Количественная спектроскопия ЯМР 1Н и 13С в исследовании химической структуры макромолекул лигнинов тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ

од

На правах рукописи РОХИН Александр Валерьевич

КОЛИЧЕСТВЕННАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ ЯМР И 13С В ИССЛЕДОВАНИИ ХИМИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ МАКРОМОЛЕКУЛ ЛИГНИНОВ

02. 00. 03 — органическая химия

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени кандидата химических наук

Иркутск— 1 996

Работа выполнена в лаборатории физических методов исследования Института нефте- и углехимического синтеза Иркутского государственного университета

Научные руководители:

доктор химических наук, професо Калабин Г.А.

кандидат химических наук, старин научный сотрудник Каницкая Л.В.

Официальные оппоненты:

доктор химических наук, профессс Кривдин Л.Б.

доктор химических наук, старший научнь сотрудник Медведева С.А.

Ведущая организация:

Новосибирский институт органическ* химии СО РАН

Защита состоится "9,6 " 1Ш>Н&- 1996 г. в 40 ~ час. на заседании диссертационного совета Д 063.32.02 при Иркутском государственном университете по адресу: 664033, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 126, химический факультет ИГУ.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ИГУ

Отзывы на автореферат высылать по адресу: 664033, Иркутск-33, а/я 4020 ИНУС, Шевченко Г.Г.

Автореферат разослан "&3" ^ОЫЪЯ. 1996 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, /77;/ /

кандидат химических наук >-/ /7--Г. Г. Шевченко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Лигнин - один из наиболее распространённых природных полимеров, представляет потенциальную ценность как возобновляемое сырьё для химической переработки. Наряду с целлюлозой, он входит в состав клеточных стенок всех наземных растений, составляет от 15 до 36 % их массы. Вместе с тем, изученность химического строения лигнина несопоставима с прогрессом в области познания структуры других биополимеров, таких как целлюлоза или белки.

Изучение строения лигнинов проводится разнообразными химическими и физико-химическими методами. Однако, специфические свойства лигнина, его полифункциональность и многообразие типов связей между фрагментами приводит к снижению избирательности многих аналитических реагентов и информативности большинства физико-химических методов.

Наиболее перспективным в структурном количественном анализе лигнинов является метод спектроскопии ЯМР 'Н и 13С, который уже нашел широкое применение в решении этой и ряда иных проблем химии древесины, нефти, угля и других сложных систем природного происхождения. Для успешного применения метода к изучению лигнинов необходимо создание комплекса методик идентификации и количественного определения функциональных групп, основных звеньев и связей между фрагментами макромолекулы лигнина. Цель работы — разработка комплексного подхода к анализу химической структуры лигнина на основе методов количественной спектроскопии ЯМР на ядрах водорода-1 и углерода-13 и его использование для решения конкретных проблем в химии древесины. Научная новизна и практическая значимость работы:

— усовершенствована методика дифференцированной оценки кислотных, фенольных гидроксильных и альдегидных групп методом ЯМР 'Н и разработана методика оценки спиртовых гидроксильных групп с использованием комплекса растворителей для химически немодифицированных препаратов лигнина;

— адаптирован ряд программ многоимпульсных экспериментов для получения количественной информации из спектров ЯМР 13С;

— разработана схема расчёта содержания функциональных групп, основных структурных фрагментов и видов связей в лигнинах;

— расширен набор надежно определяемых структурных параметров;

— проведена статистическая обработка результатов эксперимента;

— на порядок сокращено время эксперимента по исследованию структуры лигнина по сравнению с известными методиками.

Апробация работы и публикации.. Основные материалы доложены и обсуждены на семинаре по ЯМР-спектроскопии "Памяти В.Ф. Быстрова" (г. Москва, 1994 г.), на областном научном конкурсе на лучшую научную работу по естественным, техническим и гуманитарным наукам (г. Иркутск, 1995 г.), на III международном научном конгрессе студентов, аспирантов и молодых учёных "Молодёжь и наука — третье тысячелетие — УБТМ-Зб" (г. Москва, 1996 г.). Работа выполнена при поддержке РФФИ по гранту 9б-03-34297а.

По материалам диссертации опубликовано 8 научных работ. Структура и объём работы. Диссертация изложена на 142 страницах машинописного текста, содержит 42 таблицы и 22 рисунка. Она состоит из введения, пяти глав, заключения и библиографии (238 наименований). Первая глава представляет собой обзор литературы. Во второй главе приводится методология исследования препаратов лигнина методом количественной спектроскопии ЯМР 1Н и 13С. В третьей и четвёртой главах обсуждаются результаты применения разработанного подхода для исследования лигнинов различного происхождения. В пятой главе представлены элементный состав, условия выделения лигнинов и техника эксперимента ЯМР.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Современное состояние спектроскопии ЯМР в химии древесины

Проведена тематическая и предметная классификация работ, посвященных исследованию химического строения лигнинов в твёрдом теле и в растворе методом спектроскопии ЯМР с использованием различных ядер и подходов: от классического варианта с отнесением отдельных групп сигналов с помощью спектров соединений, моделирующих фрагменты лигнина, до двумерной корреляционной спектроскопии 'Н-'Н и 'Н-13С, количественной спектроскопии ЯМР 13С и многоимпульсных экспериментов.

Существенным недостатком большинства подходов является то, что обычно используют химически модифицированные препараты лигнина (ацетилированные, силилированные и др.). Это, хотя и облегчает дальнейший качественный и количественный анализ химической структуры, однако ведет к увеличению трудоёмкости анализа и снижению точности результатов.

Предложен также способ исследования структуры лигнина методом количественной спектроскопии ЯМР химически немодифицированных препаратов с использованием сильноосновного растворителя гексаметил-

фосфортриамида (ГМФА-О^) для дифференцированной оценки ОН-групп фенолов, карбоновых кислот и использование этой информации для количественного определения ряда функциональных групп, фрагментов и связей по совокупности спектров ЯМР 'Н, 13С и элементного состава. Развитию этого подхода посвящена настоящая диссертационная работа.

Глава 2. Количественная спектроскопия ЯМР 'Н и 13С в исследовании макромолекул лигнинов (методические аспекты-).

Во второй главе приводится описание комплекса методик количественного анализа и схем расчёта структурных параметров (рис. 1):

ЛИГНИН

Количество структурных параметров в расчёте на одно ароматическое кольцо

Средняя структурная формула: CnHraOp(OCH3)x(OHíe„)y(OHM)z(Oco)k(Ocoo)i

Рис. 1. Схема исследования химической структуры препаратов лигнина методом спектроскопии ЯМР. (Спектры ЯМР 'н и 13С лигнинов регистрировали на спектрометрах WP-200SY фирмы "Bruker" и VXR-500S фирмы "Vanan").

ЯМР 'Н. Спектроскопия ЯМР !Н используется как наиболее доступный и экспрессный метод определения различных функциональных

Оценка содержания функциональных групп, % масс.

групп б биополимерах. Мы расширили возможности этого метода, усовершенствовав методику дифференцированного определения фенольных, спиртовых, карбоксильных гидроксильных и альдегидных групп подбором комплекса растворителей: сильноосновного растворителя ГМФА-В[8 и трифторуксусной кислоты (ТФУК).

По спектрам ЯМР 'Н препаратов лигнина в растворе ГМФА-В^ определяем относительное содержание атомов водорода ^х=1/1общ) в следующих фрагментах: кислотных гидроксильных (14.0-11.5 м.д.), альдегидных и фенольных гидроксильных (суммарное- 11.5-8.4 м.д.), ароматических (8.4-6.3 м.д.), алифатических и спиртовых (суммарное-6.3-0.5 м.д.). (Содержание воды и примесей в растворителе определяем по формуле (1)). Затем к этому раствору (0,5-0,8 мл) добавляем 0,1мл ТФУК. Химический обмен обуславливает единый сигнал всех протонов гидроксильных групп макромолекулы лигнина и воды в растворителе в области 15-12 м.д.. Содержание функциональных групп (Сх, % масс.) рассчитываем по формулам:

/с<0)Н

Í НЮ.примесей

ь

г..

J + т 0); Сети = J _, •[*]•*> (2)

Л ГИФА 1 Н20,примесей 1 общ Л Н20,примесей

Со„.,= -{ЩМ (3); j^LyL (4)

1общ лиг о, примесей i ai

l общ 1 И20,примесей -L ар

Co^'/zT'1™ (5); C^ou-Y-rf21—гя].45 (6),

1 общ i Н20,примесей Í общ Í Н20,принесей

1с(0)н, hp, ¡онар, hm.oH<m*< hfojoH, ¡ню,примесей— интегральные интенсивности сигналов атомов водорода альдегидных, ароматических, фенольных гидроксильных, алифатических, суммарно спиртовых гидроксильных и алифатических, карбоксильных ОН-групп, воды и примесей; /«,-„, — общая интегральная интенсивность атомов водорода в спектрах ЯМР 'Н препаратов лигнина в растворе ГМФА-Dig; Гс(о>н, /V 1'мк — интегральные интенсивности атомов водорода альдегидных, ароматических и алифатических групп в спектрах ЯМР 'Н лигнинов в растворе ГМФА-Dis с добавлением ТФУК; [Н] -содержание водорода в препаратах лигнина, %; 17, 29, 45 — масса ОН-, С(0)Н- и С(0)0Н-групп, а.у.е.

Проверка методики осуществлена на примере ванилинового спирта и смеси соединений, моделирующих структурные фрагменты лигнина, а также на примере лигнина древесины осины. Спектры ЯМР 'Н последнего представлены на рис. 2.

По результатам исследования препаратов лигнина в растворе ГМФА-Dis спектр ЯМР 'Н был разделён нами на ряд диапазонов (табл. 1).

л

J V

б)

/

||||||[)||1|1111|1111|1111|11М|1111|||11|111|||111[1|11|1П1|11|||11||||||||111||1111|1111|1111|П11|

18 16 14 12 10 8 6 4 2 м.д.

>ис. 2. Спектры ЯМР 'Н лигнина водно-этанольной делигнификации (ревесины осины в растворе ГМФА-Б^ (а) и с добавлением ТФУК (б).

Таблица 1.

Диапазоны химических

Фрагменты Диапазон ХС Отнесение сигналов атомов водорода

и группы (5), м.д.

Ис(0)0Н 14.0-12.0 ОН карбоксильных групп

Яс(0)н 9.7- 9.0 Н альдегидных групп

^ОНфен.(1> 12.4- 9.3 ОН при С-4 О'.Н'

^0Н фен.(2) 9.3- 8.4 ОН при С-4 в', С с 5-5, 0-5 связями, ОН при С-2 А

^ар 8.4- 6.3 атомы водорода ароматического кольца

^О-алх 6.3- 2.9 СН-, СН0-,СН20-,СН30- группы в а, р, у-

положениях к ароматическому кольцу, СНО углеводов,

^ОНалк 6.3- 1.0 атомы водорода спиртовых ОН-групп( ГМФА-Оц+ТФУК)

2.9- 0.3 СН-, СН2-, СНз- группы в а, р, у- положениях к

ароматическому кольцу

у ОСИ;

S cjT~Ca—\Q) 0R (II) S, S'— сирингильные звенья

ОСНз

с—Ср-Сс—OR (Н) G,G' — гваяцильные звенья осн3

С-Ср-Со—OR (Н) Н, Н' - и-оксифенильные звенья

ЯМР 13С. Для получения более детальной информации о структуре макромолекулы лигнина используют метод ЯМР 13С с применением программы IGD (Inverse Gated Decoupling), которая сохраняет истинное соотношение интенсивностей сигналов в спектрах и программу, основанную на переносе поляризации атомов водорода DEPT (Distortionless Enhancement by Polarization Transfer), которая не позволяет получать количественные результаты, но облегчает отнесение сигналов в спектрах к определенным структурным группам (СН,СН2,СНз).

Мы, кроме программ IGD и DEPT, в своей работе применили ряд многоимпульсных последовательностей с использованием собственной намагниченности ядер углерода, позволяющих получать подспектры первичных и третичных (СНз+СН), вторичных и четвертичных (СН2+С) атомов углерода: CSE (Conventional Spin Echo) и GASPE (GAted SPin Echo). Эти методики позволили уточнить распределение атомов углерода ароматического кольца (АК) по различным типам: атомам углерода, связанным с атомами водорода (СНар) и с атомами углерода (Сар-С), количественно определять соотношение С=0, С(0)Н групп, С=С, CHOMK, CH2CW фрагментов. На рис. 3 приведены спектры и подспектры ЯМР 13С диоксанлигнина хлопчатника, полученные с использованием программ IGD и спинового эха (CSE, GASPE).

Информацию представляем в виде доли (рх) соответствующих атомов углерода (/») от общего их количества (¡общ) в образце (формула (7)). Для определения относительного содержания атомов углерода различных фрагментов и функциональных групп (pxi, Pxi) с помощью подспектров (СН+СНз) и (С+СН2) за основу берем суммарное относительное содержание фрагментов х; и х2 (рщ+хг) из общего спектра ЯМР 13С (IGD), а затем по формуле (8) вычисляем содержание каждого фрагмента с учётом интегральных интенсивностей (/'*;, 1'^) фрагментов*; и х2 в подспектрах:

Pr-h P.rjrfjr P^ W

1 общ I 1 х2

в)

б)

н—I—

200

1Й0 "

1ЙО

Во

М.д.

ас. 3. Общий спектр ЯМР 13С (а) и подспектры вторичных и четвертичных ЗНг+С), первичных и третичных (СН3+СН) атомов углерода (б, в) кжсанлигнина из оболочек семян хлопчатника

Результаты анализа химической структуры лигнинов методом ЯМР 'Н и С представляем в виде количества отдельных структурных элементов в [счёте на одно (или 100) ароматическое кольцо (АК) - пх (Их):

р

или

N, = -^•6.100

и а

(9)

Рх= I/ ¡общ - относительное содержание атомов углерода определяемого структурного элемента; /,=/„,/ 1обЩ - степень ароматичности препарата лигнина (162-103 м.д.); б — число атомов углерода в ароматическом кольце (предполагаем, что в препаратах лигнина не содержатся конденсированные ароматические системы).

Количество атомов углерода, связанных с фенольными ОН-группами, альдегидных, карбоксильных атомов углерода в расчете на одно АК, получаем, используя относительное содержание атомов водорода из спектров ЯМР *Н (дх) и данные элементного состава:

а -[ЯГ612 п [Я1 п=--= (10)

В табл. 2 приведены структурные фрагменты лигнина, количество которых определяем с использованием всех вышеперечисленных методик количественной спектроскопии ЯМР 'Н, 13С и элементного состава. Содержание функциональных групп

Результаты эксперимента можно представить не только в расчёте на 1 АК, но и в виде содержания функциональных групп в % масс.:

С* - концентрация функциональной группы в препарате лигнина, % масс. Мх - масса функциональной группы, а.у.е.

Расчёт количества основных структурообразующих звеньев в лигнине

Общепринято, что структура лигнина состоит из H-,G- и S-звеньев. Расчёт основных звеньев, в отличие от других исследователей, мы начинаем с оценки этерифицированных S-фрагментов, сигналы которых находятся в области 154-150 м.д. спектра ЯМР !3С (Сар-0(2) табл. 2), при этом мы пренебрегаем сигналами атомов углерода связей С5-С5

(ХС 13с

154-155 м.д.), так как их количество в лигнинах незначительно — 3-4%, что не превышает ошибки определения S-звеньев (табл. 3). По спектрам образцов ЯМР 'Н, зарегистрированных в ГМФА-Dis, рассчитываем содержание неэтерифицированных S-фрагментов (ОН при С-4 S' в табл. 1).

02)

Исходя из общего количества ОСНз-групп и количества S- звеньев, рассчитывается общее количество G-фрагментов:

G+G =Nok,.-2 -(£+£') 03)

Если принять, что в макромолекуле лигнинов нет других структурных звеньев, кроме H,G и S, то расчет и-оксифенильных структурных единиц производится по остатку.

— ю—

Таблица 2.

Функциональные группы и фрагменты лигнина, получаемые по спектрам и подспектрам ЯМР 13С и спектрам ЯМР 'Н в растворе ГМФА-Р^_

№№ Фрагменты Диапазон ХС Отнесение сигналов атомов углерода

п.п. и группы (5), м.д.

1. С=0 220 - 190 С=0 карбонильных групп

2. С(0)Н 210- 185 С=0 альдегидных групп

3. С(0)0Н 185-164 С=0 кислотных групп

4. С(0)0 185 - 164 С=0 сложно-эфирных групп

5. сн=сн 150-140 С=С в Аг-СН=СН-СОСда(СОН)

6. CVO (1) 162 - 160 С-4 Н, Н\ С-2/С-6 А, А'

7. С.р-0 (2) 155 - 150 С-З/С-5 Б

8. С1р-0 (3) 150-140 С-З/С-4 б, С, С-З/С-5 8'

9. Сар-0 (4) 134- 138 С-4 Б, в* (из спектров ЯМР ]Н)

10. Сар-С (1) 140-123 С-1 Б, 5'; С-1 в, &

11. Сдр-С (2) 123 - 119 С-1 Н, Н'

12. С.Р-С (3) 119- 114 С-1/С-3 А

13. Сар-с (4) 114- 95 С-1/С-3 А'

14. СН.р(1) 132-125 С-2/С-6 Н, Н'

15. СН,Р(2) 125 - 117 С-6 й, &

16. СНар(3) 117-114 С-5 в, С; С-З/С-5 Н, Н'

17. СНар(4) 114-108 С-2 а С

18. СН,р(5) 108-105 С-2/С-6 Б, Б' (с аС=0)

19. СН.р(6) 105 -102 С-2/С-6 8, 8'

20. СН,Р(7) 102 - 95 С-5 структур А, А'

21. с ^углеводов 104- 92 С*-1 углеводов (аномерный атом)

22. СНОая,(1) 90-75 Ср ((3-0-4); С„ (фенилкумаран, пинорезинол)

23. СНО,,„ (2) 75-64 С« 0-0-4);

24,- СН20„«(1) 90-70 СН20 (пинорезинол);

25. CH2CU (2) 65-61 С, (Р-О-4)

26. СНзО 58- 55 ОСНз в Аг-ОСНз

27. СНзО' 64-58 С в Аг-ОСНз структуры типа А'

28. СНр.п 54-52 Ср вр-(3

29. СНр_5 54-50 Ср в Р-5

30. Салк 32- 12 СН, СНг, СНз (не связанные с атомом кислорода)

31. и 162-95 степень ароматичности препарата

Расчёт количества основных связей в макромолекуле лигнина

Исходя из общего количества ароматических атомов углерода, связанных с атомами кислорода, количества фенольных и метоксильных групп, оцениваем содержание арил-арильных и арил-алкильных простых эфирных связей в макромолекулах лигнинов:

Сар-О -И ОМе "Агс„ -ОН

(14)

Степень замещенности свободных положений ароматического кольца Б-0- и Н-звеньев на Сар-С связи определяет степень конденсированности или "сшивки" препарата лигнина, которую оцениваем по количеству

— а —

фрагментов Сар, резонансные сигналы которых находятся в области 140-95 м.д. в подспектрах С+СНг, за вычетом сигналов атомов С-4 (Сар-0) 8-колец:

Длина боковой иепи макромолекулы лигнина

Среднюю длину боковой цепи определяем из спектров ЯМР 13С как сумму всех алифатических, олефиновых атомов углерода, а также карбонильных, карбоксильных и сложноэфирных групп:

Е NСбохцет ~ N ЪС-^О.СОН + Nl.COO.COOH

Салк-О СаIX

Статистическая обработка результатов эксперимента

В работах по количественной спектроскопии ЯМР 13С лигнинов принято, что относительная ошибка всех, определяемых методом ЯМР структурных параметров, составляет 5%.

Мы впервые оценили погрешности, возникающие при исследовании химической структуры лигнинов методами количественной спектроскопии ЯМР 'Н и 13С.

Главным источником ошибок при интегрировании спектров ЯМР лигнинов является искажение базовой линии спектра, обусловленное особенностями спектрометра и свойствами образца. Другие источники ошибок, при интегрировании широких перекрывающихся групп сигналов в сумме дают погрешность менее 1% и являются малозначимыми. Общая воспроизводимость интегрирования, характеризуемая относительным стандартным отклонением, составляет 1-3 % отн. в зависимости от концентрации образцов и длительности эксперимента.

Известно, что наиболее точно химическими методами в лигнинах определяют содержание только ОСНз групп (ошибка 10% отн.). Сопоставление результатов анализа, полученных химическим методом и методом ЯМР спектроскопии для ОСН3-групп различных препаратов лигнина древесины осины (8 образцов) показало, что систематическая ошибка в результатах анализа отсутствует.

При вычислении структурных параметров макромолекул лигнинов по формулам (1)-(16), выполняются определенные математические действия над параметрами, которые имеют собственные погрешности измерения, при этом возрастает величина погрешности окончательного результата. Исходя из общих формул (по закону сложения погрешностей), определяющих величину относительных погрешностей суммы, разности, произведения, частного, и учитывая коэффициент корреляции отдельных параметров, а также относительные ошибки определения содержания атомов углерода [С] и водорода [Н], мы провели оценку относительной

ошибки определения каждого структурного фрагмента макромолекулы лигнина (табл. 3).

Таблица 3.

Относительные погрешности параметров макромолекулы лигнина, полученных из спектров ЯМР 'Н, 13С и данных элементного состава

Фрагменты и связи, Относительная Функциональные Относительная

пх (на одно АК) погрешность, % группы, % масс. погрешность, %

С=0 6.7 с=о 6.2

СОН 6.7 С(0)Н 6.5

СООН 7.3 С(0)0Н. 6.5

СОО- 7.9 С(0)0-И 7.5

ОСНз 4.2 ОСНз 3.4

ОСНз' 6.7 ОСНз' 6.9

Сар-ОН 7.3 ОНфе,,. 7.1

Салк'ОН 8.5 ОНалк 7.7

Сар-0 6.7 Углеводы 10.0

С=С 6.7

^Сар-О-Салк 11.2

2Сйр-0-Са,тк( ар 10.8

15.6

^С§оковых цепей 12.7

S + S' 8.5

G + G' 9.5

Н + Н' 6.7 Элементный Относительная

А +А' 9.5 состав, % погрешность, %

S (аС=0) 10.0 И 2.4

G (аС=0) 10.8 [С] 1.7

Разработанный подход был использован для исследования химической структуры лигнинов различного происхождения.

Глава 3. Зависимость строения макромолекул лигнинов от способов их выделения, стадии формирования растения и от молекулярной массы фракции

Способы выделения лигнинов из матрицы древесины

Из-за высокомолекулярной природы лигнина и особенностей его расположения в клеточной стенке древесины достаточно полное выделение лигнина в неизмененной форме невозможно. В химии лигнина принято, что структура лигнина механического размола (JIMP) наиболее близка к

нативной, а лигнин, выделенный смесью диоксан.вода (9:1) в присутствии кислоты — диоксанлигнин (ДЛА), хотя и несколько изменен, но довольно близок по структуре к JIMP.

Нами впервые проведено сравнительное изучение химической структуры лигнинов, извлечённых из древесины различными способами: JIMP, ДЛА и лигнина взрывного автогидролиза (JIBA), методом спектроскопии ЯМР 'Н и i3C. Показано, что при различном химическом воздействии на древесную матрицу существенно изменяется не только количество функциональных групп и связей, но и соотношение основных структурообразующих звеньев макромолекулы лигнина — S, G, Н (табл. 4).

Таблица 4.

Количество структурных звеньев, связей и функциональных групп в препаратах лигнина древесины осины, приходящееся на 100 АК (Ых)

Фрагменты и связи Препараты лигнина древесины осины

ЛМР ДЛА ЛВА

S + S'(S') 58 (5) 62 (18) 56 (33)

G + G' 28 26 26

Н + Н' 5 4 4

А + А' 9 15 13

S (аОО) 15 19 16

G (аОО) 2 4 8

SCap-0 268.0 264.0 269.0

SCap-C 122.0 137.0 168.0

SCHap 210.0 193.0 163.0

¿ССбсж. цепей 532.0 269.0 202.0

Cap-O-C 94.0 56.0 74.0

c=c 2.0 8.4 22.2

ОНфеи 20.0 47.0 53.0

c=o 6.1 14.9 28.6

C(0)H 3.1 10.3 14.2

C(0)0H 3.4 7.4 15.5

C(0)0 68.6 26.0 24.4

CH3o 144.3 144.4 120.2

CH30'* 10.0 16.5 21.5

* ОСН3' — стерически затрудненные метоксильные группы при ароматическом кольце, как в структуре А'.

В спектрах ЯМР 13С (подспектры С+СН2, СН+СНз) исследованных лигнинов присутствуют резонансные сигналы в области 115-95 м.д. и 62-60

м.д. которые могут принадлежать атомам С-1/С-3 структур А, А'и ОСНз' А', а также С-7 — А". Качественный анализ спектров показал, что кроме Н-,0-,8-звеньев в макромолекуле лигнина осины присутствуют структуры типа акронилина и диметилхромана (структуры А, А') (табл. 4), сигнала СНг-группы структуры А" в подспектре СНг-групп последовательности БЕРТ не обнаружено:

сн3 СНз СНэ

(А) (А1) (А")

Структура ХС, м.д. относительно ТМС

С-1 С-2 С-3 С-4 С-5 С-6 С-7

А 99.8 160.6 I 104.4 163.4 95.0 160.1 —

А' 109.4 162.4 113.2 164.0 100.4 161.4 —

А" 127.3 109.5 147.6 146.6 108.1 122.2 101.9

Поскольку обычно для исследования структуры лигнинов используют диоксанлигнины, то знания о степени изменения химической структуры на количественном уровне позволит методом обратной экстраполяции получить более достоверные сведения о структуре нативного лигнина.

Динамика структуры лигнина на разных Фазах развития растения

В данной главе приведены результаты исследования химического строения диоксанлигнинов выделенных из зрелых стеблей (ДЗС), из проростков семян (ДПС) и из оболочек семян (ДОС) хлопчатника.

Интенсивные резонанансные сигналы в области 146-145 м.д. в спектрах ЯМР 13С и значительное количество фенольных ОН-групп (табл.5) лигнинов ДПС и ДОС свидетельствуют о том, что в макромолекулах этих лигнинов присутствуют структурные звенья, в которых положения С-3/ С-4/ С-5 замещены OR-группами (R = Н, Alk; Alk# СНз) типа пирогаллола:

ОЯ(Н)

П(П')

Наличие подобных структур несколько изменило схему расчёта количества структурных Б-звеньев по формулам (12)-(16):

У1С-21С-6(Н*Н')

Пс-

1(П+ПЧЯ+Я')

100

(17)

Зная содержание структур П,П\ вычисляем количество неэтерифицированных сирингильных звеньев (Б'):

5' =\пс.г-он^1г-2 -Пс-кп.п}^ (18)

Таблица 5.

Количество структурных звеньев, связей и функциональных групп в диоксанлигнинах хлопчатника, приходящееся на 100 АК (Их)

Фрагменты и связи Препараты лигнина хлопчатника*

дзе ДПС ДОС

Б + Б' 44.6 23.1 34.3

С + С 41.3 15.2 18.7

Н + Н' 1-2 7.9 6.3

А + А'(А') 14.2 (8.6) 36.8 (18.0) 30.1(11.6)

П+П' 17.0 11.0

С=С 9.0

Сар-0-Сал 74.2 66.5 67.6

Сар"0-Сар 4.0 17.3 17.8

ХСср-0 259.0 269.0 269.9

232.3 207.1 196.8

1СНар 109.2 124.0 133.2

ЕСбо, цепей 289.2 587.1 291.0

ОНфен 37.0 88.5 67.7

С=0 10.6 33.4 22.0

С(0)Н 8.2 11.7 3.5

С(0)0Н 5.2 10.1 7.6

С(0)0 36.5 77.4 42.5

ОСНз 130.5 61.4 87.3

ОСНз' 8.6 18.0 11.6

* Диоксанлигнины хлопчатника вьщелены и любезно предоставлены сотрудниками Института растительных веществ (г. Ташкент)

Структуры лигнина на ранней стадии формирования растения (ДПС), а также лигнина, выделеннего из части растения, не связанной с

камбиальным слоем (ДОС) отличаются низким содержанием Б-, О-звеньев, большим количеством сложноэфирных связей и Н-, А-, П-звеньев, которые по типу замещения ароматического кольца близки к структурам гидролизуемых и конденсированных таннинов. Эти фрагменты встроены в макромолекулу лигнина и не являются низкомолекулярными соединениями (рис. 3), однако не исключена возможность, что экстрактивные вещества могли образовать химические связи с лигнином в процессе его выделения. Диоксанлигнины хлопчатника, который относится к травянистым растениям, отличаются от лигнинов, выделенных из древесины, исключительно высокой степенью конденсированности.

СложноэФиуные связи в лигнинах

Результаты анализа методом спектроскопии ЯМР химической структуры лигнинов различного происхождения показали, что во всех лигнинах присутствуют сложноэфирные связи, особенно их много в ДПС хлопчатника, находящегося на самой ранней стадии развития растения, что может, косвенным образом, подтвердить путь образования соединений-предшественников лигнина через шикимовую кислоту.

Химическая структура фракций диоксанлигнина хлопчатника

Полидисперсность препаратов лигнинов была подтверждена на большом экспериментальном материале. Анализ химического состава отдельных фракций лигнинов хвойных пород древесины показал их различие по элементному составу, содержанию метоксильных групп, неодинаковы были и УФ-спектры, однако каких-либо закономерностей в изменении этих характеристик по фракциям не было обнаружено.

Нами предпринята попытка ответить на вопрос: действительно ли отличаются по своему химическому строению фракции лигнина, либо их структуры усреднены, а если отличаются, то количественно оценить различия в структурах исследуемых фракций. Своё исследование мы провели на примере ДЗС хлопчатника, расфракционированного по ММ дробным осаждением из диоксанового раствора эфиром по методу треугольника. Получены фракции со следующими М„: 21800,19000, 12000, 5700,4100, 3000. Было установлено, что фракции отличаются друг от друга по химической структуре: низкомолекулярные фракции лигнина содержат относительно небольшое количество Б-фрагментов (25-34/100 АК), боковые цепи в них менее окислены, чем у высокомолекулярных фракций и существенно короче (250-220/100 АК), количество простых арил-алкильных и арил-арильных эфирных связей близко к таковым в исходном ДЗС хлопчатника. Высокомолекулярные фракции лигнина отличаются очень высоким, по сравнению с исходным ДЗС, содержанием ОСН3-групп (189/100 АК), Б-фрагментов (60/100 АК), альдегидных, карбоксильных и

фенолышх ОН-групп, а также меньшим количеством Сар-0-С связей (57/100 АК). Фракции лигнина со средними значениями М„ отличаются высокой степенью окисленности боковых цепей до С=0 групп, высоким содержанием C(0)0R (47/100 АК) и Сар-0-С связей (88-100/100 АК).

Глава 4. Применение спектроскопии ЯМР в исследовании структуры лигнинов различных технологических процессов делигнификации древесины

Сульфатная и тиосульфатная делигнификаиия древесины осины

Анализ спектров ЯМР 'Ни 13С лигнинов, выделенных в процессах щелочной делигнификации древесины осины (JICO, ТСЛО) показал, что происходит фрагментация макромолекулы лигнина за счет реакций разрыва алкил-арильных простых эфирных связей и С-С связей боковых цепей, "сшивка" (конденсация) отдельных структурных элементов лигнина за счет образования новых арил-алкильных и арил-арильных связей. Кроме того нами установлено, что фрагментация макромолекул происходит в неменьшей степени и за счет щелочного гидролиза сложноэфирных связей, однако не все они доступны химическим реагентам (табл.6).

Таблица 6.

Количество структурных звеньев, связей и функциональных групп в препаратах лигнина древесины осины, приходящееся на 100 АК (Ых)

Фрагменты и связи Препараты лигнина древесины осины

ЛМР ЛСО ТСЛО

S + S'(S') 58(5) 56 (33) 54(33)

G + G' 28 26 23.5

Н + Н' 5 4 5

А + А' 9 15 17-18

2-Сбоковых цепей 532.4 294.2 287.4

ХСНар 210.2 159.4 157.5

ХСар'С 122.2 199.8 183.6

Сар-О-С 94.4 39.5 55.4

ОНфен 20.3 65.2 60.2

ОНалк 141.2 23.1 16.4

С=0 6.1 13.1 18.7

С(0)Н 3.2 2.5 2.7

С(0)0 69.2 20.6 26.8

ОСНз 144.3 154.8 134.5

ОСНз' 10.0 10.7 7.9

Деметоксилирование ароматических колец не вносит заметного вклада в реакции деструкции лигнина. Разрыв Сар-0-С связей происходит преимущественно при S-кольцах. Соотношение основных структурных фрагментов S, G, Н меняется незначительно. Химическая структура макромолекулы ЛСО отличается от TCJIO большим количеством двойных связей, меньшим количеством простых эфирных связей и меньшей степенью окисленности боковых цепей.

Водно-этанолъная делигнификация древесины осины

Сравнение структурных характеристик лигнинов водно—этанольной делигнификации древесины осины при кислом катализе с JIMP осины показывает, что уменьшается средняя длина боковых цепей, происходит расщепление простых эфирных связей с образованием большого количества неэтерифицированных S-звеньев. Увеличивается степень конденсированности препаратов (табл. 7).

Интересен тот факт, что лигнин (4) — катализатор НС1 — содержит в несколько раз большее количество -С=С- фрагментов и значительно более конденсирован по ароматическому кольцу S-звеньев, нежели лигнин (2) — катализатор Н3РО4.

Таблица 7.

Количество структурных звеньев, связей и функциональных групп в препаратах лигнина древесины осины, приходящееся на 100 АК (Ых)_

Функциональные группы и связи ЛМР Лигнины водно-этанольной делигнификации*

О) Н,РО„, 155°С,30' (2) Н,РО<, 165"С. 120' (3) 1IC1.1 65'С, 90'" (4) НС1,165*С,90'

S + S' (S') 58(5) 56(19) 53(18) 54(21) 57(25)

G + G' 28 27 29 31 29

Н + Н' 14 17 18 15 14

Замещение S*, % 9.1 18.2 13.8 18.7 25.0

СН=СН 20.3 33.6 5.8 16.3 26.2

Сар-С 122.2 124.6 165.8 167.8 156.3

сар-о-с 94.4 54.5 48.4 49.0 39.6

ОН фея 20.3 34.8 39.9 44.3 45.1

ОН алх 141.2 122.0 65.4 97.0 65.7

С=0 6.1 9.0 10.1 4.8 8.2

С(0)Н 3.2 8.2 5.1 4.8 6.1

С(0)0 69.2 17.6 16.9 13.4 18.2

ОСНз 144.3 117.0 112.3 116.0 110.0

ОСНз' 10.0 22.0 22.7 22.4 33.0

* Лигнины древесины осины: ЛМР, ДЛА, ЛВА, ТСЛО, ЛСО и (1)-(4) выделены и любезно предоставлены сотрудниками отдела химии древесины ИрИОХ СО РАН. ** (3) выделен после экстрагирования целлюлозы добавлением HCl, лигнины (1), (2), (4) выделяли высаживанием раствора в воду.

Сравнение химической структуры лигнинов сульфатного, тиосульфатного и водно-этанольного способов делигнификации древесины осины показало, что в целом, лигнины водно-этанольного способа делигнификации содержат меньшее количество фенольных ОН-групп, большее количество простых эфирных связей, спиртовых ОН-групп и степень конденсированности препаратов примерно в 1,5 раза ниже. Всё это свидетельствует о более "мягком" характере данного процесса по сравнению со щелочными способами делигнификации древесины.

ВЫВОДЫ

1. На основе количественной спектроскопии ЯМР 'Н и 13С разработан комплексный подход к исследованию строения химически немодифицированных препаратов биополимера:

— подобран комплекс растворителей разной химической природы и усовершенствована методика дифференцированной оценки карбоксильных, фенольных гидроксильных и альдегидных групп, а также разработан метод оценки спиртовых гидроксильных групп методом спектроскопии ЯМР на ядрах водорода;

— проведена адаптация программ многоимпульсных экспериментов для количественной спектроскопии ЯМР на ядрах углерода для исследования лигнинов;

— проведена статистическая обработка результатов эксперимента, оценена погрешность определения всех полученных структурных параметров.

2. Разработанный подход к анализу природных полимеров позволил существенно расширить набор надёжно определяемых структурных параметров и на порядок сократить время эксперимента по сравнению с химическими методами исследования и, известными методиками с использованием спектроскопии ЯМР.

3. Исследована химическая структура препаратов лигнина различного происхождения. Установлено, что:

— лигнины, полученные разными химическими методами из одной породы древесины существенно отличаются по соотношению основных структурных элементов;

— лигнины, выделенные на разных фазах развития растения отличаются друг от друга по химическому строению и на ранней стадии формирования имеют встроенные в макромолекулу фрагменты, подобные конденсированным и гидролизуемым таннинам;

— фракции одного препарата лигнина с разными молекулярными массами отличаются количеством функциональных групп, связей и особенно соотношением фрагментов Э и в;

— в структуре всех исследованных лигнинов обнаружены сложноэфирные связи.

4. Количественная спектроскопия ЯМР является высокочувствительным и экспрессным методом выявления отличий в химической структуре лигнинов, полученных в результате различных технологических процессов делигнификации древесины и другого растительного сырья.

Публикации по теме диссертации

1. Рохин A.B., Каницкая Л.В., Калихман И.Д., Кушнарев Д.Ф., Бабкин В.А., Калабин Г. А. Дифференцированное определение содержания спиртовых, фенольных и кислотных гидроксильных групп в лигнинах методом спектроскопии ЯМР 'Н. // Химия древесины. - 1992. - № 1. - С. 76-79.

2. А.В.Рохин, Л.В.Каницкая, А.Н.Заказов, А.Ф.Гоготов, Д.Ф.Кушнарев, В.А.Бабкин, Г.А.Калабин Количественная спектроскопия ЯМР и 13С лигнинов водно-этанольной варки древесины осины // Химия природа, соедин., 1993. -№ 2.-С. 277-280.

3. Рохин A.B., Каницкая Л.В., Кушнарев Д.Ф., Калабин Г.А., Абдуазимов Х.А., Смирнова Л.С., Пулатов Б.Х. Количественная спектроскопия ЯМР 'Н и 13С диоксанлигнинов хлопчатника (Gossipium) // Химия природн. соедин. - 1994. - № 6. - С. 798-808.

4. Рохин A.B., Каницкая Л.В., Кушнарев Д.Ф. Комплексная методика анализа структурных групп препаратов лигнина различного происхождения методом ядерного магнитного резонанса на ядрах водорода-1 и углерода-13 // Сборник научных докладов областного конкурса на лучшую научную работу по естественным, техническим и гуманитарным наукам, 1996. - 120 с.

5. Л.В. Каницкая, А.Н. Заказов, O.A. Россинский, А.В.Рохин, В.А. Бабкин Исследование структурных изменений диоксанлигнина ели при действии пероксида водорода и боргидрида натрия //Лесной журнал. - 1993. - № 2-3.-С. 147-154.

6. Рохин A.B., Каницкая JI.B., Кушнарев Д.Ф., Гоготов А.Ф., Бабкин В.А., Калабин Г.А. Исследование структуры лигнинов водно-этанольной варки древесины осины // Экотехнология-96, г. Иркутск. - 1996. - Т. 1.

7. Рохин А В., Каницкая JI.B., Гоготов А.Ф., Кушнарев Д.Ф., Калабин Г.А. О химической структуре препаратов лигнина щелочных способов делигнификации древесины осины // Экотехнология-96, г. Иркутск. -1996.-Т. 1.

8. Каницкая Л.В., Рохин A.B., Кушнарев Д.Ф., Калабин Г.А. Количественная спектроскопия ядерного магнитного резонанса 'Н и 13С природных полимеров // Высокомолекулярные соедин. - 1996. - в печати.