹F元素由于灵敏度高、天然丰度高,无生物背景等优点,被广泛应用于生物核磁共振技术中.氟标固体核磁共振技术常被用于细胞膜中蛋白质的相互作用研究,如：抗菌肽与细胞膜的相互作用、聚合膜蛋白结构分析等.此篇综述介绍了常用的蛋白质氟标修饰的实验方法,总结了常用的¹⁹F生物固体核磁共振实验技术,以及介绍了应用¹⁹F固体核磁共振研究膜蛋白的成功案例.此外,此篇综述讨论了¹⁹F固体核磁共振技术在蛋白质研究中的局限性.     

固体酸催化剂及分子筛晶化过程的核磁共振研究

介绍了一些常规固体核磁共振的技术的发展状况, 并综述了固体核磁共振在多孔材料中的应用情况, 其中包括沸石分子筛酸性和结构表征以及目前在分子筛合成机理研究中的应用进展. 本文的主要内容是利用固体核磁共振结合其它表征技术研究了一类介孔固体酸催化材料的酸性以及两种微孔磷铝分子筛的合成晶化过程.  利用有机聚合物为模板剂合成出两种介孔复合氧化物MoO_x/ZrO₂与WOx/ZrO₂固体酸材料. 并对其进行了物理化学性质的表征. 研究发现它们在较高的焙烧温度下仍保持有较高的比表面积及规整的孔径. 利用固体核磁共振技术及DFT计算的方法发现在介孔WO_x/ZrO₂及MoO_x/ZrO₂表面存在两种类型的Br[AKo¨D]nsted酸位, 其酸强度强于传统的HZSM-5分子筛, 与典型的固体强酸硫酸锆相当, 但弱于100％的硫酸. 借助于理论计算清楚地揭示了酸性位的具体结构和酸强度信息, 且计算结果与实验结果符合得非常好. 除了弱酸性的Zr-OH基团外, 在介孔氧化锆表面存在大量的Lewis酸位（配位不饱和的Zr⁴⁺）. 在引入Mo或W物种后, Mo-OH或W-OH与不饱和的Zr⁴⁺配位产生作为Br[AKo¨D]nsted酸位的桥式Mo-OH-Zr(或W-OH-Zr)羟基, 并且导致氧化锆表面Lewis酸位的大量减少. 利用理论计算证实了单聚或多聚体形式的桥式Mo-OH-Zr(或W-OH-Zr)羟基是强Br[AKo¨D]nsted酸性位产生的根源, 同时提出了酸性位形成的机理. 利用水热晶化法合成了AlPO₄-5和MgAPO-36两种具有重要工业潜在应用价值的分子筛材料并用固体核磁共振技术结合X射线衍射、傅里叶红外、高分辨电子显微镜等技术研究了它们的详细晶化过程. 研究发现在HF存在条件下加热120 min后具有AFI类型的骨架晶化开始. 此时³¹P NMR谱中在δ -22与 δ -29处出现两个来源于骨架P-O-Al单元的信号, ¹⁹F NMR谱中在 δ -120处出现来源于骨架F-Al_pen-O-P单元的信号, 证实了晶体骨架开始形成. 另外, 凝胶中五配位Al（F-Al_pen-O-P）的出现是分子筛晶化开始的另一个标志. 利用²⁷Al→³¹P HETCOR、 ³¹P{²⁷Al} TRAPDOR及¹H→³¹P CP/MAS等双共振实验详细研究了初始凝胶相及晶化开始时凝胶相的结构, 在120 min加热凝胶中区分出具有不同化学环境的配位P原子, 提出了详细的晶化过程机理.  对于另一种具有高活性的镁取代的MgAPO-36分子筛催化材料, XRD发现在第二阶段423 K时, 加热1.5 h后骨架晶化开始. ³¹P NMR证实此时凝胶相中形成了P-O-Al及Mg-O-P骨架单元, 此后（2 h）凝胶相中出现半晶相的棒状颗粒. 并最终晶化为不规则球状的MgAPO 36晶体（18 h后）. 利用²⁷Al→³¹P HETCOR及¹H→³¹P CP/MAS分析了中间凝胶相的微观结构并利用³¹P{²⁷Al} TRAPDOR NMR技术研究骨架晶化开始时凝胶相中P(nAl) (n=1~4)的配位结构, 得出了5种具有不同配位状态的微观化学环境, 提出了详细的晶化过程机理.     

固体核磁共振技术在甲醇制烯烃反应中的应用

甲醇制烯烃过程是由非石油路线生成低碳烯烃的重要途径之一.分子筛因具备独特的孔结构和可调变的酸性质,而成为甲醇制烯烃过程的核心催化剂.固体核磁共振(NMR)是鉴定物质结构、阐释催化反应机理的强有力的工具,在甲醇制烯烃的研究中被广泛应用.本文主要总结了近年来利用原位固体NMR、多维多核NMR、脉冲梯度场NMR等固体NMR技术研究甲醇制烯烃反应机理取得的重要进展.原位固体NMR可以在真实反应条件下监测催化反应中反应物、中间体和产物的动态演变过程;多维多核NMR可以在不破坏催化剂结构情况下确定反应中间体结构信息,特别是¹²⁹Xe NMR可以很灵敏探测反应中催化剂的孔道结构变化;脉冲梯度场NMR可用于测定孔道内分子的扩散系数,阐明分子筛的扩散机制.     

高聚物微观结构的固体NMR研究

核磁共振波谱是研究高聚物结构和动力学的有效手段,特别是固体高分辨NMR实验方法的不断发展及谱仪技术的进步,使这方面的研究不断深入. 文中简述了若干固体高分辨NMR技术在固态高聚物结构研究中的应用和重要进展. 部分实验工作在Varian UNITYplus 400MHz NMR谱仪的固体单元上完成.     

Solid-state nuclear magnetic resonance investigations of the nature, property, and activity of acid sites on solid catalysts

Further progress in the field of heterogeneous catalysis depends on our knowledge of the nature and behavior of surface sites on solid catalysts and of the mechanisms of chemical reactions catalyzed by these materials. In the past decades, solid-state NMR spectroscopy has been developed to an important tool for routine characterization of solid catalysts. The present work gives a review on experimental approaches and applications of solid-state NMR spectroscopy for investigating Brønsted and Lewis sites on solid acids. Studies focusing on the generation of surface sites via post-synthesis modification routes of microporous and mesoporous materials support the development of new and the improvement of existing catalyst systems. High-temperature and flow techniques of in situ solid-state NMR spectroscopy allow a deeper insight into the mechanisms of heterogeneously catalyzed reactions and open the way for studying the activity of acidic surface sites. They help to clarify the activation of reactants on Brønsted and Lewis acid sites and improve our understanding of mechanisms affecting the selectivity of acid-catalyzed reactions.     

Solid-state NMR concepts for the investigation of supported transition metal catalysts and nanoparticles

In recent years, solid-state NMR spectroscopy has evolved into an important characterization tool for the study of solid catalysts and chemical processes on their surface. This interest is mainly triggered by the need of environmentally benign organic transformations (“green chemistry”), which has resulted in a large number of new catalytically active hybrid materials, which are organized on the meso- and nanoscale. Typical examples of these catalysts are supported homogeneous transition metal catalysts or transition metal nanoparticles (MNPs). Solid-state NMR spectroscopy is able to characterize both the structures of these materials and the chemical processes on the catalytic surface. This article presents recent trends both on the characterization of immobilized homogeneous transition metal catalysts and on the characterization of surface species on transition metal surfaces.     

Progress in correlation spectroscopy at ultra-fast magic-angle spinning: basic building blocks and complex experiments for the study of protein structure and dynamics

Recent progress in multi-dimensional solid-state NMR correlation spectroscopy at high static magnetic fields and ultra-fast magic-angle spinning is discussed. A focus of the review is on applications to protein resonance assignment and structure determination as well as on the characterization of protein dynamics in the solid state. First, the consequences of ultra-fast spinning on sensitivity and sample heating are considered. Recoupling and decoupling techniques at ultra-fast MAS are then presented, as well as more complex experiments assembled from these basic building blocks. Furthermore, we discuss new avenues in biomolecular solid-state NMR spectroscopy that become feasible in the ultra-fast spinning regime, such as sensitivity enhancement based on paramagnetic doping, and the prospect of direct proton detection.     

NMR探针分子表征分子筛酸性的理论研究

用量子化学计算的方法,采用三甲基氧膦（TMPO）、吡啶和三甲基膦（TMP）3种探针分子,研究了工业上常用的3种分子筛H-Y、H-ZSM5、H-MOR的Bronsted酸强度,讨论了这3种探针分子化学位移与Bronsted相对酸强度的相关性,揭示了各种探针分子在表征Bronsted酸性上的适用性.