二十一世纪,为了解决由石油资源日益枯竭及其消耗导致全球变暖和大气污染等问题,科学与技术的发展已逐步转向研究、开发与利用可再生生物质资源。纤维素是地球上最丰富的生物大分子,但是它分子链上大量羟基形成很强的氢键导致纤维素难以熔融也不溶于普通溶剂,从而大大地限制其应用。近年,本实验室开发出一系列水溶剂体系,它预冷到(NaOH/尿素、LiOH/尿素、NaOH/硫脲)12℃～-5℃能够快速溶解纤维素。为了建立低温溶解大分子的新理论,以及更好的指导这种水体系低温溶解新技术进入工业化生产,需要深入了解溶剂与大分子间相互作用力以及体系形成新的氢键复合物结构等一系列基础科学问题。最近,计算化学已取得巨大发展,尤其马丁·卡普拉斯(Martin Karplus)、迈克尔·莱维特(Michael Levitt)和亚利耶·瓦谢尔(Arieh Warshel)由于对复杂化学体系设计多尺度模型作出重大贡献而获2013年度诺贝尔化学奖。这也给纤维素在溶液中的复杂结构计算提供了可能。本论文主要利用核磁共振(NMR)、动态光散射(DLS)、透射电镜(TEM)等技术表征纤维素溶液,并且研究纤维素与溶剂的相互作用以及他们构筑的包合物结构。同时用计算化学推断它们的结构并与实验结果对照。本工作的主要创新有以下几点：(1)利用水溶性大分子——甲基纤维素在常温和低温溶解于NaOH/尿素水溶剂体系进行研究,由此证明低温有利于溶剂与纤维素羟基的氢键形成和稳定；(2)通过变温核磁共振研究证明NaOH/尿素(或硫脲)水溶剂体系中NaOH水合物与纤维素产生氢键相互作用,并证实纤维素包合物的结构；(3)采用计算化学方法对纤维素与溶剂体系相互作用及包合物结构进行理论计算,并取得相-致的结果；(4)建立溶解度表征新技术,并阐明溶剂体系组成和比例纤维素溶解行为的影响,发现当改变NaOH/硫脲配比,室温下可溶解纤维素。本论文的主要研究内容和结论包括以下几个部分。首先,通过一种水溶性大分子——甲基纤维素(MC)研究不同温度下NaOH/尿素/水溶剂体系与纤维素羟基的相互作用。NMR和示差扫描量热仪(DSC)实验结果显示MC的羟基与溶剂小分子(NaOH,尿素和水)形成氢键,并具有强的相互作用。动态光散射结果证明MC/NaOH/尿素复合物在低温时稀溶液中甲基纤维素分子主要以单股链形式存在,然而在常温则多半以聚集体存在。由此表明低温有利于溶剂与MC大分子之间氢键的形成和稳定。TEM和DLS结果进一步证实低温更有利于形成MC/NaOH/尿素复合物,而且更稳定。此外,MC在NaOH/尿素溶剂体系中呈现无规线团构象,而未衍生化的纤维素则以蠕虫状刚性链存在。采用TEM和多种核磁共振技术研究纤维素/NaOH/尿素水溶剂体系的分子间氢键相互作用及其复合物的形貌。15N和23Na NMR谱图结果证明水溶液中NaOH主要以水合物形式存在,而且它的Na+与纤维素羟基和尿素作用,而OH-离子通过氢键直接与尿素的氨基作用。然而,尿素与纤维素没有直接的相互作用。结果证明,在溶液中,NaOH、尿素、水和纤维素大分子形成包合物,尿素处在包合物的最外层,阻止纤维素链的聚集。此外,23Na弛豫时间的结果证明尿素添加到NaOH纤维素水溶液中导致NaOH/尿素/水/纤维素包合物运动变慢,从而增加纤维素包合物的稳定性,促使纤维素溶解。低温主要影响Na+离子与水的作用,通过形成氢键增强Na+水合物的稳定性以及OH-与尿素的氢键相互作用。TEM结果证实纤维素包合物以伸展的蠕虫状链存在,其直径大约为3.6nm、长度约300nm,这与纤维素链的平均围长计算值相一致。上述结果为纤维素在NaOH/尿素体系中的低温溶解提供了新的解释,并证实纤维素包合物存在,进一步弄清包合物结构及其形成机理。由此本工作为建立大分子在水体系中低温溶解理论提供了充分依据。我们首次运用密度泛函理论(DFT)研究和分析对纤维素与NaOH/尿素水溶剂小分子间的微观相互作用及复合物的可能空间结构。基于实验结果,我们设计了数种NaOH/尿素水合物团簇,并通过M06-2X/6-31+G(d)方法优化得到最稳定的NaOH(H2O)7尿素团簇结构。详细的结构分析表明：NaOH上的Na+离子与尿素羰基O原子作用、而OH-离子与尿素的氨基H原子作用形成新的氢键,诱导氨基氢向OH-转移并导致C-N带有部分双键性质。同时,NaOH(H2O)7·尿素团簇中的水取代纤维素上的羟基通过M6-2X/6-31+G(d)方法优化能够得到稳定的类似结构。由此证实纤维素羟基可以与NaO/尿素水合物作用,并且Na+离子与纤维素的羟基作用要弱于Na+离子与水的作用。当NaOH/尿素水合物与纤维素葡萄糖环外的伯羟基作用时,纤维素的C6-OH构象并不发生转变。通过M062X/6-31G(d)方法进一步对纤维素与NaOH/尿素水合物形成的包合物进行计算,发现纤维素分子内氢键O3H…O5仍然存在,并且NaOH(H2O)7尿素团簇的基本结构未破坏,计算结果有力支持纤维素在溶液中呈刚性链构象。NaOH(H2O)6·尿素与葡萄糖C6位上羟基的结合能大于葡萄糖与葡萄糖以及NaOH(H2O)6·尿素与水的结合能,证明提出的包合物模型合理。根据上述结构分析,对纤维素包合物的直径进行理论估算,得到其直径为2.8nm,它与TEM以及冷冻透射电镜(cryo-TEM)的结果是可比的。由此,从理论计算模拟结构进一步证明纤维素包合物的结构。采用1H、13C和23Na NMR谱及透射电镜研究纤维素/NaOH/硫脲水溶剂体系的分子间相互作用及其复合物的形貌。结果证明,NaOH与硫脲的相互作用主要是通过NaOH的OH-离子与硫脲氨基之间的氢键作用,而Na+与硫脲的C=S基本没有作用。NaOH/硫脲体系与NaOH/尿素体系相互作用不同主要表现在尿素C=O和硫脲C=S的13C化学位移的差异。其中,Na+与尿素C=O上O原子的缔合作用导致C=O的13C化学位移向高场移动很小。然而,硫脲和硫脲/纤维二糖的13C NMR图谱表明硫脲与纤维二糖没有形成氢键,进一步说明硫脲与纤维素没有发生直接作用。尿素和硫脲添加到NaOH水溶液中都能促进纤维素溶解,主要是由于OH-水合物结构形式变化,从而影响它与纤维素羟基的结合,导致溶解纤维素能力的改善。因此,NaOH中OH-离子是溶解纤维素的关键因素。温度降低,纤维素的氢谱和碳谱都向高场移动,说明纤维素链上的原子与溶剂小分子作用增强,从而形成较稳定的包合物。此外,随着温度降低纤维素C-6的化学位移向高场移动的程度最大,说明C-6羟基与溶剂小分子的缔合作用最强,能够更有力地破坏分子间氢键。因此,低温有利于纤维素大分子与溶剂小分子形成氢键键合的包合物,导致NaOH/硫脲水溶液溶解纤维素。TEM结果直观地证明纤维素、NaOH、水和硫脲缔合形成蠕虫状包合物存在该溶液中。包合物平均直径约为17到20nm,长度为300～500nm,这与纤维素链的平均围长以及管道包合物直径计算结构是可比的。硫脲在这里主要阻止纤维素链自聚集,并维持纤维素溶液稳定性。基于大分子与溶剂间氢键作用力,我们通过改变NaOH/硫脲水溶液中硫脲的配比研究纤维素的溶解度。结果揭示：常温下纤维素也可以同NaOH和硫脲发生氢键键合作用,从而导致纤维素晶型和结构转变。X-射线衍射(XRD)结果证明,在碱溶剂体系中纤维素由纤维素Ⅰ型转变到纤维素Ⅱ型的程度与纤维素溶解有关。由此可用溶液干燥后纤维素Ⅰ和Ⅱ结晶度变化初步判定溶剂溶解纤维素的能力。同时,纤维素溶液的透光率可以简便地评估初步判断NaOH/硫脲水溶剂对纤维素溶解能力。这些实验结果证明10wt%NaOH/8wt%硫脲水溶液在10℃就可溶解纤维素,而且纤维素浓度为4%时其溶解度达到80%以上,支持了透光率表征溶解度的结果。由此揭示,当溶剂中硫脲含量增加到足以维持稳定的纤维素包合物氢键网络时,纤维素在室温下就可溶解与该溶剂中。进一步证明硫脲存在对NaOH-纤维素分子包合物键合的能力更强。由此,为纤维素新溶剂体系的完善提供了重要信息。本学位论文主要通过实验数据和理论计算相结合研究纤维素与NaOH/尿素(或硫脲)水溶剂体系,特别是低温水溶剂体系的氢键相互作用及其形成的包合物结构。在理论指导下的实验结果进一步优化了低温水溶剂体系的组成,并且进一步完善低温溶解纤维素大分子的理论。大分子低温溶解的新理论将有力地促进天然高分子的研究、开发和利用,并且符合国家可持续发展战略。因此,本工作具有创新性、重要的学术价值和应用前景。