CC BY
56
Химия растительного сырья. 2008. №3. С. 33-38.
Биополимеры растений
УДК 541.64:547.458.84
ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАКРОМОЛЕКУЛ ЛИГНИНОВ ИЗ СОЛОМЫ ПШЕНИЦЫ И ОВСА
© А.П. Карманов, Л.С. Кочева, М.В. Миронов, В.А. Белый, В.Ю. Беляев
Институт химии Коми научного центра Уральского отделения РАН,
ул. Первомайская, 48, 167982, Сыктывкар (Россия) E-mail: [email protected]
Исследованы гидродинамические и конформационные свойства разбавленных растворов лигнина из соломы пшеницы Triticum sp. и овса Avena sativa L. Показано, что макромолекулы лигнинов имеют линейную топологическую структуру.
Ключевые слова: лигнин, гидродинамические свойства, скейлинг, конформация, топология макромолекул. Работа выполнена при поддержке фонда РФФИ (проект №06-03-32719)
Введение
Проблема классификации лигнинов по структуре макромолекул может быть решена при условии проведения достаточно широких исследований лигнинов различного ботанического происхождения [1, 2]. Анализ гидродинамических свойств растворимых хвойных лигнинов, как малоизмененных, так и технических лиг-носульфонатов [3], свидетельствует о том, что макромолекулы гваяцильных лигнинов относятся к классу хаотически разветвленных полимеров. Ряд исследований лигнинов, выделенных из древесины лиственных пород, показывает, что они, напротив, относятся к классу регулярно разветвленных полимеров [4]. Эти исследования являются экспериментальным подтверждением новой концепции о топологии макромолекул лигнинов [5], в рамках которой допускается многовариантность конфигурации макромолекул, обусловленная различной функциональностью его мономерных предшественников, условиями полимеризации и процессами самоорганизации, формирующими топологическую структуру макромолекул. Проблема генезиса регулярных структур при случайном характере рекомбинации феноксильных радикалов различных типов остается пока малоизученной, хотя развитие синергетики указывает не только на теоретическую возможность реализации высокоорганизованных структур в хаотических системах, но и дает реальные примеры существования их в природе [6]. Одним из хрестоматийных примеров такого рода, по Пригожину, может служить формирование обычных снежинок, которые могут иметь самые разнообразные конфигурации. Следует подчеркнуть, что закономерности самоорганизации, как термодинамической, так и неравновесной динамической, носят универсальный характер в самом широком диапазоне масштабов.
Наименее изученным классом природных лигнинов является лигнин травянистых растений, причем это относится не только к химической, но и топологической структуре макромолекул. Данная работа посвящена анализу гидродинамических свойств лигнина в растворе ДМФА с целью получения информации о топологической структуре макромолекул диоксанлигнинов лигнинов, выделенных из стеблей пшеницы и овса.
Экспериментальная часть
Образцы лигнина были получены из отсортированных стеблей (без корневой части и листьев) пшеницы Triticum sp. и овса посевного Avena sativa L, заготовленных по окончании вегетационного периода (20012003 гг.) на Сысольской сортоиспытательной станции (с. Визинга, Республика Коми). Содержание лигнина: в соломе пшеницы - 20,5%, в соломе овса - 22,0%. Препараты лигнинов из соломы пшеницы (ЛПС) и овса
* Автор, с которым следует вести переписку.
(ЛОС) выделяли путем обработки в течение 2 ч водным диоксаном в присутствии HCl (0,7%) при температуре кипения. Выход ЛПС - 19%, ЛОС - 22% от лигнина (определенного по методу Комарова) в исходном сырье.
Фракционирование лигнинов проводили методом дробного осаждения в системе «диоксан-бензол». Каждую из фракций, а также нефракционированный образец исследовали с помощью методов молекулярной гидродинамики. Растворитель - ДМФА. Значения по - 0,78х 10-2П, р0 - 0,9473 г/см3. Коэффициенты диффузии D определяли известным методом с помощью аналитической ультрацентрифуги М0М-3180 из зависимости дисперсии концентрационной границы, образуемой в двухсекторной полиамидной кювете с образованием искусственной границы (высота вкладыша по ходу луча - 12 мм). Оптической системой регистрации границы раствор - растворитель является штатная оптика Фильпота-Свенсона. Угол фазоконтрастной пластинки - 30°. Частота вращения ротора - 5х103 об/мин. Температура - 298К. Дисперсию рассчитывали стандартным методом максимальной ординаты и площади по уравнению A2=0.5(S/Hmax)2n~1 =2Dt. Соответственно, значения коэффициента диффузии рассчитывали по формуле D= (S/Hmax)2 / 4nt, где S и Hmax соответственно площадь и максимальная ордината контура диффузионной кривой. Концентрация растворов ~3х10-3 г/см3. Концентрационной зависимостью коэффициентов D пренебрегали, принимая во внимание, что критерий разбавленности с[п] <<1.
Коэффициенты скоростной седиментации S были измерены на ультрацентрифуге М0М-3180 в двухсекторной полиамидной кювете с образованием искусственной границы при 48000 об/мин. Высота вкладыша-12 мм, время опыта - 50 мин, температура - 298К. Определения проводились при концентрации растворов -3х10-3 г/см3 . Влияние концентрации на значение коэффициента седиментации не учитывали, поскольку критерий Дебая с[п] <<1. Коэффициенты седиментации были рассчитаны согласно соотношению:
S = (A ln x/ At )ю-2,
где а = 2пп - угловая скорость вращения ротора (рад/с), n - частота вращения ротора центрифуги (об/мин), x — координата максимума седиментационной границы.
Вязкости растворов измеряли классическим методом в капиллярном вискозиметре Оствальда с временем истечения растворителя 52,0 сек при 298К. Концентрацию растворов изменяли в интервале от 0,02 до 0,08 г/см3, что обеспечивает соблюдение неравенств с[п]<<1, Потн >1,1. Расчет [п] проводили стандартным методом по уравнению Хаггинса с учетом поправки на плотность растворов: [п]=[п]™./р0, согласно обоснованию, приведенному в работе [5]. Относительная погрешность определения [п] составляет ~ 1%.
Обсуждение результатов
Систематическое изучение поведения макромолекул в растворах в гидродинамических экспериментах позволяет определить макромолекулярные характеристики, в том числе размеры молекул, молекулярную массу (ММ), скейлинговые коэффициенты и другие параметры, характеризующие топологическую структуру полимера. Однако существующие подходы требуют проведения экспериментов с узкими фракциями образца полимера, количество которых в данной работе составило: ЛПС - 8, а образца ЛОС - 9. Для определения молекулярной массы MSD высокомолекулярных фракций использовали уравнение Сведберга и значение коэффициента седиментации S, установленное экспериментально для исследуемой фракции лигнина:
MSd = SRT/ (1 -VP0) D0,
где (1 -vp0) - фактор плавучести Архимеда системы «полимер-растворитель». Фактор плавучести в указанном выше растворителе, определенный стандартным пикнометрическим методом, составил 0,338 для ЛПС и 0,334 для ЛОС.
При определении ММ низкомолекулярных фракций вместо соотношения Сведберга использовали другое уравнение, в которое, помимо гидродинамического инварианта Цветкова-Кленина ^40 , входят экспериментально определяемые величины характеристической вязкости [п] и коэффициента диффузии D:
Md п= Д3 ([ D]3[n])-1,
здесь [D]=nD/T,• Ao - усредненное значение параметра Цветкова-Кленина, найденное по результатам исследований высокомолекулярных фракций методом седиментационно-диффузионного анализа:
А0 = (Я[£][Б]2[п])1/3,
где [£ ] = 8ц0/(1 -~р0).
В таблице 1 представлены значения гидродинамических характеристик и молекулярных масс М£Б и МБп фракций.
Молекулярная масса МБп фракций ЛПС изменяется в интервале значений от 7,1 х 103 до 18,2х 103, а ЛОС -в пределах от 7,1х103 до 17,0х103. Установлено [7, 8], что типичная область скейлинга для малоизмененных лигнинов - это масштабный диапазон от ~3-5х 103 до 30х 103. Верхний уровень значений молекулярных масс обусловлен условиями биосинтеза лигнина в клеточных оболочках растений и закономерностями роста фракталов, поскольку как обычные, так и фрактальные деревья не растут до бесконечности. Низкомолекулярные фракции с ММ ниже ~3х103 непригодны для конформационного анализа, поскольку при уменьшении молекулярной массы до указанных значений происходит выход из области скейлинга, что обусловлено конечной величиной равновесной гибкости для реальных макромолекул. Следует отметить, что лигнины из однолетних злаков ЛПС и ЛОС сравнимы по размерам и массе макромолекул с лигнинами из древесных растений.
В рамках классической физикохимии полимеров для установления конформации макромолекул требуется в первую очередь проверка выполнимости так называемой масштабной инвариантности (или скейлинга) [9]. Если экспериментальные зависимости гидродинамических характеристик от молекулярной массы в логарифмических координатах носят линейный характер, то выполнимость принципа масштабной инвариантности считается доказанной. Взаимосвязь вязкости [п], коэффициентов диффузии Б, седиментации £ и молекулярной массы выражается степенными соотношениями типа Марка-Куна-Хаувинка (М-К-Х):
[п] = КМа, £ = КМс, Б = КБМЬ,
где а, Ь с - скейлинговые индексы М-К-Х; Кп, К£, КБ - коэффициенты.
На рисунке 1 представлены зависимости ^[п], и от lgMSD для препарата ЛПС, которые с коэффициентом корреляции не хуже 0,95 являются линейными, что позволило вычислить скейлинговые параметры (табл. 2). Аналогичный характер имеют зависимости Марка-Куна-Хаувинка для препарата ЛОС (рис. 2).
Таблица 1. Гидродинамические и фрактальные характеристики образцов ЛПС и ЛОС
Фракция, № [п], см3/г Бх107, см2/с £х1013, с МБ£х10-3 МБпх10-3 кх А0х1010, эргхК-1хмоль-1
ЛПС
1 8,0 10,6 2,55 17,9 18,2 0,94 1,76 3,1
2 7,3 11,1 2,46 16,5 17,4 1,12 1,75 3,1
3 6,4 12,7 2,31 13,6 13,3 1,15 1,74 3,2
4 6,0 13,6 2,18 12,0 11,5 1,09 1,73 3,2
5 5,2 14,9 2,05 10,3 10,5 1,16 1,72 3,2
6 4,8 16,0 8,9 1,19 1,70
7 4,2 17,6 7,6 1,22 1,69
8 3,6 18,9 7,1 1,29 1,68
9* 6,2 12,5 14,4 1,01 1,74
ЛОС
1 7,5 11,2 2,48 16,4 17,0 1,03 1,77 3,2
2 6,7 12,6 2,34 13,8 13,4 0,96 1,75 3,2
3 6,1 13,5 2,22 12,2 11,9 1,09 1,74 3,2
4 5,6 14,3 2,11 10,9 11,0 1,12 1,74 3,2
5 5,2, 15,0 2,02 10,0 10,2 1,24 1,73 3,2
6 5,0 15,9 1,96 9,1 8,9 1,27 1,72 3,2
7 4,7 16,7 8,2 1,19 1,71
8 4,4 17,9 7,1 1,06 1,70
9 3,3 19,6 7,1 1,42 1,73
10* 5,9 13,5 12,4 1,07 1,75
исходный (нефракционированный) образец
!д[п], !д(Рх107), !д(вх1013)
1.0
0.5
4.0
4.1
4.2
4.3 !дМ„
!д[п], !д(0х107), !д(вх1013)
1,2 1,0 0,8 0,6 0,4
4,2 !дМ„
3
3
Рис. 1. Зависимости коэффициентов диффузии D (1) характеристической вязкости [п] (2) и коэффициентов седиментации Б (3) от молекулярной массы MSD фракций препарата ЛПС
Рис. 2. Зависимости коэффициентов диффузии D (1) характеристической вязкости [п] (2) и коэффициентов седиментации Б (3) от молекулярной массы MSD фракций препарата ЛОС
Таблица 2. Конформационные параметры образцов ЛОС и ЛПС
Образец лигнина а с Ь Кп см3/г К, с Кв см2/с
ЛОС 0,72±0,02 0,41±0,01 -0,59±0,01 7,1 х10-3 4,5 х10-15 3,3х10-4
ЛПС 0,73 ±0,04 0,39±0,01 -0,61±0,02 6,2 х10-3 5,9 х10-15 4,4 х10-4
Значения скейлинговых параметров отвечают соотношению | Ь | =(а+1)/3=1-с, что указывает на равенство гидродинамических размеров, оцениваемых по эффектам вращательного и поступательного трения, т.е. по данным вискозиметрии и седиментационно-диффузионного эксперимента. Наиболее существенным результатом, который следует из результатов оценки скейлинговых индексов, является вывод о том, что значения параметров М-К-Х соответствуют линейным полимерам в конформации набухшего непротекаемого клубка. Необходимо обратить внимание также на последовательность этих индексов по численным значениям: а> | Ь | >с, что отражает типичную для линейных полимеров закономерность. В публикациях по изучению физико-химических свойств лигнинов чаще всего приводятся данные [3, 5, 10] по численному значению виско-зиметрического параметра а. Как правило, для хвойных лигнинов величина его находится в интервале от 0,15 до 0,30, для лиственных - от 0,5 до 0,65, а, как видно из таблицы 2, для исследуемых лигнинов ЛПС и ЛОС скейлинговый индекс а гораздо выше и равен 0,73±0,04. Диффузионный параметр | Ь | для ЛПС и ЛОС также велик и превышает значение, равное 0,5. Как известно [9], столь высокие значения данного параметра характерны для типичных гибкоцепных полимеров в термодинамически хороших растворителях при наличии эффектов исключенного объема. Таким образом, следуя логике концепции скейлинга полимерных клубков следует считать, что статистика распределения мономерных звеньев макромолекул исследуемых лигнинов в растворителе соответствует линейной цепи в конформации набухшего непротекаемого клубка.
Этот вывод подтверждается рядом других доказательств, в частности значениями параметра Цветкова-Кленина А0 [11], который представляет собой интегральную характеристику полимеров. Параметр Цветко-ва-Кленина в области скейлинга не зависит от молекулярной массы, а зависит главным образом от топологической структуры макромолекул. Согласно Будтову [12], хаотически разветвленные полимеры характеризуются более низкими значениями этого параметра, чем линейные полимеры, причем различия могут достигать 15% и более. Как видно из таблицы 1, для препаратов ЛПС и ЛОС величина данного параметра составляет 3,2х10-10 эрг К-1 моль-1/3, что полностью совпадает с литературными данными по значениям А0 для синтетических линейных полимеров с гибкими цепями. По имеющимся данным [2, 4, 5, 7, 8], наименьшее значение параметра А0 имеют лигнины лиственных пород древесины - около 2,7х10-10 эрг К-1 моль13, для хвойных лигнинов - менее 3,0х10-10 эрг К-1 моль-1/3. Эти данные вполне согласуются с ранее выдвинутыми
гипотезами о том, что лигнины древесных растений, как хвойных, так и лиственных, относятся к классу разветвленных полимеров, хотя и различных типов.
Кроме того, были определены значения так называемых коэффициентов Хаггинса, которые определяются наклоном зависимостей приведенной вязкости от концентрации (рис. 3). Эти данные представляют ценность для независимой оценки адекватности седиментационных и диффузионных данных, поскольку позволяют определить фрактальную размерность йу без привлечения скейлинговых параметров с помощью нового подхода, предложенного Г.В. Козловым с сотр. [13]. Указанный метод основан на выявленной авторами взаимосвязи между ММ, коэффициентом Хаггинса кх и массовой фрактальной размерностью йу:
= 31пМ/[1пМ + 1п(7,14кх -1) - 1п Кп - 1пкх ].
В таблице 1 представлены результаты расчетов фрактальной размерности методом Г.В. Козлова, К.Б. Темираева, В. А. Созаева (К-Т-С), из которых видно, что величины йу по фракциям практически одинаковы (1,76±0,05). Следует подчеркнуть, что постоянство величины йу наблюдается на фоне достаточно существенного изменения коэффициента Хаггинса от фракции к фракции в пределах до 30%. Анализ этих данных в рамках фрактального подхода позволяет подтвердить надежность результатов определения и Б, поскольку значение фрактальной размерности по методу К-Т-С практически совпадает со значением йу, найденным по скейлинговым параметрам (табл. 3).
Представленные выше экспериментальные данные позволяют выбрать в качестве основной гипотезы концепцию линейной структуры цепей, обоснованность которой подтверждается значениями не только гидродинамических, но и фрактальных параметров. Согласно С.Я. Френкелю с сотр. [14], линейная макромолекула в термодинамически хорошем растворителе представляет собой клубок, который характеризуется фрактальной размерностью 1,67 (5/3). Для препарата ЛОС фрактальная размерность, усредненная по данным вискозиметрии и седиментационно-диффузионного анализа (табл. 3), составляет 1,72, а для препарата ЛПС - 1,68, что полностью отвечает результатам С.Я. Френкеля.
Концепции линейной структуры применительно к лигнинам ЛПС и ЛОС не противоречит и анализ результатов в рамках теории Штокмайера-Фиксмана (рис. 4). Показано [5], что график зависимости Штокмай-ера-Фиксмана для разветвленных макромолекул имеет отрицательный наклон. Напротив, для исследуемых препаратов ЛПС и ЛОС характер указанной зависимости не отличается (рис. 4) от такового для линейных полимеров. Кроме того, числовые значения коэффициента Штокмайера-Фиксмана К0 группируются в области существенно более низких величин, нежели для древесных лигнинов. В частности, для лигнинов из древесины сосны [5] К0 варьирует в интервале от 5,6 102 до 7,7 102 см3/г, тогда как для исследуемых лигнинов: К0ЛПС= 2,9 10-2±0,04 см3/г (Я=0,95) и К0ЛОС= 3,1х10-2±0,02 см3/г (Я=0,98).
п /С
'уд.
12
10
4
Рис. 3. Зависимость приведенной вязкости г|уц/С от концентрации С для фракций ЛПС в ДМФА. Цифры у прямых соответствуют номерам фракций
[п]/М05х103
0,6-
7
8
С, %
0,5-
0,4-
100 110 120 130 М0
Рис. 4. Зависимость Штокмайера-Фиксмана для образцов ЛОС (1) и ЛПС (2)
8
6
Таблица 3. Фрактальная Су размерность образцов ЛПС и ЛОС, рассчитанная по данным диффузионно-
седиментационного (СДА), вискозиметрического (ВА) анализа и методу Козлова-Темираева-Созаева (К-Т-С)
Образец лигнина df
по данным СДА по данным ВА по методу К-Т-С
ЛОС 1,70 1,74 1,73
ЛПС 1,64 1,73 1,74
Выводы
1. В результате изучения физико-химических свойств разбавленных растворов фракций лигнина из соломы пшеницы Triticum sp. и овса Avena sativa L. определены значения молекулярных масс, характеристической вязкости, коэффициентов поступательной диффузии и скоростной седиментации, что позволило вычислить конформационные и фрактальные параметры системы лигнин-ДМФА.
2. Гидродинамические, скейлинговые и конформационные свойства лигнинов свидетельствуют о возможности отнесения указанных биополимеров к универсальному классу линейных высокомолекулярных соединений.
Список литературы
1. Фенгел Д., Вегенер Г. Древесина: Химия. Ультраструктура. Реакции. Пер. с англ. М., 1988. 512 с.
2. Карманов А.П. Концепция топологической структуры лигнина // Физикохимия лигнина: мат. II межд. конф., Архангельск. 2007. С. 7-11.
3. Афанасьев Н.И. Структура макромолекул в растворах, на границах раздела фаз и поверхностно-активные свойства лигносульфонатов: автореф. дис. ... докт. хим. наук. СПб, 1996. 41 с.
4. Карманов А.П., Беляев В.Ю., Марченко Т.А., Кочева Л.С., Монаков Ю.Б. Топологическая структура лигнина березы // Высокомол. соед. 2002. Т. 44(А). №2. С. 233-238.
5. Карманов А.П. Самоорганизация и структурная организация лигнина. Екатеринбург, 2004. 270 с.
6. Николис Г., Пригожин И. Познание сложного. М., 1990. 344 с.
7. Карманов А.П., Монаков Ю.Б. Лигнин. Структурная организация и фрактальные свойства // Успехи химии. 2003. Т. 72. №8. С. 797-819.
8. Павлов В.М., Михайлова Н.А., Беляев В.Ю., Сюткин В.Н. Молекулярные характеристики фракций лигнина молотой древесины // Журнал прикладной химии. 1995. Т. 68. №2. С. 316-319.
9. Рафиков С.Р., Будтов В.П., Монаков Ю.Б. Введение в физикохимию растворов полимеров. М., 1978. 328 с.
10. Гравитис Я.А., Столдоре И.А. Строение лигнина как полимера. I. Конформационные свойства макромолекул лигнина // Химия древесины. 1977. №2. С. 10-17.
11. Цветков В.Н. Жесткоцепные полимерные молекулы. Л., 1986. 380 с.
12. Будтов В.П. Физическая химия растворов полимеров. СПб., 1992. 384 с.
13. Козлов Г.В., Темираев К.Б., Созаев В. А. Оценка фрактальной размерности макромолекулярного клубка в разбавленном растворе по вязкостным характеристикам // Журнал физической химии. 1999. Т. 37. №4. С. 766-768.
14. Баранов В.Г., Френкель С.Я., Бресткин Ю.В. Мерность различных состояний линейной макромолекулы // Докл. АН СССР. 1986. Т. 290. №2. C. 369-372.
Поступило в редакцию 29 августа 2008 г.
