用于动态核极化的多孔和结构化材料、其制备方法和nmr分析方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及核磁共振（NMR)光谱法领域，特别涉及适于进行动态核极化（DNP)的 材料。本发明涉及并入了共价连接到结构化和多孔二氧化硅网络上的持续自由基的新材料 和使用此类材料的液态或核磁共振的方法。
【背景技术】
[0002] 核磁共振（NMR)光谱法是一种可以揭示分子结构和空间中的几何排列的信息的 化学分析方法。但是，NMR是一种本质上不敏感的分析技术，因为检测信号与两个核能级之 间非常弱的粒子数差成正比。改善灵敏度的一种方式是通过使用高磁场提高能级差，灵敏 度随磁场提高至3/2功率。但是即使在超高磁场（21T)下，其自旋磁矩在磁场方向上取向 的原子数仍然仅略大于与该磁场相对而极化（在与该磁场相反的方向上）的那些。稍为过 量的基态核仅赋予样品磁场方向上小的整体极化。其他提高NMR灵敏度的努力包括将相同 样品的许多光谱的结果加在一起，使得与随机噪声相比可以提高信号，代价是较长的分析 时间。特别可用于此目的的是傅里叶变换法（U. S. 3, 475, 680)。
[0003] 近来，动态核极化（DNP)技术已经用于提高样品的核磁极化，并由此提高NMR试验 的灵敏度。DNP可用于提高NMR信号的强度，因为NMR信号起因于能量差非常低的核自旋态 之间的跃迀，并且其由此在室温下极弱地被极化，导致弱的信号。
[0004] DNP指的是其中通过施加电子自旋跃迀的共振微波激发将电子自旋极化转移到核 自旋的所有方法，包括磁共振成像（Golman等人，PNAS 2006年7月25日，第103卷第30 期，11270-11275)。该技术依赖于利用未成对电子的存在，由于与核相比电子大得多的旋磁 比，其在磁场中比大多数核更高度极化。未成对电子由此在相同条件下比质子自旋极化高 大约660倍。DNP是由此将电子极化转移到核的方法。当微波辐射足以诱导极化剂的电磁 能级之间的跃迀时，该极化可以转移到该样品的原子核。
[0005] 目前，可以采用两种主要的方法以便通过DNP在溶液中获得高度极化的核自旋。
[0006] 欧沃豪斯诱导DNP( "0DNP"）是数十年前进行首次试验的公认技术 (Overhauser, 1953)。含有具有未成对电子的极化剂（自由基）的溶液可以通过该方法被直 接超极化。但是这种效应受限于低磁场，通常为〇. 35T (高于1T，电子-原子核偶极耦合的 调制将无法有效地通过欧沃豪斯效应用于磁化传递）。如Griffin与同事（G. J. Gerfen等 人，J. Chem. Phys. 1995, 102, 9494 和 H A. Hall 等人，Science 1997, 276, 930)已经表明的， 在更高的磁场下和特别是其中在电子和原子核之间建立标量耦合的情况下，这种通过键的 相互作用的调制可以引起欧沃豪斯效应并引起显著的NMR信号放大。ODNP通常用于探测 靠近电子自旋标记物（5至10 A )的水分子的动力学（B. D. Armstrong, S. Han, J. Am. Chem. Soc.，2009, 131，4641)。更近来，已经在高磁场下实施0DNP，使用i)穿梭DNP光谱仪，其 能够在低磁场下激发电子自旋并随后将样品穿梭至用于NMR检测的高磁场（M. Reese等 人，J. Am. Chem. 2009Soc. 131，15086 - 15087)或ii)高磁场DNP光谱仪，其同时实施微波激 发和NMR检测，并且其中样品包含在几纳升的小毛细管中（Denysenkov等人，Appl. Magn. Reson. 2008, 34289 - 299 ;C. Griesinger等人，Progress in Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy 2012,64,4 - 28)〇
[0007] J. H. Ardenkj$r-Larsen 等人开发了一种更新的方法（J. H. Ardenkjaer-Larsen 等人，PNAS, 2003, 100, 10158-10163)，其中在低温下以固态进行核自旋的极化。该样品随后 (i)采用固态NMR技术直接研宄，或（ii)快速溶解以获得其中相关分子的核自旋被强烈极 化的溶液。通过使用含有具有双峰电子态的未成对电子的极化剂实现灵敏度的提高。该极 化剂溶解在含有待分析物质的溶液中，并将该溶液在3. 35特斯拉的极化磁场中冷却至1. 5 开尔文。冷却的溶液用电子的拉莫尔频率（94GHz)下的射频辐射照射。随后样品通过加入 室温溶剂来温热，在加入溶剂后几秒内获得光谱。该照射步骤将自由基的未成对电子的高 极化转移到样品的核，并在样品温热和溶解在稀释溶剂中的通时保持超极化几秒钟。该固 态NMR试验利用在NMR光谱仪内部的原位极化。溶解试验通常在离位DNP极化仪中进行， 所述离位极化仪包括磁体、用于将样品冷却至通常接近I. 5K的温度的低温恒温器和微波 源。在通过微波辐射极化和快速溶解后，将超极化的液体样品转移到高分辨率NMR光谱仪， 在这里检测NMR信号。该NMR信号可以被放大超过10000倍。用于获得极化的自由基可以 化学中和或从溶液中滤出。这种方法大多已经用于低核（ 13C和15N),并且由于核弛豫时间 较短，使用溶解DNP的超极化质子的检测仍然存在挑战性。单一扫描法已经用于获得多维 相关光谱。
[0008] 其他作者描述了使用在固体载体上的自由基以通过DNP(超）极化溶 液与流动的流体。首先，Dorn 等人在]\4111.〇16111.3〇(3.110,2294(1988);411&1· Chem. 70, 2623-2628 (1998)中已经研宄了使用固定在聚合物珠粒和硅胶上的TEMPO通 过ODNP极化几种流动的有机溶剂。这种方法对于流动Solid-Liquid Intermolecular Transfer DNP被称为SLIT DNP。这种方法的优点在于获得不含自由基的超极化溶液。在 有利的情况下，可以获得1-2个数量级的13C(标量为主，scalar-dominated)增强（例如在 苯与几种氯代烃的混合物中，该混合物在DNP光谱仪连续地"再循环"）。但是这种方法并 非通用（即限于其中发生与自由基的瞬态耦合的情况）并需要复杂的设备。
[0009] 已经由S. Han等人（JMR，2008, 190, 307 - 315)开发了含有共价键合自由基 (TEMPO)的琼脂糖凝胶以便在室温和低磁场（0. 35T)下通过ODNP极化水溶液（停滞的或连 续流动的）。自由基在该凝胶中的迀移性足以经由欧沃豪斯效应进行有效的极化传递，并且 自由基不会释放到溶液中。但是，由于自由基被固定并且溶液在凝胶中的迀移性降低，对水 信号观察到的质子增强低于TEMPO直接溶解在样品中时获得的那些。这种方法迄今为止限 于增强水的NMR信号。
[0010] 在由Dorn等人和Hans等人开发的两种技术中，溶液在低磁场下极化，并随后运送 到高分辨率磁体中。因此，该方法是一种离位极化技术。该方法还没有证明是一种检测溶 液中低浓度底物的通用方法。
[0011] 更近来，Lafon等人在Applied Magn. Reson. 2012, 43, 237中描述了使用原位固态 DNP NMR来极化市售的含TEMPO固体载体，SiIiaCAT15 TEMPO,其是一种非结构化材料，其中 每克材料含有〇. 7毫摩尔自由基。该样品不含有任何其它组分，并且不考虑用此类材料来 极化底物或相关分析物的打算。
[0012] 其它包含TEMPO基团的非结构化材料也用作选择性氧化醇类的催化材料（US 6, 797, 773)。
【发明内容】
[0013] 在本文中，本发明的目的在于提出一种用于DNP的固相极化介质，其能够大大简 化为获得NMR数据所进行的步骤，尤其是当使用固体NMR时。固相极化介质的提议还通过 直接分离底物与极化剂而提高了获得的光谱的质量。
[0014] 本发明的另一目的是提供一种新的固相极化介质，其能够提供与常规方案相比更 大的灵敏度系数。
[0015] 本发明涉及由多孔和结构化网络组成的材料，该网络至少部分由彼此通过氧桥连 接的Si原子或Si原子与金属原子构成，其包含具有至少一个自由基并通过硅氧键共价键 合到该网络的有机分子，自由基的量为每克材料0. 50至0. 03晕摩尔自由基，例如每克材料 0. 25至0. 09、0. 25至0. 06、或0. 25至0. 03毫摩尔自由基。在本发明的材料中，采用溶胶 凝胶步骤使用有机硅烷形成该网络，该有机硅烷用于引入有机分子并允许它们有规律地分 布在该多孔结构化材料中。
[0016] 彼此通过氧桥连接的该Si原子，或该Si原子与金属原子（当它们存在时）构成 该材料的无机部分并形成无机氧化物。
[0017] 优选地，该有机分子的超过50 %经由三个硅氧键共价键合到该网络。
[0018] 根据一个优选实施方案，本发明的材料的平均孔径为35 A至500 A。
[0019] 包含至少一个自由基的有机分子位于该材料的本体（mass)中，并可以局限在：
[0020] -该材料的孔隙中，在这种情况下该网络仅由通过氧桥彼此连接的Si原子、或Si 原子与金属原子构成，或
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