CC BY
40
УДК 544.23.02/03
КИСЛОТНО-ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ЛИГНИНОВ ЛЕКАРСТВЕННЫХ РАСТЕНИЙ РОДИОЛЫ РОЗОВОЙ RHODIOLA ROSEA И СЕРПУХИ ВЕНЦЕНОСНОЙ SERRATULA CORONATA
© В.А. Белый1, Л. С. Кочева1, А.П. Карманов1, К.Г. Боголицын2
1 Институт химии Коми научного центра Уральского отделения РАН, ул. Первомайская, 48, Сыктывкар, 167982 (Россия) E-mail: [email protected] 2Архангельский государственный технический университет, наб. Северной Двины, 17, Архангельск, 163002 (Россия) E-mail: [email protected]
Исследованы кислотно-основные свойства диоксанлигнинов родиолы розовой (Rhodiola Rosea L.) и серпухи венценосной (Serratula Coronata L.) путем спектрофотометрического определения констант ионизации фенольных гидро-ксильных групп. Выявлена взаимосвязь между молекулярной массой фракций исследуемых лигнинов и их кислотно-основными свойствами.
Ключевые слова: Serratula Coronata L., лигнин, диоксанлигнин, кислотно-основные свойства, константа ионизации.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант №06-03-32719).
Введение
Лигнин - биополимер растительного происхождения, в перспективе он может стать одним из источников получения самых разнообразных соединений и продуктов, что обусловлено особенностями его химического строения, физико-химическими и полимерными свойствами. Лигнины травянистых растений относятся к наименее изученному классу растительных биополимеров, так как внимание исследователей преимущественно было приковано к лигнинам древесных пород. Кислотно-основные свойства лигнинов играют важную роль в процессах химической переработки растительного сырья. Этим объясняется интерес специалистов к проблеме реакционной способности лигнинов, зависящей во многом от строения фенольных структур и их кислотно-основных и редокс-свойств. Как показывает анализ литературных источников, кислотно-основные свойства монолигнолов установлены, однако применение этих данных в отношении природных лигнинов ограничивается рядом факторов, к числу которых относятся: макромолекулярная природа образцов, кон-формационные свойства и специфические особенности лигнинов как полиэлектролитов. Таким образом, одной из актуальных задач химии растительных полимеров является установление кислотно-основных свойств малоизмененных лигнинов, выделенных из сырья различного ботанического происхождения.
Цель данной работы - оценка кислотно-основных свойств лигнинов родиолы розовой (Rhodiola Rosea L.) и серпухи венценосной (Serratula Coronata L.) и изучение взаимосвязи полимерных свойств с параметрами кислотности.
* Автор, с которым следует вести переписку.
Экспериментальная часть
Объектами исследования являлись образцы лигнина, выделенные из корневой части растений родиолы розовой и стеблей растений серпухи венценосной. Родиола розовая (Rhodiola rosea L.) - многолетнее травянистое растение семейства толстянковых (Crassulaceae). Серпуха венценосная (Serratula coronata L.) - многолетнее травянистое растение семейства сложноцветных (Asteraceae Dumort). Растения (возраст - 3 года) заготовлены в Ботаническом саду Института биологии Коми НЦ УрО РАН (Сыктывкар, Республика Коми).
Лигнины выделяли диоксановым методом из измельченного растительного сырья, проэкстрагированного водой и спирто-бензольной смесью. Условное обозначение препаратов лигнинов: диоксанлигнин родиолы розовой - ДЛР, диоксанлигнин серпухи венценосной - ДЛС. Фракционирование диоксанлигнинов по молекулярной массе (ММ) проводили дробным осаждением в системе диоксан-бензол.
Значения констант ионизации фенольных гидроксилов определяли по методике [1]: 50 мл водного раствора лигнина с концентрацией 0,02 мг/мл помещали в ячейку для титрования, снабженную магнитной мешалкой. Для измерения pH применяли иономер «Эксперт-001-1» со стеклянным электродом ЭСЛ-63-07 и хлорсеребряным электродом ЭВЛ-1МЗ. После добавления каждой порции титранта определяли рН раствора, отбирали 3 мл раствора и измеряли оптическую плотность относительно растворителя на спектрофотометре UV-1700 Shimadzu (Япония) в кварцевых кюветах. Погрешность измерения рН составила ±0,01. Спектр записывали в диапазоне длин волн от 240 до 400 нм. В качестве титранта использовали NaOH 1М.
Обсуждение результатов
На рисунках 1 и 2 представлены Дегспектры поглощения образцов ДЛС и ДЛР. Наличие полос поглощения в области 300-400 нм обусловлено присутствием в структуре фенольных гидроксильных групп, сопряженных с карбонильными группами, с сопряженными углерод-углеродными двойными связями и бифе-нильными группами.
По литературным данным [2], несопряженные фенольные элементы лигнина поглощают в области 294-305, в то время как их окисленные формы имеют батохромный сдвиг и интенсивно поглощают в области 330-370 нм.
В таблице 1 представлены данные о количестве фенольных гидроксильных групп различных типов (рис. 3) для исходных образцов ДЛС и ДЛР. Последний характеризуется высоким содержанием фенольных гидроксильных групп, которые, как правило, способствуют повышению реакционной способности биополимеров и усилению ряда полезных, в частности антиоксидантных, свойств. Следует отметить, что в лигни-нах родиолы розовой и серпухи венценосной обнаружено заметное количество фенольных гидроксилов, сопряженных с а-карбонильной группой в пара-положении (рис. 3, структуры II и IV). В образце ДЛР таких структур определено до 20% от всего содержания фенольных структур, в другом образце - ДЛС - около 12%. Как известно, эти фенольные гидроксилы активно участвуют в делокализации электронной плотности по цепочкам сопряженных п-связей, что сказывается на их кислотно-основных характеристиках и на реакционной способности макромолекулы в целом.
-0,1
Рис. 1. Де,-спектры лигнина родиолы розовой (номер кривой соответствует номеру фракции)
Рис. 2. Де,-спектры лигнина серпухи венценосной (номер кривой соответствует номеру фракции)
Таблица 1. Количество фенольных гидроксильных групп различных типов в образцах ДЛР и ДЛС, %
Образец ОН1+ш ОНп+ге ОН1+п+ш+ге ОН1 ОНп ОНш
ДЛР 2,32 0,57 2,89 1,46 0,46 0,85 0,12
ДЛС 0,96 0,13 1,09 0,94 0,11 0,02 0,02
— 1= =о _1_ 1^= о
он
I
он
IV
Рис. 3. Структуры лигнина, содержащие фенольный гидроксил (I.. .IV)
Таблица 2. Количество фенольных групп различных типов по фракциям ДЛР, %
Фракция ОН1+Ш ОНп+ге °Н1+п+ш+ге ОН1 ОНП ОНШ
1 1,75 0,21 1,97 1,07 0,21 0,68 0,00
2 1,53 0,14 1,67 1,04 0,10 0,49 0,04
3 1,77 0,17 1,94 0,97 0,10 0,80 0,07
4 2,02 0,24 2,23 1,23 0,22 0,78 0,02
5 2,17 0,27 2,42 1,36 0,25 0,81 0,02
6 1,92 0,29 2,19 1,20 0,28 0,72 0,01
7 1,85 0,42 2,22 0,63 0,36 1,23 0,05
8 2,17 0,53 2,64 0,78 0,47 1,39 0,06
9 2,31 0,69 3,00 0,57 0,69 1,74 0,00
Особый интерес представляют данные о распределении фенольных структур в различных фракциях ДЛР (табл. 2). Поскольку при фракционировании в ходе последовательного выделения фракций происходит закономерное уменьшение размеров макромолекул (ММ), то фракция №1 является наиболее высокомолекулярной, а фракция №9 - самой низкомолекулярной. Таким образом, возникает возможность выявления тех или иных тенденций в распределении фенольных гидроксилов по размерам макромолекул. Как следует из рисунка 4, наблюдается постепенное увеличение суммарного количества свободных фенольных гидрокси-лов в низкомолекулярных фракциях образца ДЛР.
Значения длин волн УФ-области для аналитического определения рКа образцов ДЛС и ДЛР были выбраны исходя из положения максимумов оптической плотности на Де-спектрах (рис. 1, 2): 255, 294 и 370 нм. Зависимости Б=:Г(рН), построенные при аналитических длинах волн (рис. 5 и 6), представляют собой типичные кривые титрования полиэлектролита со слабо выраженными перегибами. Инструментальное значение рН раствора в точке, соответствующей половине эквивалентного объема титранта, равно рКа. В таблицах 3 и 4 представлены константы ионизации фенольных гидроксильных групп лигнина серпухи и родиолы соответственно. Стандартное отклонение в параллельных измерениях рКа составляет ±0,2.
Как следует из данных, приведенных в таблице 3, в образце ДЛС содержится три типа фенольных гидроксильных групп, значения рКа которых существенно различаются, однако в образце ДЛР (табл. 4) фиксируется только два типа фенольных гидроксилов. Как известно, «кислые» фенольные структуры, значения рКа которых находятся в диапазонах 7-9 и 10-12, являются структурами, не имеющими С-С связь в пятом положении ароматического ядра, сопряженную и несопряженную с а-карбонильной группой. Мономерными соединениями, моделирующими фрагменты лигнина первого и второго типов, можно считать пропилвани-лон (рКа=7,98) и а-гваяцилпропанол (рКа=9,83) [3].
На появление структур с показателями кислотности выше 11 оказывают влияние сопряженные с ними ионизирующиеся группы. Эффект взаимовлияния наиболее сильно проявляется в бифенильных димерных соединениях: например, у гваяцилстильбена первый протон отрывается гораздо легче (рКа1=7,27), чем второй (рКа2=10,39) [3]. Несколько слабей упомянутый эффект обнаруживается в пинорезинольных структурах, например, у пинорезинола рКа1=9,01, рКа2=9,76 [3]. Безусловно, в лигнине существуют цепочки сопряжения углерод-углеродных связей, повышение электронной плотности в которых в результате ионизации атома кислорода более «кислых» групп и делокализации валентных электронов ведет к росту значений рКа остальных фенольных гидроксилов.
он
Рис. 4. Количество фенольных групп различных типов по фракциям ДЛР
0,38
0,23
0,18 -
й
0,65
0,55
0,45
0,35
0,25 -
0,15
5,5 6,5 7,5 8,5 9,5 10,5 11,5 рН
0,05
6,5 7,5 8,5 9,5 10,5 11,5
рН
Рис. 5. Зависимость Б = Г(рИ) для фракций лигнина серпухи венценосной при длине волны 370 нм
Рис. 6. Зависимость О = Г(рИ) для фракций лигнина родиолы розовой при длине волны 370 нм
Таблица 3. Результаты спектрофотометрического титрования водных растворов фракций ДЛС при аналитических длинах волн X
№ ММ Значения рКа гидроксильных групп, сопряженных / несопряженных с а-карбонильной группой
фракции 255 нм 294 нм 370 нм
ДЛС* 14200 9,0 / 11,1 - / 11,2 8,5 / -
1 33600 9,0 / 10,3 - / 10,3 8,1 / -
2 26600 9,9 / 9,9 - / 10,2 8,5 / -
3 21200 9,2 / 10,9 9,8/11,3 8,8 / -
4 11600 9,6 / 10,7 9,9/10,9 9,1 / -
5 8100 7,8 ; 9,9/11,1 10,6/11,2 10,1 / -
6 6400 8,0 ; 10,2/11,3 10,4/11,7 9,8 / -
7 5600 7,9 ; 10,3/11,3 10,5/11,9 10,2 / -
8 4700 8,5 ; 10,7 / - 11,0 / - 10,5 / -
' нефракционированный образец
Таблица 4. Результаты спектрофотометрического титрования водных растворов фракций ДЛР при аналитических длинах волн X
№
Значения рКа гидроксильных групп, сопряженных / несопряженных с а-карбонильной группой
фракции 255 нм 294 нм 370 нм
ДЛР* 8,0 / 10,2 8,5 / 10,0 8,0 / 9,6
1 7,7 / 9,8 9,5 / 10,9 7,6 / 9,2
2 9,1 / 9,1 9,0 / 11,2 8,6 / 8,6
3 9,4 / 9,4 9,2 / 11,4 8,2 / 9,5
4 8,6 / 10,2 10,0 / 10,0 8,5 / 9,9
5 9,1 / 11,4 8,9 / 11,3 8,7 / 10,0
6 9,7 / 11,5 10,1 / 11,9 8,3 / 10,8
7 9,9 / 11,4 10,5 / 12,1 9,4 / 10,6
8 9,6 / 11,6 10,9 / - 9,1 / 10,6
9 10,5 / 11,3 10,7 / - 9,1 / 10,3
*нефракционированный образец.
Как видно из таблиц 3 и 4, для лигнинов ДЛР и ДЛС величина рКа фенольных групп в сопряженных структурах находится в основном в интервале 8-10, а в несопряженных структурах - в интервале 10-12. Отметим, что лигнины хвойных [4] характеризуются в среднем более высокими значениями показателя рКа.
Для оценки влияния молекулярной массы макромолекул лигнина на величины констант ионизации фенольных гидроксильных групп были определены значения ММ фракций образца ДЛС с использованием методов поступательной диффузии, скоростной седиментации и капиллярной вискозиметрии. Согласно построенным на рисунке 7 зависимостям с увеличением молекулярной массы фракций наблюдается усиление протоно-донорных свойств макромолекул. Взаимосвязь между величинами ММ и рКа, описывается уравнениями: для несопряженных структур с рКа 10-12:
рКа = 18,6 ММ-0,058 (г=0,74);
для сопряженных с Са=О структур с рКа 9-10:
рКа = 20,9 ММ-0,082 (г=0,96).
Анализ экспериментальных данных показывает, что величина рК не снижается, как можно было бы предположить, а возрастает при уменьшении ММ фракций. Аналогичная зависимость была обнаружена для хвойного лигнина Бъеркмана. Более того, следует отметить, что показатели рК модельных соединений лигнина [3] ближе к значениям рК для высокомолекулярных фракций, чем для низкомолекулярных. По-видимому, указанные закономерности определяются спецификой электростатических взаимодействий, играющих важную роль в поведении полимерных структур с ионогенными группами.
Как известно, отрыв ионов водорода от поликислоты в процессе титрования затрудняется из-за возрастающего притяжения их к полианиону. В низкомолекулярных фракциях лигнина, по сравнению с высокомолекулярными, содержится большее количество сильнокислых гидроксилов, сопряженных с карбонильной группой пропановой цепочки. Эти группы, способные ионизироваться на ранней стадии, создают больший отрицательный заряд на низкомолекулярных фрагментах, что приводит к возрастанию рКа оставшихся гидроксильных групп. В ходе дальнейшего титрования лигнин ведет себя как все более слабый полиэлектролит. Частичная диссоциация ионогенных групп лигнина приводит к тому, что макромолекула становится окруженной облаком противоионов, в результате чего образуется двойной электрический слой. Экранирование противоионами фенолят-анионов ведет к снижению отрицательного заряда макромолекулы, что способствует дальнейшей ионизации и снижению величин рКа. Возможно, что у крупных макромолекул лигнина экранирование фенолят-анионов происходит более эффективно. Таким образом, в рамках классических представлений о полиэлектролитах становятся более понятными закономерности кислотно-основных взаимодействий, которые определяют реакционную способность лигнина. Однако необходимо учитывать также ряд специфических для лигнина свойств, отличающих его от типичных полиэлектролитов регулярного строения. Помимо чрезвычайно сложной химической структуры макромолекул, наличия фенольных структурных единиц нескольких типов, различающихся по донорно-акцепторным свойствам, лигнины имеют сложную
конфигурацию макромолекул и протяженные цепочки сопряжения углерод-углеродных связей. По-видимому, более полная интерпретация кислотно-основных свойств исследуемых лигнинов будет возможна после детальной характеристики данных лигнинов как на химическом, так и на топологическом уровне структурной организации.
Выводы
1. Исследованы кислотно-основные свойства лигнинов родиолы розовой (Rhodiola Rosea L.) и серпухи венценосной (Serratula Coronata L.) путем спектрофотометрического определения констант ионизации фе-нольных гидроксильных групп. Показано, что величина рКа фенольных групп в сопряженных структурах находится в интервале 8-10, а в несопряженных структурах в интервале 10-12.
2. Взаимосвязь между величинами ММ и рКа для лигнина серпухи венценосной описывается следующими уравнениями: для несопряженных структур - рКа = 18,6 ММ-0,058, для сопряженных с Са=О структур -рКа = 20,9 ММ-0,082.
Список литературы
1. Боголицын К.Г., Косяков Д.С., Горбова Н.С., Хвиюзов С.С. Дифференцированное определение констант кислотности структурных фрагментов лигнина // Химия растительного сырья. 2007. №4. С. 45-52.
2. Богомолов Б.Д., Штрейс Г.Б., Гельфанд Е.Д. К определению фенольных гидроксильных групп тиолигнина Де-методом // Изв. высш. учеб. завед. Лесной журнал. 1965. №3. С. 129-133.
3. Ragnar M., Lingren C.T., Nilvebrant N.-O. pKa-values of Guaiacyl and Syringyl Phenols Related to Lignin // J.Wood Chem.Technol. 2000. V. 20. №3. P. 277-305.
4. Самылова О.А., Айзенштадт А.М., Боголицын К.Г., Косяков Д.С., Горбова Н.С. Кислотно-основные свойства лигнина Бьеркмана // Изв. высш. учеб. завед. Лесной журнал. 2003. №6. С. 95-103.
Поступило в редакцию 18 января 2009 г.
