CC BY
13ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ, Серия А, 2000, том 42, № 6, с. 1042-1047
----- РАСТВОРЫ
УДК 541.64:543.422.25:547.992.3
НЕОДНОРОДНОСТЬ ХИМИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ МАКРОМОЛЕКУЛ ЛИГНИНА РАЗЛИЧНЫХ РАСТИТЕЛЬНЫХ ТКАНЕЙ. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОМ СПЕКТРОСКОПИИ ЯМР
НА ЯДРАХ 1Н И иС 1
© 2000 г. Л. В. Каницкая*, А. В. Рохин**, Д. Ф. Кушнарев**, Г. А. Калабин**
* Иркутский институт химии Сибирского отделения Российской академии наук 664033 Иркутск, ул. Фаворского, 1
**Иркутский государственный университет 664001 Иркутск, ул. К.Маркса, 1
Поступила в редакцию 07.07.99 г.
Принята в печать 13.09.99 г.
Методом спектроскопии ЯМР на ядрах и 13С исследована химическая структура макромолекул диоксанлигнинов, выделенных из всего стебля (ДЗС), из внутренней части стебля (ДЛВ) и из коры хлопчатника (ДЛК). Установлено, что ДЗС и ДЛВ различаются только степенью конденсированно-сти, количеством арил-арильных простых эфирных и сложноэфирных связей, тогда как химическое строение ДЛК, принципиально отличается от ДЗС и ДЛВ соотношением структурообразующих звеньев Бив, наличием большого количества пирокатехиновых структур, содержанием функциональных групп, связей и длиной боковых цепей.
Неоднородность химической структуры макромолекул лигнина различных растительных тканей древесины, клеток и даже слоев клеточной стенки в пределах одного вида растений в принципе доказана [1]. Например, известно, что в ядровой древесине лиственных пород содержится гораздо большее количество сирингильных звеньев по сравнению с соответствующей заболонной частью [2]. Исследование коры хвойных и лиственных пород показало, что лигнины коры хвойных пород являются типичными С-лигнинами с повышенным по сравнению с лигнином древесины содержанием Н-звеньев. Лигнины коры лиственных пород, будучи ОБ-лигни-нами, содержат по сравнению с древесиной больше О-звеньев [3].
Лигнин склереид из коры древесины осины имеет более низкое содержание групп ОСН3 и более высокое отношение фенольных групп ОН к ОСН3 по сравнению с лигнином древесины. Отношение ванилина к сиреневому альдегиду в продуктах нитробензольного окисления лигнина коры со-
1 Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (код проекта 97-04-96151).
сгавляет 1:3. Спектры ЯМР 'Н двух фракций лигнина коры указывают на более высокую степень его конденсации [4]. Исследование лигнинов коры японских хвойных (Pinus thunbergii, Abiesfir-ma, Griptomerica japónica) и лиственных (Fagus ere-nata, Magnolia abovata, Quercus crispula) пород методами нитробензольного окисления и этанолиза показало, что в продуктах деградации присутствуют такие же соединения, какие получают из макромолекулы лигнина древесины, но их количественное соотношение иное; в частности, в лигнине коры лиственных пород сирингильных звеньев меньше, чем гваяцильных по сравнению с лигнином соответствующей древесины [5].
Все исследования указывают на общее сходство строения макромолекул, выделенных из древесины и коры, и на незначительные различия соотношения структурных звеньев. Однако на основании результатов сравнительного исследования различных морфологических элементов древесины белого дуба (Quercus alba) выражено сомнение в отношении неоднородности состава лигнина лиственных пород [6].
Таблица 1. Распределение атомов водорода по функциональным группам и структурным фрагментам в диоксан-лигнинах, выделенных из различных частей стебля хлопчатника
Фрагменты и группы Значения qx Диапазон хим. сдвиг 'Н 8 (м. д.) и отнесение сигналов
дзе ДЛВ ДЛК
Нс(0)0н 0.004 0.000 0.001 14.0-12.0 ОН карбоксильных групп
Нс(0)н 0.006 0.005 - 9.7-9.0 Н альдегидных групп
Нон фен (1) 0.014 0.008 0.032 12.0-9.3 ОН при С-4 С, Н'
Нон фен (2) 0.013 0.003 0.038 9.3-8.4 ОН при С-4 Б'; С-З/С-4 в П; С-З/С-5 в пирогаллоле
Нар 0.229 0.164 0.161 8.4-6.3 водород ароматического кольца
Но-ал 0.642 0.751 0.647 6.3- 2.9 СН-, СНО-, СН20-, СН30-группы в а-, (5-, у-положениях к
ароматическому кольцу, СНО углеводов
На, ß, у 0.056 0.069 0.120 2.9-0.3 СН-, СН2-, СН3-группы в а-, р-, у-положениях к ароматичес-
кому кольцу
Нон ал 0.052 - - Атомы водорода спиртовых групп ОН
Известно, что всем методам анализа лигнина, основанным на химической деградации, свойствен общий недостаток: продукты деструкции образуются только из неконденсированных звеньев С<5-С3, что приводит к неточному определению содержания звеньев Н, в, Б. Часть количественной информации (например, о связях между звеньями) по большей части труднодоступна из-за длительности процедур анализа. Следовательно, сделать вывод о сходстве или различии химического строения макромолекул лигнинов, выделенных из разных частей растения, только на основании имеющихся результатов химических методов анализа невозможно. Поэтому проведен сравнительный анализ химического строения диоксан-лигнинов, выделенных из различных частей зрелого стебля хлопчатника: из всего стебля (ДЗС), из внутренней части стебля (ДЛВ) и из коры стебля (ДЛК) методом спектроскопии ЯМР 'Н и ЯМР 13С.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Диоксанлигнины выделяли по методике Пеп-пера, но с предварительным промыванием растения горячей водой. Элементный состав лигнинов (мае. %): ДЗС С 56.94; Н 6.40; ДЛВ С 56.95; Н 6.07; N 0.10; ДЛК С 56.34; Н 5.81; N 0.44.
Спектры ЯМР 'Н препаратов лигнина регистрировали на спектрометре VXR-500S фирмы "Varían" (рабочая частота 500 МГц) с релаксационной задержкой 4 с, импульс 90°. В качестве рас-
творителя использовали гексаметилфосфортриа-мид (ГМФА-<118).
Спектры ЯМР |3С препаратов лигнина с шумовой развязкой от протонов, подспектры первичных и третичных, вторичных и четвертичных атомов углерода, полученные по методу спинового эха с мультиплетной расфазировкой, регистрировали после 10000 прохождений на спектрометре VXR-500S фирмы "Varían" (рабочая частота 125.5 МГц) с релаксационной задержкой 2.5 с, импульс 90° в растворе ДМСО-с16. В качестве релаксанта использовали трис-ацетилацетонат хрома (0.02 моль/л).
Количественные расчеты по спектрам ЯМР производили согласно методике [7, 8].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
В табл. 1 и 2 представлено распределение атомов водорода по структурным фрагментам макромолекул лигнинов и количество атомов углерода структурных фрагментов и функциональных групп в расчете на одно ароматическое кольцо пх, количество звеньев и связей в макромолекулах лигнинов - в табл. 3. В табл. 4 отражено содержание функциональных групп исследуемых лигнинов в мае. %. Как видно из табл. 1 и 2, ДЛВ отличается от ДЗС меньшим количеством фенольных групп ОН, атомов углерода боковых цепей, связанных с атомом кислорода, в том числе сложноэфирных групп, спиртовых групп
Таблица 2. Количество основных функциональных групп и фрагментов пх в диоксанлигнинах, выделенных из различных частей стебля хлопчатника, рассчитанное по спектрам ЯМР 13С и ЯМР 'Н
Фрагменты Значения пх Диапазон хим. сдвигов 13С 8 (м. д.) и отнесение сигналов
и группы ДЗС ДЛВ ДЛК
с=о 0.106 0.181 0.176 220-190 С=0 кетонов
С(0)Н 0.082 0.065 0.001 210-185 С=0 альдегидов
С(0)0Н 0.052 - 0.012 185-164 С(0)0Н (ЯМР 'Н)
С(0)0- 0.365 0.078 0.207 185-164 С(0)0 сложноэфирных связей
нс=сн - 0.266 - 156-110 С фрагментов Аг-СН=СН-Я
Сар-0(1) 0.295 0.032 0.163 164-156 С-4 Н, Н'; С-2,4,6 А, А'; С-5/С-7 флаваноидов, катехинов
Сар-0(2) - 0.048 0.119 156-153 С-4 а С (а-С=0)
Сар-0 (3) 0.823 0.924 1.129 153-151 С-3,5Б; С-З/С-5 в (4-0-5)
Сар-О (4) 1.237 1.354 1.213 151-140 С-3,4 О, С и П
Сар-О (5) 0.450 0.455 0.350 138-134 С-4 Б, Б'; С-4 в (4-0-5)
Сар-С(1) 1.823 1.350 0.905 140-123 С-1 Б, Б', а С,П
Сар-С(2) 0.179 - - 119-114 С-1,3 А*
Сар-С(3) 0.105 - 0.303 114-95 С-1,3 А'*
СНар(1) 0.029 - - 132-125 С-2,6 Н, Н';
СНар(2) 0.240 0.320 0.297 125-117 С-6 в, С; С-5,6 в, С (а-С=0) С-6 П
СНар(3) 0.481 0.387 0.604 117-114 С-5 в, С; С-3,5 Н, Н'; С-2,5 П
СНар(4) 0.387 0.192 114-108 С-2 а С
СНар(5) 0.347 0.741 0.704 108-103 С-2,6 Б, Б'; С-2 в (4-0-5)
СНар(6) - 0.043 0.102 105-95 С-5 А, А
СНОадк (1) 0.674 0.649 0.353 90-78 Са в а-О-4; Ср в р-О-4
СНО^,, (2) 0.643 0.686 0.446 78-64 Са, р в р-О-4, а-О-4; Са-ОН; Ср-ОН
СНгОалк 1.082 0.622 0.271 76-58 Су в СН2-0-Я, СН2ОН
СН30' 0.086 - - 64—58 СН30- в Аг-ОСН3 в А
сн3о 1.305 1.297 0.993 56-54 СН30- в Аг-ОСН3 в Б, Б'; в, в'
СНр_р + р_5 + р_1 0.163 0.173 0.066 54-52 Ср в р-р Ср в р-5
с '—алк 0.312 0.749 1.103 45-5 СН, СН2, СН3 алифатические
/а ~ 1x11 общ 0.560 0.583 0.639 164-103 степень ароматичности лигнина
* См. работу [8].
СН2ОН, отсутствием групп СООН, а также меньшим количеством связей Сар-С, определяющих степень конденсированности макромолекулы лигнина, но несколько большим количеством связей Сар-0-Сар. Количество структурообразующих звеньев Б, О и т.д. в макромолекуле лигнина из внутренней части стебля то же, что и во всем стебле. Резонансных сигналов, относящихся к л-оксифенильным единицам в спектрах ЯМР 13С ДЛВ не обнаружено (хим. сдвиги 13С звеньев Н: 164-162, 131, 125 м. д.). Макромолекула ДЛК существенно отличается от лигнинов ДЗС и ДЛВ хлопчатника. В спектрах ЯМР 13С лигнина ДЛК в отличие от ДЗС и ДЛВ наблюдаются интенсивные резонансные сигналы в диапазоне 143-145 м. д. (рис. 1), которые могут принадлежать как атомам С-4 колец в в структурах со связями Р-1 и 5-5, так и атомам С-З/С-4 пирокатехиновых структур (П) [9, 10]. Поскольку количество связей Сар-С невелико, наиболее предпочтительным остается отнесение этих резонансных сигналов к звеньям П. На это указывает также очень большое количество фенольных групп ОН и фрагментов СНар, имеющих резонанс в области 117-114 м. д. (С-2/С-5 структур П, замещенных по положению С-1 ароматического кольца) (рис. 1).
В ДЛК хлопчатника содержится до 28 звеньев П, 35 звеньев Б, 25 звеньев О и 10 звеньев А. Звеньев Н не обнаружено. Степень конденсированности макромолекулы ДЛК намного ниже, чем ДЗС (13/Сбоо связей Сар-С), почти в 2 раза меньше арил-алкильных простых эфирных связей, но почти во столько же раз больше арил-арильных простых эфирных связей. Количество групп ОНф^. в 2-3 раза превышает таковое в ДЗС и ДЛВ.
Боковые цепи ДЛК окислены незначительно и отличаются от боковых цепей лигнина стебля небольшим количеством атомов углерода, связанных с атомом кислорода - 1.53/Сб. Количество фрагментов С^Н2-ОН составляет всего 0.27/Сб. Суммарное количество пинорезинольных и фенил-кумарановых структур в 3 раза ниже, чем в лигни-нах из стебля хлопчатника.
Такие структурные характеристики ДЛК, как наличие пирокатехиновых структур, высокое содержание групп ОНфен, наличие структур А', приводят к заключению, что в препарате лигнина из коры хлопчатника присутствуют полифеноль-ные соединения типа проантоцианидинов, хотя эти группы соединений легко растворяются в горячей воде и, таким образом, должны быть экстрагированы еще на стадии подготовки коры хлопчатника перед выделением лигнина. Присутствие флавоноидов, которые не экстрагируются
Таблица 3. Количество структурных фрагментов, связей и функциональных групп Ых в препаратах лигнинов, выделенных из различных частей стебля хлопчатника
Фрагменты, функциональные группы и связи Значения Ых Ошибка, отн. %
ДЗС ДЛВ ДЛК
Б + Б' (Б') 45(4) 46 37 10.3
О + С 41 39 25 12.0
Н + Н' + А + А' (А') 15(5) 16 10 20.0
П - - 28 20.0
£сар-о 281 281 297 10.3
2СНар 110 184 190 10.3
сар-о-с 104 125 118 14.0
С -О-С 67 65 35 20.0
С -О-С 18 30 42 20.0
С -С 211 135 ИЗ 10.3
ТС Ал-'б<ж. цепей 348 347 263 12.0
Сар-ОН 37 26 83 12.0
Су-ОН 96 62 27 12.0
-осн'з 9 - 0 6.7
-ОСН3 131 130 99 6.7
С(0)0И 37 8 21 6.7
С(0)0Н 5 - 1 6.7
с=о 11 18 18 6.7
С(0)Н 8 7 - 6.7
Таблица 4. Содержание основных функциональных групп и примесей в препаратах лигнина из различных частей стебля хлопчатника
Функциональные группы Содержание, мае. %
ДЗС ДЛВ ДЛК
с=о 1.31 2.34 2.46
С(0)Н 1.05 0.87 0.01
С(0)0Н 1.03 0.00 0.26
С(0)0- 7.09 1.58 4.55
сн3о 19.03 18.56 15.39
ОНфс, 2.94 1.13 6.91
180
(б)
(а)
100 8, м. д.
20
Рис. 1. Спектры ЯМР 13С лигнииов из коры (а) и внутренней части стебля хлопчатника (б).
горячей водой, например флавонов, флаванонов, изофлавонов и т.д., повлекло бы за собой увеличение содержания групп С=0, а их количество в ДЛК соизмеримо с таковым для ДЗС и ДЛВ. Низкое количество связей Сар-С в препарате ДЛК также не свидетельствует в пользу наличия флаво-ноидов, так как в этих соединениях на одно ароматическое кольцо приходится одна связь Сар-С. Следовательно, структурные характеристики препарата ДЛК отражают химическое строение макромолекулы лигнина коры хлопчатника.
Итак, можно заключить, что макромолекулы диоксанлигнинов, выделенные из всего стебля и из внутренней части различаются только степенью конденсированносги, количеством арил-арильных простых эфирных и сложноэфирных связей, тогда как химическое строение диоксанлигнина, выде-
ленного из коры хлопчатника, принципиально иное и отличается и по соотношению структурообразующих звеньев Б и О, и по наличию большого количества пирокатехиновых структур, короткой боковой цепью, большим количеством групп ОНфен. Кроме того, ДЛК содержит в 2 раза меньше арил-арильных простых эфирных связей и связей Сар-С. В некоторой степени структура ДЛК похожа на структуру лигнина, полученного из части растения несвязанного с камбиальным слоем, т.е. на лигнин из оболочек семян хлопчатника [11].
Подводя итог исследованиям неоднородности лигнина методом спектроскопии ЯМР на ядрах 'Н, 13С, можно с уверенностью говорить о высокой чувствительности и информативности этого метода к анализу тончайших закономерностей в изменении химической структуры макромолекул
лигнинов в зависимости от их ММ [12], метода выделения лигнина из древесной матрицы [8], стадии развития растения [11] или локализации лигнинов в различных частях растения. Можно не только констатировать структурную неоднородность макромолекул лигнина различного происхождения, но и количественно охарактеризовать различия в их структуре.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Sarkanen K.V., Hergert HL. Lignins, Occurence, Formation, Structure and Reaction. Classification and Distribution. New York: Wiley, 1971.
2. Parameswaran N., Faix О., Schweers W. // Holzforschung. 1975. В. 29. № 1. S. 1.
3. Anderson A., Erickson M., Fridt H., Miksche G.E. // Holzforschung. 1973. В. 27. S. 189.
4. Higuchi T., I to Y., Shimada M., Kawamura I. I I Cell. Chem. Technol. 1967. V. 1. № 5. P. 585.
5. Clermont L.P. //Tappi. 1970. V. 53. № 1. P. 52.
6. Obst J.R. // Holzforschung. 1982. B. 36. № 3. S. 143.
7. Рохин A.B., Каницкая JI.B., Калихман ИД., Куш-нарев Д.Ф., Бабкин В.А., Калабин Г.А. // Химия древесины. 1992. № 1. С. 76.
8. Каницкая Л.В., Рохин А.В., Кушнарев Д.Ф., Калабин ГА. // Высокомолек. соед. А. 1997. Т. 39. № 6. С. 965.
9. Chen C.L., Robert D. Methods in Enzymology. 1988. V. 161 (B). Ch. 15. P. 137.
10. Kalinowsky И.О., Berger S., Braun S. Carbon-13 NMR Spectroscopy. New York, 1988.
11. Рохин A.B., Каницкая JI.B., Кушнарев Д.Ф., Калабин Г.А., Абдуазимов X.A., Смирнова Л.С., Пула-тов Б.Х. И Химия природных соед. 1994. № 6. С. 798.
12. Каницкая Л.В., Рохин А.В., Кушнарев Д.Ф., Калабин ГА, Абдуазимов Х.А. // Высокомолек. соед. А. 1999. Т. 41. №5. С. 503.
Heterogeneous Chemical Structure of Lignins Isolated from Various Plant Tissues:
lH and 13C NMR Study
L. V. Kanitskaya*, A. V. Rokhin**, D. F. Kushnarev**, and G. A. Kalabin**
* Institute of Organic Chemistry, Siberian Division, Russian Academy of Sciences, ul. Favorskogo 1, Irkutsk, 664033 Russia
**Irkutsk State University, ul. Karla Marksa 1, Irkutsk, 664001 Russia
Abstract—The chemical structure of dioxane lignins isolated from the whole cotton plant stem (DLS), its inner part (DLIS), and the cotton plant bark (DLB) was studied by 'H and 13C NMR spectroscopy. It was demonstrated that DLS and DLIS are distinguished only by the degree of condensation and the number of aiyl-aryl ether and ester bonds. On the contrary, the chemical structure of DLB is markedly different from that of DLS and DLIS by the ratio of the structure-forming units S and G, the presence of a great amount of pyrocatechol moieties, the content of functional groups, and the length of side chains.
