лигнин-углеводные комплексы / 1 Методы исследования лигнин полисахаридных комплексов
.docx
|
|
|
1
Методы исследования лигнин-полисахаридных
комплексов
Полисахариды – высокомолекулярные вещества (молекулярный вес от 20000 до 1000000 и выше), построенные но типу биоз и полиоз. При полном гидролизе в кислой среде они образуют монозы. [5, с. 476].
Гемицеллюлозы – это нецеллюлозные полисахариды, входящие в состав холоцеллюлозы. По химическому строению к гемицеллюлозам близки некоторые полисахариды, растворимые в воде (арабиногалактан, крахмал), также полиурониды (камеди, пектиновые вещества). Следует заметить, что термины «полиозы» и «гемицелюлозы» условны и применяются в химии древесины для определенных групп полисахаридов, тогда как в органической химии под полиозами понимают все полисахариды [1, с. 269].
Тесную ассоциацию между полисахаридной и лигнинной частями клеточной стенки называют лигнин-полисахаридным комплексом (ЛПК), или лигнин-углеводным комлпексом (ЛУК). В практическом смысле это означает, что в разнообразных фракциях, выделенных из древесины и содержащих различные количества лигнина и полисахаридов, нельзя полностью разделить на компоненты никакими способами разделения и очистки. Даже в очень чистой целлюлозе все еще содержатся небольшие количества остаточных полиоз и лигнина.
1.1 Исследования по выяснению строения лигнина
Лигнин представляет собой один из наиболее трудных для изучения природных полимеров. Его уникальный биогенез приводит к образованию полифенольных разветвленных полимеров, не имеющих регулярного чередования повторяющихся единиц в отличие от целлюлозы и белков.
Фрейденберг одним из первых предложил несколько последовательных вариантов схем строения лигнина хвойных пород. Одна из последних модификаций приведена на рисунке 1.1.
Структурная модель лигнина по Фрейденбергу (рисунок 1.1) включает 20 фенилпропановых единиц из которых две (5 и 12) п-гидроксифенилпропановые, одна (16) сирингилпропановая и остальные гваяцилпропановые. Показаны некоторые второстепенные элементы (13’ и 14’, 13” и 14”).
Рисунок 1.1 – Схема строения фрагмента хвойного лигнина по Фрейденбергу
Позднее Адлером была предложена схема строения фрагмента молекулы елового лигнина, включающая 16 фенилпропановых единиц (рисунок 1.2). Фрагмент 1 представляет собой конифериловый альдегид (спирт), который, как считают, в небольших количествах присутствует в макромолекуле и представляет собой хромофорную группу, ответственную за цветные реакции. Этот фрагмент 4-О-β-арилалкильной простой эфирной связью присоединен к п-О-фенилглицерину (2), который в свою очередь 4-О-β-арилалкильной простой эфирной связью соединен с фрагментом 6, который 5-β-арилалкильной углеродной и 4-О-α-арилалкильной простой эфирной связан с фрагментом 7. Фрагмент 6 α-О-4-алкиларильной простой эфирной связью соединен также с сирингилглицерином (3) и т. д. Обращает на себя внимание, что за исключением фрагментов 8 и 9, все фенольные гидроксилы включены в простые эфирные связи с гидроксилами α- или β-углеродных атомов пропанового звена. Другим обстоятельством, заслуживающим внимания, представляется наличие различного рода углерод-углеродных связей. В основном это 5-5’-арил-арильная углеродная связь (фрагменты 4 и 5; 8 и 9). Наряду с этим имеются связи 5-β-арил-алкильные (фрагменты 6 и 7) и β-β’- алкил-алкильные углеродные связи (фрагменты 13 и 14). В последнем случае это так называемая пинорезинольная группировка, так как наряду с углерод-углеродной имеются и две простые эфирные алкил-алкильные связи [6, с. 107].
Рисунок 2.1 – Схема строения фрагмента хвойного лигнина по Адлеру
Для получения полного представления о строении лигнина были проведены многочисленные аналитические исследования модельных соединений, синтетического лигнина (ДГП) и выделенных лигнинов [1, с. 404].
Эти исследования можно подразделить на три группы:
эксперименты деградации частично в комбинации с использованием меченых соединений, в том числе этанолиз, ацидолиз, гидрогенолиз, мягкий гидролиз, тиоацетолиз, окисление;
элементный анализ;
определение функциональных групп.
Этанолиз – гидролитическая обработка древесины или лигнина разбавленным спиртовым раствором соляной кислоты – был первым методом получения мономерных фенилпропановых кетонов (кетонов Гибберта) в результате расщепления β-ариловых простых эфирных связей. Вместе с мягким каталитическим гидрогенолизом с получением производных пропилциклогексана опыты этанолиза подтвердили фенилпропановую природу лигнина.
Ацидолиз – обработка подкисленной смесью диоксан – вода (9 : 1). При обработке древесины ели и бука тиоуксусной кислотой в присутствии BF3 с последующим щелочным гидролизом гидроксидом натрия – тиоацетолиз – получили смеси от моно- до тетрамерных продуктов деградации с высоким выходом: 91 и 71%, соответственно, для букового и елового лигнина [2, с. 113].
Определение функциональных групп, таких, как свободные алифатические и фенольные гидроксильные, бензилспиртовые и бензилэфирные, карбонильные и метоксильные, осуществляют с помощью разнообразных химических и физических методов или их комбинаций. При исследовании лигнинов в настоящее время очень широко используются спектральные методы (ультрафиолетовая и инфракрасная спектроскопия, ядерный магнитный резонанс, электронный парамагнитный резонанс). С помощью этих методов изучают структуру лигнина и происходящие в ней изменения при химической переработке растительного сырья и технических лигнинов.
1.2 Ультрафиолетовые и инфракрасные спектры
Ультрафиолетовое поглощение широко используют для идентификации лигнина, качественного и количественного определения. Поглощение лигнина в УФ-области обусловлено его ароматическим характером, т.е. суммой фенилпропановых единиц. УФ-спектры различных препаратов лигнина обычно очень похоже; на рисунке 1.2 приведены типичные спектры хвойных и лиственных лигнинов. Спектральные кривые показывают сильный максимум поглощения при длине волны около 205 нм. Затем поглощение при увеличении длины волны уменьшается, кривые имеют ярко выраженное плечо при 230 нм, минимум около 260 нм и характерный максимум около 280 нм. Дальнейшее плавное снижение в сторону видимой области сопровождается появлением плеча при 300−360 нм. Размытый характер спектра в области электронных переходов объясняется наложением полос поглощения, обусловленных разнообразными фенилпропановыми единицами [1, с. 414].
а – хвойного (I) и лиственного (II); б – елового исходного (1), гидрированного (2), восстановленного и гидрированного (3); 1’, 2’, 3’ – ∆ε-спектры ионизации образцов 1, 2, 3
Рисунок 1.3 – УФ-спектры ЛМР
Характерный максимум в области 280 нм у хвойных лигнинов наблюдается при 280−282 нм, тогда как у лиственных он несколько сдвинут в коротковолновую область (275−279 нм). Измерение поглощения при 280 нм используют при спектрофотометрическом определении лигнина в растворах.
Инфракрасные спектры различных лигнинов отражают сложный характер строения лигнина. Им присущи большое число полос поглощения, их уширение и значительное перекрывание, наличие участков сплошного поглощения из-за наложения полос. ИК-спектроскопию используют практически лишь для качественной характеристики лигнинов, а для количественной оценки предпринимались только некоторые попытки.
ИК-спектры лигнинов могут быть разделены на два основных типа: гваяцильные (для лигнинов древесины хвойных пород) и гваяцилсирингильные (для лиственных лигнинов). На рисунке 1.4 приведены примеры ИК-спектров хвойного и лиственного ЛМР. В спектре гваяцильного лигнина выделяется интенсивная полоса поглощения с максимумом при 1270 см-1, тогда как у гваяцилсирингильного – при 1325–1330 см-1. У лиственных лигнинов интенсивности полос поглощения при 1505 см-1 и 1595 см-1 примерно одинаковы, а у хвойных интенсивность полосы при 1510 см-1 значительно выше, чем полосы при 1605 см-1.
1 – хвойный лигнин; 2 – лиственный лигнин
Рисунок 1.4 – ИК-спектры препаратов лигнина
ИК-спектроскопию можно использовать для полуколичественного анализа лигнинов по изменению интенсивностей полос поглощения относительно определенной полосы поглощения, интенсивность которой слабо меняется. Такими полосами, используемыми в качестве внутреннего стандарта, могут служить полосы при 1510 или 1600 см-1, соответствующие скелетным колебаниям бензольного кольца.