Содержание к диссертации
Введение
1. Литературный обзор 9
1.1. Лигнин травянистых растений как полифункциональное соединение 9
1.2. Критерии реакционной способности лигнина 26
1.3. Топологическая структура лигнина, её влияние на реакционную способность 40
1.4. Выводы, постановка цели и задачи исследования 47
2. Объекты и методы исследования 48
2.1. Характеристика объектов исследования 49
2.2. Методики определения компонентного состава исходного растительного сырья 49
2.3. Методики выделения образцов 51
2.4. Методики определения функционального и элементного состава лигнинов 53
2.5. Методы ИК-, ЯМР- и ЭПР-спектроскопического исследования лигнинов 56
2.6. Методы определения молекулярных масс и исследования топологической структуры макромолекул 58
2.7. Метод определения эффективного потенциала лигнинов 60
2.8. Методы определения значений рКа лигнинов и растительных экстрактов, 64
3. Обсуждение результатов 67
3.1. Молекулярный уровень структурной организации ДЛС и ДЛР 67
3.1.1. Элементный состав, функциональный состав лигнинов 67
3.1.2. ЯМР-анализ структуры лигнинов ДЛР и ДЛС 73
3.1.3. Сравнительный анализ ИК-спектров лигнинов ДЛС и ДЛР 91
3.1.4. ЭПР-спектроскопия лигнинов ДЛС и ДЛР 94
3.2. Гидродинамические свойства и топологическая структура ДЛС и ДЛР
3.3. Кислотно-основные свойства растительных экстрактов и лигнинов 99
3.3.1. Определение значений рКа экстрактов хвои пихты 99
3.3.2. Дифференцированное определение констант кислотности функциональных групп лигнина 110
3.3.3. Редокс-свойства лигнинов ДЛС и ДЛР 122
Выводы 128
Литература
- Топологическая структура лигнина, её влияние на реакционную способность
- Методики выделения образцов
- Элементный состав, функциональный состав лигнинов
- Гидродинамические свойства и топологическая структура ДЛС и ДЛР
Введение к работе
Актуальность работы. Особенностям химического строения и физико-химическим свойствам лигнинов травянистых растений до настоящего времени уделялось мало внимания, а данные по лигнинам лекарственных растений отсутствуют вообще. Накопленные знания о вариациях структуры и свойств лигнинов ограничиваются лигнинами древесины пород, вовлеченных в целлюлозно-бумажную промышленность. Однако поиск путей рационального использования травянистого растительного сырья, в частности, заготавливаемым на территории республики Коми, ро-диолы розовой и серпухи венценосной, требует детального изучения структуры их лигнинов. Лиг-нины травянистых растений, благодаря наличию активных функциональных групп и полифеноль-ной структуре, являются перспективным сырьем для получения низкомолекулярных веществ широкого спектра применения, сорбентов, антиоксидантов, пластика. Полифункциональный состав лигнинов обуславливает особенности окислительно-восстановительных и кислотно-основных взаимодействий, поэтому для характеристики свойств и реакционной способности лигнинов лекарственных растений необходимо иметь данные о кислотно-основных и редокс-свойствах структурных фрагментов.
В связи с тем, что химическая структура лигнина зависит от ботанического происхождения растения, а травянистые растения характеризуются исключительным разнообразием видов, значительный интерес представляет выявление особенностей химического строения лигнинов на каждом уровне ботанической иерархии. Для этого необходимо пополнять базу знаний о химической структуре лигнинов растений, относящихся к различным семействам, с использованием наиболее информативных аналитических методов таких, как ИК и двумерная ЯМР-спектроскопия.
Проведение таких исследований вносит вклад в развитие представлений о структуре и свойствах лигнинов различного ботанического происхождения, а также о возможных путях переработки и использования лигносодержащего растительного сырья.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с планами НИР Института химии Коми НЦ УрО РАН по теме «Структурная организация и физико-химические свойства природных полисахаридов и лигнина - перспективных биополимеров для создания новых материалов растительного происхождения» № Г.Р.0120.0604258 (2006-2008 гг.) в рамках приоритетного направления фундаментальных исследований РАН «Научные основы процессов полимеризации, структура и физико-химические свойства полимерных веществ и макромолекул синтетического и природного происхождения» и Программы Президиума Российской академии наук «Фундаментальные науки - медицине» (проект «Создание онкопротекторных энтеросорбентов на основе природных и биосинтетических лигнинов»).
Цель диссертационной работы - определить строение лигнинов травянистых растений родиолы розовой Rhodiola rosea L. и серпухи венценосной Serratula coronata L., а также исследовать их физико-химические свойства. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
Выделить образцы лигнинов. Определить особенности структурной организации на молекулярном уровне, с помощью анализа фрагментного состава по данным спектроскопии ЯМР.
Определить молекулярные массы и топологические характеристики лигнинов методами капиллярной вискозиметрии, скоростной седиментации и поступательной диффузии.
Разработать метод дифференцированного определения констант кислотности различных фрагментов лигнина на основе рК-спектроскопии и определить значения рКа фенольных гидроксильных групп лигнинов в водных растворах, отработать применимость этого метода к анализу сложных протолитических систем на примере экстрактов пихтовой хвои.
Провести сравнительное исследование редокс-свойств лигнинов методом косвенной ре-докс-метрии и установить влияние молекулярной массы на редокс-свойства.
Научная новизна. Впервые получены экспериментальные данные о молекулярном и топологическом уровнях структурной организации лигнинов травянистых растений родиолы розовой {Rhodiola rosea L.) и серпухи венценосной {Serratula coronata L.) Установлено, что предшественниками лигнина родиолы розовой могут быть кумараты и ацетаты кониферилового и синапового
4 спиртов. Установлено, что лигнин родиолы розовой извлекается в комплексе с веществом нелиг-нинного характера, построенным из остатков жирных кислот.
Определено, что в образцах лигнинов серпухи венценосной (ДЛС) и родиолы розовой (ДЛР) присутствуют несколько типов фенольных гидроксильных групп, различающихся по кислотно-основным свойствам. Определены константы ионизации (рКа) фенольных гидроксильных групп, присутствующих в исследуемых образцах.
Методом косвенной редоксметрии дана оценка реакционной способности лигнинов в редокс-взаимодействиях - определен эффективный потенциал образцов ДЛС и ДЛР. Оценено влияние макромолекулярных и структурных особенностей строения лигнинов ДЛС и ДЛР на изменение эффективного потенциала.
Практическая ценность работы. Развитие представлений о химической структуре лигнинов травянистых растений вносит вклад в систематику лигнинов в зависимости от их ботанической принадлежности. Полученные результаты помогают разработать критерии соответствия ма-лоизмененных лигнинов определенным классам лигнинов, близких по химической структуре и свойствам.
Разработан метод дифференцированного определения констант кислотности слабых кислот с близкими значениями рКа в смеси. Показана применимость этого метода к анализу экстрактов хвои пихты. Идентифицированы группы и фрагменты, ответственные за протолитические свойства лигнинов ДЛР и ДЛС.
Экспериментально полученные термодинамические характеристики развивают теоретические представления о влиянии особенностей химической и макромолекулярной структуры лигнина на его свойства, а также могут быть полезны при выборе условий модификации лигнина с целью получения практически ценных продуктов с заранее заданными свойствами.
Представленные в работе результаты найдут применение в работах технологического направления с целью комплексного и рационального использования биополимеров возобновляемого растительного сырья.
Личный вклад автора заключался в выборе методов исследования препаратов лигнина, получении основной части экспериментальных данных, их обработке и интерпретации, формулировании выводов и подготовке публикаций по теме диссертации. Математическая реализация метода рК-спектроскопии и разработка программы для расчета констант кислотности, использованной при выполнении работы, осуществлена д.х.н., г.н.с. Рязановым М. А. Гидродинамические исследования макромолекулярных свойств лигнинов были проведены к.х.н., с.н.с. Беляевым В. Ю. Инструментальные исследования методами ЯМР, ИК, УФ-спектроскопии проведены автором совместно со специалистами Института химии Коми НЦ УрО РАН.
Апробация работы. Результаты работы обсуждались на II Международной научной конференции «Химия, технология и медицинские аспекты природных соединений». (Алматы, Казахстан, 2007 г.), Международных молодежных научных конференциях «Севергеоэкотех» (Ухта, 2009, 2010 гг.), XV Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (Москва, 2008), V и VI Всероссийских научных конференциях «Химия и технология растительных веществ» (Уфа, 2008 г., Санкт-Петербург, 2010 г.), V Региональной конференции молодых ученых «Теоритическая и экспериментальная химия жидкофазных систем» (Иваново, 2010), Международной конференции «Физикохимия растительных полимеров» (Архангельск, 2011), Научно-практической конференции «Февральские чтения» (Сыктывкар, 2011 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 6 статей в журналах, рекомендованных ВАК Российской Федерации, и 10 тезисов докладов.
Объем и структура работы. Работа изложена на 145 страницах машинописного текста, содержит 35 таблиц, 58 рисунков и состоит из введения, литературного обзора, методической части, обсуждения результатов и выводов. Список литературы содержит 188 наименований.
Автор выражает особую благодарность д.х.н. Кочевой Л. С. и д.х.н. Карманову А. П. за активное участие в постановке целей и задач исследования. Автор благодарит сотрудников Института химии Коми НЦ УрО РАН (Беляева В. Ю., Ипатову Е. У., Алексеева И. Н, Кузнецова С. П., Зайнуллину Е. Н.) за помощь при выполнении инструментальных исследований. Автор выра-
5 жает глубокую признательность д.х.н. Рязанову М. А. за помощь в планировании экспериментов и интерпретации полученных данных.
Топологическая структура лигнина, её влияние на реакционную способность
В макромолекуле лигнина в результате происходящих в клеточной стенке биохимических окислительно-восстановительных процессов могут присутствовать хинонные или хинонметидные структуры. Это положение было подтверждено работами Пью и Коннора [23], выделивших семихинон диоксерина из продуктов дегидрирования родственных лигнину соединений. Для л-хинолидных соединений характерен только один максимум поглощения в области 235-250 нм (в зависимости от природы заместителей), причем его интенсивность примерно на порядок выше интенсивности поглощения пространственно затрудненных фенолов Q iax 280 нм). Для циклогексадиенонов с о-хинолидной структурой максимум поглощения сдвинут в более длинноволновую область (310-350 нм) [24].
Метод дифференциальной спектроскопии позволил существенно расширить возможности УФ-спектрофотометрии лигнина. В отличие от прямого спектрофотометрического метода, по которому оптическую плотность исследуемого раствора измеряют относительно чистого растворителя или так называемого холостого раствора, в котором содержатся все компоненты, кроме определяемого вещества, при использовании дифференциальной спектроскопии исследуемый раствор подвергают обработке, и оптическую плотность обработанного раствора определяют относительно исходного.
В химии лигнина широко используется метод дифференциальной спектроскопии (Ае-метод), разработанный Аулин-Эрдтман [25] позволяющий определять содержание фенольных гидроксильных групп, сопряженных двойных связей. Сущность его в том, что при увеличении рН фотометрируемого раствора происходит ионизация фенольных гидроксилов, в результате чего на спектре появляются новые полосы поглощения. Дифференциальная кривая ионизации лигнина Ає характеризуется наличием максимумов поглощения около 250 и 300 нм и широкой полосы поглощения в области 300-400 нм. По положению и относительной интенсивности максимумы поглощения около 250 и 300 нм подобны максимумам на Ае-кривых модельных соединений лигнина аналогичных гваяцилпропану [26]. Появление максимума или плеча в области 300-400 нм связывают с наличием в структуре фенольных гидроксилов, сопряженных с карбонильной группой или двойными а-Р-углерод-углеродными связями.
Различия в УФ-спектрах лигнинов разного ботанического происхождения не позволяют сделать однозначные выводы об особенностях химической структуры исследованных соединений, поскольку полосы зачастую плохо разрешимы и существуют значительные перекрытия полос.
При выборе методик анализа структуры лигнина нельзя не учитывать его принципиальные особенности, такие как поливариантность фрагментного состава (структурная неоднородность) и полидисперсность. Описание лигнинов на языке брутто-формул малоинформативно, а количественное представление их структуры на языке привычных структурных формул просто невозможно. Это связано с тем, что помимо нерегулярного строения макромолекулярных цепочек и переменного состава монолигнолов, существует большое разнообразие межмономерных типов связей, что делает все деструктивные методы анализа неэффективными.
Наиболее информативным спектроскопическим методом исследования является ЯМР-спектроскопия, сейчас она широко используется для определения особенностей химической структуры лигнинов. Благодаря своему недеструктивному характеру, этот метод становится наиболее важным инструментом в исследованиях природных, синтетических и технических лигнинов [27, 28, 29], позволяющим извлечь информацию о связях между звеньями и избежать изменений структуры макромолекулы в ходе исследования.
Интерпретация 13С и Н ЯМР-спектров лигнинов осуществляется на основе знания ХС разнообразных соединений, моделирующих структурообразующие фрагменты и связи макромолекул лигнинов. Из-за многообразия видов связей между ФПЕ сигналы в спектрах ЯМР }Н сильно уширены по сравнению с сигналами модельных соединений. Это приводит к их перекрыванию и снижению информативности спектра. Спектроскопия ЯМР С оказалась намного эффективней, чем ЯМР Н, в исследованиях полимеров нерегулярного строения, так как уширение сигналов менее сказывается на информативности спектров вследствие гораздо более широкого диапазона ХС С. Кроме того, спектры ЯМР С позволяют идентифицировать четвертичные атомы углерода и функциональные группы, не содержащие атомов водорода.
Применение 13С и ТН ЯМР-спектроскопии для изучения лигнинов травянистых растений в работах [30, 31] позволило выявить особенности структуры, отличающие их от лигнинов хвойных и лиственных пород древесины. Ранее сравнение основывалось лишь на сопоставлении брутто-формул с указанием содержания фенольных, спиртовых ОН групп, карбоксильных и карбонильных, для некоторых лигнинов было рассчитано количество алкил-арильных простых эфирных связей. Безусловным успехом этих исследований методом ЯМР стали данные о соотношении гваяцильных, сирингильных и и-кумаровых звеньев. Расчет проводился по интегральным интенсивностям сигналов в диапазонах спектра Л 54-150 и 150-140 м.д., и подтверждался количеством групп ОСНз, приходящихся на одно ароматическое кольцо. В работах [30, 31] методом ЯМР на ядрах Н и 13С обнаружены следующие соотношения структурных единиц в лигнинах травянистых растений: хлопчатника (стебли) - Н : G : S : (А+А ) = 0,02 : 0,93 : 1,00 : 0,32 и пшеницы (стебли) - Н : G : S : (А+А") = 0,38 : 1,00 : 1,28 : 0,21, то есть везде указывается, что G S. Єтруктурьі типов А и А\ представлены на рис 1.2. Авторы предположили их присутствии на основании резонансных сигналов четвертичных ароматических атомов углерода в диапазоне ХС 115-95 м.д. и групп ОСН3 в диапазоне 64-58 м.д. Эти резонансные сигналы могут принадлежать атомам С-1, С-3 структур, по типу замещения ароматического кольца подобных структурам А, А , атому С-7 структуры А".
Методики выделения образцов
Скоростная седиментация. Коэффициенты скоростной седиментации измеряли на аналитической ультрацентрифуге МОМ-3180 в двухсекторной полиамидной кювете капиллярного типа, позволяющей проводить опыты с образованием искусственной границы, согласно [131]. Опыты проводили в ДМФА при концентрациях порядка Зх1(Г3 г/см3 при скорости вращения ротора 48000 об/мин. Величину коэффициента седиментации S рассчитывали по скорости смещения максимума седиментационнои границы (— 1, отнесенной к ускорению центробежного поля: — rft S = -f-f (2.23) где со - угловая скорость вращения ротора центрифуги, х - координата максимума седиментограммы, / - время седиментации, с.
Поступательная диффузия. Измерения коэффициентов поступательной диффузии проводили на аналитической ультрацентрифуге МОМ-3180 при 25С, согласно методике [131]. Диффузионную границу образовывали в полиамидной кювете наслаивающего типа, рабочие полости которой имеют секториальную форму. Искусственную границу между раствором и растворителем создавали путем наслоения растворителя на раствор. Коэффициенты диффузии измеряли при концентрациях раствора примерно Зх10 3 г/см3. Опыты проводили при скорости вращения ротора 5000 об/мин, интервал между снимками 10-20 мин. Количество снимков в опыте равнялось пяти. Обработку дифференциальных кривых проводили по методу максимальной ординаты и площади, который является стандартным [130]. Опыты проводили при температуре ротора 25С. При определении ММ методом седиментационно-диффузионного анализа используется комбинация двух экспериментальных гидродинамических параметров макромолекулы, характеризующих поступательное трение: коэффициента диффузии и константы седиментации в центробежном поле, входящих в уравнение Сведберга[131]: MSD=SRT/(1- vpo)D (2.24). Поскольку константа седиментации наиболее низкомолекулярных фракций не может быть определена — в условиях эксперимента седиментационная граница смещается крайне слабо, то для определения ММ этих фракций использовали также данные вискозиметрии. В этом случае расчет проводился по уравнению [6]: - MDr,=A03/([D]3 [7]]), (2.25) где А0 - гидродинамический инвариант Цветкова-Кленина, определенный по результатам исследований высокомолекулярных фракций методом седиментационно-диффузионного анализа: A0=f]oD(MSD[t]J)1/3/T, щ - вязкость растворителя; [D] -характеристический коэффициент диффузии, [D] = - .
В термостатированную при 25,0±0,1С стеклянную реакционную ячейку с платиновым (ЭВП-1) и хлорсеребряным (ЭВЛ-1-МЗ) электродами, подключенными к цифровому иономеру «ЭКСПЕРТ-001-1» (ООО «Эконикс Эксперт», г. Москва), вводили окислительно-восстановительную систему на основе феррицианид-ферроцианид калия. Общий объем реакционной смеси для всех экспериментов составил 100 мл. Концентрация окислителя в реакционной среде составила 1-Ю-3 моль/л; соотношение Сох : С = 100 : 1; растворитель 0,01 М NaOH (рН=11,86). Фиксировали начальное значение ЭДС раствора ОВС (Е ), после чего добавляли 1 мл исследуемого раствора лигнина, предварительно растворенного в 0,01 М NaOH и выдержанного не менее 24 часов. Исходная концентрация лигнина составляла 2 мг/мл, после разбавления в растворе ОВС истинная концентрация, пробы органического субстрата в начальный момент окисления соответствовала 0,02 мг/мл.
После смешения реагентов, при постоянном перемешивании раствора магнитной мешалкой фиксировали значения ЭДС смеси до момента достижения практически постоянного значения данного параметра. (50-60 минут). Запись значений потенциала начинали за 20-30 с до добавления раствора лигнина. Потенциал записывали через каждые 10 секунд. По уравнению (2.26) рассчитывали текущую - концентрацию феррицианида. Таким образом получали кинетическую кривую порядка 100 точек (рис.2.2). Подача азота, в ячейку и перемешивание раствора не прекращалось с момента начала термостатирования и до завершения измерения. С2 ехр [Ох]т= — 1 + ехр (? -? „ + ln cl RT Cy.-C j ({ P- P„m)F +ln СІ RT C -C j (2.26) [Ох\ - концентрация феррицианида в произвольный момент времени; фнач - начальный потенциал ОВС-медиатора с учетом потенциала электрода сравнения pA&Agci (199 мВ): рнач=Е +199; Cz - суммарная начальная концентрация окисленной и восстановленной форм медиатора, (0,00101 моль/л); С - начальная концентрация окисленной формы медиатора, (1-Ю-3 моль/л); 0,00100
Кинетическая кривая, представленная на рис. 2.2, состоит из начальной. стадии, где концентрация феррйцианида, быстро падает, и конечной, на которой расходование окислителя происходит медленно. Поэтому считается,, что по окончанию второй стадии в системе устанавливается псевдоравновесное состояние. Изменение величины? dC0X/dx во времени,, изображенное на рис. 2.2, характеризует динамику изменения- скорости- реакции. В г тот момент, когда флуктуации второй производной Сох по времени; исчезнут, псевдоравновесие: в системе можно считать установившимся.. Посколькуза время достижения псевдоравновесного состояния? некоторая часть продуктов окисления (АгО ; [АгО+,[Ее(ЄМ)б]П) необратимо расходуется, согласно [74]; величину [Ох]п.р. находили экстраполяцией линейной зависимости : Gox=f(l/x) нан 1/т=0. Для определения псевдоравновесной концентрации брали .участок кинетической кривой от т=0 до момента достижения псевдоравновесия определяемого из графика (d2Gox/dT2)=nj).
Далее определяли окислительный потенциал ОВС-медиатора в псевдоравновесном состоянии: (фп.р мВ), для этого определяли величину формального значения окислительного потенциала ОВЄ - медиатора (ср\ мВ); с учетом ассоциации окисленной; и восстановленной форм OBG в начальный момент времени[
Элементный состав, функциональный состав лигнинов
Обобщение. Лигнины, образовавшись в растительной ткани, выполняют разнообразные функции. В зависимости от роли растительной ткани, типа растения, его филогенетического происхождения, эти вещества могут различаться по химическому составу и структуре, но неизменно одно — все они построены из фенилпропановых структурных звеньев, соединенных простыми эфирными и углерод-углеродными связями [162]. Весьма необычно, по сравнению с известными на сегодняшний день лигнинами, выглядят образцы лигнина, выделенные из родиолы розовой. В этих образцах не выявлены фенилкумарановые фрагменты, считающиеся характерными для всех лигнинов. В составе этих образцов значительную долю занимают длинные насыщенные алифатические. цепочки. Определено, что они представляют собой индивидуальный полимер, фрагменты которого точечно соединены с макромолекулой лигнина через сложноэфирные связи. В связи с вышесказанным, можно заключить, что образцы, выделенные из корневищ родиолы розовой, являются комплексом лигнина и суберина - высокомолекулярного вещества пробковой растительной ткани, построенного из остатков жирных кислот. Лигнин родиолы розовой, выросшей в суровых условиях Приполярного Урала, содержит заметно меньше сирингильных единиц, и не содержит ацетатных групп. Но в этом лигнине выявлено присутствие этоксильных групп и глицерина, скорее всего в составе суберина. Обнаруженные особенности лигнина родиолы розовой наводят на мысль, что роль лигнина в корневищах родиолы может отличаться от обычной, приписываемой этому полимеру роли структурного элемента, придающего жесткость клеточной стенке.
В ходе исследования было определено, что лигнины родиолы и пшеницы объединяют в свою структуру более чем три классических монолигнола - п-кумаровый, конифериловый и синаповый спирты. Так же предшественниками этих лигнинов могут быть кумараты кониферилового и синапового спиртов, и, возможно, ацетаты этих спиртов. Лигнин серпухи венценосной не содержит сложноэфирных связей, структур дибензодиоксоцина и спиродиенона, но его особенность в том, что в его структуре имеются этоксильные группы в Р-положении фенилпропановых единиц. Определение ацилированных фрагментов в лигнинах является весьма важным шагом в анализе лигнинов различного происхождения, поскольку позволяет лучше понять особенности биосинтеза лигнина. К общим структурным особенностям.изученных лигнинов можно отнести преобладание р-0-4 связей между фенилпропановыми звеньями над другими типами связей ф-Р, р-5, р-1) [186]. Выявленные структурные особенности делают лигнины пшеницы и родиолы весьма отличающимися от лигнинов лиственных пород древесины [163, 164], к которым ближе по структуре оказывается лигнин серпухи венценосной.
Одним из подходов к систематизации данных о мал отмененных лигнинах может стать выявление особенностей химического состава и свойств, присущих лигнинам на определенном і уровне ботанической классификации (хемотаксономические критерии). К особенностям химического состава лигнинов, зависящим от ботанического происхождения можно отнести соотношения структурных звеньев G:S:Hj наличие сложноэфирных связей между звеньями [29], карбоксильных, карбонильных и ацетильных групп [165].
ИК-спектры образцов ДЛС и ДЛР представлены на рис.3.19. Как можно видеть, сравнивая спектры между собой, полосы поглощения скелетных колебаний бензольного кольца 1600 и 1510 см-1 близки по своей интенсивности. Подобное соотношение этих полос характерно как для лигнинов однодольных [43], так и двудольных растений [13]. Для голосеменных, напротив, интенсивность полосы 1600 см-1 вдвое меньше [17]. При сравнении лигнинов покрытосеменных на уровне семейств, в спектрах отмечаются различия в относительной интенсивности полосы 1460 см-1 [13, 43], относимой к ассиметричным деформационным колебаниям СН-связей в метильных и; мётиленрвых группах, и значительно обусловленной метоксилъными группами. В спектре ДЛС (рис. 3.19) относительная интенсивность полосы 1460 см-1 больше, чем в ДЛР. В образце ДЛС предполагается более высокое содержание сирингильных единиц, поскольку относительная интенсивность полос 1510, 1267, 1032 см-1 меньше, а полосы при 1329 см-1 -больше. Спектр ДЛР демонстрирует особенности лигнинов G-типа согласно ИК-спектроскопической классификации Фейкса [14]: ООП ю ООП бо и ООП1267 ООП1232 (см. табл. 3.15). Вообще, в спектрах G-лигнинов проявляется две полосы, характеризующие колебания одного или двух атомов водорода — в области 880-850 см-1, и 855-800 см-1, а также показывают максимум при 1140 см-1; наличие даже нескольких процентов сирингильных единиц приводят к превращению двух полос в области 900-750 см-1 в одну при 837 см "1, наиболее интенсивным пиком на спектре становится г 1128 см"1 [166]; Однако образец ДЛР нельзя? относить к лигнинам G-типа; поскольку спектр ДЛР показывает наиболее интенсивный пик 1123 см"1 и полосу поглощения при 835 см-1. Для HGS-лигнинові, согласно классификации Фейкса, характерна полоса поглощения 1166 см"1 (валентные колебания; Є=0 в конъюгированных сложноэфирных группах), также поглощение: при 835 см-1 частично обусловлено G-H-внеплоскостными деформационными колебаниями во всех положениях гидроксиароматических звеньев: В?соответствии с ИК-спектрами можно предположить, что лигнит родиолы розовой относится к HGS-типу, а лигнин серпухи венценосной к GS-типу.
Гидродинамические свойства и топологическая структура ДЛС и ДЛР
Лигнин содержит группы, отличающиеся, по способности к окислению. Известно, что структуры лигнина с неэтерифицированным фенольным гидроксилом ответственны за протекание реакций окисления лигнина в щелочной среде. Используя метод косвеннойредоксметрии, можно определить эффективный? потенциал редокс-системы - характеристику реакционной способности, по физическому смыслу соответствующую стандартному потенциалу [85] і Если эффективный потенциал модельных соединений лигнина является физико-химическим параметром, характеризующим активность фенольного гидроксила в реакциях окисления-восстановления, то в макромолекуле лигнина значительное влияние на величину эффективного потенциала будут оказывать функциональный состав и особенности пространственного строения макромолекулы [118].
Методом косвенной - редоксметрии. исследовали реакционную способность лигнинов ДЛР и ДЛС. Для каждой фракции выполнялось 2...4 параллельных эксперимента. В табл. 3.25 и 3.26. представлены эффективные потенциалы фракций лигнинов, время достижения псевдоравновесного состояния (тп.р.), а также расчетное содержание окисленных функциональных групп к моменту псевдоравновесия ([Quin]n.p.) 123
Близкие значения эффективных потенциалов лигнинов родиолы и серпухи позволяют сделать вывод о схожей природе реакционных центров в этих лигнинах. Как было отмечено ранее, активным центром в реакциях окисления-восстановления лигнинных веществ является ионизированный под действием растворителя фенольный гидроксил. Однако авторы работы [82], исследовавшие окислительно-восстановительную активность лигнина хвойных, отмечают, что на величину эффективного потенциала природного редоксита влияет способ выделения образца из растения»и его макромолекулярные свойства (молекулярная масса, молекулярно-массовое распределение). Что и подтверждают полученные нами значения эффективных потенциалов фракций ДЛС и ДЛР. На рис. 3.42 и 3.43 можно наблюдать, что Еог зависят от молекулярной массы макромолекул лигнина и уменьшаются с уменьшением последней. На рис. 3.42 представлена функциональная зависимость эффективного потенциала ДЛС от молекулярной массы, которая хорошо описывает экспериментальные точки (г = 0,90). Данная зависимость выражается следующим степенным уравнением:
Сравнительный анализ полученных нами данных с данными по редокс-свойствам малоизмененных лигнинов хвойных [82] позволяет утверждать, что ботаническое происхождение лигнина так же влияет на его реакционную способность. В частности, эффективный потенциал диоксанлигнина сосны [82] изменяется по фракциям от 832 до 881 мВ, что примерно на 80 мВ больше соответствующих показателей образцов ДЛР и-ДЛС.
Определено, что лигнины недревесных растений родиолы розовой и серпухи венценосной являются более активными восстановителями в редокс-взаимодействиях, чем диоксанлигнин сосны. Наиболее близким по значениям эффективного потенциала к образцам ДЛС и ДЛР оказался сульфатный хвойный лигнин, исследованный методом редоксметрии в работе [118]. В этой же работе было определено, что сульфатный хвойный лигнин обладает значительным содержанием фенольных гидроксильных групп: от 3,9 % в наиболее высокомолекулярных фракциях до 9;4 % в низкомолекулярных, а так же сравнительно развернутой конформацией в реакционной среде, что положительно сказывается на реакционной способности этого технического лигнина 830-1/ . . .
На рис. 3.44 и 3.45 представлены временные зависимости окислительного потенциала ОВС-медиатора при взаимодействии его с реакционными центрами ДЛР и ДЛС Как это можно наблюдать, высокомолекулярным фракциям требуется меньшее время для достижения псевдоравновесного состояния в реакции окисления. Наблюдаемое явление находится в полном соответствии, с выявленными особенностями функционального состава фракций — возможной причиной является меньшее содержание фенольных гидроксильных групп в высокомолекулярных фракциях лигнинов.
Различия в химическом строении фенольных структурных единиц неизбежно будут сказываться на реакционной способности макромолекулы лигнина в целом. Доказательство этому представлено в работах [74, 83, 181], где были определены эффективные потенциалы мономерных модельных соединений лигнина: ванилин 862+3 мВ, ванилиновый спирт 658+7 мВ, гваякол 678+7 мВ, феруловая кислота 652±8 мВ, фенол 853±3 мВ, а-гваяцилпропанол 593±9 мВ, ацетованилон 642+8 мВ, пропиованилон 783+5 мВ. Известно, что наличие в ароматическом ядре различных заместителей оказывает существенное влияние на значение эффективного потенциала, скорость процесса окисления и характер образующихся продуктов. Судя по всему пропиованилон (Е 02 783±5 мВ) может наиболее представительно моделировать редокс-активность исследованных лигнинов.
