Лигнин (стр. 5 из 8)

Метоксильные группы (-ОСН3). В лигнине - это группы с арилалкильной простой эфирной связью. В лигнинах хвойных пород (гваяцильных лигнинах) массовая доля метоксильных групп составляет 15... 17%, в лигнинах лиственных пород (гваяцил-сирингильных) - до 20...22%. Эта массовая доля при выделении лигнина из древесины несколько уменьшается. Содержание метоксильных групп служит критерием чистоты препарата лигнина (доли нелигнинных примесей) и отсутствия в нем значительных химических изменении.

Для определения метоксильных групп используют реакцию разложения простых эфиров концентрированной иодоводородной кислотой при нагревании

Аг-ОСН3 + HI = Аг-ОН + СН3I

Выделяющийся летучий метилиодид определяю гравиметрическим, титриметрическим и хроматографическим методами.

Гидроксильные группы (-ОН). Они в лигнине не одинаковы - присутствуют фенольные и алифатические (спиртовые) гидроксильные группы в свободном состоянии, и в связанном. Общее содержание свободных гидроксильных групп составляет примерно 1,1... 1,2 группы на ФПЕ (1 10. .. 120 групп на 100 ФПЕ), что соответствует их массовой доле примерно 10...11%, (с интервалом от 10,4 до 14,6%), причем эти значения зависят не только от древесной породы, но и от методов выделения препаратов лигнина и анализа.

Для определения общего содержания гидроксильных групп используют в основном два метода - метилирование и ацетилирование. Применяют метод исчерпывающего (многократного) метилирования диметил-сульфатом в присутствии щелочи до достижения постоянного значения массовой доли метоксильных групп

R-ОН + (СН3О)2S02 + NаОН =R-ОСН3 + Nа(СН3)SО4 + H2О

Содержание гидроксильных групп рассчитывают по увеличению содержания метоксильных групп.

Ацетилирование лигнина проводят уксусным ангидридом в пиридине (пиридин служит катализатором реакции ацетилирования)

Выделившуюся уксусную кислоту оттитровывают

Фенольные гидроксилы. Каждая молекула мономерных предшественников лигнина содержит один фенольный гидроксил. Однако в лигнинах массовая доля свободных фенольных гидроксилов невелика (1...3%). Для лигнинов хвойных пород число свободных фенольных гидроксилов по разным данным может составлять до 0,2...0,3 на ФПЕ.

Остальные фенольные гидроксилы находятся в связанном состоянии, т.е. участвуют в образовании простых эфирных связей между структурными единицами лигнина и частично связей с гемицеллюлозами. Данные о числе свободных фенольных гидроксилов в лиственных лигнинах более противоречивы: от 0,10...0,15 до 0,26...0,38 группы на ФПЕ. Структурные единицы лигнина со свободными фенольными гидроксилами называют фенольными единицами, а структурные единицы со связанными фенольными гидроксилами - нефенольными единицами. Фенольные гидроксильные группы относятся к кислым гидроксильным группам, причем кислотность фенольных гидроксилов лигнина зависит от характера других заместителей в бензольном кольце.

Для определения свободных фенольных гидроксилов предложен ряд методов:

1. Метилирование диазометаном

Массовую долю фенольных гидроксильных групп рассчитывают по увеличению содержания метоксильных групп. Диазометан метилирует не только фенольные гидроксилы, но и другие кислые группы - карбоксильные и фенольные. Образующийся при метилировании карбоксильных групп сложный метиловый эфир разлагают щелочью, а затем реакционную смесь подкисляют.

2. Хемосорбционный метод, основанный на ионном обмене между кислыми группами лигнина и раствором гидроксида бария. Реакция практически необратима

Аг-ОН + 0,5Ва(ОН)2 = Аг-ОВа 0,5 + 0,5Н2О

R-СООН+ 0,5Ва(ОН)2 = R-СООВа 0,5+ 0,5H 0

Избыток гидроксида бария оттитровывают кислотой и рассчитывают суммарное содержание кислых групп (ОНфен + СООН), а затем вносят поправку на карбоксильные группы, которые определяют хемосорбционным методом с ацетатом кальция см. ниже).

В модифицированном барий-хлоридном методе проводят обработку лигнина сначала раствором гидроксида натрия, а затем - раствором хлорида бария

Избыток гидроксида натрия оттитровывают. Вследствие нерастворимости бариевых солей (фенолятов) лигнина равновесие первой реакции полностью сдвигается вправо.

3. Потенциометрическое кислотно-основное титрование. Проводят прямое по-тенциометрическое титрование лигнина основаниями в неводных растворителях (в водных растворах феноляты, как соли очень слабых кислот, гидролизуются).

4. Кондуктометрическое титрование, осуществляемое чаще всего гидроксидом лития в различных средах.

5. Окисление периодатом натрия (йодной кислотой). Предполагают, что реакция идет через промежуточный эфир йодной кислоты и полуацеталь о-хинона с последующим его деметоксилированием. В результате образуется метанол в количестве, эквивалентном свободным фенольным гидроксилам. Метанол определяют колориметрическим или газохроматографическим методами. Можно также определить спектрофотометрически образовавшиеся группировки о-хинона. Метод периодатного окисления пригоден только для гваяцильных лигнинов.

6. Ацетилирование с последующим аминолизом. Метод основан на том, что ацетаты фенольных гидроксилов быстро и количественно расщепляются под действием пирролидина по сравнению с ацетатами алифатических гидроксилов. Адетилпирролидан, образующийся при обработке ацетилированного (уксусным ангидридом в пиридине) образца лигнина пирролидином, определяют методом газовой хроматографии.

Метод используют также для определения фенольных гидроксилов в природном лигнине и остаточных лигнинах технических целлюлоз.

7.Дифференциальная УФ-спектроскопия

8. Применение 'Н-и 13С-ЯМР-спектроскопии

Следует подчеркнуть, что разные методы дают различающиеся данные для одного и того же препарата лигнина из-за неодинаковой степени ионизации фенольных гидроксилов Фенольные гидроксильные группы лигнина обладают всеми свойствами фенолов. Наибольшее практическое значение в химии лигнина имеет реакция образования фенолятов под действием щелочей, играющая важную роль при варке целлюлозы щелочными способами.

Алифатические (спиртовые) гидроксильные группы находятся в пропановых цепях. Число свободных спиртовых гидроксилов, рассчитанное по разности между общими свободными гидроксилами и свободными фенольными гидроксильными группами составляет примерно 0,8...0,9 группы на ФПЕ, т.е. почти каждая фенилпропановая структурная единица лигнина имеет свободный спиртовой гидроксил (схема1.7). В лигнине содержатся первичные спиртовые группы в -положении (1,2) и вторичные - в -положении (3,4). Вторичные спиртовые группы в -положении в природном лигнине, по-видимому, отсутствуют. Однако в препаратах лигнина, полученных в условиях ацидолиза и этанолиза могут появиться группировки кетолов с гидроксилом в -положении и кетонной группой в положении (5,6). Из спиртовых гидроксильных групп наиболее высокую реакционную способность имеют вторичные гидроксильные группы в -положении, называемые бензилспиртовыми группами, особенно в фенольных единицах (группы n-гидроксибензилового спирта). Высокая реакционная способность обусловлена влиянием бензольного кольца, благодаря чему бензилспиртовые группы легко вступают в реакции нуклео-фильного замещения. Они способны метилироваться метанолом в присутствии НСL при комнатной температуре, причем в эту реакцию вступают не только свободные гидроксилы, но и связанные, т.е. происходит переалкилирование бензилэфирных групп. Подобным образом бензилспиртовые и бензилэфирные группы взаимодействуют с этанолом, в том числе при этанолизе, и в лигнине появляются этоксильные группы. Бензилспиртовые группы участвуют во взаимодействии с тиогликолевой кислотой при получении препарата тиогликолево-кислотного лигнина. Бензилспиртовые и бензилэфирные группы ответственны за реакцию сульфирования лигнина - важнейшую реакцию при сульфитной варке целлюлозы.

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.