УФ спектрофотометрическое определение фенольных гидроксильных групп в лигнине

Введение
Лигнин является составляющей частью древесины. При этом он также является наиболее трудно утилизируемым отходом лесного комплекса, что особенно важно в условиях современного стремления к рациональному природопользованию и, в том числе, утилизации отходов крупнотоннажного производства [1]. Затрудненность промышленной переработки лигнина связана со сложностью его природы, многовариантностью структурных связей и малой стойкости этого полимера, меняющего свою конформацию в результате химического и термического воздействия. В связи с этим возникает необходимость физико-химического определения лигнина, чтобы подобрать оптимальную стратегию его переработки.

Теоретическая часть
1 Химическое строение и свойства лигнина
Лигнин – это природный биополимер ароматического происхождения. В отличие от других биополимеров, например, белков или целлюлозы, он не имеет упорядоченной регулярной структуры. Его структурные единицы представлены фенилпропановыми производными различной природы, чаще всего, с трехуглеродной боковой цепью [3, 4]. Основная масса природного лигнина в древесине имеет трехмерную сетчатую структуру за счет склонности к реакциям вторичной конденсации и химически связана с гемицеллюлозами. В связи с этим лигнин не растворим в воде и органических растворителях.
Фенилпропановыми мономерными предшественниками лигнина являются три спирта, различающиеся по содержанию метоксильных групп в ароматическом кольце: п-кумаровый, конифериловый и сипановый (рис. 1). Структурные единицы трех типов составляют основу лигнинов всех растений, но их соотношение различно.

При относительно простом и малом наборе исходных мономеров макромолекула лигнина характеризуется чрезвычайной сложностью химической структуры. Это обусловлено разнообразием связей между мономерами и нерегулярностью их чередования. В лигнине различают эфирные и углерод-углеродные связи, причем установлено [4] несколько типов и тех, и других.
Эфирные связи могут возникать за счет фенольного гидроксила одного мономера и гидроксильной группы при альфа- или бета-С-атоме боковой цепочки соседнего мономера. В случае связи по бета-С-атому образуются структуры по типу бета-кониферилового эфира гваяцилглицерина. Эфирная связь по альфа-С-атому также обнаружена в лигнине. Она может сочетаться с С-С связью, тогда образуются фенилкумарановые структуры (рис. 2).
Взаимодействие электромагнитного излучения с веществом приводит к различным энергетическим переходам в веществе, которые регистрируются экспериментально в виде поглощения, отражения и рассеяния этого излучения.
В основе методов абсорбционного спектроскопического анализа лежит обобщенный закон светопоглощения. Если световой поток с интенсивностью I0 падает на изучаемый образец, то часть его (Ic) отражается от поверхности емкости, в которую помещен образец (кюветы), часть будет поглощена раствором (Ia), а часть пройдет сквозь нее (Il). Между этими величинами существует следующее соотношение:
I0 = Ic + Ia + Il
Поскольку в практике принято пользоваться одной и той же кюветой для серии экспериментов, то интенсивность отраженного светового потока становится постоянной величиной, которую можно отбросить. Тогда:
I0 = Ia + Il
Непосредственно в опыте можно определить интенсивность падающего светового потока и интенсивность потока, прошедшего через раствор. В таком случае интенсивность светового потока может быть найдена следующим образом:
Ia = I0 – Il
Зависимость между ослабленной интенсивностью лучистой энергии, прошедшей через раствор, и толщиной слоя раствора составили сущность первого закона светопоглощения: относительное количество поглощенного и пропускаемого средой излучения не зависит от интенсивности падающего излучения: каждый слой равной толщины поглощает равную долю падающего монохроматического излучения.
Математическое выражение этого закона:
Il = I0 * e-kl,
где е – основание натурального логарифма;
k – коэффициент поглощения;
l – толщина слоя раствора.
Приняв за основу десятичную систему логарифма, получим:
Il = I0 * 10-kl
Для выяснения коэффициента k предположим, что интенсивность светового потока после прохождения через раствор уменьшается в 10 раз. Тогда:
Il/I0 = 1/10 = 10-1 = 10-kl
k * l = 1
k = 1/l
Таким образом, коэффициент поглощения k численно равен обратной величине толщины слоя раствора, ослабляющей интенсивность проходящего через него светового потока в десять раз. Коэффициент поглощения зависит от природы растворенного вещества и длины волны падающего света [5].
Второй закон светопоглощения выражает связь между между интенсивностью потока световой энергии и концентрацией вещества в поглощающем слое: поглощение потока световой энергии прямо пропорционально числу частиц поглощающего вещества, через которое проходит поток этого излучения.
 
Практическая часть
1 Подготовка растворов
Лигнин и модельные соединения, связанные с лигнином, подвергаются окислению на воздухе и фоторазрушению, особенно в разбавленном щелочном растворе. Настоятельно рекомендуется приготовить свежий раствор образца непосредственно перед проведением спектральных измерений. При приготовлении растворов следует соблюдать следующие меры предосторожности:
1. Растворите лигнин и модельные соединения лигнина в подходящем растворителе при комнатной температуре; не нагревайте раствор для растворения образца.
2. Избегайте воздействия на раствор сильного дневного света или ультрафиолетового излучения;
3. При приготовлении щелочного раствора (для измерения спектров разности ионизации) щелочь добавляют в нейтральный раствор непосредственно перед записью спектра. Не перемешивайте щелочные растворы на воздухе в течение длительного периода времени.
2 Процедура проведения анализа (нейтральный спектр)
 
Заключение
В ходе выполнения курсовой работы был проведен обзор литературы согласно поставленным задачам. Первый раздел обзора посвящен химии лигнина. В нем описано химическое строение и характерные связи, которые обеспечивают такие свойства лигнина как прочность и нерастворимость. Далее проанализированы характерные для лигнина химические реакции и лежащие в их основе особенности строения.