Структура и полимерные свойства природного лигнина и его биосинтетических аналогов-дегидрополимеров тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.06 ВАК РФ

ргь Он

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УФИМСКИЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР ИНСТИТУТ ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ

па правах рукописи КАРМАНОВ АНАТОЛИЙ ПЕТРОВИЧ

СТРУКТУРА И ПОЛИМЕРНЫЕ СВОЙСТВА ПРИРОДНОГО ЛИГНИНА И ЕГО БИОСИНТЕТИЧЕСКИХ АНАЛОГОВ - ДЕГИДРОПОЛИМЕРОВ.

02.00.06 - Химия высокомолекулярных соединений

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора химических наук.

Уфа-1995

Работа выполнена в Отделе химии Коми научного центра Уральского отделения Российской Академии наук и Институте органической химии Уфимского научного центра Российской Академии наук.

Научный консультант: ■ член-корреспондент РАН

профессор МОНАКОВ Ю.Б.

Официальные оппоненты: член-корреспондент АН РБ

профессор САНГАЛОВ Ю.А.

доктор физико-математических даук

профессор

БУДТОВ В.П.

доктор химических наук профессор ПРОЧУХАН Ю.А.

Ведущая организация: Институт нефтехимического

синтеза им.А.В.Топчиева РАН

Защита состоится " 8 " июня 1995 года в часов на

заседании диссертационного совета Д 002.14.01 при Институте органической химии УНЦ РАН по адресу: 450054, г.Уфа, проспект Октября, 71.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке УНЦ РАН.

Автореферат разослан "_"_ 1995 года.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор химических наук

Галин ф.З.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальпость проблемы. Лигнин, как один из наиболее аспространенных природных полимеров, представляет собой ценное озобновляемое сырье химической промышленности. Однако его спользование ограничивается тем, -что многие аспекты структурной рганизации лигшша остаются малоисследованными. Это относится, в ервую очередь, к проблеме топологии полимерных цепей, т.е. труктуры макромолекулы как совокупности элементов, изображенной в иде графа без учета конкретного химического содержания (согласно пределения Иржака, Розенберга и Ениколопяна). Наиболее [ерспектавным подходом к углублению представлений о опологаческой структуре макромолекул липшна являются равнительные исследования гидродинамических свойств природных и [скусственных биосинтетических лигнинов - дегидрополимеров. Актуальными задачами в этом плайе являются установление заимосвязи между условиями биосинтеза in vitro и 1акромолекулярными характеристиками bulk- и end-wise-[егидрополимеров, а также оценка адекватности гипотезы о |>рактальной природе нативного и биосинтетических лигнинов. 1оскольку фрактальные свойства макромолекул могут быть )бусловлены динамикой процессов полимеризации, то актуальной таношгтся проблема изучения динамических закономерностей [>ерментатавного синтеза дегидрополимеров, выявление и изучение фоцессов динамической самоорганизации.

В России основным способом получения целлюлозы из древесины голяется сульфатный, доля которого в общем балансе производства ^елгаолозно-волокнистых материалов непрерывно увеличивается, что :оотаетствует мировым тенденциям развития целшолозно- бумажной тромышленности. Несмотря на широкое практическое применение ;ульфатной варки механизм и кинетика щелочной делигнификации «учены до настоящего времени недостаточно, что является тормозом тля ее оптимизации и совершенствования. Таким образом, изучение шнетических закономерностей деструктивных превращений лигнина и эбусловленного ими процесса делигнификации древесины, а также :оздание кинетических моделей варочных процессов, являются актуальными задачами. Совершенно очевидна также необходимость гоиска новых методов делигнификации, которые наряду с решением технологических и экологических проблем обеспечили бы получение

продукта с необходимыми качественными показателями. Успех в это» поиске зависит, главным образом, от понимания структур! макромолекулы лигнина.

Таким образом, исследования молекулярной и топологической структуры природного лигнина, строения и свойств биосинтетических пблимерных моделей лигнина, закономерностей биосинтеза in vitro и деструктивных процессов при щелочных варках древесины представляют собой проблемы, отвечающие современным тенденциям развития науки, позволяющие создать более глубокую теоретическую базу для работ технологического направления с целью рационального использования растительного сырья.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с планами научно-исследовательских работ Отдела химии КНЦ РАН по темам:

"Модификация лигнина методом этерификации с целью созданш комплексного органоминерального удобрения"( № государственно? регистрации 01.84.0.071821).

"Разработка новых методов синтеза модельных соединений протолигнина и экспериментальных технологий модификации промышленных видов лигнина. Раздел 2. Синтез и исследование физико-химических свойств полимеров, полученных методом энзиматической дегидрополимеризации гваяцил-сирингил и р-окси-фенилпропановых структур". 2.14. Задание программы фундаментальных исследований РАН " Химия новых веществ и материалов".

Цель работы. Исследование молекулярной и топологической структуры природного лигнина и его макромолекулярных биосинтетических аналогов - дегидрополимеров.

Исследование влияния условий биосинтеза in vitro на характеристики макромолекулярной структуры bulk-ti end-wise дегидрополимеров.

Изучение гидродинамических и термодинамических свойств, разбавленных растворов лигнинов. Исследование разветвленности полимерных цепей лигнинов и дегидрополимеров. Характеристика макромолекул как фрактальных объектов. Исследование температурных переходов лигнина

Выявление и изучение процессов самоорганизации при формировании природных и биосинтетических лигнинов на основе принципов синергетики и нелинейной динамики.

Определение кинетических параметров процессов делигнификации древесины в технологических процессах переработки древесины и теоретический анализ кинетики деструкции природного лигнина.

Научная новизна. Предложен новый подход к изучению структурной организации лигнина, основанный на экспериментальном моделировании биосинтеза и анализе гидродинамических и фрактальных параметров структуры макромолекул природного лигнина и его биосинтетических аналогов -дегидрополимеров.

Установлены закономерности влияния условий биосинтеза in vitro на строение дегидрополимеров из феруловой кислоты; обнаружена устойчивость параметров химической структуры к действию факторов внешней среды - температуры, рН, расхода и режима подачи реагентов - в условиях bulk- и end-wise-полимеризации. Разработаны методы ферментативного синтеза дегидрополимеров и впервые обнаружено явление самоорганизации в процессе лабораторного биосинтеза с образованием пространственно-периодических наслоений дегидрополимера. Выявлена возможность осуществления цегидрополимеризации в динамическом режиме хаотического странного аттрактора и установлены его фрактальные характеристики гипа размерностей Реньи.

. Установлена взаимосвязь между гидродинамическими и фрактальными характеристиками исследуемых полимеров и показано, что разветвленные макромолекулы ftii/fc-дегидрополимера являются реальными фрактальными объектами с дробной размерностью, а макромолекулы end-wise- дегидрополимера имеют линейную топологическую структуру.

Получены новые экспериментальные данные о топологической структуре растворимых природных лигнинов с различной предысторией, подтверждающие гипотезу о разветеленности макромолекул лигнина, и дана количественная оценка параметров , разв етвленности.

Установлено, что образование структуры растворов лигнина в ЦМСО и диоксане сопровождается уменьшением энтропии aS < 0 и энтальпии дН< 0 , а при повышении температуры в пределах от 20° С цо 80° С происходит ухудшение термодинамического качества растворителей в отношении диоксанлигнина.

Предложен метод исследования количественного распределения лигнина в клеточных оболочках древесины, представляющий собой комбинацию электронной микроскопии, денситометрического анализа микрофотографий лигнинных скелетов древесины и определения фрактальных параметров.

Показано, что кинетическое поведение лигнина в условиях делигнификации, древесины при низкотемпературной варке в щелочной и суперосновной среде на основе ДМСО-NaOH подчиняется принципу кинетической неэквивалентности реакционных -центров и может быть описано в рамках модели полихр.онной кинетики. Установлены характерные особенности сульфатной варки и разработана кинетическая модель делигнификации древесины.

Практическая ценность работы. Разработанные методы биосинтеза in vitro, установленные закономерности полимеризации, полученные данные о химической и топологической структуре дегидрополимеров открывают новые подходы к изучению процессов лигнификации растительной ткани

Разработан вариант метода определения ключевого параметра уравнения Когана-Гандельсмана-Будгова, характеризующего для определенного класса разветвленных полимеров закономерность изменения длин ветвлений с номером поколения ветви.

Результаты проведенных кинетических исследований могут бьг использованы при решении ряда технологических задач - оптимизаци совершенствования и интенсификации существующего процес сульфатной варки, а также при разработке новых технологичесю процессов переработки древесины.

Апробация работы. Результаты работы докладывались обсуждались на Всесоюзном семинаре "Линоуглеводные комплекс древесины" (Рига, 1978г.), II Всесоюзной конференции молодых учень по химии древесины (Рига, 1978г.), научно-технической конференщ "Рациональное использование и восстановление природных ресурсов i Европейском Севере (Архангельск, 1980г.), XII Менделеевском съезде i общей и прикладной химии (Баку, 1981г.), Всесоюзной конференщ "Теоретические проблемы новых методов делигнификации древёсиш (Братск, 1985г.), VII Всесоюзной конференции по химии использованию лигнина (Рига, 1987г.), IV Всесоюзном семинаре г химии древесины (Рига, 1990г.), Всесоюзном семинаре "Проблем окислительно-восстановительных превращений компонентов древесиш

Архангельск, 1990г.), I Всероссийском совещании "Лесохимия и рганический синтез" (Сыктывкар, 1994г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 37 статей, тезисы 12 ;окладов, получено 1 авторское свидетельство.

Структура работы. Работа изложена стргтицах машинописного екста, содержит 6* таблиц и 9<2 рисунков, и состоит из введения, итерагурного обзора, методической части, обсуждения результатов, ыводов. Список литфатуры содержит Ъ(0 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

1. Синтез и структура полимерных моделей лигнина - дегидро-

полимеров.

Дегидрогенизационная полимеризация мономерных предшествен-[иков лигнина, приводящая к образованию лигнина, инициируется Ферментативным комплексом пфоксидаза—пероксвд водорода. Макро-юлекулы лигнина образуются при случайной (без ферментативного :онтроля) рекомбинации феноксильных радикалов- мономерных, ашерных, тримерных и т.д., возникающих на различных стадиях ¡иосинтеза. Характерной особенностью лигнина является отсутствие динообразия структурных элементов, из которых состоит макро-юлекула, причем гетфогенность и хаос на различных уровнях ггруктурной организации лигнинного иолимфа генетически пред-щределяются структурой мономфного феноксильного радикала, :пособного существовать в различных таутомфных формах. 1резвычайная сложность природного лигнина, отсутствие безупречных (етодов извлечения неизмененного лигнина из растительной ткани ¡агрудняют расшифровку структуры этого полимфа и требуют ^пользования широкого набора различных экспфиментальных методов исследования.

В настоящем разделе обсуждаются результаты исследования 1егидрополимфов (ДГП), синтезированных в дегидрогенизационнон :истеме феруловая (4-окси-3-метокси-коричная)кислота -пфоксвдаза -1фоксид водорода методами "многодневного прикапьшания" (так 1азываемый end-^vise-метод) и "однократного прибавления" (bulk-¿етод) Фрейденбфга. Одна из проблем состоит в установлении )заимосвязи между условиями биосинтеза in vitro и структурными

характеристиками дегидрополимеров на основе феруловой кислоты ка биосинтетических аналогов хвойных лигнинов.

1.1. Влияние условий синтеза на строение и свойства ДГП.

Температура синтеза. Большинство химических реакций с участие] ферментов возможны лишь в достаточно узких температурных рамках.! отличии от этого, как нами установлено, ферментативная актшзност системы пероксидаза-пероксид водорода сохраняется в широко] температурном интервале от ~0 до 70°С. Нами были осуществлен] биосинтезы дегидрополимеров bulk- способом при температурах +10 +60 °С и проведено изучение строения и свойств синтезированны полимеров.

Наиболее высокие степени конверсии наблюдаются пр температурах 20°С (выход ДГП-78%) и 30°С (83%). При t=10°< образуются низкомолекулярные полимеры с ММ=4.4*Ю3(ДГП-Т10-1) 2.9 • 103(ДГП-Т 10-2). Повышение температуры синтеза приводит постепенному увеличению гидродинамических параметров fa] и ! дегидрополимеров (рис. 1), что указывает на увеличение МД макромолекул. Максимальное значение ММ -17,6*103 отмечено дл ДГП, синтезированного при 50 °С.

S , св.

[ т! ] , см /г

2,52,01,51,0-

12,0 10,0 8,0 6,0

10

20

30 40

50

60

Рис.1. Зависимость коэффициентов седиментации S характеристическо) вязкости |tj] образцов ДГП-Т1 с^ температуры (Ьинтеза.

Данные о молекулярной структуре показывают, что при различны: температурах происходит синтез весьма близких по строении дегидрополимеров. Так, степень конденсированности (дол

юмятических единиц со связью С5-С-) по данным ЯМР 13С ¡меняется для различных образцов в интервале от 0.33 до 0.38, шичество структурных фрагментов с р-р-связью (типа шорезинолов) составляет величину 0.15±0.07, ароматических гтоксилов - 0.92±0.04 ед/ФПЕ. Количество структурных элементов со южноэфирной связью (ИКС, полоса 1780 см -1) колеблется в образцах :мпературной серии в пределах ±15-И 8%.

Расход ферментативного комплекса. Хотя механизм пероксидазного сисления монолигнолов пока недостаточно ясен, тем не менее 1евидно, что количество ферментативного комплекса (ФК) в ;акционной системе является важным фактором, регулирующим эоцесс дегидрогенизации и рост молекул полилигнолов. Увеличение шхода ферментативного комплекса приводит к уменьшению степени >нверсии и снижению молекулярной массы дегидрополимеров (табл.1)

Таблица 1

Гидродинамические характеристики образцов Д ГП, синтези-юанных при различных расходах ферментативного комплекса*. 'астворитель-ДМФА, 25°С, р0 = 0.94699 г/см3, т]0= 0,78 сп.)

Образец Расхол ФК Выход дгп,% в.св • г ■ [л!> см3/г 1-УРо Ю~3

ЦГП-Р1 2 72.6 2.7 7.2 0.380 14.5

ДГП-Р2 4 66.8 2.0 7.0 0.368 9.8

ЦГП-РЗ 6 65.8 1.5 6.5 0.365 6.4

ДГП-Р4 8 53.2 1.9 6.2 0.352 5.4

Расход ФК приведен в единицах расчетной степени дегидрогенизации

Судя по гидродинамическим параметрам, при меньших расходах ФК зразуются относительно более компактные макромолекулы. Как и в ;мпературной серии экспериментов, образцы ДГП-Р характеризуются шзкими значениями параметров химической структуры (табл.2 ).

Таблица 2

Распределение структурных фрагментов для образцов ДГП-Р по

Фрагмент

ЛГП-Р1 ЛГП-Р2 ЛГП-РЗ ЛГП-Р4

Сиеднее

С.ООН, COOR

0.55

Сар. связанные с | атомом "О"

Сар (чета.) Сар (трет)

Салиф- (трет) Ср (р-р)

1.33 1.29

0.59 1.74 1.24 1.41

0.37 0.56 0.07 0.23

0.73 1.83 1.31 1.30 0.36 0.12

0.57 1.69 1.32 1.32

0.61+0'12 -0.06

1.78+0.09

ио+о.оз -0.06 1.33+0-08 -0.04 0.43+0-13 -0.07 017+0.09 -0.07

* ФПЕ-фенилпропановая единица.

Анализ количественных данных, полученных различными методам* (ИКС, ПМР, ЯМР13С, элементного и термического анализа) позволяем сделать вывод о том, что химическая структура дегидрополимеро! характеризуется определенной устойчивостью к изменению количеств? биокатализатора в дегидрогенизационной системе.

ВлияниерНсреды. Величина рН также является существенным фактором регулирующим ход ферментативных реакций при синтезе бно макромолекул. Фрейденбергом показано, что варьирование рН реакционной системы при дегидрополимеризации конифериловогс спирта в пределах 5.5-8 ед. приводит к определенному изменению химического состава и физико-химических свойств синтезированные полимеров. Сведения о влиянии этого фактора на -строение ДГП и; других мономерных предшественников лигнина практически отсутствуют. Нами проведено исследование ДГП, синтезированного при физиологически оправданных, близких к нейтральным, рН среды (табл. 3).

Таблица 3

»лемеигный состав (%), количество некоторых функциональных групп (%) и рутто-формула мономерного звена образцов ДГП, синтезированных при азличных рН среды.

Образец РН Углерод Водород Ср-формула СООН ОН

jrn-ш 5.9 63.6 5.2 ' C9Hfi.97O2.70(OCH3)0.97 3.5 4.9

}ГП-Н2 6.3 64.1 5.4 . . . 2.9 4.8

1ГП-НЗ 7.0 63.4 • 5.3 С9Н7Л702.72(ОСНЗ)О.99 3.1 4.2

Сак показали исследования, содержание углерода составляет 63.4-:-4.1%, водорода - 5.2-7-5.4%. Спектры ПМР образцов, различающиеся ишь в деталях, имеют четко выраженные сигналы с максимумами 6.0, .0, 7.4.м.д. в области резонанса ароматических протонов и 3.7, 4.0, 4.3 [.д. (протоны в 0-0-4 и p-p-структурах). Число ароматических [ротонов составляет в среднем 2.38 ат.Н/ФПЕ.

1.2. Строение и свойства bulk- и end-wise дегидрополимеров.

Сравнительное исследование биосинтетических лигнинов, полученных !етодами bulk- и ел^-уше-полимеризации при одинаковых условиях и исходах реагентов, позволяет получить данные о влиянии режима юдачи мономера и пероксида водорода в зону реакции на структурные 'собенности образующихся полимеров. Биосинтез епЛ-н'Ье-деп ¡др о п о -имера (ДГП-Е) осуществляли в течение 500 часов, ДГП-В - 30 мин.

Гидродинамические свойства и топология полимерных цепей ДГП.

Гидродинамические исследования дегидрополимеров проводили (етодами поступательной диффузии, вискозиметрии и скоростной едиментации. Образцы были предварительно расфракционированы на 0-11 фракций, которые были подвергнуты, элементному и )ункциональному анализу. С точки зрения аналитических данных о одержании углерода (63±1.3%), водорода (5.5+0.5%), ОСНз-групп (16.2 :1.3%) фракции ДГП являются вполне однородными.

Среднее значение гидродинамического инварианта Флори-Ланделькерна фШр-1 оказалось равным 2.35-10_6 для £и/А:-полимера габл. 4) и 2.7-10~6 для ДГП-Е. Для линейных гауссовых цепей еоретическое значение (фМЗ Р~1)л = 2.7-10-6; доя разветвленных

полимеров, как правило, ниже на 10-20%. Линейный характе зависимостей [til, SQ, D0 от молекулярной массы в логарифмическо: масштабе позволил оценить значения констант bj и Kj в соотношения типа Марка-Куна-Хаувинка C¡ =K¡Mbi, где Cí=|tiJ, или D0, или S, (табл.5). Полученные результаты показывают, что поведени макромолекул ДГП-В отличается от поведения гауссового ненротс каемого клубка. Как известно , для линейных полимеров 0.5 < Ь^ ¿0.8

выполняются соотношение (I-III):

|bD¡=(bT1+iy3=l-bs (I)

КТ1ШКп=АоТ/ло (II)

КПШ Ks =Ao(l-vpoyrl0 R (III)

« Таблица 4

Гидродинамические и макромолекулярные характеристики фракций bulk-полимера (диоксан-вода96:4,25°С, ро=1.031<?6г/смЗ,rio^l.19 сп.)

Фо акция м. . смЗ/г D0 107, см2/с So10l3, с MSD 10-3 10-3 фШ р-1 юб

1 6.5 • 3.3 2.03 58.0 519 1.6

2 6.7 5.2 1.72 31.2 31.0 2.0

3 5.8 6.7 1.99 21.0 20.8 2.1

4 5.7 10.0 1.32 12.4 12.3 2.7

5 5.3 10.4 - - 11.6 -

6 5.2 10.2 - - 10.0 -

7 5.1 11.6 1.01 8.2 8.2 2.6

8 4.8 13.2 0.74 5.9 5.3 2.5

9 4.8 12.6 - - 5.2 -

-ю 4.5 15.0 - - 3.3 -

11 3.4 18.4 - - 0.4 -

нф 5.3 8.9 - - 11.6 -

Значения Ь^ для ДГП-В составляют 0.13-0.14. Экспериментальна? величина Ь8 (0.41) отличается от рассчитанной по соотношению (I) Таким образом, особенности гидродинамического поведения ДГП-Е свидетельствуют о разветвленное™ его макромолекул.

Сонформацня молекул ДГП-Е отличается от конформации и ткромолекул ДГП-В и непротекаемого гауссового клубка, поскольку =0.78 и bD =-0.58. Столь высокие значения коэффициентов Ь^ и bD арактерны либо для протекаемых молекулярных цепей, либо для ткромолекулярных клубков в "хороших" растворителях. В любом лучае речь идет о линейной топологии макромолекул.

Таблица 5

Значения констант bj и Kj в соотношениях типа Марка-Куна-Хаувинка для bulk и end-wise- ДГП.

Характеристика

Ь;

Abj

К;

Do-MDp So-Msd

w-msd hl-Mj^

fabMsD

h]-Mi>i

Do-M^

SO-MSD

W-Mn Do-Mn

Обоазен ЛГП-Е

-0.58 0.01

0.45 0.02

0.97 0.01

0.78 0.02

Обтзеи ЛГП-В

0.14 0.01

0.13 0.01

-0.35 0.03

0.41 0.01

0.25 0.02

-0.46 0.05

1.2-Ю"4

,-16

8.4-10"

1.3-10

6.4-10"

-5

1.5Ч0" 1.6-10'

2.1'Ю"

,"2 -5

2.5-10'

,-16

6.8-10 5.010"

-з

,-5

5

Поэтому значение и К| в соотношениях (1-Ш) взаимосогласованы, то свидетельствует об эквивалентности размеров макромолекул в влениях поступательного и вращательного трения, а величина идродинамического инварианта Флори-Мацделькерна соответствует, ак уже указывалось, инварианту линейных полимеров.

Таким образом, дегидрополимеры, синтезированные в одинаковых словиях при одинаковом расходе мономерного субстрата и иокатализатора, но при разных способах подачи мономера в еакционный объем, существенно отличаются по топологической

структуре: дегидрополимер, полученный еп£?-иые-полимеризацией представляет собой линейный полимер, тогда как второй вариант синтеза - ЬмЛ-полимеризация - позволяет синтезировать хаотическ* разветвленный полимер, который по гидродинамическим i конформационным характеристикам, в основном, соответствуеч растворимым образцам природного лигнина.

Химическая структура bulk-u end-wise-ДГП. В соответствии < концепцией Сарканена bulk-u end-wise-ДГП должны весьмг существенно различаться по химическому строению, в частности, пс 'содержанию р-0-4, р-5, р-р-структурных элементов, степени конденсированности, количеству ряда функциональных групп. Известнь ИК- спектральные критерии для отнесения дегидрополимеров к bulk (980 см -1, 1330 см-') и end^wise -типам (1045 см-1, 1280 см~1).

В табл. 6 представлены относительные оптические плотности (А^ А|5оо) ряда полос поглощения ИК-спектров bulk-и end-wise-ДГП Анализ этих данных показывает, что спектральные критерии Сарканена не выполняются. ДГП-В и ДГП-Е одинаковы и по степени конденсированности, поскольку Сар (четв) для ДГП-В составляет 1.33i 0.09, для ДГП-Е —1.38±0.05, а число ароматических протонов соответственно 19.3 и 16.2 (относительное содержание в %). Содержание p-p-структур пинорезинольного типа в образцах ДГП bulk-mna колеблется в пределах 0.16±0.07 ед/ФПЕ, end-wise - 0.21±0.03 ед/ФПЕ.

Сложнее сделать однозначное заключение о количестве р-0-4 структур, однако , если различия в их содержаниии в двух типах полимеров и существуют, то они невелики. Это следует из анализа интегральной интенсивности углеродного спектра в диапазоне 75-90 мд., где имеются резонансные сигналы Ср-атомов p-O-4-структур ' (около 80, 82, 86, 87 м.д.).

• Таким образом, анализ данных о структуре двух типов биосинтетических лигнинов не позволяет сделать вывод о коренных различиях этих полимеров по содержанию ключевых структурных элементов и функциональных групп, т.е., гипотеза Сарканена о возможности биосинтеза in vitro различных ( с точки зрения химической структуры) так называемых bulk-и end^mse- ДГП, исключительно за счет изменения режима подачи реагентов в реакционную зону подтверждения не получила.

Таблица 6

Относительные оптические плотности ((А; / А1500) ИК-спектров Ьи1к-и

епс1-\ше-ДГП.

V, см-1 Ьи1к- епс1-\У1зе-

ДГП-Р ДГП-Т1 ДГП-Н ДГП-Е

1720 0б4+0.02 • 0.53+0-06 0.54+0-04 074+о.и

-0.06 -0.08 -0.06 -0.15

1600 0.67±0.01 0.64+ОЛО 0.82+0.03 0.80+0Л5

-0.12 -0.19

1330 О.69+0Л1 0.83+0.03 072+0.04

-0.12 -0.04

1280 1Л8+0.06 1 Л1+0.08 ! 24+0.02 125+0.09

-0.04 -0.09 -0.04 -0.08

1230 1.02±0.03 1.00+0.13 ! 09+0.03 , 07+0.11

-0.02 -0.14

1045 071+о.оз а70+0.09 0.78±0.03 072+о.оз

-0.02 -0.08 -0.06

980 0.47±0.02 0.44+0"12 0 47+0.04 0.50+0Л2

-0.09 -0.07 -0.14

2. Синтез дегидрополимеров и явления самоорганизации.

По современным представлениям объекты биологического происхождения обретают структуру и функции в результате самоорганизации. Особая роль отводится явлениям динамической самоорганизации, сопровождающимся образованием упорядоченных диссипативных структур.

Не исключено, что при биосинтезе лигнина также происходят те или иные процессы самоорганизации, однако экспериментальные данные о наличии структурного порядка или пространственно-временной упорядоченности процесса лигнификации до настоящего времени практически отсутствовали.

В данном разделе изложены результаты изучения . дегидрополимеризации в системе феруловая кислота-пероксид водорода-пероксидаза по предложенным нами новым процедурам биосинтеза in vitro, которые свидетельствуют о принципиальной возможности протекания процессов динамической самоорганизации при биосинтезе лигнина.

2.1. Динамическая самоорганизация в процессе биосинтеза дегидрополимеров.

Дегидрогенизационные системы пероксидаза- пероксид водорода-монолигнол, отвечающие в методическом плане bulk- и end-wise-методам, являются открытыми системами с перемешиванием. В отличие от этого в предложенном нами "одномерном" (ОРД) методе принудительное перемешивание отсутствует, и реакция ферментативной дегидрополимеризации осуществляется при встречной диффузии реагентов в узкой стеклянной трубке. *

Мы называем систему "одномерной", потому что концентрации реагентов существенно изменяются лишь вдоль одной пространственной координаты z (рис. 2). 3-подсистема представляет собой гелеподобную матрицу (сефадекс G-75, набухший в буферном растворе), чсодержащую х необходимое количество растворенных мономера и пероксидазы. Реакция дегидрополимеризации начинается в момент приведения в соприкосновение растворов S и 3. При этом немедленно возникает ярко-окрашенный фронт реакции. Как правило, движение фронта реакции направлено вниз,

так, что полимеризация протекает в геле Рис.2. Схема ОРД-биосин-сефадекса. теза. S-силовая (strength)

Как показали наблюдения, поведение подсистема, 3-информацион-системы существенно зависит от начальных ная подсистема, условий процесса, прежде всего от концентрации пероксида водорода. В области низких концентраций пероксида водорода

(<0.01%) движение фронта реакции замедленное или оно отсутствует; структурообразование не наблюдается. При высоких концентрациях

У /

пероксида водорода фронт реакции нечеткий, расплывчатый, и характеризуется наличием неоднородностей. Скорость его распространения высокая, затем постепенно уменьшается. После некоторого индукционного пдзиода образуется коллоидный осадок дегидрополимера без видимых следов структурирования. По данным ИК-спектроскопии структура ДГП аналогична дегидрополимерам, полученным традиционными методами. Один из вариантов эвошоции системы приводит к образованию визуально наблюдаемых диссипативных структур (рис.3), представляющих собой макроскопические пространственно-временные периодические наслоения ДГП. Скорость движения фронта реакции (плоский диск красного цвета толщиной ~0.5-т-1 мм) - постоянная. Денситометрический анализ фотографий диссипативной системы свидетельствует о периодичности количественного

распределения концентраций ДГП по длине реактора. В рамках представлений о фазовом пространстве периодический колебательный процесс соответствует замкнутой кривой и свидетельствует о возможности реализации устойчивого динамического режима дегидрополимеризации - аттрактора типа предельный цикл.

Таким образом, в процессе биосинтеза Рис.3. Просгранственно-

лигнина in vitro в определенных условиях периодические наслоения ДГП

при ОРД-биосннтезе одномерной постановки эксперимента г

обнаружено самопроизвольное, без какого-либо специфического воздействия извне, образование макроскопических пространственно-временных периодических элементов структуры, т.е., явление динамической самоорганизации.

2.2. Динамический режим дегидрополимеризации. Странный аттрактор.

Метод "одномерной" дегидрополимеризации можно считать удобным модельным вариантом биосинтеза in vitro, в котором существуют однонаправленные потоки реагентов. В качестве следующего приближения к реальному биосинтезу лигнина мы предложили "двумерное" исполнение дегидрогенизационной системы. Процесс полимеризации происходит в тонком слое гелеподобной

матрицы, содержащей, как и в "одномерном" варианте, растворенные мономер (феруловая кислота) и пероксидазу. Второй компонент ферментативного комплекса, необходимый для инициирования полимеризации, пероксид водорода, поступает из локального источника( пейсмейкера), в качестве которого использовали цилиндрик из цещполозно-волокнистого материала. Пейсмейкер предварительно пропитывали раствором пероксида водорода необходимой концентрации. Эксперименты проводили как без, так и при доступе кислорода воздуха. За ходом процесса следили по изменению окислительно-восстановительного потенциала (ОВП) платинового электрода относительно хлорсеребрянного.

Были обнаружены следующие основные виды временных зависимостей сигналов ОВП: 1) монотонное изменение потенциала 2) ритмические колебания 3) нерегулярные колебания, (рис. 4).

С точки зрения динамики первая зависимость отвечает аттрактору типа предельной точки. Вторая зависимость характеризует режим предельного цикла. По-видимому, этот режим соответствует образованию диссипативных структур. Однако прямое сопоставление с описанным выше "одномерным" синтезом невозможно, поскольку данные относятся к различным масштабным уровням.

Для идентификации режима нерегулярных колебаний ОВП нами использованы методы нелинейной динамики и специальные критерии типа размерности Реньи ёд . На рис. 5 изображена траектория системы (фазовый портрет) в двумерном псевдофазовом пространстве. Фазовый портрет составлен по данным рис. 4(6) методом объемлющего пространства Паккарда. Для определения размерности Реньи непрерывную траекторию дискретизировали, заменив ее множеством из N точек (N>5000), Размерность Реньи <!<, численно равна фрактальной размерности самоподобия, <11 -информационной размерности, -корреляционной фрактальной размерности. Определение этих параметров позволяет идентифицировать различные типы хаотических движений.

Оказалось, что <10=1.43, ^ =1.55, <12 =1.61. Полученные данные показывают, что анализируемый режим нерегулярных колебаний ОВП (рис. 4,6) характеризуется наличием фрактальных свойств. Как известно, фрактальные свойства динамических закономерностей - - визитная карточка хаотического странного аттрактора.

Поэтому можно сделать вывод, что эволюция изучаемой цегидрогенизационной системы представляет собой устойчивое динамическое состояние - странный аттрактор.

(О го ¡о ^ни*

£ '

10 20 30 "Ь^т

Рис.4. Временные зависимости ОВП для системы феруловая кислота (ф.к.) - пероксидаза (П) - пероксид водорода (ПВ):а - ф.к.. - 0.047 моль/л, П- 1.2 Ю-6 моль/л, П.В.-0.147 моль/л ( кривая 1 ) ф.к.-0.025 моль/л , П-0.9 10_б моль/л, П.В.-0.02 моль/л (кривая 2 ) - ф.к.-0.258 моль/л , П-2.5 10-6 моль/л, П.В.-0.46 моль/л в - ф.к.-0.258 моль/л , П-5.6 10-6 моль/л, П.В.-0.65 моль/л

Таким образом, и в данном случае можно говорить о самоорганизации процесса биосинтеза ДГП, так как в системе самопроизвольно устанавливается внутренний порядок; возникает структура, которая имеет фрактальные свойства. Эта структура характеризуется набором фрактальных размерностей Реньи.

E(T+t)

V

J) ш \

ф щ

E(T)

Рис.5. Фазовый портрет эволюции дегндрогеннзационной системы в двумерном пространстве по да1шым рис. 4(6).

2.3. Фрактальная природа макромолекул bulk-и end-wise-дегидрополимеров.

По гипотезе Гравитиса неупорядоченная, неоднородно сшитая структура лигнина описывается фрактальной моделью Виттена-Сандера, согласно которой рост фрактального кластера происходит как процесс диффузионно-лимитируемой агрегации. Нами проведена экспериментальная проверка данной гипотезы на биосинтетических лигнинах - bulk- и end^vise-ДТП.

Образование фрактальных кластеров как реальных физических объектов можно ожидать при выполнении следующих предпосылок: система открытая, лимитирующая стадия- диффузия, размер частиц -порядка нм. Главными критериями для отнесения структурного образования (кластера) к фрактальному типу являются выполнение

принципа масштабной инвариантности (самоподобия) и дробная размерность. Биосинтез ДГП in vitro по методике Фрейденберга вполне этвечает условиям фрактального режима процесса. Изучение гидродинамических свойств фракционированных ДГП-В и ДГП-Е в разбавленных растворах позволило проверить выполнимость основных критериев фрактальности.

Справедливость принципа самоподобия следует из того, что значения коэффициентов седиментации SD , поступательной диффузии D0 и характеристической вязкости для фракций ДГП-Е и ДГП-В укладываются на единые зависимости в построениях Марка-Куна-Хаувинка. Размерность макромолекул df определяли различными способами (табл.7):

1) по соотношению М ~ RG^f, где RG -гидродинамический радиус;2) по уравнению 1/df =|bD|=(bT1+l)/3=l-bs; 3)по соотношению g~M 3/df-1.5

Таблица 7

Фрактальная размерность df полимеров ДГП-В и ДГП-Е

Метод Способ ДГП-В ДГП-Е

исследования определения

Ли4сЬузия 1 t 2.35Ю.38 1.51+0.15

Ли(Ь4узия 2 2.86±0.25 1.72+0.03

Вискозиметоия 2 2.64+0.04 1.60+0.10

Вискозиметоия 3 2.62Ю.10 -

Седиментация 2 1.70+0.04 1.82±0.07

Фрактальная размерность ДГП-В в среднем составляет 2.62 ± 0.27, что в пределах погрешности соответствует модели Виттена-Сандера диффузионно-лимитнрованнон агрегации типа частица-кластер (ВЬА Р-С1) для трехмерного пространства при броуновском движении частиц. Размерность макромолекулы ДГП-Е - 1.66± 0.16, что совпадает с df моделей кластер-кластерной агрегации и случайных блужданий без самопересечений (СББС). Реальные физические условия синтеза ДГП-Е существенно отличаются от предпосылок модели кластер-кластерной агрегации, предусматривающей наличие высокой начальной концентрации реагирующих частиц. Вторая модель более реалистична. Это подтверждается анализом экспериментальных и теоретических

данных, выявившим взаимосвязь между статистикой полимерных цепей и их фрактальными свойствами . Эта взаимосвязь основана на аналогии между поведением линейной полимерной цепи в термодинамически хорошем растворителе и траектории случайных блужданий без самопересечений. Критический показатель теории Флори ур совпадает по величине с критическим показателем модели СББС ус, т.е., = \с = 3(<1+2)_1 при <1<4, где ^размерность пространства. Фрактальная размерность <1/ =1/ус , что позволяет в конечном итоге сравнивать экспериментальные данные для реальных полимеров с данными компьютерных экспериментов. Для образца ДГП-Е в ДМСО: Ц =0.78+0.02, Ур=0.60±0.05, dpl.66l0.16. Модель СББС характеризуется величинами Ьг]=0.78, ус=0.59 , (1^=1.66 .

Как было показано в предыдущем разделе, макромолекулы ДГП-Е имеют линейную структуру. Таким образом, совпадение скейлинговых параметров для этого полимера II для модели СББС, которая воспроизводит статистику линейных полимеров в хороших растворителях, является вполне логичным. Очевидно, макромолекула ДГП-Е не является фрактальным объектом в обычном понимании, поскольку топологическая размерность ее равна целому числу 1. В ДМСО линейные цепи ДГП-Е в результате эффектов исключенного объема принимают конформацию, в которой мономерные звенья распределяются фрактальным образом, что приводит к дробной размерности, определяемой из гидродинамических экспериментов. Следовательно, вопрос об отнесении ДГП-Е, как и других линейных полимеров, к фракталам, становится, в основном, вопросом не топологии, а метрики, т.е.. способа размещения мономерных звеньев в пространстве.

Для образца ДГП-В (диоксан): 1^=0.1310.01, у ^0.38+0.04, df=2.62± 0.27. Модель БЬА Р-С1 характеризуется величинами 1)^=0.23 , Ур=0.41, ¿[=2.44. Таким образом, макромолекулы Ьи1к-полимера представляют собой классические фрактальные объекты - хаотически разветвленные структуры с дробной топологической размерностью. С точки , зрения динамики рост фрактальных кластеров БЬА Р-С1 происходит в хаотическом режиме (аналог—турбулентный режим в гидродинамической задаче Рэлея-Бенара). Следовательно, Ьи1к-полимеризация феруловой кислоты происходит в динамическом режиме странного аттрактора, что приводит к образованию хаотически разветвленных фрактальных макромолекул.

2.4. Компьютерное моделирование роста фрактальных макромолекул.

Формирование макромолекулы Ьи1к-ДГП, как фрактального кластера, происходит, как было показано выше, в соответствии с моделью ОЬА Р-С1 . Как известно, в эту модель вложен физический механизм роста - присоединение частицы к растущему кластеру происходит с единичной вероятностью.

С целью получения возможности моделирования различных вариантов дегидрополимеризации была предложена модифицированная модель роста макромолекул (агрегатов). В отличие от модели Виттена-Сандера в нее введен параметр Р, численно характеризующий вероятность присоединения при столкновении броуновской частицы и кластера. Параметру Р придается смысл некоторого аналога химической реакционной способности. Другим отличием от классической модели шляется введение алгоритма внерешеточного броуновского движения. Имитация роста макромолекулы осуществлялась методом Монте-Карло.

Строение фрактальной макромолекулы - кластера -зависит от раничных условий и от геометрии пространства роста (рис. 6). Для соличественной характеристики структуры кластера использовали фрактальные размерности самоподобия <!<, , информационной с^ и сорреляционной размерности <12;, а также степени внутримолекулярной дшшзации У.

Рис.6. Компьютерные кластеры, возникающие в модифицированной юдели Внтгена-Сандера при Ь=20 (Р=1).

Результаты численных экспериментов показывают, что уменьшение ероятности присоединения (Р<1) неизбежно приводит к увеличению

величин фрактальных параметров. Как правило, соблюдалось неравенство d<,< dx < d2 Показано, что уменьшение Р приводит к возрастанию степени внутримолекулярной циклизации Y кластеров; количество циклов зависит также от длины свободного пробега частицы L( рис. 7). При 1<L<50 величина Y возрастает. При L>50 Y -const. Анализ данных свидетельствует о наличии четкой взаимосвязи между степенью внутримолекулярной циклизации и фрактальными мерами кластеров; чем больше величина Y, тем больше фрактальные размерности. Наличие сшитых фрагментов в разветвленном кластере не приводит к заметному нарушению масштабной инвариантности Полученные результаты показывают, что блуждание броуновской частицы допускают возможность образования разнообразных хаотически разветвленных кластеров, обладающих , тем не менее, внутренней упорядоченностью, количественной мерой которой являются фрактальные размерности.

Рис.7. Зависимость Y от L при вероятности присоединения Р=1(1); Р=0.5(2), Р=0.25(3).

3. Структурная организация и свойства лигнина.

В данном разделе изложены результаты 'исследования природного лигнина сосны Pinus silvestris. Основными объектами исследования являлись растворимые образцы лигнина, выделенные из -древесины наиболее "мягкими", из известных, методами Пеппера (ДЛА) и механического размола Бьеркмана (ЛМР).

3.1. Гидродинамические свойства и разветвленность полимерных цепей лигнина.

В настоящее время не существует единого мнения относительно топологической структуры природного лигнина. Теоретически возможно образование как разветвленных макромолекул, так и, при достижении гель-точки, сетчатой структуры. Наиболее важным этапом при решении проблемы топологической структуры' лигнина является изучение гидродинамического поведения макромолекул в разбавленных растворах.

Были установлены коэффициенты поступательной диффузии, седиментации и характеристическая вязкость ряда фракционированных образцов лигнина механического размола и диоксанлигнинов с различной предысторией в диоксане (ДО) и ДМСО. Детальные исследовашм проведены с использованием образцов ДЛА-2 и ЛМР-3. Молекулярные массы фракций составляют для ДЛА-2 от 2000 до 100000, для ЛМР-3 —500f64000. Оба полимера характеризуются весьма низкими значениями [т|] (в пределах 3-11 см^/г). Расчеты и сравнение гидродинамических характеристик (Оол0)дмсо/(Г>оЛо)до " 00т1о[л]1/3)дмсо /(D0 т1о[т,]Ш )да указывают, что при переходе от малополярного диоксана к сильнополярному ДМСО отсутствуют равно как эффекты агрегации (ассоциации), так и дезагрегации (деструкции) макромолекул (инвариантность к природе растворителя). Значения гидродинамического инварианта Флори-Манделькерна ф1/Зр-1 оказалось равным 2.1-Ю-6 для диоксанлигнина и 2.3-10-6 для лигнина механического размола, т.е., заметно ниже, чем для линейных полимеров (2.7-10-6). Гидродинамические данные проанализированы по соотношениям Марка-Куна-Хаувинка (рис. 8).

Прямолинейность зависимостей lg[ri ], lgD0, lgS0 от lgM указывает на соблюдение принципа масштабной инвариантности в диапазоне измеренных молекулярных масс. Отличительной особенностью всех, без исключения, лигнинных полимеров является слабая зависимость характеристической вязкости от молекулярной массы - коэффициент Ц составляет в среднем 0.24 (табл.8). На примере ДЛА показано, что диоксан, ДМСО и ДМФА являются при 25°С термодинамически хорошими растворителями, но коэффициент линейного набухания Флори а достаточно мал (а < 1.05), т.е. можно утверждать, что величина bq для лигнинов совпадает с теоретическим значением Ь^ (0.25) для типичных разветвленных полимеров в в-условиях.

Анализ экспериментальных данных по соотношениям, связывающим Ь,,, Ь0, и Кл, К0, К<, (1-Ш), свидетельствует об эквивалентности размеров макромолекул в явлениях поступательного и вращательного трения. Полученные результаты дают,основания считать растворимые лигнины разветвленными полимерами, что было подтверждено анализом гидродинамических даннных в рамках фрактальной концепции. Как известно, процесс гелеобразования приводит к результату Перколяционные кластеры в области гель-точки также характеризуются наличием однородно связанной структуры с (1Г=(11<=(18=(1, т.е. в обычном трехмерном пространстве фрактальная размерность пространственно-сшитой структуры должна быть равна 3. Тогда как экспериментальные данные (табл. 8) приводят к фрактальной размерности ф в среднем 2,49, что согласуется с выводом о > разветвленности макромолекул лигнина.

Для оценки эффективной разветвленности лигнинов использовали соотношения =1г|1л и где е=1. Величину [т]]л определяли по

уравнению [г] 1л=Кд М1/2 > где Кд - среднеарифметическое значение, найденное экстраполяцией данных по уравнениям Флори-Фокса , Штокмайера-Фиксмана и Богданецки.

Для расчета числа разветвлений использованы теории Зимма-Килба и Когана-Гавдельсмана-Будгова. Показано, что модель Зимма-Килба приводит к противоречивым результатам, поскольку в основе ее лежит условие о выполнимости гауссовой статистики для ветвей и субцепей.

Таблица 8

Параметры уравнений типа Марка-Куна-Хаувинка и фрактальная размерность (^препаратов лигнина.

Хар-ка , А Ь{ Щ ¿г

ЛЛА- лиоксап

0.18 0.01 1.15-10"2 2.54

О0-М\у -0.39 0.02 2.95'Ю-5 2.56

ЛЛЛ- лиоксан о:58-ю-2 .

[лЬМ\У 0.27 0.03 2.36

D0-Mw -0.43 0.03 3.8'Ю-5 2.32

ДЛО- лиоксан

0.11 0.01 1.8-10-2 2.70

-0.37 0.01 2.6'10-5 2.70

ЛМР-3- лмсо

0.25 0.02 0.7 ПО-2 2.40

И-м^ 0.27 0.03 0.58" Ю"2 2.36

0.28 0.02 0.54'Ю""2 2.34

Оо-М -0.43 0.01 2.70" Ю-5 2.32

Зо-М50 0.57 0.01 2.10-10-16 2.32

ДЛА-2- ЛМСО 1.30-10-2

М-м^ 0.18 0.01 2.54

Оо-М^ -0.40 0.01 1.90" Ю-5 2.50

ЛЛА-2- лиоксан

0.24 0.04 0.65-10"2 2.42

М-Ме», 0.28 0.01 0.41'Ю-2 2.34

О0-Мзо -0.35 0.06 2.20-10-5 2.86

Оо-М^ -0.43 0.01 4.40*10-"* 2.32

Зо-М8Е) 0.65 0.06 2.20-10-16 2.86

Полученные результаты, в частности закономерности изменения фактора разветвления при увеличении ММ макромолекулы лигнинов, свидетельствуют, что наиболее близкой к реальному процессу образования лигнина является модель роста хаотически разветвленных макромолекул Когана-Гандельсмана-Будтова.

Рис. 9 Зависимость g-фaктopa от ММ для диоксанлигннна и лигнина механического размола — а. 1 — ДЛА-2 — диоксан, 2-ДЛА-2 -ДМСО, 3-ЛМР-3 — ДМСО. б — теоретическая зависимость g-фaктopa от числа ветвлений согласно модели Когана-Гандельсмана-Будтова.

Взаимосвязь между фактором разветвленности й и числом узлов разветвлений п определяется уравнением:

8п = (а-1)/а+(а-1)2 [а* (а" -I)]"1 {п+Е[1/(а*-1)]} (IV)

3=1

Ключевым параметром модели Когана-Гандельсмана-Будтова является параметр "а", количественно характеризующий закономерность изменения длины ветвей с порядковым номером поколения ветви. Нами был предложен один из возможных вариантов экспериментального определения параметра "а" из вискизиметрических измерении. Расчеты по соотношению (IV) показывают, что с увеличением числа ветвей ]" при а=сош1 (0<а<1), д-фактор стремится к некоторому постоянному

значению goo (рис. 9). Построив теоретическую зависимость g^, от "а",

можно определить значение "а" для реального полимера , если предварительно найдено значение g003Kcn (табл. 9).

Таблица 9

Значение параметра Ко, асспмптотпческого й^-фактора и параметра "а" уравнения Когана-Гандельсмана-Будтова.

Образец Растворитель Ко- юз g=c а Рсред103

ДЛА-2 диоксан 0.90 ' 0.37 0.77 0.36

ДЛА-2 ДМ СО 1.13 0.31 0.83 0.35

ЛМР ДМСО 1.19 0.28 0.85 0.34

ДЛЛ диоксан 1.20 - - -

ДЛА* 0-раст-ль 1,18 0,41 0,73 0,36

*Расчитано по литературным данным.

Теория Когана-Гандельсмана-Будтова, дает для лигнинов существенно более низкие значения параметров разветвленности, чем модель Зимма-Килба. Реалистичность полученных нами параметров разветвленности была подтверждена анализом литературных данных о гидродинамических свойствах разветвленных полифенилхинаксолинов с заранее заданной плотностью узлов разветвлений. Величины гидродинамических и фрактальных параметров различных лигнинов, в том числе выделенных из лигноуглеводного комплекса (ДЛЛ) и остатка древесины после его извлечения (ДЛО), свидетельствуют об отсутствии в древесине сосны природного аналога етгг/-»гае-дегидрополимера. Таким образом, анализ полученных данных дает основание считать, что макромолекула лигнина является сильно сжатой хаотически разветвленной структурой, плотность сегментов и длины ветвей которой быстро уменьшаются от центра инерции к периферии. Следует отметить, что этот вывод вполне согласуется с фрактальной концепцией роста хаотически разветвленных кластеров, характерным свойством которых является закономерное уменьшение с ростом радиуса плотности распределения структурных элементов.

3.2. Исследование молекулярной структуры.

В каждой макромолекуле лигнина представлен широкий набор (р—О— 4, Р-5, (3-3, р-1 и т.д.) структурных элементов и функциональных групп, несмотря на то, что мономерной единицей является фенилпропановое звено монолигнолов. Это связано с возможностью реализации в процессе полимеризации различных вариантов межмономерных связей. Условия биосинтеза в клеточной оболочке й межклеточном пространстве , строго говоря, неодинаковы, что дало основание для предположения о существовании двух типов природного лигнина, существенно различающихся по химическому строению. С целью экспериментальной проверки этой гипотезы нами проведено исследование особенностей химической структуры диоксанлигнинов, выделенных из лигноуглеводного комплекса и остатка древесины после его извлечения (образцы ДЛЯ и ДЛО соответственно). Данные о структуре этих полимеров сравнивались с результатами исследования лигнинов из исходной древесины —ДЛА и ЛМР .

Таблица 10

Характеристика диоксанлигнинов с криохимической предысторией.

Поли мер ОСНз, % ОН, % соон, % СО, % онф, % е280.Л-см*'г1 Доля эфир, связей А3440 А-1600 Индекс астшмег-рии

ДЛО 14.4 10.7 1.8 2.2 3.2 20.4 0.62 0.63 0.93

-ДЛЛ 14.9 10.2 2.8 2.4 3.3 20.8 0.66 0.61 0.90

ДЛА 14.5 10.6 1.7 2.3 3.2 20.5 0.65 0.62 0.89

Выделение лигноуглеводного комплекса проведено по оригинальной криохимической технологии, предложенной Давыдовым В.Д. с сотр. Неоходимым этапом исследований для выявления взаимосвязи локализация-структура лигнина являлось установление области локализации лигноуглеводного комплекса. Эта задача была выполнена с помощью предложенного найи метода изучения распределения

лигнина в морфологических элементах клеточных оболочек, состоящего следующих из стадий:

- получение лигнинных скелетов исследуемого образца древесины до и после извлечения лигноуглеводного комплекса,

- электронномнкроскопические исследования поперечных срезов лигнинных скелетов клеточных оболочек,

- денситометрический анализ микрофотографий.

Для получения лигнинных скелетов вместо известных способов, предусматривающих применение сильных минеральных кислот, нами использован чрезвычайно мягкий метод периодатного окисления полисахаридов в нейтральной среде с предварительной защитой функциональных групп лигнина. Было показано, что предварительное ацетцлирование древесины в присутствии триэтиламина позволяет практически предотвратить окислительную модификацию лигнина в процессе получения лигнинных скелетов. Исследование количественного распределения лигнина в клеточной стенке древесины сосны до и после извлечения лигноуглеводного комплекса позволило установить, что последний извлекается из вторичной клеточной стенки, преимущественно in слоя S2. Таким образом, исследование препарата ДЛО характеризует остаточный лигнин и, с известным приближением, лигнин межклеточного слоя ML. В результате проведенных исследований были получены детальные данные о содержании основных типов функциональных групп (табл. 10), структурных элементов (табл.11), спектральных критериев в различных образцах природного . лигнина. Показано, что наиболее существенные различия касаются содержания СООН и ОСНз~групп . Высказано предположение о различиях по количеству С5~С-связей. Не исключаются небольшие различия в содержании p-O-4-структурных элементов. Выявлены корреляции между условиями извлечения лигнинов и структурными характеристиками. Показано, что совокупностьхполученных данных не согласуется с гипотезой Сарканена о существовании двух типов (bulk-n end-wise) лигнина, локализованных в различных морфологических элементах клеточных оболочек.

Таблица 11

Распределение атомов углерода по структурным фрагментам для образцов лигнина по данным ЯМР 13С.

Структурный Количество атомов, С/ФПЕ

фрагмент ЛМР ДЛА дло

Ср (Р-Р.Р-5) 0.11 0.08 0.08

Су(р-СМ) 0.44 0.32 0.42

Суср-з.р-ь кониф.спирта) 0.26 0.23 0.22

Трет.алиф, связанные с ОН гр. 0.66 0.58 0.58

Трет.алиф..связанные с атомом "О" в Р-О^*, сс-О-4. 0.72 0.77

С-ар. (трет, в О полож. с Сар.-О) 1.88 1.89 1.87

Сар.(трет.) 0.94 0.98 0.98

Сар.(четв.) 1.42 1.49 1.47

Сар, связанные с атомом "О" 1.76 1.64 1.66

СООН.СООИ. — — 0.15

3.3 Термодинамика растворов лигнина.

Исследование физико-химических, свойств растворов полимеров при различных температурах позволяет получить данные о термодинамике процессов образования раствора. Нами проведены исследования температурной зависимости характеристической вязкости, удельного парциального объема, коэффициентов . набухания растворов диоксанлигнина в ДМФА и диоксане. Оценка термодинамических характеристик проведена на основе соотношения:

А2 , где

Ч*! и к^ - энтропийный и энтальпийный члены избыточного химического потенциала.

Зависимость от температуры проходит через максимум, причем этот параметр для исследуемых систем имеет отрицательное значение-. Это означает, что растворение лигнина • сопровождается уменьшением энтропии (ДБсО) . Анализ литературных данных и значения энталь-пийного параметра к} указывают на

экзотермичность процесса образо- „ ,л „ ____ ,

,,тт .. В 1с. 10.Зависимость(Т-к>)диоксан-

вания растворов лигнина (ДН<0). т„,__ ______ ,п\„т<лл

г г 4 ' лигнина в диоксане (1) и ДМФА (2) от

Установлено, что в исследованных температуры системах лигнин имеет отрицательный температурный коэффициент характеристической вязкости <Нп|т11Ш\ составляющий в среднем величину -3.1 10~3 (диоксан) и -3.5 Ю-3 град-1. Для обоих исследованных систем характерно уменьшение разности Ч^-к]! с повышением температуры (рис. 10), что отражает ухудшение термодинамического качества растворителей при нагревании. Величина параметра взаимодействия Флори-Хаггинса при 25 °С для системы ДЛА-диоксан, найденная по значениям параметра г в теории исключенного объема с учетом разветвленности, равняется 0.48. Обнаружено, что, насмотря на различную природу растворителей, термодинамическое качество диоксана и ДМФА в отношении лигнина практически одинаково. Таким образом , установлено, что образование структуры растворов лигнина в диоксане и ДМФА сопровождается уменьшением энтропии ДБО и энтальпии ДН<0, а при повышении температуры в пределах от 20 до 80°С происходит ухудшение

термодинамического качества указанных растворителей в отношении лигнина.

3.4. Температура стеклования.

Проведено исследование термического поведения лигнина методами радиотермошоминесценции (PTJI), термомеханики (ТМ) и ИКС с целью определения температуры перехода стеклование -размягчение Тс Нагревание сопровождается конформационными перестройками, которые приводят к изменению ИК-спектров лигнина. Нами исследована взаимосвязь между температурой и интенсивностью основных полос поглощения образцов лигнина. Проанализирована температурная зависимость оптической плотности полос при 1510, 1600, 3430 см-1, предложенных ранее для определения температуры стеклования лигнина методом ИКС. Более строгий подход предполагает использование характерной полосы, обусловленной скелетными колебаниями vCK- кинетических единиц размером порядка сегмента Куна. Проведена оценка частоты vCK , которая составила для лигнина 305±15 см-1 . В этом диапазоне ИК-спектра для JIMP обнаружена группа полос с частотами 296, 305 и 314 см-1. При исследовании зависимости оптической плотности этих полос от температуры нагрева лигнина зафиксирован переход, который интерпретирован нами как температурный переход стеклование-размягчение. Для диоксанлигнина Тс равен 110°С, ЛМР - 95°С (табл. 12).

Методом термомеханики обнаружено два температурных перехода,, первый из которых обусловлен размягчением лигнина (ТСЛМР =97°С, Тс ДЛА =115°С). Тс образца биосинтетического лигнина равна 174°С, ТМ-кривые свидетельствуют о сложных закономерностях поведения лигнина в условиях термомеханического эксперимента. Кривые высвечивания радиотермошоминесценции для облученных (Cs-137) образцов ЛМР и ДЛА состоят из двух максимумов в областях 110-150 и 220-300°С.

Таблица.12.

Температурный переход Тс лигнинов по данным ИКС, ТМ и РТЛ .

Препарат ИКС ТМ РТЛ

ЛМР 95 97 120

ЛЛА 110 115 130

ПЛА — 214 255

ДГП-В - 174 -

Температура, соответствующая первому максимуму свечения, превышает на 15-20°С значение Тс, определенное методами гермомеханического анализа и ИКС. Проведенные исследования дают представление о специфике определения температурных переходов в яигнинах. методами ИКС, ТМ в режиме пеиетрации и РТЛ. Таким образом температура размягчения лигнина в значительной степени зависит от способа выделения его из растительной ткани. Для растворимых малоизмененных видов лигнина Тс лежит в интервале 95-130°С.

3.5. Хаос и явления самоорганизации в лнпшнах.

Перспективность использования фрактальной концепции для характеристики структуры лигнина показана в работах Гравитиса. Проведенные нами систематические исследования гидродинамических свойств разбавленных растворов малоизмененных препаратов лигнина подтверждают обоснованность отнесения природных лигнинов к эбъектам фрактальной природы. Результаты исследований :ввдетеяь сгвуют о выполнимости критериев фрактальности для топологического уровня структурной организации лигнина: принципа масштабной инвариантности и дробной размерности. Установлены величины фрактальной размерности самоподобия с^ диоксанлигнинов и ЛМР тремя независимыми экспериментальными методами: диффузии, зискозиметрии и седиментации. Величина составляет 2.49, что тозволяет отнести растворимые лигнины к универсальному классу фрактальных кластеров Виттена-Сандера. Образование фрактальных шастеров этого класса определяется динамикой процесса роста фрактала, который осуществляется в хаотическом режиме странного аттрактора. У

. Таким образом, можно предпо-гожить, что дегидрополимеризация лономерных предшественников лигнина $ клеточной стенке древесины происходит в динамическом режиме стран-того аттрактора, что подтверждается ^следованием распределения лигнина в слеточной стенке (рис. 11.).

Природный лигнин Неточных г * _ „ Рис.11. Распределение лигнина во

»болочек древесины представляет собой „ ___„ ^^

г « вторичной клеточной стаже дре-

истему хаотически перемежающихся весИны сосны.Сденагшграмма >бластей пониженной и повышенной микрофотографии).

I I

плотности с нечетко выраженным пространственным размером, который превышает масштаб макромолекулы, но много меньше субмикроетруктурного масштаба. Для изучения количественых характеристик распределения лигнина был проведен денсито-метрический анализ микрофотографий лигнинных скелетов с использованием математического аппарата нелинейной динамики. Для исследованных образцов лигнина сосны фрактальная размерность самоподобия двумерных псевдофазовых портретов лигнификацин оказалась равной 1.41, информационная размерность-1.51, интегральная корреляционная размерность-1.57. Указанные размерности Реньи совпадают, в первом приближении, с результатами наших компьютерных расчетов по модифицированной модели Виттена-Сандера (<!<,=1.5-й .65 при L= 1*2000).

Таким образом, изучение лигнинных скелетов клеточной оболочки древесины сосны свидетельствует о том, что

- процесс лигнифнкацпи протекает с сокращением фазового пространства, т.е., является диссипативным.

- распределение концентрации лигнина во вторичной клеточной стенке характеризуется наличием внутреннего скрытого порядка, который определяется в настоящее время как фрактальный. Это означает, что процесс дегидрополимеризации мономерных предшественников лигнина протекает в динамическом режиме хаотического странного аттрактора. Возможность существования такого режима подтверждается практической реализацией его в модельном биосинтезе в системе феруловая кислота-пероксидаза-пероксид водорода. Одним из следствий протекания полимеризации монолигнолов в указанном режиме детерминированного хаоса является фрактальная топологическая структура природных лигнинов и его биосинтетического аналога - bulk- дегидрополимера.

4. Закономерности деструктивных процессов

4.1. Кинетика щелочной делипшфикации древесины.

Сульфатная и натронная варки осуществлялись в изотермических условиях при высоких значениях гидромодуля (1:100) и расхода щелочи. Состав белого сульфатного щелока - гидроксид натрия 0.82М, сульфид натрия 0.18М. Была исследована кинетика делигнификации исходной древесины сосны, лигноуглеводного комплекса и остатка древесины после его извлечения (ОДЛ) в широком диапазоне температур от 113 до 180° С.

На рис. 12 представлены кинетические кривые сульфатной варки тревесины в координатах а (степень делигнификации)-1(мин) при температурах 150-180° С.

Рис.12. Сульфатная делигнификация древесины при температурах 180 (1), 160 (2), 150<>С(3).

Как показали исследования , форма кинетической кривой и конечная степень делигнификации зависят как от температуры варки, так и от троисхождения образца и его предобработки.Так, при сульфатной варке >бразца ОДЛ в виде опилок 1/3 лигнина растворяется чрезвычайно 5ыстро, а затем делигнификация замедляется и протекает (то S -образной сривой. Делигнификация размолотого ОДЛ характеризуется угсутствнем перегибов на кинетической кривой. При температурах ниже .40° С полную делигнификацию ни исходной древесины, ни ОДЛ >существить не удается. Щелочная варка лигноуглеводного комплекса тротекает и описывается кинетическим уравнением I порядка, о чем :вйдетельствует кинетика образования фенольных гидроксилов >азличных типов.

При анализе экспериментальных данных выявлены следующие характерные особенности щелочной делигнификации: нарушение принципа температурно-временной эквивалентности, экстремальный характер изменения. скорости делигнификации в ходе варки, кинетическая остановка процесса. Указанные особенности позволили выдвинуть гипотезу о том, что делигнификация древесины представляет собой суперпозицию двух гидролитических процессов, локализованных в двух реакционных зонах - в объеме (зона вторичной клеточной стенки) и на поверхности (срединная пластинка).

Таким образом, в рамках данной модели предполагается существование двух видов лигнина; кинетическое поведение первого из них является тривиальным и подчиняется кинетическому уравнению I порядка. Кинетика деструкции лигнина другого вида рассмотрена нами теоретически.

Установлено, что для случая, когда увеличение протяженности реакционной зоны (выраженной в единицах количества потенциально доступных для гидролиза межмолекулярных связей) происходит по экспоненциальной зависимости, уравнение делигнификации имеет следующий вид :

kt=ln[(P0+P)S0 / (S0 -х)Р0] (S0+P0)"l, (V)

где S0- количество (концентрация) межмономерных гидролизуемых связей в исходном лигнине,

x=S0-S=P-P0.

S- концентрация межмономерных связей через время варки t,

Р и Р0 -количество гидролизованных связей соответственно к моменту времени t и при t-»0.

Для преобразования уравнения (V) к вицу , удобному для практического использования, обозначили a=(P-P0)/S0 и a0=P,j/S0 и получили

a(l-a)-1=a0ekS0t

или

In[ ct(l-a)-l] =kit+lna0 ( VI)

Для проверки адекватности выведенного уравнения (VI) необходимс сопоставить теоретическую функцию a(t) с экспериментальными значениями а. Разумеется, делигнификация исходной древесины не подчиняется уравнению (VI). Можно было ожидать выполнимости

данного уравнения при делигнификации ОДЛ, поскольку, как было указано выше, из него удалена значительная часть лигнина вторичной клеточной стенки в виде лигноуглеводного комплекса. Действительно, как видно из рис. 13 , кинетическое поведение ОДЛ согласуется с уравнением (VI).

1п Ы^-Л

Рис. 13. Кинетика делигнификации ОДЛ при температуре 160(1) и 150°С(2) в координатах уравнения (VI).

Следовательно, для исходной древесины процесс щелочной делигнификации исходной древесины должен подчиняться уравнению

• а=т[1-ехр(-к201+(1-т) ехр(к1<+с)(1+ехр(к1<+с)-1 (VII),

где первое слагаемое характеризует кинетику делигнификации клеточной стенки, а второе - срединной пластинки.

• Величина т отражает количественное соотношение лигнинов двух типов в древесине.

с- параметр, характеризующий "топохимический" эффект.

Для проверки адекватности уравнения (VII) использовали как собственные экспериментальные данные, полученные при сульфатной варке исходной древесины сосны (рис. 14), так и литературные (рис.15).

t, MIIH

Рис. 14. Сульфатная делигнификация древесины при 160 °С Сплошная линия -расчет. Точки - эксперимент; по уравнению (VII)—(1), по уравнению первого порядка (2).

С/яелт делигншршсаиии. Ы.

Рис.15. Растворение лигнина срединной пластинки (МЬ) и вторичной клеточной стенки (5) по Горингу (а) и по нашим данным (¡бО^С) — (б) в зависимости от степени делигнификации древесины

Различия в кинетическом поведении двух онтогенетически различных лиснинов не следует связывать с различиями по химической или топологической структуре, поскольку существенные различия в этом отношении, как было показано выше отсутствуют. Можно предполагать, что значительное влияние на деструктивные превращения лигнина в варочных процессах оказывает характер и плотность упаковки фрактальных макромолекул, т.е. надмолекулярная нативная структура протолигнина. В рамках предложенной гипотезы находят разумное объяснение многие "аномальные" эффекты, наблюдающиеся при щелочных способах делигнификации древесины.

4.2. Кинетика делишификации древесины в суперосновных средах

Традиционные способы варки древесины с целью получения целлюлозы имеют ряд существенных недостатков. - . Поэтому, пдраллельно с совершенствованием существующих варочных процессов, постоянно вдет поиск новых способов делигнификации.

Нами были проведены исследования дедигнифицирующей способности ряда систем органический растворитель-гидроксид натрия. Было обнаружено, что единственным критерием, позволяющим предсказать приблизительную делнгнифицирующую способность, является величина донорной силы растворителя, количественной мерой которой служи г параметр ДНзьсь • Испытанные растворители располагаются в следующий ряд по величине ДШьс^ : диоксан< <ацетон<триэт1шамин<вода<ДМФА<ДМСО. В том же порядке возрастает делигнифицирующая способность систем на основе этих растворителей.

Делигнификацшо древесины сосны в суперосновных средах на основе ДМСО и ЫаОН (в дальнейшем ДМСО-варка) и щелочным способом проводили параллельно в идентичных условиях, что позволило выявить эффект присутствия ДМСО на кинетику процесса. С точки зрения кинетического поведения лигнина следует различать высокотемпературные (выше 150°С) и низкотемпературные варки. Характерной особенностью последних является наличие кинетической остановки реакции делигнификации. Показано, что кинетическое поведение лигнина в этом случае отвечает принципу кинетической неэквивалентности реакционных центров и может быть описано в рамках модели полихронной кинетики (табл. 13).

Установлено, что делигнификация древесины щелочным способом характеризуется чрезвычайно широким спектром распределения констант скоростей, о чем свидетельствуют значения параметра неэквивалентности Б (8=1п(кшах/кт,п). Введение в озарочный щелок ДМСО существенно уменьшает значение параметра в за счет увеличения кш;п на 3-4 порядка. В результате скорость делигнификации при ДМСО-варке значительно выше, чем при обычной щелочной варке.

Таблица. 13

Кинетические параметры депигнификации древесины при натронной и ДМСО-варках.

°с к 102 nnax1" > ''mini S ДЕ,

мин-1 мин-1 Кдж/моль

- HMCO-NaOH

112 28.4 8.2 10"8 15.1 48.3

126 12.6 • 8.5 Ю-5 7.3 24.2

139 11.4 2.5 10~3 3.8 13.1

148 10.8 5.9 10"3 2.9 10.2

NaOH

113 74.5 8.2 Ю-11 22.9 73.6

126 44.5 5.7 Ю-9 18.2 60.3

138 44.0 6.3 Ю-7 13.5 46.0

148 24.5 2.1 Ю-5 9.4 32.7

Установлено, что делигнификация древесины сосны в суперосновной системе ДМСО-NaOH при температурах 150-160° С позволяет получать целлюлозу с высокими значениями степени полимеризации (СП-1800-1900) и содержанием а-целлюлозы 91-92% . Это свидетельствует о перспективности ДМСО-делигнификации, как одного из способов получения целлюлозно-волокнистых материалов.

ВЫВОДЫ

Проведено исследование различных аспектов структурной организации природного лигнина и его макромолекулярных биосинтетических аналогов - дегидрополимеров (ДГП). Проведены синтезы bulk и' end-wise- ДГП в системе феруловая кислота -пероксидаза- пероксид водорода. Изучено влияние условий биосинтеза in vitro на характеристики химической и топологической структуры дегидрополимеров. Исследованы гидродинамические и термодинамические свойства и установлены параметры разветвленности природных и биосинтетических лигнинов. Исследована взаимосвязь топологических и фрактальных характеристик изучаемых полимеров.

Дана характеристика макромолекул как фрактальных объектов. Проведено компьютерное моделирование роста фрактальных кластеров-макромолекул. Исследовано термическое поведение и температурные переходы лигнинов. Предложены лабораторные методики полимеризации монолигнолов, позволяющие ■ изучать динамику процесса образования дегидрополимеров. Выявлены и изучены процессы динамической самоорганизации при формировании природных и биосинтетических лигнинов. Показана- роль явлений детерминированного хаоса в процессах биосинтеза лигнина. Исследованы кинетические закономерности процессов деструкции и растворения лигнина в варочных процессах получения целлюлозы. В результате проведенной работы получены следующие основные выводы.

1. Экспериментально выявлена роль факторов внешней среды-температуры, рН, режима подачи и расхода реагентов - в биосинтезе лигнина in vitro. Обнаружено, что каталитическая активность ферментативного комплекса пероксидаза — пероксид водорода проявляется во всем диапазоне исследованных температур от +10 до +60°С, однако оптимальной с точки зрения KOiroepcini ДГП, является температурный интервал 20-30°С. Обнаружена экстремальная зависимость коэфициентов седиментации и характеристической вязкости от температуры синтеза. Показано, что увеличение расхода ферментативного комплекса и понижение температуры синтеза приводит к уменьшению молекулярной массы ДГП. Установлено, что в рамках выбранных условий полимеризации всегда образуются весьма близкие, но неидентичные по химической структуре макромолекулы ДГП, о чем свидетельствуют количественные данные о содержании основных функциональных групп и структурных фрагментов.

2. Показано, что топологическая структура макромолекул ДГП существенно зависит от динамического режима дегидрополимеризации. При медленной подаче реагентов (елс/-1гае-метод) т.е. в условиях динамического режима, близкого к равновесному, образуются макромолекулы с тривиальной структурой*- лине иные цепи. В сильно неравновесных условиях {bulk-метод) процесс переходит в режим детерминированного хаоса и осуществляется в динамической области странного аттрактора, что приводит к образованию хаотически разветвленных макромолекул. По значениям гидродинамического инварианта Флори-Манделькерна, показателей Марка-Куна-Хаувинка и степени разветвленности £ш//с-ДГП не отличается, в основном, от природных лигнинов. Установлено, что макромолекулы bulk-ДТП

являются реальными фрактальными кластерами с дробной размерностью 2.62±027, что соответствует универсальному классу фракталов. Виттена-Сандера. Показано, что фрактальные свойства линейного епй-^ие-полимера обусловлены эффектом исключенного объема, который предопределяет конформацию с фрактальным распределением мономерных звеньев в пространстве. Структура епй->гае-ДГП отвечает модели случайных блужданий без самопересечений, являющейся аналогом линейной полимерной цепи с объемными эффектами.

3. При экспериментальном • моделировании динамики ферментативного синтеза ДГП показана возможность реализации различных динамических режимов процесса, в том числе хаотического странного аттрактора. Установлены значения фрактальных размерностей Реньи фазовых портретов динамики полимеризации в режиме странного аттрактора. Обнаружено явление динамической самоорганизации с образованием макроскопических пространственно-периодических наслоений ДГП. При компьютерном моделировании роста фрактальных макромолекул по модифицированной модели Виттена-Сандера показана возможность образования хаотически разветвленных кластеров, фрактальные размерности и степени внутримолекулярной циклизации которых зависят от параметров модели - длины свободного пробега броуновской частицы и вероятности присоединения ее при столкновении с растущим кластером. При экспериментальном исследовании природного лигнина в клеточных оболочках древесины показано, что лигнификация вторичной клеточной стенки характеризуется наличием фрактальной структуры. Это позволяет предположить, что природный биосинтез лигнина происходит, сточки зрения динамики, в режиме странного аттрактора,

4. Установлено, что природные лигнины с различной предысторией-лигнин механического размола и диоксанлигнин имеют одинаковые гидродинамические свойства и топологическую структуру. Характерной особенностью лигнина как полимера является высокая диффузионная подвижность и сравнительно низкая характеристическая вязкость, слабо зависящая от молекулярной массы, Показана эквивалентность макромолекул лигнина в явлениях поступательного и вращательного трения и выполнимость принципа масштабной инвариантности (скейлинга). Анализ скейлинговых зависимостей в рамках фрактальных представлений свидетельствует о том, что топология макромолекул лигнина не отвечает концепции о пространственно сшитой структуре

лигнина. Сопоставление теоретических и экспериментальных данных показывает, что макромолекула лигнина представляет собой сильно сжатую разветвленную цепь, плотность сегментов и длины ветвей которой уменьшаются от центра инерции к периферии. Предложен экспериментальный метод оценки разветвленное™ полимеров в рамках теории Когана-Гандельсмана-Будтова, учитывающей наличие зависимости длины ветвей от "номера поколения ветви. Рассчитаны параметры разветвленное™ макромолекул лигнина и показано, что эффективная разветвленность макромолекул лигнина в 2-4 раза ниже ранее известных значений. Установлено, что Ъ и1к-р,сг\игр о по ли м ер как биосинтетический аналог адекватно моделирует топологическую структуру, полимерные и фрактальные - свойства природных растворимых лигнинов.

5. Показано, что образование структуры растворов лигнина в ДМФА и диоксане сопровождается уменьшением энтропии ДБ<0 и энтальпий ДН<0, а при повышении температуры в пределах от 20 до 80 °С происходит ухудшение термодинамического качества растворителей в отношении диоксанлигнина, что приводит к отрицательным температурным коэффициентам характеристической вязкости.

6. Установлено, что температурный переход стеклование-размягчение природных лигнинов определяется происхождением, предысторией образца и лежит в интервале 95-130°С. Термическая деструкция галтшнов происходит при температурах выше 200°С. Максимальная скорость деструкции наблюдается при 275-340°С

7. Предложен подход к исследованию закономерностей лигнификации клеточных оболочек древесины, заключающийся в определении фрактальных параметров распределения лигнина в мофологических элементах древесной клетки по данным денситометрического анализа электронномикроскопического изображения лигнинных скелетов. Показано, что лигноуглеводный комплекс полученный по криохийтехнологии извлекается из вторичной клеточной стенки, преимущественно из центрального слоя 32. Результаты сраиительных исследований лигнинов, входящих в состав лигноуглеводного комплекса, остатка древесины после его извлечения и исходной древесины не согласуются с гипотезой Сарканена о существовании природных лигнинов Ьи1к- и епй-л\>т- типа.

8. Установлено, что характерными особенностями щелочной целигнификации являются невыполнение принципа температурно-зременной эквивалентаости и кинетическая остановка реакции.

Полученные данные свидетельствуют о том, что делигнификация древесины представляет собой суперпозицию двух гидролитических процессов, локализованных в различных реакционных зонах- в объеме и на поверхности полимерной матрицы. Предложено уравнение, описывающее кинетическое поведение лигнина в щелочных варочцых процессах получения целлюлозы.

9. Предложен способ делигиификации древесины в суперосновных средах на основе ДМСО-NaOH. Показано, что в низкотемпературной области кинетическое поведение лигнина отвечает принципу кинетической неэквивалентности реакционных центров и может быть описано в рамках модели полихроннной кинетики. Показана возможность получения целлюлозы с высокими значениями степени полимеризации и. содержанием а-целшолозы 91-92%, что свидетельствует о перспективности ДМСО-делигнификации, как одного из способов получения целлюлозно-волокнистых материалов.

Основные материалы диссертации содержатся в следующих публикациях.

1. Карманов А.П. Беляев В.Ю., Монаков Ю.Б. Гидродинамические свойства и разветвленность полимерных цепей лигнина// Высокомол. соед.-1995.-Т.37(А)Р№2.-С.266-272.

2. Карманов А.П., Монаков Ю.Б. Фрактальная структура bulk- и end-wise- дегидрополимеров// Высокомол. соед.-1995.-Т.37(Б),№2.-С.328-331.

3. Karmanov А.Р., Belyaev V.Yu., Monakov Yu.B. Hydrodynamic property of lignins and dehydropolymers// VIII Intern. Sympos. on Wood and Pulping Chem.-Helsinki, 1995.-V.2.-P.41-46.

4. Karmanov A.P., Rakin V.l., Kusnetsov S.P., Monakov Yu.B. Simulations of lignin biosynthesis. Attractors and fractals// VIII Intern. Sympos. on Wood and Pulping Chem.-Helsinki, 1995.-V.2.-P.95-I00.

5. Карманов А.П., Монаков Ю.Б. Гидродинамические свойства и фрактальная размерность биосинтетических дегидрополимеров// Химия древесины,- 1994,- №2.-С.34-38.

6. Карманов А.П., Монаков Ю.Б. Образование пространственно-периодических структур при биосинтезе дегидрополимеров// Химия древесины-1994,- №1.- С.62-64.

7. Монаков Ю.Б., Беляев В.Ю., Москвичева Т.В., Карманов А.П. Полимерные модели лигнина: гидродинамические и конформаци-онные свойства//Докл. PAH.-1993.-T.333, №2.-С.200-202.

8. Карманов А.П.., Беляев В.Ю., Монаков Ю.Б., Спирихин Л.В. Исследование лигнина сосны методом ЯМР13С // Химия древесины й лесохимия-ТрудыКНЦ РАН.-Сьпагьгокар.-1992.-№129.-С.106-112.

9. Карманов А.П., Монаков Ю.Б. Явления самоорганизации при ферментативной полимеризации 2-окси-З-метокси-бензальдегида// Высокомол. соед.-1994.-Т.36(Б), №12.-С.2098-2099.

10. Карманов А.П., Беляев В.Ю., Монаков Ю.Б. Исследование дегидрополимеров на основе феруловой кислоты//Химия древесины-1991 .-№6.-С.73-77.

11. Карманов А.П., Беляев В.Ю., Монаков Ю.Б. Исследование гидродинамических свойств дегидрополимера - макромолекулярной модели лигнина И Химия древесины.-1992.-№2-3.-С.25-29.

12. Карманов А.П., Монаков Ю.Б. Исследование температурного перехода стеклования -размягчение лигнина Н Химия древесины.-1993.-№4.-С.31-36.

13. Карманов А.П., Беляев В.Ю. Монаков Ю.Б. Гидродинамические свойства Ьи1к-и епс1-\у15е-дегидрополимеров// Химия древесины.-1994.-№2.-С.28-33.

14. Карманов А.П., Ракин В.И., Кузнецов С.П., Монаков Ю.Б. Моделирование роста разветвленных дегидрополимеров как фрактальных кластеров. II Тез. докл. Всеросийского совещания "Лесохимия и органический синтез". Сыктывкар.-1994.-С. 59.

15. Карманов А.П., Беляев В.Ю., Монаков Ю.Б. Характеристика топологической структуры лигнина по данным вискозиметрии и седиментационно-диффузионного анализа.//Тез. докл. Всеросийского совещания "Лесохимия и органический синтез".Сыктывкар.-1994.-С.64.

16. Карманов А.П., Давыдов В.Д., Богомолов Б.Д. Кинетика образования фенольных групп при щелочной варке лигноуглеводных комплексов // Кн.:"Лигноуглеводные комплексы древесины". Мат. Всесоюзн. семинара. Рига, Зинатне.-1978.-С.47-53.

17. Карманов А.П. Кинетика щелочной делигнификации древесины сосны Н Тез. докЛ. 2-й конф. молодых ученых.-Рига, 1978.-С.58-59.

18. Карманов А.П., Давыдов В.Д., Богомолов Б.Д. Расчет электростатической свободной энергии полииона лигнина // Химия древесины.- 1979 - №4.-С.106-107.

19.. Карманов А.П.Давыдов В.Д., Богомолов Б.Д. Кинетика щелочной делигнификации древесины сосны // Препринт докл. КФАН СССР-Сыктывкар, 1980.-40С.

20. Карманов А.П., Давыдов В.Д., Богомолов Б.Д. .Исследование неоднородности природного лигнина сосны II Химия древесины,-

1980.- №3.-С.78-83.

21. Карманов А.П., Богомолов Б.Д., Давыдов В.Д. Физические свойства "bulk" и ".end-wise''-полимеров // Химия древесины - 1980.— №3.-С.112-114.

22. Карманов. А.П., Богомолов БД.Давыдов В.Д. Структурные изменения лигнина под действием лазерного излучения // Химия древесины.- 1980.-№3.-С.54-58.

23. Карманов А.П.Давыдов В.Д., Богомолов Б.Д. Свойства разбавленных растворов и структурные особенности некоторых препаратов лигнина//Химия древесины.- 1981-№4.-С.50-57.

24. Карманов А.П., Богомолов Б.Д., Давыдов В.Д. Исследование кинетики щелочной делигнификации древесины // Химия древесины.-

1981.- №5.-С.63-71.

25. Карманов А.П., Давыдов В.Д.,Богомолов БД. Исследование кинетики щелочной делигнификации древесины// Тез. докл. XII Менделеевского съезда по общей и прикладной химии.-М., 1981.-Т.6,-С.240-241.

26. Карманов А.П., Богомолов БД., Давыдов В.Д. Современное состояние проблемы неоднородности природного лигнина (Обзор) II Химия древесины.-1982.-№ 2.-С.З-25.

27. Карманов А.П., Демин В.А. Свойства растворов и структурные особенности диоксанлигнинов //Тез. докл. научно-технической конф. "Рациональное использование и восстановление природных ресурсов на Европейском Севере". Архангельск.-1980.-С.79.

28. Карманов А.П. Исследование лигнина , выделенного воздействием периодата аммония на ацетилированную древесину // Химия и химическая переработка природных видов сырья Коми АССР-Труды КФАН СССР, Сыктывкар.-1984.-№63.-С.86-91.

29. Карманов А.П., Богомолов БД. К вопросу о существовании внутримолекулярной водородной связи в лигнине // Химия и химическая переработка природных видов сырья Коми АССР.-Труды КФАН СССР, Сыктывкар.-1984. №63.-С.24-27.

30. Карманов А.П., Давыдов В.Д. Делигнификация древесины в системе NaOH-ДМСО-НгО// Тез. докл. Всесоюз. конф. "Теоретические проблемы новых методов делигнификации древесины.-Братск.-1985.-С.56.

31. Карманов А.П., Москвичева T.B. Делигнификация древесины в системе ИаОН-ДМСО-НзО // Химйя и химическая переработка природного сырья Коми АССР.-Труды КФАН СССР, Сыктывкар.-1986.-№ 78.- С.37-44.

32. Карманов А.П., Давьщов В.Д. , Сюткин В.Н. Исследование конформационнЫх характеристик лигнина // Тез. докл. 7-й Всесоюз. конф. по химии и использованию лигнина.-Рига.-1987.-С.17.

33. Демин В.А.,Карманов А.П.,Бобров Ю.А. Кулонометрическое определение лотнина в древесном сырье // Межвуз. сб. науч. трудов "Химическая переработка древесины и ее отходов."-Л.,ЛТА.-1988.-С.22-25.

34. Карманов А.П., Бобров Ю.А., Демин В.А., Сюткин В.Н. Делигнификация древесины водно-диметилсульфоксидными растворами гидроксида натрия // Межвуз. сб. научных трудов "Химическая переработка древесины и ее отходов".-Л.,ЛТА.-1988.-С.76-79.

35. Карманов А.П., Давьщов В.Д. Влияние метилирования и ацетилиров'ания лигнина на окисление его ионами I04~npii рН7 // Химия и физика природного сырья Коми АССР,- Труды КФАН СССР, Сыктывкар.-№92.-1988.-С .60-66.

36. Демин В.А., Богомолов БД., Карманов А.П., Давьщов В.Д. Структурные изменения сульфатного лигнина в процессе электрохимического окисления// Химия древесины.- 1980.-№4.-С.82-84.

37. Карманов А.П., Демин В.А., Давыдов В.Д., Сюткин В.Н,, Беляев В.Ю. Оценка термодинамической гибкости макромолекул лигнина//Химия древесины,- 1989.-№3 - С.28-33.

38. Карманов А.П., Давьщов В.Д., Демин В.А. Разветвленность полимерных цепей лигнина.//Химия древесины,- 1990,- №3,- С.89-93.

39. Карманов А.П., Беляев В.Ю, Демин В.А., Давьщов В.Д. Влияние температуры на термодинамические свойства лигнина. // Химия древесины.- 1991- №1,- С.69-73.

40. Карманов А.П., Давьщов В Д. Исследование распределения лигнина в клеточных стенках древесины после обработки в замороженном растворе HCl- СН3СООН // Кн.: "Строение древесины и его роль в процессах делигнификации". Мат. IV Всёсоюз. семинара по химии древесины. -Рига, 3инатне.-1990.-с.30-36.

41. Карманов А.П., Давьщов В.Д., Демин В.А. Защита функциональных групп от окисления пернодат-ионом.// Тез. докл. Всесоюз. семинара ^"Проблемы окислительно-восстановительных превращений компонентов древесины".-Архангельск.-1990.-С.55.

42. Карманов А.П., Беляев В.Ю. Влияние температуры на физико-химические свойства лигнина// Химия и основы технологи« переработки сырья Коми АССР.-Труды КНЦ АН СССР, Сыктывкар.-1990.-№Ю9.-С.-18-24.

43. Карманов А.П., Беляев В.Ю. Получение и исследование растворимых производных гидролизного лигнина.// Химия и основы технологии переработки сырья Коми АССР. -Труды КНЦ АН СССР, Сыктывкар.-1990.-№109.-С.ЗЗ-Зб.

44. Карманов А.П., Секушин H.A. Исследование растворов лигнина ультразвуковым методом.// Физико-химические основы переработки сырья Тимано-Печорского ТПК.-Труды КНЦ РАН. Сыктывкар -1991- С.60-65.

45. Карманов А.П., Филиппов В.Н., Москвичева Т.В. Исследование поверхностной морфологической структуры лигнина// Химия древесины.-№1-3.-1993.-С. 123-127.

46. Карманов А.П., Сюткин В.Н. Исследование полимеров, синтезированных ферментативной полимеризацией З-метокси-4-окси-коричной кислоты// "Актуальные проблемы химии и биологии Европейского Севера России".-Сб. науч. трудов СГУ. Сыктывкар.-1993.-Вып. I.-C.79-87.

47. Беляев В.Ю., Карманов А,П., Монаков Ю.Б. Исследование полимерных моделей лигнина методами молекулярной гидродинамики// Тез. докл. Всероссийского совещания "Лесохимия и органический синтез".- Сыктывкар.- 1994.-С. 65.

48. Карманов А.П., Монаков Ю.Б. Странный аттрактор и самоорганизация при синтезе дегидрополимеров// Тез. докл. Всероссийского совещания "Лесохимия и органический синтез" .Сыктывкар,- 1994 - С. 56.

49. Карманов А.П., Спирихин Л.В., Беляев В.Ю., Ипатова Е.У., Зайнуллина E.H. Влияние температуры синтеза и расхода биокатализатора на строение дегидрополимеров// Тез. докл. Всероссийского совещания "Лесохимия и органический синтез",-Сыктывкар-1994.- С. 77.

50. A.C. №1366570 (СССР) Способ определен™ лигнина.// Демин В.А.,Карманов А.П., Ипатова Е.У., Сюткин В.Н. - опубл. в Б.И., 1988.-№2.