Lignin (19-13-7) Physikalische und chemische Eigenschaften
Lignin
Heterogenes, pflanzlich gewonnenes aromatisches Biopolymer, geliefert als amorphes Pulver, verwendet als erneuerbare Rohstoffquelle und Leistungsadditiv in industriellen Formulierungen.
| CAS-Nummer | 19-13-7 |
| Familie | Lignine (aromatische Biopolymere) |
| Typische Form | Amorphes Pulver oder granuläre Festsubstanz |
| Übliche Pharmaqualitäten | EP |
Lignin ist ein heterogenes, hochmolekulares aromatisches Biopolymer, das zur Stoffklasse der phenylpropanoid-abgeleiteten Strukturpolymere gehört. Strukturell handelt es sich um ein unregelmäßiges, dreidimensionales Netzwerk, das hauptsächlich durch oxidative Radikalkupplung von drei Monolignol-Vorstufen (Coniferyl-, p-Coumaryl- und Sinapylalkohole) gebildet wird und eine Mischung aus Phenylpropan-Einheiten erzeugt, welche durch C–O- und C–C-Bindungen (insbesondere β–O–4, β–5 und β–β-Motive) verknüpft sind. Das Polymergerüst ist reich an substituierten Phenylringen, aliphatischen Seitenketten und oxygenierten Funktionalitäten (phenolische OH-Gruppen, Methoxy-Gruppen und gelegentlich Carbonylgruppen), was Lignin eine überwiegend aromatische elektronische Charakteristik mit lokalisierter Elektronendichte an den phenolischen Sauerstoffatomen verleiht.
Auf makroskopischer Ebene zeigt Lignin aufgrund seiner zahlreichen polaren funktionellen Gruppen (phenolische und aliphatische Hydroxylgruppen, Carboxylate und Sulfonate in derivatisierter Form) neben hydrophoben aromatischen Domänen eine starke Polarität und amphiphiles Verhalten. Dies führt zu geringer intrinsischer Löslichkeit in unpolaren Lösungsmitteln und erhöhter Löslichkeit in alkalischen Medien oder in Gegenwart von ionischen Gegenionen bei sulfonierten Derivaten. Chemisch ist Lignin gegenüber einfacher Hydrolyse resistent, jedoch anfällig für oxidative Depolymerisation und alkalische Fragmentierung; thermische Behandlung führt überwiegend zu Kohle und kleinen flüchtigen Phenolen anstatt zu vollständiger Verdampfung. Industrielle und biologische Relevanz ist erheblich: Lignin verleiht mechanische Festigkeit und steuert den Wassertransport in Gefäßpflanzen und ist ein wesentlicher Nebenprodukt bei Zellstoff- und Bioraffinerieprozessen, bei denen kontrollierte Depolymerisation eine zentrale Herausforderung der Wertschöpfung darstellt.
Übliche handelsübliche Qualitäten für diesen Stoff umfassen: EP.
Molekularübersicht
Molekulargewicht und Zusammensetzung
Der angegebene molekulare Deskriptor entspricht einer definierten, niedrigmolekularen, derivatisierten Spezies mit der Formel \(\ce{C18H13N3Na2O8S2}\). Das berechnete Molekulargewicht beträgt \(509.4\ \mathrm{g}\,\mathrm{mol}^{-1}\). Exakte und monoisotopische Massen werden mit \(508.99394529\ \mathrm{Da}\) angegeben.
Hinweis: Kommerzielle und Forschungssubstanzen, die als "Lignin" bezeichnet werden, beziehen sich häufig auf heterogene makromolekulare Fraktionen, deren durchschnittliche Molekulargewichte und Zusammensetzungen stark von der Biomassequelle und dem Extraktionsverfahren abhängen; viele analytische oder Reagenzienbezeichnungen repräsentieren stattdessen kleine Modellverbindungen oder derivatisierte, wasserlösliche Ligninfraktionen.
Ladung, Polarität und LogP
Die berechnete formale Ladung der gezeigten Verbindung ist neutral (Gesamtladung 0 bei Berücksichtigung von Gegenionen), jedoch enthält die Struktur zwei Sulfonatanionen, die durch Natriumkationen ausgeglichen werden, wodurch ein Salz mit hohem ionischem Charakter entsteht. Die topologische polare Oberfläche (TPSA) beträgt \(205\ \mathrm{\AA}^2\), und das Molekül besitzt mehrere Wasserstoffbindungsakzeptoren (10) und Wasserstoffbindungsdonoren (2), was eine starke Hydrophilie der derivatisierten Form widerspiegelt. Die Anzahl der drehbaren Bindungen ist 3, die Zahl der schweren Atome beträgt 33, was auf ein kompaktes, polares kleines Molekül und nicht auf ein polymeres Netzwerk hinweist.
Ein experimentell ermittelter Wert für den Verteilungskoeffizienten (logP) liegt im vorliegenden Datenkontext nicht vor.
Biochemische Klassifikation
Im biologischen und industriellen Kontext wird Lignin als phenylpropanoid-abgeleitetes aromatisches Polymer klassifiziert (ein strukturelles Biopolymer der sekundären Pflanzenzellwände). Funktionell handelt es sich um ein amorphes, unregelmäßiges Polymer, das durch Radikalkupplung von Monolignolen entsteht; heterogene Substitution und Verzweigung führen zu variabler Löslichkeit und Reaktivität. Analytische Proben und Reagenzienqualitäten können durch sulfonierte oder anderweitig derivatisierte niedrigmolekulare Analoga dargestellt sein, um die Wasserlöslichkeit zu erhöhen und die Charakterisierung zu vereinfachen.
Chemisches Verhalten
Stabilität und Abbau
Lignin ist unter neutralen Bedingungen chemisch stabil; sein Netzwerk aus C–C- und Aryl–Ether-Bindungen verleiht Widerstandsfähigkeit gegenüber einfacher hydrolytischer Spaltung. Die thermische Zersetzung führt hauptsächlich zu Kohle und komplexen Gemischen phenolischer flüchtiger Bestandteile; das Material vernetzt und karbonisiert statt einen scharfen Siedepunkt zu zeigen. Oxidative Behandlungen (chemische Oxidantien, Oxygenasen wie Lignin-Peroxidase und Laccase in biologischen Systemen) spalten aromatische Ringe und Etherbindungen und sind wirksame Wege zur Depolymerisation. Unter stark alkalischen Bedingungen werden viele Ligninfraktionen löslich und fragmentieren, während konzentrierte Säure Kondensationsreaktionen fördert, die das scheinbare Molekulargewicht erhöhen und die Löslichkeit vermindern.
Hydrolyse und Umwandlungen
Die hydrolytische Spaltung von Lignin verläuft relativ langsam; jedoch erhöhen alkalische Hydrolyse und Sulfit-/Sulfonationsverfahren (industriell zur Herstellung von Ligninsulfonaten eingesetzt) die Löslichkeit durch Einführung anionischer Sulfonatgruppen. Depolymerisationsstrategien zielen typischerweise auf β–O–4-Etherbindungen durch reduktive, oxidative, katalytische oder hydrolytische Methoden ab, um phenolische Monomere und Oligomere zu erhalten. Oxidative Spaltung kann Methoxy- und phenolische Substituenten in Carbonsäuren oder Chinon-ähnliche Strukturen umwandeln. Derivatisierungen (Acetylierung, Sulfonation, Methylierung) werden häufig verwendet, um Löslichkeit, Reaktivität und analytisches Verhalten zu modifizieren.
Biologische Rolle
Funktionelle Rolle und Stoffwechselwege
Lignin fungiert als wichtiges Strukturpolymer in Gefäßpflanzen, verleiht mechanische Festigkeit, Hydrophobie der Zellwände und Resistenz gegen mikrobiellen Befall. Biosynthetisch wird Lignin über den Phenylpropanoid-Weg gebildet, der Monolignole (p-Coumaryl-, Coniferyl- und Sinapylalkohole) erzeugt, welche enzymatisch zu Radikalen oxidiert und durch Radikalkupplung polymerisiert werden. Die Variabilität der Monolignol-Einbindung und die zufällige Natur der Radikalkupplung ergeben ein heterogenes Polymer, das an Art, Gewebetyp und Entwicklungsstadium angepasst ist.
Physiologischer und zellulärer Kontext
Innerhalb der sekundären Pflanzenzellwand wird Lignin in der Matrix um Cellulose-Mikrofibrillen und Hemicellulosen eingelagert, was zur Steifigkeit beiträgt und die Zellwandpermeabilität verringert. Die Polymerisation wird durch oxidative Enzyme (Peroxidasen und Laccasen) vermittelt, die phenolische Radikale erzeugen; lokal begrenztes Polymerwachstum und Vernetzung führen zu komplexen dreidimensionalen Strukturen. Biologisch moduliert die Lignifizierung den Wassertransport (durch Hydrophobierung der Xylemelemente), die strukturelle Integrität und die Abwehr gegen Pathogene. Mikrobielle und enzymatische Systeme zur Ligninmodifikation sind für die Biomasseverwertung von Interesse.
Identifikatoren und Synonyme
Registrierungsnummern und Codes
- CAS-Nummer: 19-13-7
- Molekulare Formel: \(\ce{C18H13N3Na2O8S2}\)
- Molekulargewicht: \(509.4\ \mathrm{g}\,\mathrm{mol}^{-1}\)
- Exakte Masse / Monoisotopische Masse: \(508.99394529\ \mathrm{Da}\)
- Topologische polare Oberfläche (TPSA): \(205\ \mathrm{\AA}^2\)
- Wasserstoffbrückendonoren: 2; Wasserstoffbrückenakzeptoren: 10
- Anzahl der rotierbaren Bindungen: 3
- Formale Ladung: 0
- IUPAC-Name (berechnet): disodium;4-acetamido-5-hydroxy-6-phenyldiazenylnaphthalene-1,7-disulfonate
- InChI:
InChI=1S/C18H15N3O8S2.2Na/c1-10(22)19-13-7-8-14(30(24,25)26)12-9-15(31(27,28)29)17(18(23)16(12)13)21-20-11-5-3-2-4-6-11;;/h2-9,23H,1H3,(H,19,22)(H,24,25,26)(H,27,28,29);;/q;2*+1/p-2 - InChIKey:
RLLNZXVKBYGKIP-UHFFFAOYSA-L - SMILES:
CC(=O)NC1=C2C(=C(C=C1)S(=O)(=O)[O-])C=C(C(=C2O)N=NC3=CC=CC=C3)S(=O)(=O)[O-].[Na+].[Na+]
Synonyme und biologische Bezeichnungen
Gemeldete Synonyme und hinterlegte Namen umfassen: - Lignin - LIGNIN - Lignine - disodium;4-acetamido-5-hydroxy-6-phenyldiazenylnaphthalene-1,7-disulfonate - Disodium 4-(acetylamino)-5-hydroxy-6-(phenylazo)naphthalene-1,7-disulphonate
(Es existieren mehrere vom Einreicher gelieferte und ältere Synonyme, die derivatisierte, fraktionierte oder analytische Formen widerspiegeln; die Nomenklatur variiert je nach Herstellungsverfahren.)
Sicherheits- und Handhabungsübersicht
Lignin und seine Derivate weisen generell ein geringes akutes Gefahrenpotenzial für viele Formulierungen auf; zusammengefasste industrielle Meldungen berichten, dass die meisten handelsüblichen Lignin-Materialien nicht die Kriterien für eine Einstufung unter gängige Gefahrenkategorien erfüllen. Dennoch beeinflussen die physikalische Form und Verunreinigungen das Risiko: Stäube von pulverisiertem Lignin können Inhalationsgefahren und Staubexplosionsrisiken darstellen; bestimmte derivatisierte oder kontaminierte Fraktionen können geringe Mengen gefährlicher Verunreinigungen enthalten.
Es werden Standardmaßnahmen der Arbeitshygiene und Handhabung empfohlen: - Verwendung geeigneter persönlicher Schutzausrüstung (Handschuhe, Augenschutz und Laborkittel); bei staubförmigen Materialien wird Atemschutz und Absaugung am Arbeitsplatz empfohlen. - Vermeidung der Bildung und Anreicherung von luftgetragenem Staub; Staubkontrolle und Ordnung am Arbeitsplatz umsetzen. - Lagerung an einem kühlen, trockenen, gut belüfteten Ort in verschlossenen Behältern, um Feuchtigkeitsaufnahme und mikrobielles Wachstum zu begrenzen; lichtempfindliche Derivate bei Bedarf vor längerer Einwirkung starker Lichtquellen schützen. - Bei Verschütten und Abfällen Feststoffe wo möglich trocken aufnehmen; Verbreitung vermeiden und lokale Vorschriften zur Abfallentsorgung beachten.
Für detaillierte Gefahren-, Transport- und Regulierungsinformationen sollten Nutzer das produktspezifische Sicherheitsdatenblatt (SDS) und die geltende lokale Gesetzgebung zu Rate ziehen.
Handhabung und Lagerung biochemischer Materialien
Bei der Handhabung biologischer oder biomassederivierter Lignin-Fraktionen in Forschung oder Produktion sind zusätzliche Aspekte zu beachten, darunter Kontrolle mikrobieller Kontamination (je nach Anforderung trocken oder gekühlt lagern), Stabilitätsüberwachung (oxidative Verfärbung im Zeitverlauf) sowie die Trennung von starken Oxidations- oder Reduktionsmitteln, die die Polymereigenschaften verändern könnten. Die Qualitätskontrolle überwacht üblicherweise Feuchtigkeitsgehalt, Asche-/anorganische Rückstände sowie Löslichkeit in definierten Lösungsmitteln für den vorgesehenen Verwendungszweck. Für kritische Anwendungen (z. B. Lebensmittelzusatzstoffe oder pharmazeutische Hilfsstoffe) sind Materialqualitäten auszuwählen, die den entsprechenden pharmakopöischen oder regulatorischen Qualitätsanforderungen entsprechen.
