цццц. В технологии переработки древесной зелени под хвойной древесной зеленью понимают хвойную лапку, то есть охвоенные побеги, таким образом, хвойная древесная зелень представляет собой смесь хвой, коры и древесины
 Скачать 2.7 Mb.
|
   Схема 1.7. Алифатические гидроксильные группы в фенольных и нефенольных гваяцилпропановых единицах Карбонильные группы ( С=О ). Они могут быть альдегидными и кетонными. Общее содержание карбонильных групп в лигнинах составляет в среднем 0,2 группы на ФПЕ (с интервалом данных от 0,15 до 0,34). Для определения карбонильных групп применяют следующие методы: 1. Оксимирование - взаимодействие лигнина с хлоридом гидроксиламиния (солянокислым гидроксиламином) Выделившуюся хлороводородную кислоту оттитровывают. Кроме оксимирования для анализа можно также использовать взаимодействие с фенилгидразином и динитрофе-нилгидразином. 2. Газометрический борогидридный метод, основанный на избирательном восстановлении карбонильных групп в спиртовые - альдегидных в первичные, а кетонных во вторичные Избыток борогидрида натрия разлагают подкислением реакционной смеси и измеряют объем выделившегося водорода 3.Дифференциальная УФ-спектроскопия 4.ИК-спектроскопия, позволяющая устанавливать в лигнине СО-группы различного типа . Карбонильные группы показаны на схеме 1.8, а. Альдегидные группы в лигнине находятся в -положении пропановых цепей в основном в виде концевых звеньев кониферилового альдегида - фенольных (7) и нефенольных (8). Группировки кониферилового альдегида ответственны за цветную реакцию с солянокислым флороглюцином. Кетонные группы находятся в - и -положениях пропановых цепей в фенольных и нефенольных единицах, соответственно (9, 10, 11, 12). Карбонильные группы, двойные связи которых находятся в сопряжении с бензольным кольцом, называются сопряженными (конъюгированными) карбонильными группами (7, 8, 9, 10) в отличие от несопряженных (неконъюгированных) карбонильных групп (11,12). Следует, однако, подчеркнуть, что если присутствие и относительное содержание сопряженных карбонильных групп разного типа можно легко установить с помощью ИК-спектроскопии и диффренциальной УФ-спектроскопии, то характер и содержание несопряженных карбонильных групп четко установить трудно. Предполагают, что несопряженные карбонильные группы представляют собой, хотя бы частично, если не исключительно, не -кетонные группы, а альдегидные группы (группы глицеринового альдегида) в структурах с вытесненными (отсоединенными) пропановыми цепями (см. главным образом 13 и 14, и в небольшом числе - 15 и 16. К карбонильным группам относят и хинонные группы, образующиеся при окислении. Двойные связи (-СН=СН- ) алкенового типа находятся в пропановых цепях в положении , числом около 0,1 на ФПЕ. Они присутствуют в лигнине, главным образом, в концевых звеньях кониферилового альдегида (7,8) и кониферилового спирта в виде фенольных и нефенольных единиц. -Двойные связи сопряжены с бензольным кольцом. Для определения двойных связей в лигнине применяют следующие методы: 1 . Взаимодействие с тетраацетатом свинца При этом происходит восстановление свинца и окисление алкеновой группировки в лигнине (аналогичное реакции гидроксилирования алкенов) с образованием группировки диацетата -гликоля. В полученном производном лигнина определяют ацетильные группы и рассчитывают содержание двойных связей. 2. Каталитическое гидрирование водородом при нормальной температуре с платиновым или палладиевым катализаторами Содержание двойных связей рассчитывают по объему израсходованного водорода (газометрический метод). 3. Дифференциальная УФ-спектроскопия. Карбоксильные группы (-СООН) в природном лигнине и в препаратах лигнина близких к природному присутствуют лишь в очень небольшом числе - до 0,05 группы на ФПЕ. В природном лигнине карбоксильные группы имеют алифатический характер и находятся в -положении пропановой цепи (1 на схеме 1.9). Не исключается в лигнине присутствие концевых звеньев феруловой кислоты (2 на схеме 1.9) Такие группировки характерны для лигнина травянистых растений, в том числе сем. злаковых, но в малых количествах они встречаются и в некоторых древесных лигнинах. Карбоксильные группы (до 80% от их общего количества) находятся в виде сложно-эфирных группировок в связи с -группами. Присутствие карбоксильных групп в лигнинах можно обнаружить с помощью ИК-спектров. Для количественного определения применяют в основном два метода: 1. Хемосорбционный метод, основанный на обменном взаимодействии лигнина с ацетатом кальция Выделившуюся уксусную кислоту отгитровывают. 2. Восстановление карбонилсодержащих групп алюмогидридом лития, который в отличие от борогидрида натрия восстанавливает все карбонильные группы, в том числе входящие в состав карбоксильных и сложноэфирных групп 2.9. Основные типы связей и димерных структур в лигнине Природный лигнин в древесине, как указывалось выше — это пространственный сетчатый полимер, а выделенные препараты лигнина являются не индивидуальными полимерами, а смесями химически неоднородных нерегулярных разветвленных гетерополимеров. Поэтому химическое строение лигнина представляют не структурными формулами, а формулами димерных структур, содержащих основные типы связей между фенилпропановыми звеньями, и предположительными схемами строения фрагментов его макромолекул или сетки. В отличие от полисахаридов для лигнина характерно многообразие связей. Все связи в лигнине подразделяют на две группы: кислород-углеродные (простые эфирные) связи С-О-С (их обозначают также С-О-С', чтобы подчеркнуть принадлежность двух атомов углерода разным структурным единицам); углерод-углеродные связи С-С (или С—С'). Лигнин отличается от регулярных биополимеров и полисахаридов древесины, у которых все мономерные звенья соединяются «голова к хвосту». В лигнине возможны все три типа соединения: «голова к хвосту» (связь пропановой цепи с бензольным кольцом другой структурной единицы), «хвост к хвосту» (связь между бензольными кольцами); «голова к голове» (связь между пропановыми цепями). Определенных закономерностей в распределении связей не существует, но преобладают связи «голова к хвосту». Различают главные типы связей, присутствующие в значительном числе, и второстепенные - малочисленные или содержащиеся в виде «следов». Ниже будут приведены различные виды связей, преимущественно главные, в димерных структурах гваяцильного типа, характерных для лигнинов хвойных пород; у лигнинов лиственных пород в образовании связей участвуют как гваяцилпропановые так и сирингилпропановые единицы. А. Простые эфирные связи. У лигнина возможны три типа простых эфирных связей: алкил—О—арил (связи алкиларилового простого эфира); арил-О-арил (связи диарилового эфира); алкил-О-алкил (связи диалкилового эфира). Результаты определения фенольных гидроксилов свидетельствуют, что из них свободны не более одной трети (в фенольных единицах), а остальные участвуют в образовании связей алкиларилового и диарилового простых эфиров. 1. Связи алкил-О-арил (схема 2.1, а). Основным видом связи в лигнине является связь алкил-О-арил -О-4 в димерных структурах типа -арилового эфира гваяцилглицерина (I). Небольшая доля связей -О-4 присутствует в структурах с вытесненными пропановыми цепями (Iа), содержащими несопряженные карбонильные группы. В лигнинах хвойной древесины связь -О- 4 содержится в 0,3...0,5 ФПЕ, а в лигнинах лиственных доля таких единиц, по-видимому, выше (до 0,6). Связь алкил-О-арил —О—4 присутствует в структурах нециклического бензилового эфира (II) примерно в 0,08 ФПЕ, а также в структурах циклического бензилового эфира совместно с углерод-углеродной связью -5 (см. ниже). В лигнинах лиственных доля структур нециклического бензилового эфира выше, чем в лигнинах хвойных. В -положении простыми эфирными или сложноэфирными связями могут быть присоединены полиозы (гемицеллюлозы и пектины) в виде структур V (см. схему 2.1, в). В качестве второстепенных допускают связи -О-4. 2. Связи арил—О—арил (см. схему 2.1, б). Структуры диариловых простых эфиров составляют сравнительно небольшую долю (около 0,04 на ФПЕ) в лигнинах хвойных, главным образом со связями 4—О-5 (III) и малом числе со связями 4-О-1 (IV). В отношении лиственных лигнинов результаты более противоречивы - доля структур от 0,01 до 0,06 на ФПЕ. 3. Связи алкил—О—алкил. Структуры со связями диалкиловых эфиров —О— и —О-присутствуют в лигнине совместно с углерод-углеродной связью (см. ниже и схему 2.1, е). Кроме того допускают существование связей —О- в комбинациях с другими связями Простые эфирные связи в лигнине, а также связи лигнина с гемицеллюлозами способны к сольволитической деструкции, в частности к гидролитической. В лигнинах в небольшом числе присутствуют сложно-эфирные связи в -положении (см. схему 2.1 , е, димер XII). Б. Углерод—углеродные связи. Как и для простых эфирных связей в лигнине возможны три типа углерод-углеродных связей: алкил-арил (алкиларилъные); арил-арил (диарильные); алкил-алкил (диалкильные). Углерод—углеродные связи устойчивы к сольволитической деструкции, чем и обусловлена невозможность получения 100%-го выхода мономерных продуктов при сольволизе лигнина (ацидолизе, этанолизе). Однако связи С—С могут расщепляться при окислении, а также при физической деструкции (термической, механической и др.). 1.Связь алкил-арил (см. схему 2.1, г). Основным видом такой связи является связь -5, которая может существовать в виде открытой структуры и закрытой (циклической), содержащей одновременно простую эфирную связь алкил—О-арил —О—4. Преобладает структура циклического бензилового эфира - фенилкумарановая структура (VI). Доля ФПЕ, содержащих одновременно связи 0-5 и -О-4, составляет примерно 0,08...0,10. Долю структурных единиц, содержащих только связи -5 в открытой структуре (VIа), оценивают ориентировочно в 0,03...0,04. Среди связей алкил-арил встречаются также и связи -1 (структура VII) в довольно ощутимом числе - до 0,07 на ФПЕ, в лигнинах хвойных и до 0,15 на ФПЕ в лигнинах лиственных (по данным Нимца). Из второстепенных связей предполагают связи -6 и -2. 2.Связи арил- арил (см. схему 2.1, д). Эти связи представлены главным образом бифенильными структурами со связью 5—5 (VIII). Однако данные различных исследователей об их числе существенно различаются: от 0,05 до 0,25 на ФПЕ для лигнина хвойных и от 0,02 и выше для лигнина лиственных. Допускают присутствие в лигнине структур со связями 5—1, 5—6, но прямых доказательств нет. Гваяцилпропановые единицы лигнина, имеющие в 5-м положении (о-положении по отношению к фенольному гидроксилу) углерод-углеродную связь (структуры VI, VIа, VIII), называют конденсированными единицами, а единицы со свободным 5-м положением — неконденсированными. В сирингилпропановых единицах в 5-м положении находится вторая метоксильная группа. Кроме того, в 5-м положении гваяцилпропановой единицы может присутствовать связь диарилового простого эфира 5-О-4. Такие единицы называют замещенными единицами. Иногда все ФПЕ с занятым 5-м положением называют конденсированными. 3. Связи алкил—алкил (см. схему 2.1, е). К ним относятся связи, присутствующие одновременно со связями С-О-С в виде следующих структур (типа лигнанов): а)структуры тетрагидрофурана со связями ( ) + ( -О- ) (IX); доля таких структур выше в лигнинах хвойных пород по сравнению с лигнинами лиственных; б)структуры лигнанов со связями ( ) + 2( ) - структуры пинорезинола (X) в лигнинах хвойных пород и сирингарезинола (Ха) в лигнинах лиственных пород, причем у последних доля таких структур выше; в)структуры изолигнанов (IХа) со связями ( ) + ( ) + ( ), т.е. эти структуры содержат дополнительную алкиларильную С—С связь. Некоторые исследователи допускают существование в лигнине структур со связями ( ) + ( ) со свободными группами, а также структур с полуоткрытым циклом (XI). В небольшом числе содержатся структуры с -лактонным циклом (XII), что свидетельствует об участии в биосинтезе наряду с коричными спиртами и коричных кислот. Возможно присутствие в лигнине структур, в которых связью соединены гваяцильная и сирингильная единицы. Количественные оценки содержания структур с углерод-углеродной связью по результатам определения разными исследователями существенно колеблются: от 0,02...0,05 (по данным Адлера и Нимца) до 0,10...0,13 на ФПЕ (по данным Фрейденберга). Следует подчеркнуть, что все вышеприведенные количественные данные по содержанию различных связей и структур в лигнине нельзя принимать за абсолютные, так как результаты анализа в значительной степени зависят от метода выделения исследуемого препарата лигнина и от самого метода анализа. Пропорции связей разного типа в природном лигнине и в анализированных препаратах ЛМР могут существенно различаться. Наличие в лигнинах определенных типов связей и димерных структур, а также их относительное содержание (частоту повторения) устанавливают двумя способами исследования: 1.Изучение продуктов различных реакций деструкции лигнина (этанолиза, ацидолиза, тиоацетолиза, гидрогенолиза, расщепления металлическим натрием в жидком аммиаке, окисления и др.) в сравнении с продуктами реакций модельных соединений - работы Адлера и его школы, Фрейденберга, Нимца, Сакакибары и других исследователей. 2.Изучение процесса биосинтеза лигнина и синтеза искусственного лигнина (дегидрополимеризата) с выделением и исследованием промежуточных продуктов — работы Фрейденберга и его школы, Терашимы и других 3.1. Лигноуглеводиый комплекс Вопрос связи лигнина с углеводами в древесине и, в частности, связи с гемицеллюлозами в лигноуглеводной матрице - один из сложных и полностью еще не решенных вопросов химии лигнина, имеющий многолетнюю историю. Первоначально, на основании результатов микроскопических наблюдений образцов древесины и остатков клеточных стенок после удаления либо углеводов, либо лигнина, полагали, что лигнин тесно связан с углеводами, но эта связь чисто механическая, и лигнин в древесинном веществе является инкрустирующим компонентом (инкрустационная теория). Однако, трудность разделения полисахаридов и лигнина привела к предположению о существовании химических связей между лигнином и углеводами. Установили, что для извлечения лигнина из клеточных стенок органическими растворителями, растворяющими выделенные препараты лигнинов, необходимо присутствие каталитических количеств сильных минеральных кислот или воздействие гидролизующих ферментов. Невозможно ни извлечь углеводы из древесины без удаления некоторого количества лигнина, ни полностью удалить лигнин без разрушения некоторой части углеводов. Препараты выделенных из древесины холоцеллюлозы и целлюлозы, а также технические целлюлозы всегда содержат большую или меньшую примесь остаточного лигнина, и, наоборот, препараты выделенных лигнинов всегда содержат примесь углеводов. В настоящее время большинство исследователей пришли к заключению о существовании химических связей лигнина с гемицеллюлозами. Небольшая часть низкомолекулярного лигнина, возможно, находится в свободном состоянии и может извлекаться подходящими растворителями в отсутствие кислотных катализаторов. Основная же часть лигнина может быть выделена только при помощи сравнительно жестких обработок, разрушающих химические связи лигнина с углеводами, но изменяющих в какой-то степени сам лигнин. Доводом в пользу существования химических связей служит также выделение лигноуглеводных комплексов (ЛУК) нейтральными растворителями после извлечения ЛМР из тонко размолотой древесины С целлюлозой лигнин, по-видимому, не связан, но вместе с гемицеллюлозами в ходе биосинтеза он может оказаться внутри ее микрофибрилл (в паракристаллической части), и тем самым затруднится отделение лигнина от целлюлозы. |