Краткий очерк химического состава древесины.

Древесина — это продукт биологического, а именно расти­тельного происхождения. Она представляет собой очень слож­ный комплекс, как в анатомическом, так и в химическом от­ношении. Древесина, как любой биологический организм, состоит из клеток. Клеточные стенки примерно на 99% состоят из орга­нических соединений, которые можно подразделить на угле­воды, ароматические и так называемые экстрактивные ве­щества. Последние не являются составной частью клеточной стенки, а могут лишь ее пропитывать. В основном же экстрак­тивные вещества обычно содержатся в полостях клеток. Свое название эти компоненты древесины получили потому, что их можно извлекать (экстрагировать) из древесины нейтральны­ми растворителями. Углеводная часть древесины состоит из различных полисахаридов, которые могут гидролизоваться кислотами. В хвойной древесине она составляет около 70%, в листвен­ной — около 80 %. В углеводную часть входят целлюлоза – полисахарид, который является основным компонентом дре­весины, и нецеллюлозные полисахариды — гемицеллюлозы. Всю углеводную часть в целом называют холоцеллюлозой. Ее можно выделить из древесины обработкой окислителями. При этом вещества ароматического характера переходят в растворимые продукты, а в остатке получается волокнистый материал — холоцеллюлоза. Углеводную часть, в свою очередь, можно подразделить на трудногидролизуемую и легкогидролизуемую части. Трудногидролизуемым веществом является целлюлоза, она гидролизуётся лишь при действии концентрированных кислот (напри­мер, 72%-и H₂SO₄). При ее гидролизе получается D-глюкоза. Легкогидролизуемые вещества — это гемицеллюлозы. Они гидролизуются при действии разбавленных кислот (напри­мер, 2—5% НСl или H₂SO₄). Продуктами гидролиза являют­ся различные моносахариды — пентозы и гексозы. Однако это подразделение в известной степени условно. Не вся цел­люлоза целиком трудно гидролизуется, часть ее гидролизуется легко, т. е. при действии разбавленных кислот. И, наобо­рот, некоторая часть гемицеллюлоз оказывается трудногидролизуемой. Эта часть гидролизуется только совместно, с целлю­лозой, при действии концентрированных кислот. Такое различие в поведении обусловлено не химическим строением, а особенностями надмолекулярной структуры цел­люлозы и гемицеллюлоз.

К веществам ароматической природы относится лигнин. Эта часть древесины является негидролизуемой. Она получа­ется в остатке после обработки древесины концентрирован­ной кислотой. Однако отдельные органические соединения очень трудно получить в чистом виде, так как они, как правило, изменяют­ся при выделении. Химический состав различных древесин существенно ко­леблется. Но в общем можно сказать что в наших обычных хвойных породах (ель, сосна) содержится больше лигнина (27—28%), меньше гемицеллюлоз (2О—25%), чем в листвен­ных (соответственно 18—22 и 25—40%). При этом хвойные породы содержат больше гексозанов (18—13 %) и меньше пентозанов (8—12%), чем лиственные (соответственно, 2—5% и 20—30%).

Целлюлоза

Целлюлоза в древесине составляет от 32 до 56 %. В хвойной древесине обычно содержится 46—54% целлюлозы, в ли­ственной — 41—45%. Наибольшее содержание целлюлозы в хлопке (97-99%).

β- D-глюкопираноза

Целлюлоза имеет эмпирическую формулу (C₆H₁₀O₅)n полисахарид, макромолекулы которого состоят из элементар­ных звеньев β-D-глюкопиранозы, соединенных глюкозидными связями 1-4:

			ц е л л ю л о з а
	D-глюкоза

 

 

Степень полимеризации природной древесной целлюлозы составляет около 6000—14000, хлопковая целлюлоза имеет степень полимеризации до 20000. Целлюлоза при гидролизе дает D-глюкозу.

(C₆H₁₀O₅)n + Н₂О→ nC₆H₁₂O₆

Гемицеллюлозы.

Гемицеллюлозы условно подразделяют на пентозаны (при их гидролизе получаются пентозы — D-ксилоза и D-арабиноза) и гексозаны (при гидролизе получаются гексозы—D-манноза и D-галактоза). Их гидролиз выражают уравнениями:

 

(С₅Р₈O₄)n + nH₂O → nC₅H₁₀O₅

пентозаны               пентозы

(C₆H₁₀O₅)n + nH₂O → nC₆H₁₂O₆

гексозаны                 гексозы

Первоначально считали, что в древесине имеются однород­ные полисахариды: пентозаны — ксилан и арабинан и гек­созаны — маннан и галактан, а также полиуроновые кисло­ты—полиглюкуроновая и полигалактуроновая. В настоящее время установили, что гемицеллюлозы, в основном, являются не однородными полисахаридами, а смешанными. Обычно мо­лекула такого полисахарида содержит какой-то моносахарид в преимущественном количестве, но кроме него в главную цепь макромолекулы или в виде боковых ответвлений входят звенья других моносахаридов или уроновых кислот. Так, на­пример, установлено, что в древесине могут содержаться раз­личные ксиланы (имеющие в качестве основного моносахарида звенья D-ксилозы): глюкуроноксилан, арабиноглюкуроноксилан; различные маннаны (имеющие в качестве основного моносахарида звенья D-маннозы): глюкоманнан, галактоглюкоманнан; смешанный полисахарид арабиногалактан и др.

Лигнин.

Лигнин — это ароматическая часть древесины, неспособ­ная к гидролизу минеральными кислотами. Она наименее изу­чена. Точное строение лигнина еще не известно, несмотря на то, что он был открыт свыше 130 лет назад. Однако за по­следние 20—30 лет в химии лигнина достигнуты значительные успехи: установлены элементарные звенья лигнина, его харак­терные функциональные группы, основные типы связей между элементарными звеньями и структуры, присутствующее в ма­кромолекулах лигнина. Лигнин представляет собой смесь нерегулярных полимеров родственного строения, в основе которых лежат близкие по строению ароматические вещества, являющиеся в хвойном лигнине производными пирокатехина, а в лиственном лигни­не — производными пирогаллола и пирокатехина. При мягком окислении хвойного лигнина нитробензолом в щелочной среде получается ароматический альдегид вани­лин, а при окислении лиственного лигнина—смесь сиренево­го альдегида с ванилином. Структурными единицами лигнина являются так называе­мые фенилпропановые единицы С₆—С₃. Лигнин хвойных со­стоит из фенилпропановых единиц I (гваяцилпропановых), лигнин лиственных—из единиц I и II (сирингилпропановых). В некоторых лигнинах в небольшом количестве содер­жатся единицы III. При нитробензольном окислении они да­ют р-оксибензальдегид: