Лигнин (19-13-7) Физико-химические свойства
Лигнин
Гетерогенный ароматический биополимер растительного происхождения, поставляемый в виде аморфного порошка, используемый как возобновляемое сырьё и функциональная добавка в промышленных составах.
| CAS номер | 19-13-7 |
| Класс вещества | Лигнины (ароматические биополимеры) |
| Типичная форма | Аморфный порошок или гранулированное твердое вещество |
| Распространённые сорта | EP |
Лигнин — гетерогенный, высокомолекулярный ароматический биополимер растительного происхождения, относящийся к классу фенилпропаноидных структурных полимеров. По структуре это нерегулярная трёхмерная сеть, образованная преимущественно окислительным радикальным полимерным сшиванием трёх мономеров (кониферилового, р-кумарилового и синапилового спиртов), формирующих смесь фенилпропановых звеньев, связанных связями C–O и C–C (в частности, мотивации β–O–4, β–5 и β–β). Полимерный каркас богат замещёнными фенильными кольцами, алифатическими боковыми цепями и насыщенными кислородом функциональными группами (фенольными OH, метоксильными группами и отдельными карбонилами), что придаёт лигнину преимущественно ароматический электронный характер с локализованной электронной плотностью на фенольных кислородах.
На макроуровне лигнин проявляет высокую полярность и амфифильное поведение за счёт множества полярных функциональных групп (фенольные и алифатические гидроксилы, карбоксилаты и сульфонаты в производных формах) вместе с гидрофобными ароматическими доменами. Это приводит к низкой растворимости в неполярных растворителях и повышенной растворимости в щелочных средах или в присутствии ионных контраионов для сульфированных производных. Лигнин химически устойчив к простой гидролизе, но подвержен окислительному деполимеризации и щелочному фрагментированию; термическая обработка ведёт в основном к образованию твёрдого углеродистого остатка и малых летучих фенольных соединений, а не к чистой испаряемости. Его промышленное и биологическое значение велико: лигнин обеспечивает механическую прочность и контроль транспорта воды в сосудистых растениях и является важным побочным продуктом процессов получения целлюлозы и биорафинажа, где контролируемая деполимеризация представляет собой ключевую задачу повышения ценности.
Распространённые коммерческие сорта данного вещества включают: EP.
Молекулярный обзор
Молекулярная масса и состав
Представленный молекулярный дескриптор соответствует определённому низкомолекулярному производному с формулой \(\ce{C18H13N3Na2O8S2}\). Рассчитанная молекулярная масса составляет \(509.4\ \mathrm{г}\,\mathrm{моль}^{-1}\). Точные и мономассы указаны как \(508.99394529\ \mathrm{Да}\).
Примечание: коммерческие и исследовательские материалы, маркируемые как «лигнин», часто представляют собой гетерогенные макромолекулярные фракции с широко варьирующимися средними молекулярными массами и составами в зависимости от сырья и метода извлечения; многие аналитические или реактивные образцы описывают малые модельные соединения или водорастворимые производные фракции лигнина.
Заряд, полярность и LogP
Рассчитанный формальный заряд для показанного производного нейтрален (общий заряд 0 с учётом контраионов), однако структура содержит два сульфонатных аниона, уравновешенных ионами натрия, образующих соль с высоким ионным характером. Топографическая полярная поверхность (TPSA) составляет \(205\ \mathrm{\AA}^2\), молекула содержит множество акцепторов водородных связей (10) и доноров (2), что соответствует высокой гидрофильности для производной формы. Количество вращающихся связей — 3, число тяжёлых атомов — 33, что указывает на компактную полярную малую молекулу, а не полимерную сеть.
Экспериментально установленное значение коэффициента распределения (logP) в доступных данных отсутствует.
Биохимическая классификация
В биологических и промышленных контекстах лигнин классифицируется как ароматический полимер, производный фенилпропаноидов (структурный биополимер клеточных стенок растений). Функционально это аморфный, нерегулярный полимер, образующийся радикальным сшиванием мономеров; гетерогенная замещённость и разветвление приводят к изменчивой растворимости и реакционной способности. Аналитические пробы и реактивные сорта могут быть представлены сульфированными или иными производными низкомолекулярными аналогами для увеличения водорастворимости и упрощения характеристики.
Химическое поведение
Стабильность и разложение
Лигнин химически устойчив в нейтральных условиях; его сеть углерод-углеродных и арила-эфирных связей обеспечивает сопротивление простой гидролитической деградации. Термическое разложение приводит преимущественно к образованию угля и сложных смесей фенольных летучих соединений; материал сшивается и углеродизируется, а не испаряется при чёткой температуре кипения. Окислительные обработки (химические окислители, оксидазы такие как лигнинпероксидаза и лактаза в биологических системах) разрывают ароматические кольца и эфирные связи, являясь эффективными способами деполимеризации. В сильнощелочных условиях многие фракции лигнина растворяются и фрагментируются, тогда как концентрированные кислоты способствуют реакциям конденсации, увеличивающим кажущуюся молекулярную массу и уменьшающим растворимость.
Гидролиз и трансформации
Гидролитический распад лигнина относительно медленный; однако щелочной гидролиз и процессы сульфитирования/сульфонирования (используемые промышленно для получения лигносульфонатов) повышают растворимость за счёт введения анионных сульфонатных групп. Стратегии деполимеризации, как правило, направлены на разрыв β–O–4 эфирных связей с помощью восстановительных, окислительных, каталитических или гидролитических методов для получения фенольных мономеров и олигомеров. Окислительное разрывание может превращать метоксильные и фенольные заместители в карбоновые кислоты или структуры типа хинонов. Для изменения растворимости, реакционной способности и аналитических свойств часто используются производные формы (ацетилирование, сульфонирование, метилирование).
Биологическая роль
Функциональная роль и пути биосинтеза
Лигнин выполняет функцию основного структурного полимера в сосудистых растениях, обеспечивая механическую прочность, гидрофобность клеточных стенок и устойчивость к микробному разрушению. Биосинтетически лигнин формируется через путь фенилпропаноидов с образованием мономеров (р-кумарил, кониферил и синапиловый спирты), которые ферментативно окисляются до радикалов и затем полимеризуются радикальным сшиванием. Разнообразие включения мономеров и случайный характер радикального сшивания приводят к гетерогенному полимеру, адаптированному к виду, типу ткани и стадии развития.
Физиологический и клеточный контекст
Вторичные клеточные стенки растений лигнин откладывается в матрице, окружающей микрофибриллы целлюлозы и гемицеллюлозы, способствуя жёсткости и снижая проницаемость стенок. Полимеризацию опосредуют окислительные ферменты (пероксидазы и лакказы), которые генерируют фенольные радикалы; локальный рост полимера и сшивание создают сложные трёхмерные архитектуры. Биологически лигнификация регулирует транспорт воды (делая элементы ксилемы гидрофобными), структурную целостность и защиту от патогенов. Микробные и ферментативные системы, способные к модификации лигнина, представляют интерес для повышения ценности биомассы.
Идентификаторы и синонимы
Регистрационные номера и коды
- Номер CAS: 19-13-7
- Молекулярная формула: \(\ce{C18H13N3Na2O8S2}\)
- Молекулярная масса: \(509.4\ \mathrm{г}\,\mathrm{моль}^{-1}\)
- Точная масса / Мономасса: \(508.99394529\ \mathrm{Да}\)
- Топологическая полярная поверхность (TPSA): \(205\ \mathrm{\AA}^2\)
- Доноры водородных связей: 2; акцепторы водородных связей: 10
- Количество вращающихся связей: 3
- Формальный заряд: 0
- Название по IUPAC (вычисленное): дисодиум;4-ацетамидо-5-гидрокси-6-фенилдиазонилнафталин-1,7-дисульфонат
- 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+]
Синонимы и биологические названия
Зарегистрированные синонимы и депонированные наименования включают: - Лигнин - LIGNIN - Лигнины - дисодиум;4-ацетамидо-5-гидрокси-6-фенилдиазонилнафталин-1,7-дисульфонат - Дисодиум 4-(ацетиламино)-5-гидрокси-6-(фенилАзо)нафталин-1,7-дисульфонат
(Существуют несколько синонимов и устаревших названий, предоставленных депонентами, отражающих производные, фракционированные или аналитические формы; номенклатура варьируется в зависимости от метода получения.)
Обзор безопасности и обращения
Лигнин и его производные в целом обладают низкой острой токсичностью для многих формуляций; агрегированные промышленные данные свидетельствуют о том, что большинство коммерческих материалов лигнина не соответствуют критериям классификации по распространённым категориям опасности. Тем не менее, физическая форма и примеси влияют на риск: пыль из порошкообразного лигнина может представлять опасность для дыхательных путей и взрывоопасность; некоторые производные или загрязнённые фракции могут содержать низкие уровни опасных примесей.
Рекомендуются стандартные меры промышленной гигиены и техники безопасности: - Использовать соответствующие средства индивидуальной защиты (перчатки, защитные очки и лабораторный халат); для пылеобразных материалов рекомендуется респираторная защита и местная вытяжная вентиляция. - Избегать образования и накопления взвешенной пыли; применять меры по контролю пыли и регулярной уборке. - Хранить в прохладном, сухом, хорошо проветриваемом помещении в герметичных контейнерах для ограничения поглощения влаги и роста микроорганизмов; при необходимости защищать светочувствительные производные от длительного воздействия интенсивного света. - При разливах и отходах собирать твердые материалы сухими методами, если это безопасно; избегать распыления и соблюдать местные требования утилизации отходов.
Для получения подробной информации об опасностях, транспортировке и нормативных требованиях пользователи должны обращаться к паспорту безопасности (SDS) продукта и применимому местному законодательству.
Обращение и хранение биохимических материалов
При обращении с биологическими или биомассопроизводными фракциями лигнина в исследовательских или производственных условиях необходимо учитывать дополнительные факторы, включая контроль микробного загрязнения (хранение в сухом состоянии или в холодильнике в зависимости от ситуации), мониторинг стабильности (окислительное изменение окраски со временем) и разграничение от сильных окислителей или восстановителей, которые могут изменять свойства полимера. Контроль качества обычно включает измерение содержания влаги, зольного остатка/неорганических примесей и растворимости в выбранных растворителях для конкретного применения. Для критических применений (например, пищевые добавки или фармацевтические вспомогательные вещества) рекомендуется выбирать материалы, соответствующие соответствующим фармакопейным или нормативным требованиям качества.
