CC BY
52
Химия растительного сырья. 2003. №4. С. 25-29
УДК 662.73:543.422.25
АНАЛИЗ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ГУМИНОПОДОБНЫХ ВЕЩЕСТВ ЛУЗГИ ПОДСОЛНЕЧНИКА, ПОДВЕРГНУТОЙ ОКИСЛИТЕЛЬНОМУ АММОНОЛИЗУ ПРИ МЕХАНОХИМИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ, МЕТОДОМ КОЛИЧЕСТВЕННОЙ СПЕКТРОСКОПИИ ЯМР 1Н И 13C
© Т.Е. Федорова1 , Д.В. Дудкин2, А.В. Рохин3, Л.А. Першина2, В.А. Бабкин1
1 Иркутский институт химии им. А.Е. Фаворского СО РАН, ул. Фаворского, 1, г. Иркутск, 664033 (Россия) e-mail: [email protected] 2Алтайский государственный университет, пр. Ленина, 61, Барнаул, 656049 (Россия) e-mail:dudkin@chemwood. dcn-asu.ru 3Иркутский государственный университет, ул. К. Маркса, 1, Иркутск, 664003 (Россия)
Методом количественной спектроскопии ЯМР 'Н и 13С изучен химический состав гуминоподобных веществ лузги подсолнечника (ГВП), подвергнутой окислительному аммонолизу при механохимическом воздействии. Установлено, что фрагментный состав фракции ГВП близок к гуминоподобным веществам технических лигнинов и гуминовым кислотам торфа, но отличается от них меньшим содержанием ароматических фрагментов и большим содержанием алкоксифрагментов.
Работа выполнена при финансовой поддержке Центра содействия интеграции высшего образования и фундаментальной науки в рамках федеральной целевой программы «Интеграция науки и высшего образования России на 2002-2006 годы»
Введение
Перспективным направлением создания новых доступных и экологически чистых удобрений и стимуляторов роста растений является разработка физиологически активных систем на базе вторичного органического сырья - многотоннажных отходов пищевой, деревоперерабатывающей промышленности и сельского хозяйства.
Одним из эффективных методов получения азотсодержащих органических удобрений из вторичного сырья является окислительный аммонолиз (ОА). Ранее нами был предложен способ получения азотсодержащих производных различных лигноуглеводных материалов (ЛУМ) (подсолнечной лузги, древесины березы и других) на основе ОА в условиях механохимического воздействия [1, 2]. Полученные продукты проявили себя как эффективные азотсодержащие органические удобрения, обладающие эффектом последействия [3, 4]. Проведенные агротехнические испытания показали, что наибольшим эффектом, оказываемым на растения в процессе вегетации, обладают продукты окисления однолетних ЛУМ.
Значительный стимулирующий эффект продуктов ОА в первый год внесения в почву нельзя объяснить только присутствием в их составе минерального азота, который в первую очередь расходуется растениями, так как его содержание в препаратах сравнительно невелико. Следовательно, положительное действие полученных удобрений может быть обусловлено органической составляющей препаратов -
* Автор, с которым следует вести переписку.
физиологически активными высокомолекулярными веществами, близкими по своему химическому составу к известным коммерческим гуминовым препаратам, образовавшимися в результате окислительных превращений лигноуглеводного комплекса лузги подсолнечника при ОА.
Целью настоящей работы явилось исследование состава и строения гуминоподобных веществ лузги подсолнечника, подвергнутой предварительному окислительному аммонолизу в условиях
механодеструкции, методом количественной спектроскопии ЯМР и 13С.
Экспериментальная часть
Объектом исследования служили гуминоподобные вещества (ГВЦ), выделенные из лузги подсолнечника, предварительно подвергнутой окислительному аммонолизу в условиях механодеструкции [2].
ГВЦ выделяли 0,1 н NaOH по методике [5].
В таблице 1 приведены данные по элементному составу и выход ГВЦ.
Спектры ЯМР 1Н в растворе ГМФА-Б18 с рабочей частотой 500,0 МГц на спектрометре VXR-500S фирмы «Varian». Спектры ЯМР 13С в 1%-ном растворе NOH регистрировали с рабочей частотой для ядер 13С - 125,1 МГц. Отнесение отдельных диапазонов химических сдвигов в спектрах ЯМР 1Н и 13С в соответствии с [6]. Результаты количественного анализа препаратов методом ЯМР :Н и 13С представлены в виде относительного содержания ^х=1х/1общ) (табл. 2).
Обсуждение результатов
Качественный анализ спектров ЯМР :Н и 13С ГВЦ показал, что состав исследуемой фракции, как и фрагментный состав гуминовых кислот (ГК) различного происхождения, представлен ароматическими и алифатическими фрагментами, а также широким набором функциональных групп - карбонильных, карбоксильных, сложноэфирных, фенольных, спиртовых и метоксильных. Основные отличия касаются количественного содержания этих структурных фрагментов в ГВЦ и ГК [6].
В таблицах 2 и 3 приведено относительное распределение атомов водорода и углерода по структурным фрагментам фракции ГВЦ соответственно.
Детальный анализ полученных количественных результатов из спектров ЯМР 13С показал, что содержание ароматических фрагментов в препарате ГВЦ (общая ароматичность - (fa), табл. 2) составляет 25%отн. Значение fa ГВЦ близко к значениям fa гуминоподобных веществ, выделенных из технических лигнинов (ЛГК), и ГК торфа - 31-38%, и значительно ниже, чем у ГК почв и углей (50-60%отн.) [6].
Таблица 1. Элементный состав (% на обеззоленное вещество) ГВЦ
Элементный состав ГВЦ
С 50,0
H 6,0
N 5,5
O 38,5
Н/С 1,44
О/С 0,58
Выход, % 1,6
Таблица 2. Цараметры фрагментного состава ГВЦ из спектров ЯМР :Н
Обозначение Содержание водорода в структурных фрагментах qx, % отн. Диапазон ХС 'Н (5), м. д. и отнесение сигналов
НС(О)ОН 0,02 14,0-12,0 ОН карбоновых кислот
НОН фен. 1,71 12,4-8,4 ОН фенолов
Нар 3,10 8,4-6,3 атомы водорода ароматического кольца
НО-ал 72,25 6,3-2,9 СН-, СНО-,СН2О-,СН3О- группы, СНО углеводов
НаДу 22,92 2,9-0,3 СН-, СН2-, СН3- группы
Таблица 3. Параметры фрагментного состава ГВП из спектров ЯМР 13С
Содержание углерода
Обозначение в структурных Диапазон химических сдвигов (ХС) 5, м.д., отнесение сигналов
фрагментах qx, % отн.
С=О 0,9 220-186 Атомы углерода карбонильных групп
СО '-'ч-/хин- 2,5 186-180 Атомы углерода хиноидных групп
С(О)ОН 10,2 185-168 Атомы углерода карбоксильных, сложноэфирных групп
С '-'неорг 1,3 168-164 Атомы углерода неорганических карбонатов, не входящих в макромолекулу ГВ
Сар-О, Сар-К 6,1 164-140 Ароматические атомы углерода, связанные с атомами кислорода
Сар.С,Н 19,2 140-103 С- и Н- замещенные ароматические атомы углерода
С1 углеводов 2,3 103-96 Аномерные атомы углерода углеводов
Са,р-О-4 2,6 93-80 Атомы углерода в а-О-4 и Р-О-4-связях «лигнинных» компонент
СНО, СНЫ 10,0 80-65 Атомы углерода -СН-О, -СН-Ы-фрагментов
СН2О 4,7 65-58 Атомы углерода -СН2-О-фрагментов
СН3О 3,9 58-54 Атомы углерода метоксильных групп
С ^-"алк 36,3 54-20 Атомы углерода алкильных фрагментов
/а 25 164-103 /а=1ар/1общ
Наличие интенсивных сигналов с химическими сдвигами (ХС) 138 и 130-128 м.д. в диапазоне сигналов ароматических атомов углерода спектра свидетельствует о том, что ГВП содержит незамещенные (неокисленные) ароматические фрагменты.
Используя данные таблицу 3 и специфику строения макромолекул лигнина травянистых растений, можно оценить содержание «лигнинной» компоненты в составе ГВП.
Присутствие лигнинных составляющих в ГВП подтверждается сигналами в диапазоне 93-80 м.д., принадлежащим атомам углерода в а-О-4- и р-О-4-связях (Са,р-О-4), а также по наличию сигнала СН3О-групп (~58 м.д.). За основу расчетов приняли относительное содержание атомов углерода в спектре ЯМР 13С, принадлежащих СН3О-группам, которое соответствует количеству атомов углерода метоксильных групп, приходящихся на одно ароматическое кольцо лигнинов травянистых растений п=1,2 [7].
Долю ароматических атомов углерода, принадлежащих лигнину (дСар), рассчитывали по формуле:
Чей3о х 6 (1)
Че =—3----------• (1)
е ч’ п
Определенное по соотношению (1) значение чСар, равное 19,5%отн., свидетельствует о том, что ароматическая часть препарата ГВП представлена в основном фрагментами лигнина.
Долю атомов углерода, принадлежащих атомам углерода в а-О-4- и р-О-4-связях (да,р-О-4), как и содержание атомов углерода метоксильных групп (дсн30), определяли непосредственно из спектров ЯМР 13С (диапазон ХС 93-80 и 58-54 м.д.; см. табл. 2).
Таким образом получали значение параметра длигнина - сумму долей атомов углерода, принадлежащих фрагментам макромолекул лигнина:
Члигнина = Чеар + ЧеИ30 + Ча,р-04 • (2)
Рассчитанное по соотношению (2) содержание лигнинной компоненты в ГВП составило 26%отн.
Соотношение ароматических и алифатических атомов углерода, рассчитанное по отношению
fa/(Салк+СНО+СН2О+СН3О), указывает на то, что в составе ГВП преобладают алифатические структурные фрагменты: их содержание в 2 раза превышает содержание ароматических фрагментов.
Анализ распределения углеродных атомов по различным типам в области ХС 103-96 м.д. (аномерные атомы углеводов) и 80-65 м.д. (СНО- и СН2О-фрагменты) спектра ЯМР 13С ГВП показывает, что препарат содержит значительное количество углеводных фрагментов. В работе [8] было показано, что в гидролизатах лузги подсолнечника содержится преимущественно ксилоза. Если принять за основу расчета относительное содержание аномерных атомов углерода углеводов в спектре ЯМР 13С (С1 углеводов табл. 3), то в пересчете на ксиланы количество углеводных фрагментов, рассчитанное по соотношению (3), в препарате ГВП составило 11,5%отн.
е = Чул • [е] • Мугл
угл 12 ’
где Сугл - содержание углеводов в препарате, %масс.; чугл - доля аномерных атомов углерода углеводов, сигналы которых находятся в области 103-94 м.д. спектра ЯМР 13С; Мугл - молекулярная масса углеводных колец (Мугл ксилозы = 150) [7].
В диапазоне алкильных атомов углерода спектра ЯМР 13С наблюдается интенсивный сигнал с ХС 29-30
м. д., который указывает на присутствие в составе ГВП алифатических цепей с длиной цепи более 7 атомов
углерода [9].
Многие свойства гуминовых кислот и гуминоподобных веществ определяются типом и количеством функциональных групп в их составе.
В таблице 4 приведены данные о содержании в препарате ГВП функциональных групп (%масс). Содержание функциональных групп определяли по формуле:
е = (4)
12
где чх - доля атомов углерода определяемой функциональной группы или фрагмента из спектра ЯМР 13С; [С] - содержание атомов углерода во фракции (% масс.); Мх - масса функциональной группы или фрагмента (а.у.е.) [7].
Содержание фенольных и карбоксильных групп определяли по формуле:
е = зЛНШх_ , (5)
1
где чх - доля атомов водорода определяемой функциональной группы или фрагмента из спектра ЯМР 1Н; [Н] - содержание атомов водорода во фракции (% масс.); Мх - масса функциональной группы или фрагмента (а.у.е.) [7].
Содержание сложноэфирных групп рассчитывали вычитанием из общего количества СОО-групп содержания карбоксильных СООН-групп, определенных из спектров ЯМР 1Н.
В работе [6] на примере гуминовых кислот, выделенных из различных природных объектов, и гуминоподобных веществ вторичного органического сырья была выявлена тесная взаимосвязь между показателями физиологической активности и соотношением количества активных функциональных групп и СалкО-фрагментов (гидрофильные фрагменты) к ароматической составляющей (гидрофобные фрагменты) в ГК:
(ее00Н + е0Н + Салк0)
-- . (6)
Соотношение гирофильных/гидрофобных частей макромолекул ГК характеризует такие их свойства, как реакционная способность, растворимость и, в конечном счете, биохимическая (физиологическая) активность.
Таблица 4. Содержание (% масс.) функциональных групп, углеводов во фракции ГВП
Функциональная группа Содержание (С, % масс.)
СО '-'у-/кет, альд. 1,05
СО '-'ч-/хин 2,92
СООН 0,05
C(0)0R 18,65
0Нфен 1,74
осн3 5,04
Доля гидрофильных фрагментов в ГВП составляет 27%отн. и близко к содержанию этих фрагментов в составе гуминовых кислот углей (~30%отн), проявивших в агротехнических испытаниях значительное стимулирующее действие на урожайность широко распространенных сельскохозяйственных культур: пшеницы, ячменя, кукурузы, гороха [6]. Внесение ГК в почву в количестве 200 г/га в пересчете на сухое вещество с посевами культур давало прирост урожая в среднем на 40-60%.
Таким образом, сравнительный анализ фрагментного состава ГВП и гуминовых кислот различного происхождения [6] показал, что по своему составу фракция ГВП наиболее близка к гуминоподобным веществам технических лигнинов и гуминовым кислотам торфа, но отличается от них меньшим содержанием ароматических фрагментов и большим содержанием алкоксифрагментов. Результаты структурных исследований фракции ГВП указывают на то, что она должна обладать достаточно высокой физиологической активностью и может вносить существенный вклад в положительное влияние препарата оксиаммонизированной лузги подсолнечника на рост и урожайность сельскохозяйственных культур.
Выводы
Методом количественной спектроскопии ЯМР 1Н и 13С изучен химический состав гуминоподобных веществ лузги подсолнечника (ГВП), подвергнутой окислительному аммонолизу при механохимическом воздействии. Установлено, что фрагментный состав фракции ГВП близок к гуминоподобным веществам технических лигнинов и гуминовым кислотам торфа, но отличается от них меньшим содержанием ароматических фрагментов и большим содержанием алкоксифрагментов.
Список литературы
1. Заявка РФ на изобретение №2002108600. Способ получения азотсодержащих производных лигноуглеводных материалов // Ефанов М.В., Галочкин А.И., Першина Л.А., Дудкин Д.В. 04.04.02
2. Ефанов М.В., Галочкин А.И., Дудкин Д.В., Шотт П.Р. и др. Азотсодержащие органические удобрения на основе древесных отходов // Журнал прикладной химии 2001. Т. 74. №10. С. 1719-1721.
3. Ефанов М.В., Галочкин А.И., Дудкин Д.В., Шотт П.Р. Аминопроизводные продукты окисления древесины // Химия природных соединений. 2001. №4. С. 332-334
4. Ефанов М.В., Галочкин А.И., Дудкин Д.В., Шотт П.Р. Азотсодержащие органические удобрения на основе подсолнечной лузги // Химия растительного сырья. 2002. №2. С. 47-52
5. Орлов Д.С. Гумусовые кислоты почв и общая теория гумификации. М., 1990. 325 с.
6. Федорова Т.Е. Количественная спектроскопия ЯМР 13С, 17О и физиологическая активность гуминовых кислот: Автореф. дис. ... канд. хим. наук. Иркутск, 2000. 24 с.
7. Калабин Г.А., Каницкая Л.В., Кушнарев Д.Ф. Количественная спектроскопия ЯМР природного органического сырья и продуктов его переработки. М., 2000. 408 с.
8. Шарков В.И. Количественный анализ растительного сырья. М., 1968. С. 54-55.
9. Kalinowsky H.O., Berger S., Braun S. Carbon-13 NMR Spectroscopy. New-York, 1988.
Поступило в редакцию 18 ноября 2003 г.
После переработки 6 февраля 2004 г.
