Инактивация лигннна
Как уже было показано выше, нагревание древесины в кислой среде снижает способность лигнина реагировать с сульфитными варочными растворами. К такому же результату приводит нагревание древесины со щелочами, фенолами, сульфидами, роданидами, метилирующими реагентами и некоторыми другими веществами. Природа этих явлений различна и недостаточно выяснена. Явление снижения реакционной способности лигнина по отношению к сернистой кислоте и ее солям Густавсон и Сойла [32] предложили называть инактивацией лигнина. При изучении сульфитной варки наибольшее значение имеют явления «инактивации» лигнина, вызываемой обработкой древесины в кислой и щелочной средах, а также нагреванием древесины с фенолами.
Изменения в лигнине, происходящие под влиянием нагревания древесины в кислой среде, не являются необратимыми. Подобная обработка лишь замедляет реагирование лигннна с сульфитными варочными растворами, но не прекращает его. По данным Браунса [33], Цыпкпной [84] и других исследователей, в инактпвированный лигнин удается ввести до 20% серы. При длительной сульфитной варке в раствор переходит даже «гидролизный» лигнин, получаемый в гидролизном производстве в результате гидролиза углеводов древесины разбавленной серной кислотой при 180°. Однако, как уже отмечалось, для растворения инактивирован - ного лигнина в него приходится ввести больше серы, чем в лигнин, не подвергавшийся ипактивации.
Влияние кислотности сульфитного варочного раствора на сульфирование и растворение инактивированного лигнина сказывается так же, как и при варке древесины, не подвергавшейся предгпдролизу. С повышением кислотности среды сульфирование и растворение инактивированного лигнина ускоряются.
Выше было показано, что частичная инактивация лигнина происходит и в условиях нормальной сульфитной варки. По наблюдениям Линдгрена, этот процесс проявляется даже во время нагревания древесины с сульфит- бисульфитным раствором при рН=6 и температуре 135°.
Явление инактивации лигнина под действием кислотной обработки древесины обусловливается коллоидно-химическими и химическими изменениями в лигнине. Чем жестче условия инактивации, тем в большей степени превалирует химический процесс — конденсация лигнина. При этом в лигнине образуются углерод-углеродные связи. Об этом свидетельствует образование мета-гемипиновой кислоты (I) при окислении метилированной лигносульфоновой кислоты, полученной из лигнина, инактивированного кислотным предгидролизом [36]. На это же указывает и образование пиромелитовой (II) и бензол-пента-карбоновой (III) кислот при окислении щелочным раствором перманганата лигносульфоновой кислоты из инактивированного кислотным предгидролизом периодатного лигнина [36].
Осн3
Ноос/ qCII.
-___________ /
СООН
СООН
Ноос</ соон
СООН
СООН
СООН СООН
Рихтденхайн [35] полагает, что метагемипиновая кислота образуется из присутствующих в лигнине группировок типа лигнана по схеме
I
—С—
—С—
I —С— I —с— |
Н, со |
Осн., |
I
—с— I |
Н, со |
/ он |
—с—
/
ОСНо
Метилирование -- >
Соон |
Ч/ОСМз ОСНз |
Окисление
При конденсации лигнина связь С—С образуется менаду а-углеродным атомом боковой цепи и 5-м углеродным атомом в ядре.
Из конденсированного лигнина выход ванилина (при окислении нитробензолом в щелочной среде) получается меньшим, чем из неповрежденного.
Вместе с тем Одинцов [37] показал, что из древесины, обработанной в течение 40 минут 2%-й серной кислотой при 120°, был получен такой же выход ванилина, как и из необработанной.
НО |
Густавсон и Сойла [32], определявшие количество динитрогваякола ОСН3
N0;,, образующегося при нитровании древесины азотной
I
No2
Кислотой при комнатной температуре, установили, что предварительное 6-часовое нагревание древесной муки при 150° в среде с рН от 2.5 до 6, не оказывает никакого влияния на выход динитрогваякола. Условия предгидролиза, применявшиеся Одинцовым и Густавсоном и Сойла, резко затормаживают сульфитную варку.
Из этих данных можно заключить, что при указанных условиях предгидролиза образование новых С—С связей в лигнине еще не происходит. В этом случае инактивация лигнина, по-видимому, не связана с глубокими химическими изменениями лигнина.
Представление о коллоидно-химическом характере изменений в лигнине при его инактивации впервые было высказано Н. И. Никитиным [5] и позднее развито Маассом и его сотрудниками I38]. По их мнению, под действием кислотной обработки мельчайшие частички лигнина аггломе - рируются в более крупные агрегаты, в которых лигнин менее доступен действию сульфитных варочных растворов.
В обоснование коллоидно-химического характера процесса инактивации лигнина приводятся следующие данные.
На инактивацию лигнина при нагревании его с растворами различных солей в нейтральной среде большое влияние оказывает положение катио - нов^и анионов этих солей в лиотропных рядах. Катионы и анионы усиливают инактивирующее действие при расположении их в следующем порядке
Li < Na < К < Mg < Са и S04 < CI <,N03 < Fr < J < CNS
При нагревании древесины в буферных смесях при разных значениях рН наименьшее инактивирующее действие оказывает обработка при рН=4.6, при котором наиболее слабо проявляется явление гидратации.
По мнению Маасса, о коллоидно-химическом характере изменений в лигнине под влиянием кислотной инактивирующей обработки свидетельствует также возможность растворения инактивированного лигнина при длительной сульфитной варке.
Предполагается, что в указанных условиях уплотненный лигнин пеп - тизируется подобно тому, как это имеет место при переводе в раствор «нерастворимых» осадков дубильных веществ кислыми растворами бисульфита натрия [®9].
Однако, как уже отмечалось выше, по-видимому, коллоидно-химические изменения в лигнине играют большую роль в явлении его инактивации лишь при относительно мягких условиях кислотной обработки древесины. При более жестких условиях этой обработки все в большей степени проявляется влияние конденсации лигнина. Оно сказывается в увеличении молекулярного веса лигносульфоновых кислот в сульфитном щелоке при переваре целлюлозы и в изменении кислотного состава лигнина, растворяющегося во время сульфитной варки [14].
О механизме кислотной конденсации лигнина до последнего времени отсутствовала экспериментально обоснованная гипотеза. Недавно такая гипотеза была предложена Тищенко [4о]. Исходя из проведенного им наблюдения, что введение сульфоксила в алкилол-фенолы предохраняет их так же, как и лигнин, от конденсации, Тищенко проводит аналогию между образованием фенол-альдегидных смол и кислотной конденсацией лигнина. Первичными продуктами взаимодействия фенолов с альдегидами являются алкилол-фенолы.
Он он он
Л j /Xj Achoh-r
I +R-CH —или |
/ / / н снон
!
R
Как было показано выше, структуры такого типа имеются и в лигнине. В кислой среде алкилол-фенолы конденсируются в линейные поликонденсаты
OH
H—I ;—C1JOH
Он ^ I г |
Он
R
Гн
I г
R I -снон Т" |
Он I Г |
А/
ОН ^
+ Н-| j-CHOH__________ „
» /
ОН К
—i Vchoh I | +(и + 1)НаО
Я /
Для алкнлол-фенолов характерно, что они конденсируются в кислой среде лишь с относительно небольшим увеличением молекулярного веса. Это позволяет объяснить растворимость продуктов конденсации при повышенном содержании в них сульфоксилов. При очень высоком молекулярном весе даже при большом содержании сульфогрупп органические соединения остаются нерастворимыми.
Поскольку в конденсации алкилол-фенолов принимают участие спиртовые гидроксилы алкилольных групп, замещение их^ сульфоксилами
Предотвращает конденсацию. Тищенко считает, что при кислотной конденсации лигнина участвуют в процессе лишь те спиртовые гидроксилы, которые находятся на концах'Ъго макромолекул. Поскольку молекулярный вес лигнина Бьеркмана составляет 11 ООО, в макромолекуле лигнина должно находи гься не менее 50 феьил-пропановых единиц.
В связи с этим вовлечение спиртовых гидроксилов лигнина в процесс конденсации не может существенно сказываться на количестве сульфо - ксильной серы, вводимой при сульфитной варке в инактивированлый лигнин.
Проводя аналогию между конденсацией лигнина и образованием фенол-альдегидных смол, Тищенко отмечает, что в этом процессе могут принимать участие не только структуры типа (I), но и обнаруженные в лигнине группировки производных полностью этерифьцированного пирокатехина (II) 1и'(Ш)
OR' ОСИ»
CHOR
I
R (iii)
В приведенной гипотезе предполагается, что в лигнине, как и в случае конденсации альдегидов с фенолами, ответственны за конденсгцию спиртовые гидроксилы в а-положении к бензольному ядру.
^Исследования модельных веществ показывают, что конденсируются сами с собой в присутствий! 'кислот соединения только с а-спиртовым гидрокетлом, если же гидроксил находится в этих соединениях в другом положении, то они "не конденсируются.
Гипотеза Тищенко удовлетворительно объясняет многие, хотя и не все,[87] явления, связанные с кислотной инактивацией лигнина.
ОН /^jOCHg |
OR' ОСН |
/ |
/ |
1 Снон I |
| СНОН 1 |
1 R (i) |
1 R (ii) |
Эта гипотеза объясняет также инактивацию лигнина при нагревании древесины со щелочами и с фенолами. При температуре 80—100° поликонденсация алкил-фенолов по приведенной выше схеме происходит и в щелочной среде.
Протекает следующим |
Конденсация алкилол-фенолов
С фенолами •образом
ОН |
Он |
/ |
|
—> 1 |
|
' |
/ 1 |
1 Снон 1 |
1 Сн 1 |
1 |
1 R |
ОН |
|
СНОН |
|
1 R |
Он / X? I -сн I J |
Q |
+ |
+ 2Н20 |
Он / |
Он |
При этом каждый фенол, имеющий не менее двух свободных о-п-поло - жений, способен связать две и более молекулы алкилол-фенола.
Скорость взаимодействия какого-либо фенола с альдегидом или с алкилол-фенолами зависит от строения фенола. Она является наибольшей у многоатомных фенолов мета-ряда (резорцин, флороглюцин и т. д.), так как в этом случае гидроксилы согласованно активируют одни и те же положения бензольного кольца, как например (активируемые положения отмечены крестиками)
+
Y>h
+Voh +
Пирокатехин (орто-ряд)
Установлено, что фенолы этих типов (присутствующие в ядровой части смолистых пород древесины) вызывают наибольшие затруднения при сульфитной варке.
Тищенко, а также большинство других исследователей считают, что при кислотной конденсации лигнина и конденсации его с фенолами принимают участие те же а-спиртовые гидроксилы, которые при взаимодействии с сульфитными растворами замещаются сульфоксилами. Однако это положение еще нельзя считать установленным. Подвергая древесину инактивирующей обработке кислотным предгидролизом и фенолированием и затем делигнифицируя обработанную таким образом древесину сульфитной варочной кислотой и водным раствором S02 Цыпкина [34] показала, что фенолированный лигнин значительно труднее растворяется, чем лигнин, инактивированный кислотной обработкой.
В то время как щепа после кислотной инактивации делигнифицируется в условиях обычной, но длительной сульфитной варки, фенолированную щепу удается делигнифицировать только при дополнительной варке с водным раствором S02-
Вместе с тем фенолированный лигнин растворяется при нагревании с водным раствором S02, в то время как лигнин, инактивированный кислотным предгидролизом, извлекается водным раствором S02 только после предварительного нагревания с кислым раствором бисульфита.
По мнению Цыпкиной, различное отношение фенолированного лигнина и лигнина, инактивированного кислотным предгидролизом, к действию сульфитных варочных растворов свидетельствует о том, что в процессах фенолирования и кислотной инактивации лигнина участвуют разные функциональные группы.