CC BY
16ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ, Серия А. 1997, том 39, М 6, с, 965-971
- . СТРУКТУРА
УДК 541.64:543.422.25
ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ЛИГНИНОВ МЕТОДОМ ЯМР И ЯМР иС1
© 1997 г. Л. В. Каницкая*, А. В. Рохин**, Д. Ф. Кушнарев**, Г. А. Калабнн**
* Иркутский институт органической химии Сибирского отделения Российской академии наук
664033 Иркутск, ул. Фаворского, 1 ** Иркутский государственный университет 664001 Иркутск, ул, К. Маркса, 1
Поступила в редакцию 17.01.96 г.
Принята в печать 21.08.96 г.
Методом спектроскопии ЯМР 'Н и ЯМР 13С проведен сравнительный анализ химической структуры лигнина механического размола осины (лигнин Бъёркмана), диоксанлигнина осины и лигнина взрывного автогидролиза древесины осины. Установлено, что более жесткий способ выделения лигнина из древесины приводит к окислению боковых цепей до групп С=0, С(0)Н и С(0)0Н, разрыву арил-алкильных простых эфирных связей с образованием фенольных групп ОН, разрыву слож-ноэфирных связей, к реакциям конденсации полимерных молекул. Кроме того, происходит разрыв связей С-С боковых цепей с отрывом алифатических групп ОН. Химическая структура диоксанлигнина уже настолько изменена, что его нельзя считать близким по структуре к лигнину механического размола осины. Лигнин взрывного автогидролиза только по соотношению сирингильных, гва-яцильных и п-оксифенильных фрагментов близок к структуре лигнина Бъёркмана.
Лигнин - один из наиболее распространенных природных полимеров, являющихся потенциально ценным и возобновляемым сырьем химической промышленности. Вместе с тем современный уровень знаний о строении лигнина не сопоставим с прогрессом в области исследования структуры других биополимеров. Это связано не только с многообразием функциональных групп, фрагментов и связей между ними в биополимере, но и их лабильностью. Поэтому структура лигнина существенно зависит от способа извлечения его из растительных тканей. Для исследования превращений лигнина при различных воздействиях на древесину обычно используют так называемые мягко выделенные лигнины. К таким, в частности, относится лигнин механического размола (1] и диоксанлигнин. Считается, что диоксанлиг-нин мало изменен и в некоторой степени напоминает лигнин Бъёркмана [2]. В последние годы в технологии делигнификации предложен новый процесс - взрывной автогидролиз, при котором происходит фрагментация полимерной структуры лигнина, приводящая к мягкому и наиболее полному удалению лигнина из древесного сырья путем вымывания органическим растворителем или разбавленным раствором щелочи [3].
1 Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (код проекта 96-03-34297а).
В работе представлены результаты сравнительного исследования с помощью спектроскопии ЯМР 'Н и ЯМР 13С химической структуры лигнинов, выделенных из древесины осины различными способами: лигнин механического размола (JIMP), полученный по методу Бъёркмана, диоксанлигнин (ДЛА) и лигнин взрывного автогидролиза (ЛВА).
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
ЛМР осины получали по методу Бъёркмана {1], ДЛА осины - по методу Пеппера в токе азота [2], ЛВА - по методу, описанному в работе [3]. Результаты нитробензольного окисления ЛМР и ЛВА осины были любезно предоставлены сотрудником отдела химии древесины ИрИОХ СО РАН А.Ф. Гоготовым.
Элементный состав препаратов лигнина (%): ЛМР - С, 57.87; Н, 6.36; О, 33.64; ДЛА - С, 59.55; Н, 5.91; О, 34.54; ЛВА - С, 62.25; Н, 6.11; 0,31.6
Спектры ЯМР 'Н препаратов лигнина регистрировали на спектрометре WP-200 SY фирмы "Broker" (с рабочей частотой 200 МГц) с релаксационной задержкой 4 с, импульс 90°. В качестве растворителя использовали гексаметилфосфор-триамид (ГМФА-Ои). Этот растворитель существенно расширяет диапазон хим. сдвигов атомов водорода фенольных гидроксильных групп и одновременно сужает резонансные линии атомов
водорода, подавляя протонный обмен. Чтобы определить общее количество гидроксильных групп, к раствору лигнина в ГМФА-Ь18 добавляли несколько капель трифторуксусной кислоты (ТФУК) для увеличения скорости межмолекулярного обмена. Химический обмен обусловливает единый сигнал всех протонов гидроксильных групп и воды в растворителе в области 13-15 м.д., что позволяет оценить раздельно относительное содержание атомов водорода альдегидных, ароматических и боковых алифатических групп. Из спектров ЯМР 'Н в растворах ГМФА с добавлением ТФУК и без нее определяли относительное содержание альдегидных и гидроксилсодержа-щих групп рх
_ 'с(0)н'ар Рс(0)н - -
V /
'ар'общ
Рс^-он--7-
'общ
_ <с(р)он PCiO^H ~ 7 >
'общ
(1)
(2)
(3)
ЯхХб
пх = — или Nх =
ар
х 100,
ар
Количество атомов углерода, связанных с фе-нольными группами ОН, в расчете на одно ароматическое кольцо, а также альдегидные, кислотные карбоксильные атомы углерода, можно рассчитать, используя относительное содержание атомов водорода из спектров ЯМР 'Н и данные элементного анализа [Н] и [С]:
РД[Н]Ж6Х12 = 72х.Р,[Н]
/аР[С]
/ар[С]
(5)
Для сравнения результатов исследования препаратов лигнина методом количественной спектроскопии ЯМР с результатами химического анализа определяли содержание функциональных 1рупп, фрагментов
РЛС]МХ 12
яЛ С]МХ 12
(6)
где /сон, /с^-он. /с(ОЮН. 'ар» 'общ - интегральные интенсивности сигналов протонов альдегидных, фенольных гидроксильных, кислотных гидроксильных групп, ароматических атомов водорода и общая интегральная интенсивность в спектре
ЯМР 'Н лигнинов в ГМФА; 1'ар - интегральная интенсивность атомов водорода ароматического кольца лигнинов в растворе ГМФА с добавлением ТФУК.
Спектры ЯМР 13С 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 >^Р-200 вУ фирмы "Вгикег" (с рабочей частотой 50.3 МГц) с релаксационной задержкой 2.5 с, импульс 90° в растворе ДМСО-Об. В качестве релаксанта использовали трыс-ацетилацетонат хрома (0.02 моль/л).
Содержание отдельных структурных элементов определяли в расчете на одно (или 100) ароматическое кольцо - пх(Ых):
(4)
где цх - /»//общ - относительное содержание атомов углерода определяемого структурного элемента; /ар = /ар//общ - степень ароматичности препарата лигнина.
(тх - концентрация функциональной группы в препарате лигнина, мае. %, Мх - молекулярная масса функциональной группы).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Методики количественного определения функциональных групп, структурообразующих фрагментов и связей в препаратах лигнина на основании данных спектроскопии ЯМР и элементного состава подробно описаны в работах [4-6]. Однако ранее для регистрации спектров ЯМР 13С мы применяли только IGD-режим (Inversy Gated Decoupling) [4]. В настоящей работе использовали многоимпульсные последовательности CSE (Conventional Spin Echo) и GASPE (Gated Spin Echo), позволяющие получать подспектры первичных и третичных (СН3 + СН), вторичных и четвертичных (СН2 + С) атомов углерода без учета переноса поляризации [7]. С помощью методик с многоимпульсными экспериментами более точно определено содержание атомов углерода кетонных, альдегидных групп, олефиновых фрагментов, групп >СНО- и -СН20, пинорезинольных и фенилкума-рановых структур; уточнено также распределение атомов углерода ароматического кольца по различным типам: атомам углерода, связанным с атомами водорода (СНар) и с атомами углерода (Сар-С). Кроме того, применение этих методик выявило в спектрах всех трех препаратов лигнина резонансные сигналы четвертичных атомов углерода в диапазоне 115-100 м. д. Наличие подобных сигналов отмечалось нами в лигнинах травянистых растений [8]. Присутствие сигналов четвертичных атомов углерода ароматического кольца в этой области спектра можно объяснить наличием в макромолекуле лигнина осины структур типа acronylin (структура А) и б-ацетил-5-меток-
в структурах типа Аг-НС=СН-С(0)Н были отмечены [10].
Как видно из табл. 1, 2, в структуре ЛМР осины содержится довольно большое количество функциональных групп: С=0, С(0)Н, C(0)0R, фенольных ОН-групп. Качественный и количественный анализ спектра ЯМР ,3С показывает, что большинство сопряженных с ароматическим кольцом групп аС=0 (кетонных и, возможно, сложноэфирных) находятся при S-кольцах. На это указывают интенсивные сигналы атомов углерода при 105-106 м. д. (С 2, С 6 в S, табл. 2) и невысокой интенсивности - в диапазонах 123-124 и 112-113 м. д. (С 5, С 2 в G, с аС=0 соответственно) [9-11]. Судя по количеству атомов С 2 и С 6 в S-фрагментах с аС=0, таких колец в макромолекуле ЛМР не более 14-15 на 100 ароматических колец. Если предположить, что все эти кольца имеют в а-положении группы C(0)0R, а не группы С=0, то остальные 57 групп C(0)0R не сопряжены с кольцом и могут находиться как в 0-, так и в у-положении по отношению к кольцу. Наличие сложноэфирных групп в лигнинах (особенно
Таблица 1. Распределение атомов водорода по функциональным группам и структурным фрагментам лигнинов по спектрам ЯМР 'Н
Фрагменты и группы Рх - IJIqöw, Диапазон хим. сдвигов 5 (м. д) и отнесение сигналов [4-6]
ЛМР ДЛА ЛВА
Нс(0)0н 0.001 0.002 0.006 14.0-12.0 ОН карбоксильных групп
Нс(0)н 0.002 0.006 0.012 9.7-9.0 Н альдегидных групп
Нонфе. 0.012 0.022 0.016 12.4-9.3 ОН при С 4 С, Н'
Нонфс„ 0.003 0.014 0.026 9.3-8.4 ОН при С 4 Б', С*
Нар 0.136 0.135 0.155 8.4-6.3 атомы водорода ароматического кольца
Н(>-алк 0.716 0.590 0.338 6.3-2.9 СН, СНО, СН20, СН30 в а, Р, у-положениях к аро-
матическому кольцу и атомы водорода углеводов
Hq, р, у 0.131 0.263 0.449 2.9-0.3 СН, СН2, СНз в а, Р, у-положениях к ароматичес-
кому кольцу
* Атомы водорода гидроксильных групп при углероде С 4 в структурах со связями 5-5.
ОСН3
cY-Cp-ca^Q4)-o-R(H) s(S')
\о~5 /
ОСН3
Су-Ср-Ся-^4>-о-К(Н) G(G')
ОСН3
CY-Cp-Ca-<Q^-0-R(H) Н(Н')
çh 7 гиирокви-3,2-диметилхромана (структура А')
Г91
НО
ОСШ
СН,
В подспектрах групп СН + СН3 лигнинов осины имеются резонансные сигналы групп ОСН3 с хим. сдвигом 60-62 м.д. Подобные сигналы наблюдались и ранее при регистрации подспектров препаратов лигнина различных пород древесины методом ЯМР 13С DEPT (Distortionless Enhancement by Polarisation Transfer) [10]. Однако на их присутствие в спектре внимание не обращалось, ввиду малой интенсивности полос, хотя сигналы еще меньшей интенсивности СНа олефиновых фрагментов
в лигнинах древесины лиственных пород) неоднократно отмечалось в литературе [11-13].
Косвенным подтверждением присутствия большого количества сложноэфирных групп в лигнинах лиственных пород древесины (например, березы) может служить ее усредненная структурная формула, рассчитанная, исходя из элементного состава и данных функционального анализа [14]:
^34Н7.04О2.<п(ОНфеи)0.21(ОНалк) [.(^(ОсокззСОСНз) (50
Учитывая, что в лигнине березы количество (»язей Сар-0-С составляет 0.74/ФПЕ (фенилпро-пановая единица) [15], можно определить, что не-идентифицированных атомов кислорода остается еще 1.33/ФПЕ, причем известно [14], что группы
С(0)0Н в JIMP березы отсутствуют. Следовательно, остается предположить либо наличие -0.7 С(0)(Ж/ФПЕ, либо 1.33 простих ^фириык связей Салк-0-Сал1, на одну среднюю структурную единицу JIMP березы [15].
При анализе ЯМР 13С-спектров JIMP осины обращает на себя внимание большое количество атомов углерода в боковых цепях, связанных с атомами кислорода (табл. 2, сигналы в области 60-90 м. д.). Причем довольно большая часть этих групп может находиться в фрагментах CHj-O-CHj и С(0)0-СН2 боковых цепей (хим. сдвиг ,3С 71-72 м.д.) [16]. Таким образом, можно предположить, что часть сложноэфирных групп в макромолекуле ЛМР осины связывает боковые цепи между собой.
Таблица 2. Количество функциональных групп и фрагментов пх, приходящееся на одно ароматическое кольцо в лигнинах древесины осины из спектров ЯМР С
Фрагменты Величина пх Диапазон хим. сдвигов 5 (м. д.)
и группы ЛМР ДЛА ЛВА и отнесение сигналов [4-6]
с=о 0.061 0.149 0.286 220-190 С=0 кетонов
С(0)Н 0.031 0.103 0.142 210-185 С=0 альдегидов
С(0)0Н 0.034 0.074 0.155 185-164 С(0)0Н (из спектров ПМР)
С(0)0- 0.686 0.260 0.244 185-164 С(0)0 сложноэфирных связей
сн=сн 0.203 0.084 0.222 156-120 С=С связей типа Аг-СН=СН-Я
С„р-0(1) Сар-0 (2) сар-о(3) Сар-0 (4) 0.173 0.241 0.092 164-156 С 4 Н, Н1
1.066 0.884 0.530 156-150 С 3/С 5 Б; С 4 в, С, С*
0.865 0.892 1.509 150-140 С 3/С 4 О, С
0.580 0.620 0.560 134-138 С 4 в, в' (из спектров ПМР)
Сар-С(1) Сар-С(2) 0.826 1.018 1.223 140-123 С 1 в, Б'; С 1 в, С
0.217 0.179 0.182 123-119 С 1 Н, Н'
Сар-С(3) Сар-С(4) 0.073 0.048 0.107 119-114 С 1/СЗ А
0.105 0.121 0.163 114-95 С 1/С 3 А'
СНар(1) СНар(2) СНар(3) 0.162 0.117 0.212 132-125 С 2/С 6 Н, Н'
0.309 0.220 0.138 125-117 С 6 С, С; С 5/С 6 в. О' с аС=0
0.378 0.218 0.217 117-114 С 5 в, С; С 3/С 5 Н, Н'
СНар(4) 0.274 0.266 0.255 114-108 С 2 а С
СНар(5) СНар(6) 0.296 0.387 0.318 108-105 С 2/С 6 Б, Б' (с аС=Ю)
0.673 0.653 0.446 105-102 С 2/С 6 Б, Б'
СНар(7) - 0.073 0.048 105-95 С 5 структур А, А'
CHOMK 1.869 0.998 0.644 90-64 Са>р в р-О-4
сн2оалк 2.026 0.853 0.172 90-64 Су в СН2-0-Я
сн3о- 0.100 0.165 0.215 64-58 С в Аг-ОСН3 структуры А
сн3о 1.443 1.444 1.202 56-54 С в Аг-ОСН3
СНн> 0.307 0.099 0.089 54-52 Ср в
СНр_5 0.103 0.074 0.072 54-50 Ср в р-5
с 0.642 0.856 1.196 45-5 СН, СН2, СН3 алифатические
д» 0.461 0.538 0.570 164-102/1р = /ар//общ
Основное отличие спектров ЯМР 13С лигнинов лиственных пород древесины от лигнинов хвойных пород заключается в присутствии интенсивных сигналов в диапазоне спектра 150-160 и 103-107 м. д., характерных для атомов С 3/С 5 и С 2/С 6 сирин-гильных ароматических колец S соответственно. И, хотя в область 150-160 м. д. попадают сигналы Qp-Cap (С 3 в связях 5-5 составляют ~4 на 100 ароматических колец), их количество не сравнимо по содержанию с S-структурами и поэтому мы ими пренебрегали при расчете S-фраг-ментов [5, 6]. Количество неэтерифицированных сирингильных ароматических колец S' оценивали, используя ЯМР 'Н-спектр JIMP осины (табл. 1), в растворе ГМФА-0,8 [4]. Количество связей в ЛМР осины, характеризующих степень конденсированносги препарата (Сар-С), сумма арил-алкильных и арил-арильных простых эфирных связей (Сар-0-С) приведены в табл. 3.
Количество связей Сар-С в ЛМР осины составляет 22 на 100 ароматических колец; это близко к количеству подобных связей в лигнине бука [17]. Количество связей Сар-0-С в ЛМР осины несколько больше, чем в лигнинах березы и бука [14, 17]. В ЛМР осины имеется также небольшое количество неокисленных алифатических атомов углерода боковых цепей CMlc примерно 64 на 100 ароматических колец. Они встречаются во всех препаратах лигнина - в древесине хвойных и лиственных пород, в лигнине травянистых растений [5,6, 8]. Практически во всех спектрах лигнинов имеются сигналы в области 14-39 м. д. Можно ли считать неокисленные алифатические фрагменты "встроенными" в макромолекулу лигнина или считать их трудноотделимыми эфи-рами жирных кислот? Могут ли группы COOR принадлежать этим эфирам? Могут, но далеко не все, так как количество групп COOR в JIMP осины составляет 69 на 100 ароматических колец (табл. 2), а сумма С^ - всего 64. Также не все группы COOR могут связывать лигнин с углеводами, поскольку в исследуемом препарате ЛМР их количество составляет лишь около 1%.
Химическая структура ДЛА осины существенно отличается от структуры ЛМР осины. В ЯМР 'Н-спектре ДЛА осины значительно больше, чем в ЛМР, атомов водорода фенольных групп ОН, альдегидных групп С(0)Н и атомов водорода насыщенных алифатических боковых цепей (табл. 1). Количественный анализ ЯМР 13С спектров ДЛА свидетельствует об увеличении содержания групп С=0 кетонов и альдегидов и снижении в 2 раза количества групп COOR по сравнению с ЛМР (табл. 2, 4). Степень ароматичности ДЛА выше, чем ЛМР из-за более низкой доли атомов углерода боковых цепей (в 1.8 раза, без учета атомов углерода неокисленных алифатических цепей и атомов углерода ксиланов).
Таблица 3. Количество структурных фрагментов и связей в препаратах лигнина древесины осины, приходящееся на 100 ароматических колец
Фрагменты и связи Относительная ошибка, %
ЛМР ДЛА ЛВА
S + S'(S') 58(5) 62(18) 56(33) 10.3
G + G* 28 26 26 12.0
Н + Н' 5 4 4 13.0
А + А' 9 15 13 20.0
S (осОО) 15 19 16 10.5
G(aOO) 2 4 8 10.5
1сар-о 268 264 269 10.3
Сар-С 22 37 68 10.3
ХСНар 210 193 163 10.3
XCfou, цепей 532 269 202 10.3
ХСар-ОН 20 47 53 12.0
СН30 144 144 120 9.5
СН30' 10 17 22 10.3
сар-0-с 94 56 74 14.0
с 64 86 120 9.5
Таблица 4. Содержание основных функциональных групп в препаратах лигнина древесины осины
Функциональные группы Содержание, мае. % Относительная ошибка, %
ЛМР ДЛА ЛВА
с=о 0.6 1.7 3.5 6.9
С(0)Н 0.3 1.3 1.8 6.9
С(0)0Н 0.6 1.4 3.1 9.2
С(0)0- 11.1 4.9 4.7 9.6
сн3о 16.5 16.6 16.4 6.9
СН30' 1.5 3.4 2.4 9.2
ОНфен 1.6 3.4 4.0 9.2
ОНади 10.3 5.8 2.6 20.0
ОН v-'rl углеводов 0.2 1.7 1.0 6.9
цен+012 + 0^ 3.2 5.2 9.7 6.9
КС(0)0 + СН20 0 0 24.0 20.0
+СН3О)*
* Функциональные группы в соединениях, не относящихся к молекуле лигнина.
Следовательно, при выделении ДЛА из древесины осины возможен разрыв сложноэфирных связей й растворение фрагментов лигнина с более короткими боковыми цепями, чем в ЛМР (269 и 532 на 100 ароматических колец соответственно, табл. 3). Увеличение количества фенольных групп ОН (табл. 4) свидетельствует о разрыве связей Су,-0-С; количество последних в макромолекуле ДЛА по сравнению с ЛМР уменьшилось на 33 связи в расчете на 100 ароматических колец,
степень конденсированности препарата ДЛА осины почти в 2 раза выше, чем в ЛМР, в 3 раза уменьшилось количество пинорезинольных структур (табл. 2). Количество сирингильных S, гваяцильных G, л-оксифенильных Н и других фрагментов приведено в табл. 3. Возможно, что отличия структуры ДЛА осины от структуры ЛМР являются не только следствием более жесткого способа выделения, но и того, что выход ДЛА по отношению к массе древесины существенно выше, чем ЛМР. Следовательно, лигнин наиболее полно выделяющийся из древесины, может быть и наиболее представительным в структурном отношении. Так, например, хорошо известно, что лигнины Бъёркмана (ЛМР) лиственных пород древесины имеют более низкое отношение S : G, чем весь лигнин соответствующей древесины [1,2, 15]. Это мы и наблюдаем в ЛМР по сравнению с ДЛА осины (табл. 3). Интересно отметить, что и структур А и А' в ДЛА почти в 2 раза больше по сравнению с ЛМР (табл. 3).
Основным преимуществом высокотемпературного автогидролиза лигнифицированного растительного сырья является возможность получить в относительно чистом виде основные химические компоненты - целлюлозу, лигнин, гемицеллюлозы. Выход экстрагируемого диокса-ном лигнина после автогидролиза (ЛВА) всегда выше, чем при выделении ДЛА [3,14]. Известно, что при экстракции водным диоксаном одновременно извлекается и сопутствует лигнинным препаратам определенная часть углеводных компонентов. То же происходит при экстракции древесины осины, подвергнутой автогидролизу. ЛВА осины содержит 5-7% углеводов, а в ЛВА березы определено 2.3% углеводов [14]. Не исключено также присутствие метилированных гемицеллю-лоз. Кроме того, установлено, что препарат ЛВА березы содержит "встроенную" в макромолекулу лигнина нелигнинную компоненту (-21%) [14].
Качественный анализ спектра ЯМР |3С и под-спектров показал, что в ЛВА осины не содержится сколько-нибудь значительных количеств углеводов. Однако в области спектра ЯМР 13С от 65 до 75 м. д. в подспектре С + СН2 наблюдаются узкие интенсивные резонансные сигналы групп -СН2-0, а в подспектрах СН + СН3 - узкие сигналы групп СНэО с хим. сдвигом 63-64 м. д. Также наблюдаются узкие резонансные сигналы различной интенсивности в слабопольной части спектра (165— 175 м. д.), которые могут принадлежать группам C(0)0R и С(0)0Н, и в сильнопольной части спектра (10-45 м. д.), относящиеся к насыщенным атомам углерода групп СН, СН2 и СН3. Подобные сигналы имеются в спектрах ЯМР 13С DEPT в лиг-нинах взрывного автогидролиза [18, 19]. Анализ литературных данных привел нас к заключению, что подобный "набор" резонансных сигналов может принадлежать соединениям типа СН3-0-
CH2-C(0)0R (R = Н, Alk) [20]. Содержание подобных нелигнинных соединений в ЛВА осины составляет -24 мае. %.
Таким образом, как и случае ЛВА березы, в высокомолекулярном препарате ЛВА осины содержится большое количество соединений явно нелигнинной природы. Мы предполагаем, что подобные структуры могут быть продуктами деструкции углеводов.
Процесс автогидролиза древесины осины сопровождается окислением боковых цепей лигнина до групп С=0, С(0)0 и С(0)Н. Их количество больше, чем в ДЛА осины. В а-положении окисляются преимущественно G-структуры (табл. 3). Большая часть групп С=0 и С(0)0 находится в ß-и y-положениях боковой цепи. Степень конденси-рованности ЛВА осины в 3.2 раза выше, чем в ЛМР и в 1.8 раза, чем в ДЛА-осины, т.е. практически каждое ароматическое кольцо в ЛВА имеет, кроме связи Сар1-Са, еще одну связь Сар-С. Результаты ЯМР исследования степени конденсиро-ванности препарата ЛВА осины косвенно подтверждаются данными его щелочного нитро-бензольного окисления: выход основного продукта (сиреневого альдегида) резко падает по сравнению с ЛМР и составляет 9.2 мае. % против 39.0%. Аналогичные данные получены для ЛВА березы [14].
Количество связей Сар-0-С сравнимо с их количеством в макромолекуле ДЛА, следовательно, в процессе высокотемпературного автогидролиза реакции конденсации ("сшивки") превалируют над реакциями разрыва простых эфирных связей. Наибольшие отличия в структурах ЛМР, ДЛА и ЛВА осины наблюдаются в количествах групп >СНО и -СН20 боковых цепей (табл. 2). При автогидролизе древесины протекают реакции разрыва связей С-С боковых цепей, в результате этого в макромолекулах ЛВА на одно ароматическое звено в среднем приходится всего 2 атома углерода боковых цепей. Количество ОН^и в ЛВА в 1.5 раза ниже, чем в ДЛА и в 2.7 раза, чем в ЛМР осины. Это согласуется и с данными для ЛВА березы.
Соотношение основных звеньев в ЛВА (S : G : : Н : А) близко к их соотношению в ЛМР осины (табл. 3). Следует отметить, что при автогидролизе древесины осины наибольшие изменения претерпевают связи Сар—О—С при S-кольцах: более половины S-колец в положении 4 замещены группами ОН (S\ табл. 3). Степень замещенности колец S, G и Н также изменяется по сравнению с ДЛА и JIMP (связи Сар-С). В S-кольцах замещено 39 атомов С 2/С 6, тогда как в G- и Н-кольцах в сумме замещено 55 атомов углерода. При этом следует учесть, что этих колец на 20 меньше, чем S-фрагментов. В G- и Н-кольцах наиболее замещены положения С 5 (G) и С 3/С 5 (Н). В G-коль-цах стало несколько больше групп аС=0, по срав-
нению с ДЛА и ЛМР осины. Поэтому вывод авторов [14] о том, что 8-ФПЕ подвергаются более глубоким изменениям при автогидролизе, чем гваяцильные, нашими данными в полной мере не подтверждаются.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Методом количественной спектроскопии ЯМР 'Н и ЯМР 13С исследована химическая структура макромолекул лигнина осины, выделенного из древесины различными способами. В лигнине осины, кроме сирингильных, гваяцильных и я-окси-фенильных структур, обнаружены структуры типа асгопу1т (А + А') в количестве 9-15 на 100 ароматических колец.
Установлено, что более жесткий способ выделения лигнина из древесины приводит к окислению боковых цепей до групп С=0, С(0)Н и С(0)0Н, разрыву арил-алкильных простых эфирных связей с образованием фенольных групп ОН, разрыву сложноэфирных связей, к реакциям конденсации полимерной молекулы. Кроме того, происходит разрыв связей С-С боковых цепей с отрывом алифатических групп ОН. Химическая структура диоксанлигнина уже настолько изменена, что его нельзя считать близким по структуре к лигнину механического размола осины. Лигнин взрывного автогидролиза только по соотношению фрагментов Б, в, Н близок к структуре ЛМР.
Чтобы определить содержание функциональных групп в препаратах лигнинов, проводят метилирование, ацетилирование образцов. Наши методики отличаются тем, что не требуют предварительной модификации исходного материала и позволяют получать весь комплекс информации непосредственно из спектров ЯМР и данных элементного анализа.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Bjorkman А. // Ind. Eng. Chem. 1957. V. 49. P. 1935.
2. Фенгел Д., Вегенер Г. Древесина (химия, ультраструктура, реакции). М.: Лесная пром-сть, 1988.
3. Lora 1.Н., Wayman M. // Can. J. Chem. 1980. V. 58. № 7. P. 669.
4. Каницкая Л.В., Медведева СЛ., Иванова С.З., КушнаревД.Ф., Pu Б., Бабкин В.А., Калабин Г.А. II Химия древесины. 1987. № 6. С. 3.
5. Рохин A.B., Каницкая Л.В., Заказов А.Н., Гого-товА.Ф., Кушнарев Д.Ф., Бабкин В.А., Калабин ГЛ. И Химия природ, соед. 1993. № 2. С. 277.
6. Каницкая Л.В., Дейнеко И.П., Кушнарев Д.Ф., Клемпер A.B., Калабин ГЛ. // Химия древесины. 1989. № 6. С. 17.
7. Полонов В.М., Калабин ГЛ., Кушнарев Д.Ф., Латышев В.П. // Химия твердого топлива. 1984. № 4. С. 9.
8. Рохин A.B., Каницкая Л.В., Кушнарев Д.Ф., Калабин ГЛ., Абдуазимов Х.А., Смирнова Л.С., Пула-тов Б.Х. И Химия природ, соед. 1994. № 6. С. 798.
9. PatraA., Mukhopadhyay P.K. //J. Ind. Chem. Soc. 1983. V. 60. P. 265.
10. Chen CL., Robert D. // Methods in Enzymology. 1988. V. 61. P. 137.
11. Ludeman H D., Nimz H. // Makromol. Chem. 1974. B. 175. № 8. S. 2393.
12. Лапан А.П., Гордеева B.A., Лаптев A.B. // Химия древесины. 1975. № 5. С. 96.
13. Лапан А.П., Чеховская В. Б., Ефимова М.В. .Гордеева В Л. И Химия древесины. 1978. № 4. С. 60.
14. Закис Г.Ф., Эриньш П.П., Нейберте Б.Я., Хохол-ко C.B. // Химия древесины. 1990. № 4. С. 70.
15. Adler Е. И Wood Sei. Technol. 1977. V. 11. P. 169.
16. Каницкая Л.В., Калихман И.Д., Медведева СЛ., Белоусова И.А., Бабкин В.А., Калабин Г.А. // Химия древесины. 1991. № 2. С. 3.
17. Nimz H. H Angew. Chem. 1974. № 9. S. 336.
18. Marchessault R.H., Coulombe S., Morikawa H., Robert D. II Can. J. Chem. 1982. V. 60. P. 2372.
19. Robert D., Bardel M., Gagnaire D. II 4th. Int. Symp. Wood and Pulp. Chemistry. Paris, 1978. V. 1. P. 189.
20. Kalynowsky И.О., Berger S„ Braun S. Carbon-13 NMR Spectroscopy. New York: Wiley, 1988. P. 776.
^ and 13C NMR Study of Lignin Structure 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. K. Marksa 1, Irkutsk, 664001, Russia
Abstract—A comparative analysis of the chemical structure of lignin from aspen milled wood (Bjorkman lignin), aspen dioxanlignin, and lignin from exploded aspen wood was performed by method of 'H and 13C NMR spectroscopy. In is found that a more rigid mechanical method of the lignin isolation from wood causes oxidation of the side chains to C=0, C(0)H and C(0)0H groups, cleavage of the aryl-alkyl ether bonds with the formation of phenolic hydroxyl groups, rupture of the ester bonds, and condensation reactions between macro-molecules. In addition, the C-C bonds of the side chains are cleaved with the detachment of alkyl OH groups. The chemical structure of dioxanlignin is modified to such a considerable extent that it is difficult to consider this structure as similar to that of lignin obtained from aspen milled wood. The structure of lignin from explosive aspen wood is similar to that of milled wood lignin only with respect to the ratio of fragments of syringyl, guaiacyl and p-hydroxyphenyl fragments.
