CC BY
55
УДК 547.992.3
И.В. Сумерский, С.М. Крутое, А.В. Пранович, М.Я. Зарубин
С.-Петербургская государственная лесотехническая академия
Сумерский Иван Викторович родился в 1984 г., окончил в 2007 г. С.-Петербургскую государственную лесотехническую академию, аспирант кафедры органической химии СПбГЛТА. Имеет 10 печатных работ в области химии лигнина. E-mail: [email protected]
Крутов Степан Минаевич окончил в 1966 г. Ленинградскую лесотехническую академию, профессор кафедры органической химии С. -Петербургской государственной лесотехнической академии, почетный работник высшего профессионального образования РФ. Имеет более 120 научных работ по различным направления химии древесины. E-mail: [email protected]
Пранович Андрей Викторович родился в 1957 г., окончил в 1979 г. Ленинградскую лесотехническую академию, кандидат химических наук, доцент Университета Або Академия и факультета химической технологии и биотехнологии С. -Петербургской государственной лесотехнической академии. Имеет около 100 научных публикаций. E-mail: [email protected]
Зарубин Михаил Яковлевич родился в 1930 г., окончил в 1954 г. Ленинградскую лесотехническую академию, доктор химических наук, профессор С.-Петербургской государственной лесотехнической академии, академик Международной академии наук о древесине, заслуженный деятель науки РФ, председатель Совета экспертов по химии растительных ресурсов при ЮНЕСКО. Имеет более 300 научных трудов в области органической химии и химии древесины. E-mail: [email protected]
ИССЛЕДОВАНИЕ МОДЕЛЬНЫХ СОЕДИНЕНИЙ И ПРЕПАРАТОВ ЛИГНИНА МЕТОДОМ DFRC
i
Определены оптимальные условия применения метода DFRC для исследования препаратов лигнинов.
Ключевые слова: модельные соединения лигнина, лигнин Бъёркмана, Р-эфирная связь, бромистый ацетил, метод DFRC.
Одним из направлений химической переработки древесины является ее гидролиз разбавленной серной кислотой в целях получения этанола, кормовых дрожжей, фурфурола и др. [4]. Развитие гидролизной промышленности сдерживается многими факторами, в том числе, образованием крупнотоннажных отходов - технического гидролизного лигнина (ТГЛ), который составляет около трети от массы вещества древесины, оставшейся после гидролиза. Эти отходы трудно разлагаются в природных условиях и загрязняют окружающую среду. В отвалах гидролизных заводов России уже накоплены миллионы тонн ТГЛ, и их количество продолжает расти [5].
В настоящее время ТГЛ применяется незначительно. Для нахождения новых направлений его использования, особенно в качестве сырья для химической переработки, необходимы дополнительные знания о его структуре и реакционной способности.
Одним из перспективных методов исследования лигнинов является метод дериватизации с последующим восстановительным расщеплением. Основой для него послужили работы Джонсона и др. (1961 г.), в дальнейшем он был модифицирован Иамой и Уолисом (1988 г.) [7]. Разработанный ими метод заключался в растворении лигноцеллюлозного материала в растворе ацетилбромида в ледяной уксусной кислоте и определении количества лигнина по УФ-поглощению раствора при характерной для лигнинов (хвойных пород древесины) длине волны (280 нм).
В своих исследованиях Ф. Лу и Д. Ральфа [8] данный метод использовали уже для качественной характеристики образцов растительного происхождения, предложив после растворения в ацетилбромиде последующее восстановление цинковой пылью. На ряде модельных соединений лигнина они показали, что при этом селективно расщепляются p-эфирные связи [8]. В дальнейшем метод был применен к древесине и выделенным препаратам лигнина. Новому методу расщепления эфирной связи в лигнине было дано название Derivatization followed by reductive cleavage, аббревиатура которого DFRC отражает название института, где он был разработан (Dairy Forage Research Center).
Цель нашей работы - изучить методом DFRC модельные соединения лигнина и его препараты.
Нами на основании ранее полученных экспериментальных данных по исследованию лигнинов методом DFRC [8] внесены в него дополнения. Модифицированный нами метод DFRC включает следующие стадии.
Обработка ацетилбромидом. Образец лигнина соответствующей массы помещали в круглодонную колбу и приливали на 1 г лигнина 250 мл заранее приготовленного раствора ацетилбромида в ледяной уксусной кислоте (АсВг : АсОН - 20 : 80 об. частей). Смесь перемешивали на магнитной мешалке при температуре 50 °С в течение 20 ч. По завершении обработки раствор упаривали на ротационном испарителе при температуре ниже 50 °С.
Восстановительное расщепление цинком. После упаривания остаток растворяли в 250 мл смеси диоксан : уксусная кислота : вода (5 : 4 : 1 об. частей). К хорошо перемешиваемой смеси добавляли цинковую пыль (5 г на 1 г лигнина) и продолжали перемешивание в течение 30 мин. После этого смесь фильтровали на бумажном фильтре, осадок на фильтре промывали примерно 100 мл воды и 100 мл CH2CI2. Получаемый фильтрат количественно переносили в делительную воронку и пятикратно экстрагировали порциями CH2CI2 объемом 20 мл. Объединенный экстракт упаривали на ротационном испарителе при температуре ниже 50 °С.
Анализ продуктов расщепления. Полученные сухие экстракты ацети-лировали [8] и анализировали с помощью высокоэффективной жидкостной (ВЭЖХ) и газовой (ГЖХ) хроматографии, хромато-масс-спектрометрии (ХМС) и др. методами.
Для ВЭЖХ использовали жидкостный хроматограф, состоящий из насоса Shimadzu LC-10ATVP, устройства автоматического ввода проб с термостатом колонок Spark Holland Marathon-XT, низкотемпературного испаряющего детектора светорассеивания SEDERE SEDEX 85 LF и двух последовательно соединенных колонок: Jordi Gel DVB 500А (300,0 мм х 7,8 мм) с предколонкой Jordi RP-DVB SM-500 (7,5 мм х 4,6 мм). Элюент -тетрагидрофуран; скорость элюирования 0,8 мл/мин; давление в системе около 22 бар; температура термостата колонок 40 °С. Фильтрование проб: 0,2 мкм PTFE фильтр для шприцев; объем пробы 50 мкл; концентрация пробы 0,5...0,8 мг/мл. Параметры детектора LT-ELSD: ВЭЖХ небулайзер; температура 40 °С; давление воздуха 3,5 бар; коэффициент усиления 3. Время анализа 25 мин.
ГЖХ-анализы проводили на газовом хроматографе Perkin Elmer Autosystem XL с пламенно-ионизационным детектором. Колонки - капиллярные: канал А - J&W НР-1 (25 м х 0,199 мм); толщина пленки жидкой фазы (метилсилоксан) 0,11 мкм; канал Б - J&W НР-5 (25 м х 0,204 мм); толщина пленки жидкой фазы (5 %-й фенилметилсилоксан) 0,11 мкм. Программирование температуры колонки: подъем от 120 (1 мин изотермы) до 320 °С со скоростью 6 °С/мин, затем 15 мин изотермы при 320 °С. Программирование температуры испарителя: подъем от 160 до 260 °С со скоростью 8 °С/мин, затем 15 мин изотермы при 260 °С. Газ-носитель - водород; скорость газа-носителя в колонке 0,8 мл/мин. Соотношение анализируемой и сброшенной пробы в испарителе 1 : 24. Температура детектора 320 °С. Объем пробы 1 мкл.
Для проведения ХМС-анализов использовали хромато-масс-спектрометр 6850А модели G2629A с селективным масс-спектро-метрическим детектором НР5973 Network модели G2577A (Agilent Technologies, Inc.). Энергия ионизации 70 эВ. Температура сепаратора 280 °С; температура ионного источника 230 °С. Колонка - капиллярная HP-5MS (30 м х 0,25 мм); толщина пленки стационарной жидкой фазы (5 %-й фенилметил-силоксан) 0,25 мкм. Программирование температуры колонки: подъем от 60 до 280 °С со скоростью 5 °С/мин, затем 10 мин изотермы при 280 °С. Температура испарителя 280 °С. Скорость газа носителя (гелий) 1 мл/мин.
Метод DFRC был проверен на модельных соединениях лигнина: А - 1-(3,4-диметоксифенил)-2-(2-метоксифенокси)-пропанон-1; Б - 1-(3,4-диме-токсифенил)-2-(2-метоксифенокси)-пропанол-1; В - 1-(3-метокси-4-гидро-ксифенил)-2-(2-метоксифенокси)-пропанол-1. Чистота и строение всех исследованных модельных соединений лигнина подтверждены методами ТСХ, ХМС и ЯМР.
Продукты деструкции модельных соединений лигнина были проанализированы методом ХМС.
На рис. 1 представлена газожидкостная хроматограмма продуктов, полученных после обработки модельного соединения А.
Рис. 1. ГЖ-хроматограмма продуктов, полученных после БРЯС обработки модельного соединения А: 1 - мето ксифенилацетат; 2 - 1-(3,4-диметоксифенил)-пропанон-2; 3 -1 -(3,4-диметоксифенил)-пропанон-1; 4 - неидентифицированные продукты; 5 - внутренний стандарт
В ходе эксперимента установлено, что исходное соединение А полностью прореагировало. Среди продуктов реакции выявлено три преобладающих компонента: 2-метоксифенилацетат (пик 1); 1 -(3,4-диметоксифенил)-пропанон-2 (пик 2) и 1-(3,4-диметоксифенил)-пропанон-1 (пик 3). Выходы соответственно составили 8,5; 6,5 и 57,4 %. Масс-спектры пиков 2 и 3 и предполагаемая фрагментация молекулярных ионов основных продуктов реакции представлены на рис. 2.
Результаты деструкции модельных соединений лигнина, содержащих р-О-4 эфирную связь, подтвердили возможность расщепления этого типа эфирных связей методом БРЯС [3].
Для проверки применимости данного метода к исследованию препаратов нативного и промышленного лигнинов были изучены препараты лигнина Бъёркмана (I), лигнина Бъёркмана, обработанного в условиях, приближенных к условиям промышленного гидролиза древесины (II), и лигнина Вильштеттера (III и IV).
Образец I был выделен из древесины ели по стандартной методике [6]. Основные характеристики выделенного нами лигнина Бъёркмана I, в том числе и спектр ЯМР 13С, совпадают с литературными данными [6].
Образец II был получен из лигнина Бъёркмана в условиях, приближенных к условиям промышленного гидролиза древесины. Кислотный гидролиз лигнина Бъёркмана II проводили в стальных автоклавах вместимостью около 3 мл при температуре 175 °С.
Гидромодуль варки 1 : 20, продолжительность обработки 2 ч. Затем автоклав охлаждали на водяной бане со льдом и его содержимое количественно переносили на мелкопористый стеклянный фильтр Шота (размер пор 16 мк). Осадок на фильтре, который является препаратом гидролизного лигнина, промывали небольшим количеством воды и CH2CI2, сушили при комнатной температуре в эксикаторе под вакуумом и измельчали в фарфоровой ступке. Измельченный препарат II имел темно-коричневую окраску, схожую с окраской технических гидролизных лигнинов. Выход гидролизного лигнина в двух параллельных опытах составил 79,6 % от массы исходного лигнина Бъёркмана.
Лигнин Вильштеттера был получен из ТГЛ Тавдинского завода по стандартной методике при действии сверхконцентрированной соляной кислоты (плотность 1,22 г/см3) и пониженных температурах (1...5 °С) [2]. Он характеризовался практически полным отсутствием углеводов. Полученный лигнин Вильштеттера по методу DFRC обрабатывали 20 и 8 %-ми растворами ацетилбромида (AcBr) в ледяной уксусной кислоте с получением соответственно образцов III и IV. Характеристика образовавшихся продуктов деструкции приведена в таблице.
В результате обработки лигнина Бъёркмана по методу DFRC суммарный выход продуктов расщепления составил более 100 % от массы исходного лигнина (см. таблицу).
Значительный прирост массы продуктов расщепления по сравнению с массой исходного лигнина указывает на то, что обработка бромистым ацетилом приводит к ацетилированию как свободных гидроксильных групп, так и гидроксильньгх групп, образующихся в результате расщепления а- и Р-эфирных связей лигнина Бъёркмана.
Повторно ацетилированные по стандартной методике [8] продукты расщепления лигнина Бъёркмана были исследованы методом ХМС. Найдено, что среди них преобладают 4-метокси-бензальдегид и конифериловый спирт.
Молекулярно-массовые характеристики продуктов расщепления лигнина Бъёркмана (I, II) были получены методом эксклюзионной ВЭЖХ (рис. 3). Из представленной хроматограммы видно, что лигнин Бъёркмана I расщепляется на широкий спектр продуктов от мономерных до олигомер-ных соединений с молекулярной массой (ММ) от 240 до 900. Можно предположить, что лигнин Бъёркмана I состоит из структурных фрагментов с ММ от 240 до 900, соединенных между собой простыми а- и Р-арилэфирными связями. В свою очередь, фенилпропановые звенья в этих структурах могут быть связаны углерод-углеродными связями, например Р-5 или р-1.
Образец Масса, мг, образца, взятого на обработку Осадок СН202-фракция
мг %* мг %*
I 96,8 4,3 4,4 136,3 140,8
II 95,6 78,4 82,0 54,5 57,0
III 23,5 14,5 60,8
IV 106,3 44,7 42,1
*Относительно массы образца, взятого на обработку.
Чтобы исключить влияние сопутствующих веществ (нативные и окисленные жирные и смоляные кислоты, стерины, терпены, часть трудногидролизуемых полисахаридов, редуцирующие вещества (моносахариды, фурфурол и др.), остатки серной кислоты [4]), всегда присутствующих в технических лигнинах, метод ББЯС был предварительно применен к полученному в лабораторных условиях образцу лигнина Бъёркмана II.
Известно, что природный лигнин представляет из себя пространственный полимер сетчатого строения [1]. В этом полимере фе-нилпропановые звенья связаны между собой углерод-углеродными и простыми эфирными связями. В процессе гидролиза преимущественно расщепляются а-эфирные связи. При этом в получаемом при кислотном гидролизе лигнине сохраняются Р-О-4 связи. Высокий выход продуктов расщепления при обработке лигнина II, вероятно, можно объяснить значительным количеством Р-О-4 связей, расщепляемых по методу ББЯС (см. таблицу).
Суммарный выход нерастворимого остатка и растворимых в СН2С!2 продуктов расщепления препарата лигнина II значительно превышает 100 % (см. таблицу). Можно предположить, что при обработке по методу ББЯС протекает ацетилирование как исходного лигнина, так и продуктов его расщепления.
Молекулярно-массовые характеристики продуктов расщепления препарата лигнина II были исследованы методом эксклюзионной ВЭЖХ (рис. 3). Из представленной хроматограммы видно, что образец II расщепляется на олигомерные соединения, молекулярная масса которых находится в пределах от 350 до 800.
Таким образом, структура лигнина в условиях промышленного гидролиза древесины сильно изменяется, в том числе и за счет возможного образования новых углерод-углеродных связей. Однако, основываясь на полученных данных, можно предположить, что в структуре препарата лигнина II остается небольшое количество соединенных с другими субструктурами лигнина простыми эфирными (главным образом Р-эфирными) связями структурных фрагментов, молекулярные массы которых находятся в пределе от 350 до 800.
Для проверки применимости метода ББЯС к исследованию технических гидролизных лигнинов предварительно было проведено исследование лигнина Вильштеттера. Следует отметить, что в отличие от технических
Время, мин
I_■ ц '-1-1-1-1-1
18001600 1000 800 600 400 200 0 Атомные единицы массы, Да
Рис. 3. Эксклюзионные хроматограммы лигнина Бъёркмана, (I) и лигнина Бъёркмана, обработанного в условиях, приближенных к условиям промышленного гидролиза древесины (II)
лигнинов в лигнине Вильштеттера практически отсутствуют экстрактивные вещества (смоляные и жирные кислоты) и остаточные полисахариды.
Условия проведения обработок были взяты из работы [8] (длительность 3 ч, температура бани 50 °С). При концентрации АсВг в ледяной уксусной кислоте 20 и 8 % были получены соответственно образцы III и IV, выход продуктов расщепления составил соответственно 60 и 40 %.
Молекулярно-массовые характеристики продуктов расщепления лигнина Вильштеттера были исследованы методом эксклюзионной ВЭЖХ. Как видно из рис. 4, в обоих случаях происходит образование олигомерных соединений, молекулярные рИс. 4. ВЭЖХ-\ро\штограммы массы которых находятся в пределах продуктов расщепления лиг-250.. .650 и 250.. .550 соответственно для 20 и нина Вильштеттера, получен-8 %-х растворов АсВг. ных по методу DFRC при ис-
пользовании 20 (III) и 8 %-х Выводы (IV) растворов AcBг
1. Показана принципиальная возможность расщепления модельных соединений лигнина и препаратов лигнина методом ББЯС.
2. На примере лигнинов Бъёркмана I и II показано, что в данных условиях структура лигнина изменяется, в том числе и за счет возможного образования новых углерод-углеродных связей.
3. Установлено, что в структуре препарата лигнина II остается небольшое количество структурных фрагментов с молекулярной массой от 350 до 800, соединенных с другими субструктурами лигнина простыми эфирными связями, главным образом Р-эфирными.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Оболенская, А.В. Практические работы по химии древесины и целлюлозы [Текст] / А.В. Оболенская, В.П. Щеголев, Г.Л. Аким. - М.: Лесн. пром-ть, 1965. -С. 121.
2. Сарканен, КВ. Лигнины (структура, свойства, реакции) [Текст]/К.В. Сар-канен, К.Х. Людвиг. - М.: Лесн. пром-сть, 1975. - 632 с.
3. Сумерский, И.В. Расщепление Р-эфирных связей лигнина бромистым ацетилом [Текст] / И.В. Сумерский, СМ. Крутов, М.Я. Зарубин // Известия СПбГЛТА. - 2008. - Вып. 186. - С. 206-217.
4. Холькин, Ю.И. Технология гидролизных производств [Текст]/Ю.И. Холь-кин. - М: Лесн. пром-сть, 1989. - 351 с.
—Mi—'-'-'-1-1
1200 800 600 400 200 0 Атомные единицы массы, Да
5. Чудаков, М.И. Промышленное использование лигнина [Текст] / М.И. Чудаков. - М: Лесн. пром-ть, 1983. - 200 с.
6. Сарапета, А.Е. Comprehensive Approach for Quantitative Lignin Characterization by NMR Spectroscopy [Text] / A.E. Capanema, M.Y. Balakshin, J.F. Kadla // J. Agric. Food Chem. - 2004. - N 52. - Р. 1850-1860.
7. Lin, S.Y. Methods in lignin chemistry [Text] / S.Y. Lin, C.W. Dence. - Berlin: Springer-Verlag, 1992. - C. 42-49.
8. Lu, F. Derivatization Followed by Reductive Cleavage (DFRC Method), a New Method for Lignin Analysis: Protocol for Analysis of DFRC Monomers [Text] / F. Lu, J. Ralph // J. Agric. Food Chem. - 1997. - N 45. - Р. 2590-2592.
Поступила 24.08.09
I. V. Sumersky, S.M. Krutov, A.V. Pranovich, M.Ya. Zarubin Saint-Petersburg State Forest Technical Academy
Investigation of Model Compounds and Lignin Preparations by DFRC method
Optimal conditions for using DRFC method are determined for investigation of lignin preparations.
Keywords: model compounds of lignin, Bjorkman lignin, ß-ether bond, bromide acetyl, DRFC method.
