Атлас

Лигнин

Лигнин это клей и броня древесины. Он заполняет промежутки между нитями целлюлозы, делает стенку жёсткой и мешает воде и грибам. Из-за него же бумагу так трудно делать: лигнин приходится вываривать.

Лигнин это ароматический гетерополимер нерегулярного строения, образующийся при радикальном сочетании трёх гидроксикоричных спиртов. В древесине хвойных его больше, чем в лиственной: в данных Шёстрёма 27,7% у сосны обыкновенной и 22,0% у берёзы повислой.

Три строительных блока лигнина и схема фрагмента. Пропорции условные.

Строительные блоки

Лигнин собран из трёх похожих молекул. У каждой бензольное кольцо и короткий хвостик из трёх атомов углерода. Отличаются они только числом метоксильных групп на кольце: ноль, одна или две. Звенья из них обозначают буквами H, G и S.

Монолигнолы: п-кумариловый, конифериловый и синапиловый спирты, дающие в полимере п-гидроксифенильные (H), гваяцильные (G) и сирингильные (S) звенья. Основа каждого фенилпропановая единица C6-C3. Лигнин хвойных почти целиком гваяцильный (с небольшой долей H), лигнин лиственных гваяцил-сирингильный, в лигнине злаков присутствуют все три типа.

Как растёт полимер

У лигнина нет чертежа. Ферменты превращают молекулы спиртов в активные радикалы, а те слипаются случайным образом. Поэтому каждая молекула лигнина уникальна, и формулы лигнина в учебнике всегда только схема.

Монолигнолы окисляются пероксидазами и лакказами до феноксильных радикалов, которые сочетаются комбинаторно, без матрицы и, по общепринятой теории, без ферментативного контроля стереохимии; цепь растёт преимущественно присоединением мономера к концу полимера. Поэтому лигнин оптически неактивен и не имеет единой структуры; его описывают через долю звеньев и типов связей.

Связи между звеньями

Чаще всего звенья соединены через атом кислорода, связью β-O-4. Её относительно легко разорвать, на этом построена варка целлюлозы. Есть и прочные связи углерод-углерод, которые почти не рвутся.

Связь β-O-4 (арилглицерин-β-ариловый эфир) составляет примерно половину межзвенных связей в лигнине хвойных и около 60% в лигнине лиственных. Остальное приходится на C-C связи (β-5, 5-5, β-β, β-1) и диариловые эфиры 4-O-5. У S-звеньев положение C5 занято метоксилом, поэтому через C5 они связываться не могут: связей 5-5 с их участием нет, а в связях β-5 и 4-O-5 S-звено может стоять только с другой стороны. Поэтому лигнин лиственных менее «конденсирован» и легче удаляется при варке.

Как лигнин удаляют

Чтобы получить бумагу, древесину варят с химикатами, пока лигнин не растворится. Остаются почти чистые волокна целлюлозы. Растворённый лигнин на заводе сжигают и получают энергию для самого завода.

При сульфатной варке (NaOH и Na2S) расщепляются связи β-O-4, и фрагменты лигнина переходят в раствор; отработанный (чёрный) щёлок сжигают в содорегенерационном котле с регенерацией химикатов. При сульфитной варке лигнин сульфируется и выделяется в виде лигносульфонатов. Для анализа лигнин определяют как нерастворимый остаток после обработки 72%-ной серной кислотой и последующего кипячения в разбавленной кислоте (метод Классона).

Цвет и пожелтение

Лигнин легко окрашивается и сам темнеет на свету. Поэтому газета желтеет на солнце, а белая офисная бумага, где лигнина почти нет, держится долго.

Хромофорные группы лигнина и продукты его фотоокисления вызывают пожелтение древесной массы и бумаги с высоким содержанием лигнина. Классическая качественная реакция на лигнин, флороглюцин с соляной кислотой (реакция Визнера), окрашивает одревесневшие стенки в красно-фиолетовый цвет за счёт концевых групп коричных альдегидов (кониферальдегида и синапальдегида).

Главное в цифрах

мономеры
H, G, S
единица
фенилпропан C6-C3
главная связь
β-O-4
сосна обыкновенная
27,7%
берёза повислая
22,0%
хвойные
G (+ немного H)

Источники главы

  1. Азаров В.И., Буров А.В., Оболенская А.В. Химия древесины и синтетических полимеров: учебник. 2-е изд. СПб.: Лань, 2010.
  2. Sjöström E. Wood Chemistry: Fundamentals and Applications. 2nd ed. San Diego: Academic Press, 1993.
  3. Ralph J. et al. Lignins: natural polymers from oxidative coupling of 4-hydroxyphenyl-propanoids. Phytochemistry Reviews 3, 29-60 (2004).
  4. Ek M., Gellerstedt G., Henriksson G. (eds.) Wood Chemistry and Wood Biotechnology. Pulp and Paper Chemistry and Technology, vol. 1. Berlin: De Gruyter, 2009.