CC BY
144
Химия растительного сырья. 2005. №1. С. 13-18.
УДК 634.0.813
ИЗУЧЕНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ХВОЙНОГО ВОСКА
© И.П. Дейнеко , А.В. Пранович, В.Ф. Рубанова, Л.П.Белов
Санкт-Петербургская государственная лесотехническая академия, Институтский пер., 5, Санкт-Петербург, 194021 (Россия) e-mail: [email protected]
Изучен химический состав производственного образца хвойного воска, полученного при химической переработке древесной зелени ели европейской. Основными компонентами воска являются ю-гидроксикарбоновые кислоты и высшие ациклические диолы.
Введение
Одним из продуктов химической переработки древесной зелени (ДЗ) является хвойный воск, представляющий собой смесь сложных эфиров высших жирных кислот и спиртов (70-S0%), свободных жирных и смоляных кислот (10-15%), неомыляемых веществ (9-12%), производных хлорофилла (до 3%) [1, 2].
Имеются сведения, что в состав воска хвои ели европейской входят следующие компоненты [3]: парафины (С21-С35), н-жирные кислоты (С12, С14, С16, С20, С22, С24, С26, С28, С30), ю-гидроксикислоты (С12, С14, С16), вторичные спирты (10-нонакозанол, 4-гентриаконтанол), диолы (5,10-нонакозандиол), мономерные алифатические сложные эфиры (С50-С64), эстолиды (С36-С110). Молекулярная масса эстолидов может достигать 1743 дальтон, и они включают остатки линейных С12, С14 и С16 ю-диолов, ю-гидроксикислот и н-жирных кислот [3].
При промышленной химической переработке ДЗ, осуществляемой с использованием в качестве растворителя бензина (БР-1), получаемый экстракт липофильных веществ подвергают отстаиванию при пониженной температуре, в результате чего происходит осаждение воскообразных веществ. Выход хвойного воска составляет 2-3 кг на 1 т ДЗ, или в зависимости от используемой схемы переработки бензинового экстракта 5-20% от суммы продуктов, получаемых на основе липидов [4, 5]. Использование хвойного воска в настоящее время ограничено, что связано с недостаточностью сведений о строении его компонентов и их количественном содержании.
В данной работе изучен химический состав промышленного образца хвойного воска, получаемого на Тихвинском лесохимическом заводе; в качестве основного вида сырья на этом предприятии используется древесная зелень ели европейской (Picea abies).
Экспериментальная часть
Анализ группового состава хвойного воска осуществлен в соответствии с приведенной схемой. Элементный состав образца хвойного воска определен на С-, Н-, N-анализаторе фирмы Hewlett Packard-185, содержание элементов составляло (%): С 72,0; Н 9,66; О 16,3 (С6Н9>6О1Д).
Определение кислотного (55 мг КОН/г) и эфирного (103 мг/г) чисел осуществлено по стандартной методике [6].
* Автор, с которым следует вести переписку.
Хвойный воск
Растворение в СНСІ3
Раствор хвойного воска
Обработка 2° о-ным №ОН
1 1 г
Свободные кислоты Нентрааьные вещества
Метилирование СН3ОН
Омыление 2 н КОН в С2Н5ОН
Ме-эфпрь КИСЛОТ Неметилиру емые кислоты
«Связанные > кислоты Неомьтяем] ые вещества
Л 1
Метилирование СН3ОН .
Ме-эфиры кислот Немет! 1Л1 ФУ емые кислоты
Схема группового разделения хвойного воска
Растворимость препаратов рассчитана по потере массы образца воска (1 г) после кипячения и охлаждения до комнатной температуры в 20 мл соответствующего растворителя.
Анализ метиловых эфиров жирных кислот методом ГЖХ выполнен на приборе «Цвет 500М»: стеклянная колонка (3 м х 2 мм), твердый носитель - хроматон N-AW-DMCS (0,200-0,250 мм), жидкая фаза - 6% ПДЭГС, газ-носитель - азот (28 мл/мин), программированный подъем температуры от 100 до 200 °С (5 °С/мин), детектор - пламенно-ионизационный, температура детектора и испарителя - 250 °С.
Идентификация соединений проведена с использованием времени удерживания известных веществ. Количественное определение осуществлено методом внутреннего стандарта (1-гексадеканол). Значения калибровочных коэффициентов, рассчитанных по формуле:
I =
ся
где С и Сх - концентрация внутреннего стандарта и метилового эфира кислоты в модельной смеси соответственно; ^ и 5Х - площадь пика внутреннего стандарта и метилового эфира в модельной смеси соответственно, варьировали в диапазоне от 0,93 (метиловый эфир гексакозановой кислоты) до 1,22 (метиловый эфир додекановой кислоты).
Для анализа гидроксикарбоновых кислот методом хромато-масс-спектрометрии метиловые эфиры кислот предварительно разделяли методом колоночной хроматографии с выделением фракции, содержащей преимущественно гидроксисоединения. Выделенную фракцию гидроксикарбоновых кислот подвергали силилированию. Для силилирования 2-4 мг образца обрабатывали 0,2 мл смеси, включающей бис(триметилсилил)трифторацетамид : триметилхлорсилан : пиридин (2 : 1 : 0,5), при комнатной температуре в течение 16 ч. Идентификация силильных производных метиловых эфиров гидроксикарбоно-вых кислот выполнена на хромато-масс-спектрометре НР 5890 вС с квадрупольным масс-селективным детектором НР 5970 (энергия электронного удара 70 еУ). Для разделения была использована капиллярная
колонка HP-1 (25 м х 0,2 мм; толщина пленки жидкой фазы - 0,11 цш). В качестве газа-носителя использовали гелий. Начальная температура колонки - 60 °C, конечная - 290 °C, повышение температуры колонки осуществляли по программе 8 °С/мин. Температура испарителя - 260 °C; температура интерфейса ГХ-МС - 290 °С; температура источника ионов - 230 °С.
Масс-спектры триметилсилильных производных метиловых эфиров гидроксикислот имеют следующий вид: 12-гидроксидодекановая кислота (производное - C16H34O3Si) MS (m/z): 302(M+ 0,0%); 287(35,8%); 271(4,6%); 255(100,0%); 159(8,0%); 146(5,8%); 129(3,7%); 103(25,3%); 89(25,7%); 75(54,9%); 67(8,6%); 55(40,1%); 43(14,6%);
14-гидрокситетрадекановая кислота (производное - CJ8 H38O3Si) MS (m/z): 330(M+ 0,14%); 315(29,5%); 299(4.0%); 283(100,0%); 159(7,4%); 146(7,9%); 131(2,6%); 103(18,8%); 89(16,3%); 75(42,3%); 67(6,9%); 55(28,1%); 43(11,2%);
16-гидроксигексадекановая кислота (производное - C20H42O3) MS (m/z): 358(M+ 0,11%); 343(30,9%); 327(3,8%); 311(100,0%); 159(7,7%); 146(11,0%); 129(3,0%); 103(17,3%); 89(13,9%); 75(41,3%); 67(6,2%); 55(24,8%); 43(11,4%).
Неомыляемые вещества анализировали методом ГЖХ на приборе «Цвет 500М»: стеклянная колонка (2 м х 2 мм), твердый носитель - хроматон-супер (0,125-0,160 мм), жидкая фаза - 3% SE-30, газ-носитель -азот (28 мл/мин), программированный подъем температуры от 150 до 280 °С (5 °С/мин), детектор - пламенно-ионизационный, температура детектора и испарителя - 250 °С.
Для количественного анализа соединений методом ГЖХ и хромато-масс-спектрометрии неомыляемые вещества предварительно разделяли колоночной хроматографией с выделением фракции, содержащей основные компоненты смеси (диолы), которую подвергали силилированию. Для силилирования около 1 мг образца растворяли в 80 мкл пиридина, затем добавляли 160 мкл бис(триметилсилил)трифторацетамида и 80 мкл триметилхлорстлана, после чего смесь выдерживали при комнатной температуре в течение 16 ч. Количественный анализ силильных производных диолов был осуществлен на газовом хроматографе Perkin Elmer AutoSystem XL с капиллярной колонкой НР-1 (25 м х 0,2 мм; толщина пленки жидкой фазы 0,11 цш). В качестве газа-носителя использовали водород, коэффициент деления потока 1 : 20, детектор - пламенно-ионизационный. Начальная температура колонки - 120 °С (1 мин), конечная - 300 °С (6 мин), возрастание температуры колонки происходило по программе 6 °С/мин. Температура испарителя - 260 °С, температура детектора - 300 °С. Количественное определение осуществлено методом внутреннего стандарта (1-гексадеканол). Калибровочные коэффициенты соединений приняты равными 1.
Идентификация силильных производных спиртов выполнена на хромато-масс-спектрометре HP 5890 GC с квадрупольным масс-селективным детектором HP 5970 (энергия электронного удара 70 eV). Для разделения была использована капиллярная колонка НР-1 (25 м х 0,2 мм; толщина пленки жидкой фазы -
0,11 цш). В качестве газа-носителя использовали гелий. Начальная температура колонки - 60 °С, конечная
- 290 °С, повышение температуры колонки осуществляли по программе 8 °С/мин. Температура испарителя
- 260 °С; температура интерфейса ГХ-МС - 290 °С; температура источника ионов - 230 °С.
В соответствии с полученными данными установлено, что фракция неомыляемых веществ содержит в качестве основных компонентов высшие ациклические диолы, силильные производные которых имеют следующие масс-спектры.
В соответствии с полученными данными фракция неомыляемых веществ содержит в качестве основных компонентов высшие ациклические диолы, силильные производные которых имеют следующие масс-спектры: 1,12-додекандиол (производное - С18Н4^2): 331(M-15; 2,7); 315(3,1); 256(2,0); 241(21,1); 213(2,4); 177(14,3); 147(100); 103(34,0); 75(63,2); 55(37,6);
1,14-тетрадекандиол (производное - C20H46Si2): 359(M-15; 3,4); 343(5,9); 284(5,0); 269(19,5); 241(3,5); 177(14,1); 147(100,0); 103(39,8); 75(75,8); 55(35,8);
1,16-гексадекандиол (производное - C22H50O2Si2): 387(M-15; 2,7); 371(6,3); 312(4,5); 297(17,6); 269(2,8); 222(1,1); 186(12,6); 177(9,6); 149(100,0); 103(34,9); 75(65,6); 55(29,7).
Обсуждение результатов
Данные по растворимости растительных восков в литературе ограничены, поэтому была определена растворимость хвойного воска при комнатной температуре в растворителях различной полярности. Из
приведенных в таблице 1 данных видно, что растворимость воска зависит от природы используемого растворителя. Частичная растворимость препарата в отдельных растворителях свидетельствует о структурной неоднородности хвойного воска, представляющего собой смесь различающихся по полярности веществ. Лучше всего исследуемые препараты растворялись в малополярных растворителях (толуоле и хлороформе). Поэтому изучение химического состава проводили с раствором воска в хлороформе, который также использовали и для выделения фракций после омыления нейтральных веществ.
Изучение группового состава в соответствии с вышеприведенной схемой показало, что хвойный воск состоит преимущественно из нейтральных веществ, которые при омылении дают значительное количество кислот (табл. 2). Массовая доля свободных кислот сравнительно невелика (менее 8%).
Довольно низкий выход неомыляемых веществ, в состав которых входят спирты, образующиеся при гидролизе сложных эфиров восков, может быть объяснен следующими причинами. Во-первых, часть эфиров воска содержит в качестве алкильного компонента метильную группу [7], и образующийся при гидролизе метанол не попадает во фракцию неомыляемых веществ. Второй причиной является, как будет рассмотрено далее, значительная доля в нейтральных веществах сложных эфиров гидроксикислот, которые при фракционировании попадают во фракцию связанных кислот.
Для изучения компонентного состава кислот проводили метилирование соответствующих фракций обработкой их метанолом с использованием в качестве катализатора п-толуолсульфокислоты.
Склонность к метилированию фракций свободных и связанных кислот различна.
Выход метиловых эфиров при метилировании свободных кислот составлял 21,5%, т.е. эта фракция содержит большое количество трудноэтерифицируемых соединений. При этом экстракция не вступивших в реакцию кислот диэтиловым эфиром привела к выделению только 25,5% кислот, которые, вероятно, представляют собой смоляные кислоты. Последующая экстракция неэтерифицированных кислот хлороформом позволила выделить еще 28,8% кислот. Остальная часть кислот (около 25%) в названных растворителях не растворялась и, возможно, представляет собой продукты конденсации фенольных соединений и производных хлорофилла.
Фракция связанных кислот дала после метилирования 83,7% метиловых эфиров и 12,7% неметилируе-мых, возможно смоляных, кислот, растворимых в диэтиловом эфире.
Исследование метиловых эфиров кислот методом ГЖХ показало, что в состав кислотных фракций входят высшие жирные кислоты (С12-С26), однако их суммарное содержание не превышает 5% от выделенных фракций кислот. Основными компонентами фракций были три соединения, идентификацию которых по времени удерживания осуществить не удалось. Поэтому метиловые эфиры кислот были разделены восходящей колоночной хроматографией по ранее разработанной методике [8] с использованием в качестве сорбента силикагеля (параметры колонки - 320x23 мм). Изучение элюирующей способности различных систем растворителей показало, что основные компоненты фракции хорошо разделяются в смеси растворителей хлороформ - гексан (2 : 1). Неидентифицированные соединения концентрировались в нижней части колонки, из которой они были извлечены диэтиловым эфиром.
Анализ выделенной группы метиловых эфиров кислот методом хроматомасс-спектрометрии с предварительным их силилированием позволил установить, что эти соединения представляют собой ю-гидроксикислоты (табл. 3): 12-гидроксидодекановую, 14-гидрокситетрадекановую и 16-гидроксигексадекановую кислоты. Суммарное их количество превышает 45% от массы исследуемого образца воска. При этом основная часть ю-гидроксикислот входит в состав воска в виде сложных эфиров.
Таблица 1. Растворимость хвойного воска
Растворитель Растворимость, % Растворитель Растворимость, %
Толуол 97,5 Бутилацетат 31,6
Хлороформ 95,4—97,3 Диметилформамид 31,6
Диоксан 63,2 2-Пропанол 28,7
Диметилсульфоксид 42,9 Ацетон 27,0
Этилацетат 39,8 Ацетонитрил 15,4
2-Бутанол 39,3
Таблица 2. Групповой состав хвойного воска
Группы веществ Массовая доля, % от массы образца воска*
Нерастворимый остаток 4,6
Свободные кислоты 7,85
Нейтральные вещества 85,6
в том числе неомыляемые вещества 8,9 (10,4)
связанные кислоты 74,0 (86,5)
В скобках дана массовая доля фракций в нейтральных веществах.
Таблица 3. Компонентный состав кислотных фракций хвойного воска
Время удер- % от массы метиловых % от массы хвойного Сумма
Кислота живания, эфиров кислот во фракции воска кислот, %
мин Свободных Связанных Свободные Связанные от массы
кислот кислот кислоты кислоты воска
Додекановая 16 0,31 0,38 0,005 0,235 0,24
Тетрадекановая 30 0,15 0,51 0,002 0,316 0,32
Х1 41 0,17 0,16 0,003 0,099 0,10
Гексадекановая 48 0,85 0,52 0,014 0,322 0,34
Октадекановая 70 0,14 0,12 0,002 0,074 0,08
Х2 79 0,50 0,12 0,008 0,074 0,08
Эйкозановая 87 0,17 0,19 0,003 0,118 0,12
12-гидроксидодекановая 96 1,87 9,29 0,028 5,75 5,78
Докозановая 106 0,64 0,58 0,010 0,359 0,37
14-гидрокситетрадекановая 114 5,12 23,7 0,083 14,7 14,8
Тетракозановая 124 0,61 0,54 0,010 0,334 0,34
16-гидроксигексадекановая 131 8,47 36,8 0,127 22,8 22,9
Гексакозановая 139 следы следы следы следы следы
Х3 156 1,49 0,33 0,024 0,204 0,23
Сумма кислот 20,5 73,2 0,319 45,4 45,7
Обращает на себя внимание то, что при анализе метиловых эфиров кислот методом ГЖХ элюирование соединений из колонки происходит не полностью. Особенно низкая летучесть характерна для метиловых эфиров свободных кислот. Это можно объяснить присутствием в анализируемых смесях метиловых эфиров жирных кислот с более высокой молекулярной массой (С30-С36) [3, 7].
Анализ фракции неомыляемых веществ методом ГЖХ показал, что в данной фракции содержится 20 соединений. Однако в составе соединений, выходящих из колонки, хроматографа преобладали три компонента, доля которых превышала 90%. Установление строения этих соединений осуществляли на основе их масс-спектров, для чего фракция неомыляемых была также разделена на колонке (320x23 мм) с силикагелем методом восходящей колоночной хроматографии с использованием системы хлороформ-диэтиловый эфир (3 : 1). Основные компоненты концентрировались в предстартовой зоне, из которой они были извлечены диэтиловым эфиром и после силилирования проанализированы методом хроматомасс-спектрометрии. В соответствии с полученными данными основными компонентами неомыляемых веществ являются следующие диолы (в скобках приведен их выход в расчете на исходный образец воска): 1,12-додекандиол - 25% (2,22%); 1,14-тетрадекандиол - 16% (1,42%); 1,16-гексадекандиол - 12% (1,07%). Суммарное количество диолов с учетом небольших количеств идентифицированных 1,13- и 1,15-диолов составляет примерно 55% от фракции неомыляемых веществ, т.е. в воске содержатся и другие соединения нейтральной природы, которые являются труднолетучими веществами и не выходят из колонки хроматографа. Тем не менее доля сложных эфиров, в состав которых входят остатки двухатомных спиртов, довольно значительна.
Полученные данные показывают, что хвойный воск, выделяемый из ДЗ ели, состоит из различных групп веществ. В его состав входит около 8% свободных кислот и более 80% эфиров кислот, которые включают в основном эфиры гидроксикислот. При этом важными фрагментами воска хвои ели являются сложные эфиры высших ациклических диолов и ю-гидроксикарбоновых кислот. Поскольку мольная доля гидроксикислот примерно в 8 раз превышает мольную долю диолов, то можно предположить наличие в воске эфиров, образованных диолами и гидроксикислотами, которые содержат более двух остатков гидро-
ксикислот, в предельном случае - восемь. Например, эфир диола, содержащий четыре остатка гидрокси-кислот, имеет следующую структуру:
HOCH24CH2)n-C-OCH2-(CH2)n-C-OCH2-(CH2)n-CH2^C—(CH2)-CH2^C—(CH2)-CH2OH. O O O O
Список литературы
1. Выродов В.А., Ягодин В.И. Технология древесной зелени. Л., 1999. 116 с.
2. Левин Э.Д., Репях С.М. Переработка древесной зелени. М., 1984. 120 с.
3. Schulten H.-R., Simmleit N., Murray K.E. Differentiation of wool and spruce waxes affected by environmemntal in-
fluences using fingerprinting by soft ionization mass spectrometry // Anal. Chem. 1987. P. 235-238.
4. Некрасова В.Б. Биологически активные вещества хвои сосны и ели и их применение // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. 2004. Вып. 171. С. 127-135.
5. Ягодин В.И. Основы химии и технологии переработки древесной зелени. Л., 1981. 254 с.
6. Гордон Л.В., Чащин А.М., Радбиль Б.А., Масленников А.С., Богданова Е.В. Химико-технический контроль
лесохимических производств. М., 1978, 352 с.
7. Summchen P., Markstadter, Wienhaus O. Esters of Picea abies needle cuticular wax // Phytochemistry. 1995. V. 40. №2. P. 599-600.
8. Федулина Т.Г., Дейнеко И.П., Зенкевич И.Г., Зарубин М.Я. Окисление 2,6-дитрет-бутил-4-метилфенола кислородом в водном растворе аммиака // Журнал органической химии. 1987. Т. XXIII. Вып. 7. С. 1528-1533.
Поступило в редакцию 22 марта 2005 г.
