Химическое строение целлюлозы

О.А. Носкова, М.С. Федосеев

Химия древесины

И синтетических полимеров

ЧАСТЬ 2

Утверждено

Редакционно-издательским советом университета

в качестве конспекта лекций

Издательство

Пермского государственного технического университета

УДК 630^*813. + 541.6 + 547.458.8

Н84

Рецензенты:

канд. техн. наук Д.Р. Нагимов

(ЗАО «Карбокам»);

канд. техн. наук, проф. Ф.Х. Хакимова

(Пермский государственный технический университет)

Носкова, О.А.

Н84 Химия древесины и синтетических полимеров: конспект лекций: в 2 ч. / О.А. Носкова, М.С. Федосеев. – Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2007. – Ч. 2. – 53 с.

ISBN 978-5-88151-795-3

Приведены сведения, касающиеся химического строения и свойств основных компонентов древесины (целлюлозы, гемицеллюлоз, лигнина и экстрактивных веществ). Рассмотрены химические реакции этих компонентов, которые протекают при химической переработке древесины или при химической модификации целлюлозы. Также приведены общие сведения о варочных процессах.

Предназначен для студентов специальности 240406 «Технология химической переработки древесины».

УДК 630^*813. + 541.6 + 547.458.8

ISBN 978-5-88151-795-3 © ГОУ ВПО

«Пермский государственный

технический университет», 2007

оглавление

Введение………………………………………………………………………	...…5
1. Химия целлюлозы………………………………………………………..	.......6
1.1. Химическое строение целлюлозы…………………………………..	.…..6
1.2. Химические реакции целлюлозы………………………………….....	.…...8
1.3. Действие растворов щелочей на целлюлозу…………………………	.....10
1.3.1. Щелочная целлюлоза………………………………………….	.…10
1.3.2. Набухание и растворимость технической целлюлозы в растворах щелочей………………………………………………...	.…11
1.4. Окисление целлюлозы………………………………………………..	.…13
1.4.1. Общие сведения об окислении целлюлозы. Оксицеллюлоза…	.…13
1.4.2. Основные направления окислительных реакций……………	.…14
1.4.3. Свойства оксицеллюлозы……………………………………...	.…15
1.5. Сложные эфиры целлюлозы………………………………………….	.…15
1.5.1. Общие сведения о получении сложных эфиров целлюлозы..	.…15
1.5.2. Нитраты целлюлозы……………………………………………	.…16
1.5.3. Ксантогенаты целлюлозы……………………………………..	.…17
1.5.4. Ацетаты целлюлозы……………………………………………	.…19
1.6. Простые эфиры целлюлозы…………………………………………...	.…20
2. Химия гемицеллюлоз……………………………………………………	.…21
2.1. Общие понятия о гемицеллюлозах и их свойствах………………….	.…21
.2.2. Пентозаны……………………………………………………………..	.…22
2.3. Гексозаны………………………………………………………………	.....23
2.4. Уроновые кислоты…………………………………………………….	.…25
2.5. Пектиновые вещества…………………………………………………	.…25
2.6. Гидролиз полисахаридов……………………………………………..	.…26
2.6.1. Общие понятия о гидролизе полисахаридов………………….	.…26
2.6.2. Гидролиз полисахаридов древесины разбавленными минеральными кислотами………………………………………………..	…27
2.6.3. Гидролиз полисахаридов древесины концентрированными минеральными кислотами……………………………………………….	...28
3. Химия лигнина……………………………………………………………..	...29
3.1. Структурные единицы лигнина……………………………………….	…29
3.2. Методы выделения лигнина……………………………………………	…30
3.3. Химическое строение лигнина…………………………………………	…32
3.3.1. Функциональные группы лигнина……...………….……………..32
3.3.2. Основные типы связей между структурными единицами лигнина…………………………………………………………………....35
3.4. Химические связи лигнина с полисахаридами………………………..	..36
3.5. Химические реакции лигнина…………………………………………..	....39
3.5.1. Общая характеристика химических реакций лигнина………..	..39
3.5.2. Реакции элементарных звеньев…………………………………	..40
3.5.3. Макромолекулярные реакции…………………………………..	..42
4. Экстрактивные вещества…………………………………………………	..47
4.1. Общие сведения…………………………………………………………	..47
4.2. Классификация экстрактивных веществ………………………………	..48
4.3. Гидрофобные экстрактивные вещества……………………………….	..48
4.4. Гидрофильные экстрактивные вещества………………………………	..50
5. Общие понятия о варочных процессах………………………………….	..51
Библиографический список………………………………………………….	..53

Введение

Химия древесины – это раздел технической химии, изучающий химический состав древесины; химизм образования, строения и химические свойства веществ, составляющих мертвую древесную ткань; методы выделения и анализа этих веществ, а также химическую сущность природных и технологических процессов переработки древесины и ее отдельных компонентов.

В первой части конспекта лекций «Химия древесины и синтетических полимеров», изданной в 2002 г., рассмотрены вопросы, касающиеся анатомии древесины, строения клеточной оболочки, химического состава древесины, физических и физико-химических свойств древесины.

Во второй части конспекта лекций «Химия древесины и синтетических полимеров» рассмотрены вопросы, касающиеся химического строения и свойств основных компонентов древесины (целлюлозы, гемицеллюлоз, лигнина).

В конспекте лекций приведены общие сведения о варочных процессах, т.е. о получении технической целлюлозы, которая используется в производстве бумаги и картона. В результате химических превращений технической целлюлозы получают ее производные – простые и сложные эфиры, из которых производят искусственные волокна (вискозные, ацетатные), пленки (кино-, фото-, упаковочные пленки), пластмассы, лаки, клеи. В этой части конспекта также кратко рассмотрены получение и свойства эфиров целлюлозы, которые нашли широкое применение в промышленности.

Химия целлюлозы

Химическое строение целлюлозы

Целлюлоза – один из важнейших природных полимеров. Это основ­ной компонент растительных тканей. Природная целлюлоза содержится в больших количествах в хлопке, льне и других волокнистых растениях, из которых получают природные текстильные целлюлозные волокна. Хлопковые волокна представляют собой почти чистую целлюлозу (95–99 %). Более важным источ-ником промышленного получения целлюло­зы (технической целлюлозы) служат древесные растения. В древесине различных пород деревьев массовая доля целлюлозы составляет в сред­нем 40–50 %.

Целлюлоза – полисахарид, макромолекулы которого построены из остатков D -глюкозы (звеньев β -D -ангидроглюкопиранозы), соеди­ненных β-гликозидными связями 1–4:

нередуцирующее звено

редуцирующее звено

Целлюлоза представляет собой линейный гомополимер (гомополи-сахарид), относящийся к гетероцепным полимерам (полиацеталям). Это стереорегулярный полимер, в цепи которого стереоповторяющимся звеном служит остаток целлобиозы. Суммарную формулу целлюлозы можно представить (С₆Н₁₀О₅) п или [С₆Н₇О₂ (ОН)₃] п. В каждом мономерном звене содержатся три спиртовых гидроксильных группы, из которых одна первичная –СН₂ОН и две (у С₂ и С₃) вторичные –СНОН–.

Концевые звенья отличаются от остальных звеньев цепи. Одно кон­цевое звено (условно правое – нередуцирующее) имеет дополнительный свободный вторичный спиртовый гидроксил (у С₄). Другое концевое звено (условно левое – редуцирующее) содержит свободный гликозидный (полуацетальный) гидрок-сил (у С₁ ) и, следовательно, может существовать в двух таутомерных формах – циклической (цолуацетальной) и открытой (альдегидной):

редуцирующее звено в открытой альдегидной форме

редуцирующее звено в циклической форме

Концевая альдегидная группа придает целлюлозе редуцирующую (восстанавливающую) способность. Например, целлюлоза может вос­станавливать медь из Сu²⁺ в Сu⁺:

Количество восстановленной меди (медное число) служит качественной характеристикой длины цепей целлюлозы и показывает ее степень окислительной и гидролитической деструкции.

Природная целлюлоза имеет высокую степень полимеризации (СП): древесная – 5000–10000 и выше, хлопковая – 14000–20000. При выделении из растительных тканей целлюлоза несколько разрушается. Техническая древесная целлюлоза имеет СП около 1000–2000. СП целлюлозы определяют главным образом вискозиметрическим методом, используя в качест­ве растворителей некоторые комплексные основания: медноаммиачный реактив[Cu(NH₃)₄](ОН)₂, куприэтилендиамин [Cu(NH₂CH₂CH₂NH₂)₂](ОН)₂, кадмийэтилендиамин (кадоксен) [Cd(NH₂CH₂CH₂NH₂)₃] (ОН)₂ и др.

Выделенная из растений целлюлоза всегда полидисперсна, т.е. содер­жит макромолекулы различной длины. Степень полидисперсности целлю­лозы (молекулярную неоднородность) определяют методами фракцио­нирования, т.е. разделения образца целлюлозы на фракции с определенной молекулярной массой. Свойства образца целлюлозы (механическая прочность, растворимость) зависят от средней СП и степени полидисперс­ности.