高等木材化学-木素名师优质课获奖市赛课一等奖课件.ppt

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1、第三章第三章 木素化学结构研究方法木素化学结构研究方法第1页第一节第一节 木素化学结构研究现实状况木素化学结构研究现实状况 1 1 木素化学结构研究历史木素化学结构研究历史木素是自然界仅次于纤维素生物多聚体，和半纤维木素是自然界仅次于纤维素生物多聚体，和半纤维素一起充填细胞壁起加固粘结作用素一起充填细胞壁起加固粘结作用1838年法国年法国Payen将木材与硝酸和氢氧化钠交替处将木材与硝酸和氢氧化钠交替处理，取得絮状物命名为纤维素，并将除去物质称为理，取得絮状物命名为纤维素，并将除去物质称为结壳物质。结壳物质。1865年年Schulz把包裹纤维素结壳物质称为木素把包裹纤维素结壳物质称为木素186

2、6年尔德曼提出从木素中得到芳香族化合物，如年尔德曼提出从木素中得到芳香族化合物，如原儿茶酸等原儿茶酸等1890年年Bamberger发觉木素含有甲氧基发觉木素含有甲氧基第2页木素化学结构研究历史木素化学结构研究历史1897年年Klason提出木素与松柏醛和松柏醇有亲提出木素与松柏醛和松柏醇有亲密联络密联络1907年他又认为木素是高分子化合物，十年后提年他又认为木素是高分子化合物，十年后提出木素是由松柏醛和松柏醇经过醇羟基和酚羟基出木素是由松柏醛和松柏醇经过醇羟基和酚羟基连续缩合而联接起来连续缩合而联接起来Klason另一主要功劳是在另一主要功劳是在1908年提出木素定量年提出木素定量方法硫酸木

3、素法方法硫酸木素法随即其它科学家又提出盐酸木素法随即其它科学家又提出盐酸木素法(40%盐酸盐酸)盐酸盐酸-磷酸木素法磷酸木素法(36%盐酸盐酸:80%磷酸磷酸=3:1)铜氨木素法铜氨木素法(沸腾沸腾2%硫酸和铜氨溶液硫酸和铜氨溶液)等等第3页木素化学结构研究历史木素化学结构研究历史19261932年年Freudenberg发表了许多关于木素发表了许多关于木素假设，其中主要一点是木素结构单元象建筑石一假设，其中主要一点是木素结构单元象建筑石一样，经氧化样，经氧化(脱氢脱氢)相互缩合形成大分子相互缩合形成大分子从二十世纪从二十世纪30年代以来出现新研究方法，如年代以来出现新研究方法，如1939年年

4、Hibbert提出提出Hibbert酮是云杉木素降解产物，酮是云杉木素降解产物，含有愈创木基丙烷结构含有愈创木基丙烷结构Brauns抽提出占木材总量抽提出占木材总量2-3%“天然木素天然木素第4页50年代后木素分离有了突破，年代后木素分离有了突破，Bjrkman提出改提出改变小磨木木素变小磨木木素(MWL)1975年年Chang等提出用纤维素酶和半纤维素酶处等提出用纤维素酶和半纤维素酶处理，再用理，再用96%和和50%二氧六环二氧六环/水提取纤维素酶木水提取纤维素酶木素，这是两种最好木素分离方法素，这是两种最好木素分离方法紫外和红外光谱也应用于木素结构研究。另外，紫外和红外光谱也应用于木素结构

5、研究。另外，木素模型物合成和木素生物合成也有了发展木素模型物合成和木素生物合成也有了发展木素化学结构研究历史木素化学结构研究历史第5页 2 木素化学结构研究结果木素化学结构研究结果1960s伴随当代仪器飞跃发展，色谱、质谱、伴随当代仪器飞跃发展，色谱、质谱、核磁共振、电子自旋共振相继应用于木素核磁共振、电子自旋共振相继应用于木素结构研究结构研究提出了一些针叶材、阔叶材及麦草等新木提出了一些针叶材、阔叶材及麦草等新木素结构模式。素结构模式。第6页针叶木木质素化学结构模型（片段）针叶木木质素化学结构模型（片段）木素结构木素结构针叶材木素结构模型针叶材木素结构模型第7页木素结构木素结构山毛榉木素结构

6、木模型山毛榉木素结构木模型第8页木素木素-碳水化合物复合体碳水化合物复合体 (wheat straw)Sun,et al.,Ind.Crops Prod.,15(3):179-188.Holzforschung,54:349-356;54(5):492-496.Wang,Xu,&Sun Polym.Degrad.Stab.,94:1142-1150.Ind.Eng.Chem.Res.,49:8797-8804.第9页研究难点与未来趋势研究难点与未来趋势难点难点探索新方法和伎俩探索新方法和伎俩分离与纯化困难（不均一性）分离与纯化困难（不均一性）工业木质素反应能力低下工业木质素反应能力低下趋势趋势

7、搞清楚木质素超分子结构搞清楚木质素超分子结构LCCLCC研究研究提升木质素本身反应性能提升木质素本身反应性能木质素生物合成路径研究木质素生物合成路径研究木素模型物研究木素模型物研究第10页RichardADixonRiceUniversityThe University of Texas at AustinUniversityofOklahomaJohnRalphUniversityofWisconsin第11页The Plant Cell,Vol.25:25872600,July 第12页The Plant Journal()73,201211第13页3 木素应用前景木素应用前景第14页木素

8、降解产物可用于作表面活性剂木素降解产物可用于作表面活性剂(如沥青如沥青乳化剂、分散剂、水泥外加剂、采油化学剂乳化剂、分散剂、水泥外加剂、采油化学剂)胶粘剂胶粘剂化工原料化工原料(如香草醛、二甲亚砜和酚类等如香草醛、二甲亚砜和酚类等)木素资源丰富、发展前景辽阔，但要注意加木素资源丰富、发展前景辽阔，但要注意加强木素结构特征与应用之间关系研究强木素结构特征与应用之间关系研究第15页第16页4 木素基本概念木素基本概念概念概念以苯丙烷为结构单元以苯丙烷为结构单元以以C-CC-C键和醚键联结键和醚键联结具具三维空间三维空间结构结构高分子无定形物质高分子无定形物质含有共同性质一群物质含有共同性质一群物质

9、在化学上不稳定：易氧化，不耐紫外线在化学上不稳定：易氧化，不耐紫外线特点特点：（1 1）芳香族特征（）芳香族特征（2 2）非结晶性（）非结晶性（3 3）含有含有三度空间结构三度空间结构高聚物高聚物第17页DefinitionofLigninBraunsBrunowG,UW-Madison第18页H(对羟苯基丙烷对羟苯基丙烷)G（愈创木基丙烷（愈创木基丙烷）S(紫丁香基丙烷紫丁香基丙烷)木素中存在三种类型结构单元木素中存在三种类型结构单元第19页木素生物合成木素生物合成Threeprimaryhydroxycinnamylalcoholsormonolignols第20页Cytoplasm细胞质

10、第21页VanholmeR,MorreelK,RalphJ,BoerjanW.Ligninengineering.Curr.Opin.PlantBiol11()278-285.草类原料中木素合成过程中其它前驱物质草类原料中木素合成过程中其它前驱物质第22页木素单元结构木素单元结构 苯丙烷苯丙烷尽管苯环和侧链连有不一样基团，其尽管苯环和侧链连有不一样基团，其C6-C3骨架相同骨架相同烷基芳香烃基第23页功效基功效基甲氧基甲氧基 酚羟基酚羟基 醇羟基醇羟基第24页羰基羰基双键和醛基（双键和醛基（-碳）碳）酮基（酮基（-,-碳）碳）醛醛基基第25页木素结构单元联接木素结构单元联接第26页第27页（一

11、）醚键键型（一）醚键键型(占占2/3)2/3)（1）烷基）烷基-烷基醚烷基醚 芳基芳基-芳基醚芳基醚 芳基芳基-甲基醚甲基醚化学性质较稳定化学性质较稳定第28页醚键键型醚键键型（2 2）烷基）烷基-芳基醚芳基醚(-O O-4-4及及-O O-4)-4)易断裂易断裂第29页2.C-C2.C-C键型键型 (占占1/3)1/3)C-C5 C-C1 对化学药品降解含有高度稳定性对化学药品降解含有高度稳定性第30页C-C键键C-C C-C 第31页C-C键键 C6-C C-C6 第32页5 5 木素分类木素分类G愈创木基木素（愈创木基木素（G-木素）：木素）：针叶材木素中针叶材木素中G愈创木基丙烷为主（

12、愈创木基丙烷为主（80-90%）,少许少许H G-S愈创木基愈创木基-紫丁香基木素（紫丁香基木素（GS-木素）木素）：阔叶材木素中阔叶材木素中G-S愈创木基愈创木基-紫丁香基丙烷为主紫丁香基丙烷为主,少许少许H G-S-H愈创木基愈创木基-紫丁香基紫丁香基-对羟苯基木素对羟苯基木素(GSH-木素）木素）：禾草木素中禾草木素中G-S-H愈创木基愈创木基-紫丁香基紫丁香基-对羟苯基丙烷为主对羟苯基丙烷为主 第33页6 木素在细胞壁中分布木素在细胞壁中分布第34页第35页第36页木质素分布木质素分布(1)树种不一样，含量不一样树种不一样，含量不一样 如马尾松如马尾松26.84%（安徽）黄山松（安徽）

13、黄山松25.68%（安徽）（安徽）(2)部位部位:树干树干其它细胞（如导管、木纤维）其它细胞（如导管、木纤维）(4)细胞壁中分布：胞间层浓度最高，次生壁中最低，细胞壁中分布：胞间层浓度最高，次生壁中最低，且且S2层木素浓度最低、层木素浓度最低、S1层次之、层次之、S3层最高层最高第37页第二节第二节 木素分离和测定木素分离和测定1.1.木素分离木素分离鉴于木素受到温度、酸度、试剂或机械等作用，鉴于木素受到温度、酸度、试剂或机械等作用，都会都会或多或少引发改变或多或少引发改变。分离木素在性质上、元素组成百分比上以及功效分离木素在性质上、元素组成百分比上以及功效基上和原木素有所不一样。基上和原木素

14、有所不一样。在分离木素时普通在分离木素时普通采取较温和条件采取较温和条件，所，所分离木素分离木素必须注明分离方法必须注明分离方法。如硫酸法得到硫酸木素。如硫酸法得到硫酸木素。第38页分离前准备分离前准备试样粉碎成试样粉碎成40-6040-60目目用苯用苯-醇抽提去除提取物醇抽提去除提取物防止在分离进程中与木素形成缩合产物防止在分离进程中与木素形成缩合产物分离原理分离原理木素作为残渣，木素改变大木素作为残渣，木素改变大溶解木素溶解木素-溶液，普通改变较小溶液，普通改变较小第39页木素分离方法木素分离方法分离方法分离方法 分离木素名称分离木素名称 使用试剂及化学改变情况使用试剂及化学改变情况木素作

15、为木素作为残渣而分残渣而分离方法离方法硫酸木素硫酸木素盐酸木素盐酸木素铜氨木素铜氨木素高碘酸木素高碘酸木素使用使用72%H2SO4伴伴随化学改变伴伴随化学改变使用使用42%HCl2%H2SO4及及Cu(OH)2NH4OH络合液络合液5%Na3H2IO6木素木素被溶被溶解而解而分离分离方法方法使用有使用有机溶剂机溶剂在酸性在酸性条件下条件下溶出木溶出木素素乙醇木素乙醇木素二氧六环木素二氧六环木素酚木素酚木素醋酸木素醋酸木素水溶助溶木素水溶助溶木素乙醇、乙醇、HCl二氧六环二氧六环酚酚醋酸醋酸苯磺酸盐、苯甲酸盐苯磺酸盐、苯甲酸盐第40页木木素素被被溶溶解解而而分分离离方方法法使用有使用有机溶剂机溶

16、剂在中性在中性条件下条件下溶出木溶出木素素天然木素（克劳斯）天然木素（克劳斯）丙酮木素丙酮木素磨木木素磨木木素（贝克曼木素）（贝克曼木素）乙醇乙醇丙酮丙酮甲苯、二氧己环甲苯、二氧己环使用使用无机无机试剂试剂碱木素碱木素硫化木素硫化木素氯化木素氯化木素NaOHNaOH+Na2SCl2分离方法分离方法 分离木素名称分离木素名称 使用试剂及化学改变情况使用试剂及化学改变情况木素分离方法（续）木素分离方法（续）第41页1、MWL(磨木木素磨木木素)：靠近于天然状态木素。但不能代表整个木素，主要起源于次生壁。靠近于天然状态木素。但不能代表整个木素，主要起源于次生壁。在室温下，用不引发润胀作用中性溶剂（如

17、甲苯）作介质仔细研在室温下，用不引发润胀作用中性溶剂（如甲苯）作介质仔细研磨木粉，经过溶剂磨木粉，经过溶剂(如二氧六环如二氧六环)抽提而取得高得率分离木素，其抽提而取得高得率分离木素，其得率为木粉木素含量二分之一。得率为木粉木素含量二分之一。或者在氮保护下研磨或者在氮保护下研磨试验室第42页酶木素EnzymeligninPew and Weyna,1957,1962Chang et al.1975特点特点:结构与结构与MWLMWL相同相同得率高，不易降解得率高，不易降解更能代表全木质素更能代表全木质素处理时间长处理时间长第43页CEL and RELCEL和和REL制备制备Hu Z,et al

18、.Holzforschung 60()389-397第44页EMAL(enzymaticmildacidolysislignin)Wu and Argyropoulos，特点特点:结构与结构与MWLMWL相同相同得率更高得率更高能代表全木质素能代表全木质素LCCLCC之间键断裂之间键断裂第45页3、丙酮木质素、丙酮木质素:(丙酮丙酮:水水=17:3)提取木质素提取木质素4、盐酸木质素：、盐酸木质素：将脱除提取物木粉中加入经冰水冷却将脱除提取物木粉中加入经冰水冷却42%HCl，搅，搅拌拌25h后，在冰水与中放置过夜，残渣用后，在冰水与中放置过夜，残渣用5%H2SO4煮沸煮沸5-6h后过滤洗涤而得

19、，颜色为淡褐色后过滤洗涤而得，颜色为淡褐色2、BNL(天然木质素天然木质素):95%乙醇抽提木粉得到木质素，抽出量非常少，针乙醇抽提木粉得到木质素，抽出量非常少，针叶材为叶材为2-4%，阔叶材为，阔叶材为4-7%第46页碱木素碱木素Wood：5%NaOH 130-170，不能用于木素结，不能用于木素结构研究。构研究。Straw and grass：温和条件温和条件100 以下碱处理，以下碱处理，结构改变不大，对香豆酸和木质素之间，或阿魏酸结构改变不大，对香豆酸和木质素之间，或阿魏酸与多糖之间酯键被皂化。与多糖之间酯键被皂化。不过一步碱处理法得到碱木素极少用于木素结构研不过一步碱处理法得到碱木素

20、极少用于木素结构研究，因为草类碱木素中杂质含量高（多糖、蛋白质、究，因为草类碱木素中杂质含量高（多糖、蛋白质、灰分）。灰分）。改进方法：碱性过氧化氢处理改进方法：碱性过氧化氢处理2%H2O2，50 24h，pH11.5，可得到，可得到80%以上麦草木质素（我们课题以上麦草木质素（我们课题组组,年）。年）。第47页有机溶剂木素有机溶剂木素organosolvlignin低沸点有机溶剂：醇（乙醇、甲醇）、酸（乙酸、低沸点有机溶剂：醇（乙醇、甲醇）、酸（乙酸、甲酸）；高沸点有机溶剂甲酸）；高沸点有机溶剂酸或碱做催化剂、或无催化剂酸或碱做催化剂、或无催化剂酸性条件下，酸性条件下，醚键断裂较多，更强酸性

21、条件醚键断裂较多，更强酸性条件醚醚键也断裂；键也断裂；成浆得率、强度以及白度等方面存在着一定问题，成浆得率、强度以及白度等方面存在着一定问题，所以没有大范围工业化利用所以没有大范围工业化利用但作为纤维素乙醇生产预处理技术前景辽阔但作为纤维素乙醇生产预处理技术前景辽阔第48页Pure cellulose:suited for enzymatic hydrolysisLignin having ptential high-value applicationHemicelluloses(or degraded polysaccharides)for biofuel production第49页工业木

22、素工业木素亚硫酸盐木质素：亚硫酸盐木质素：Na2SO3、MgSO3、NH3SO3制浆而得废液制浆而得废液硫酸盐木质素：硫酸盐木质素：NaOH+Na2S制浆而得废液制浆而得废液有机溶剂木素：酸性乙醇液：有机溶剂木素：酸性乙醇液：5%乙醇液乙醇液 7%乙醇液木质素乙醇液木质素第50页 2 2、原料木素含量测定方法、原料木素含量测定方法（1）酸不溶木素）酸不溶木素(Klason木素木素)标准测定方法标准测定方法 在室温下用在室温下用72%硫酸浸渍硫酸浸渍2小时后，稀释为小时后，稀释为3%硫酸煮沸硫酸煮沸4小小时时，过滤洗至无酸性烘干，称重过滤洗至无酸性烘干，称重酸溶木素酸溶木素紫外分光光度法测定：紫

23、外分光光度法测定：将上述可溶于将上述可溶于3%硫酸木素溶液在硫酸木素溶液在205-208nm测定吸收值并用测定吸收值并用3%硫酸溶液作对照用公式计算：硫酸溶液作对照用公式计算：酸溶木素酸溶木素%=DV(AS-AB)/aw100D 稀释倍数稀释倍数 V 溶液总量溶液总量 As 吸收峰面积吸收峰面积 AB 空白吸收峰面积空白吸收峰面积 a 吸收系数吸收系数 W 木粉绝干量木粉绝干量第51页针叶材：针叶材：普通酸溶木素在普通酸溶木素在1%以下以下阔叶材阔叶材:普通酸溶木素在普通酸溶木素在34%第52页（2）微量木素）微量木素(乙酰溴法乙酰溴法)将木粉将木粉1025mg溶于乙酰溴醋酸液（溶于乙酰溴醋酸

24、液（25%）10ml中，中，70C水浴上回流水浴上回流30分，冷却，分，冷却，放入有放入有2M NaOH（9ml)和醋酸和醋酸(50ml)100ml容量瓶中，容量瓶中，加入加入1ml 7.5M盐酸羟胺（盐酸羟胺（NH2OHHCl），用醋酸稀释此），用醋酸稀释此溶液至刻度，溶液至刻度，在在280nm测定吸收值测定吸收值AS，并做不加木粉时空白吸收值，并做不加木粉时空白吸收值AB，用公式计算：用公式计算：微量木素微量木素%=V(AS-AB)/aw100-B(%)其中其中a:木素标准吸收系数木素标准吸收系数 B:校正系数校正系数第53页第三节第三节 研究木素化学结构非破坏性方法研究木素化学结构非破坏

25、性方法紫外紫外-可可见见光区光区10800nm远远紫外区（紫外区（10190nm）；）；近紫外区（近紫外区（190400nm）；）；可可见见光区（光区（400800nm）普通紫外光普通紫外光谱仪谱仪包含紫外和可包含紫外和可见见光部分光部分(200800nm)1 1 紫外光谱法：紫外光谱法：第54页针叶材木素结构单元主要是愈创木基，波长在针叶材木素结构单元主要是愈创木基，波长在280285nm有最大吸收有最大吸收阔叶材中是愈创木基阔叶材中是愈创木基+紫丁香基，最大吸收波长在紫丁香基，最大吸收波长在275279nm。二者在二者在205208nm还有吸收峰（乙烯吸收带）还有吸收峰（乙烯吸收带）禾本科

26、（芦竹、麦草等）禾本科（芦竹、麦草等）280nm有强吸收峰，但有强吸收峰，但酯键含量高蔗渣和竹子木质素因为对香豆酸和阿酯键含量高蔗渣和竹子木质素因为对香豆酸和阿魏酸酯影响，最大吸收在魏酸酯影响，最大吸收在315nm左右。左右。第55页针叶木吸光系数为针叶木吸光系数为1820L/g.cm,阔叶木吸光系数低阔叶木吸光系数低于针叶木于针叶木,温带阔叶木低于针叶木温带阔叶木低于针叶木,热带阔叶木和草热带阔叶木和草类与针叶木靠近类与针叶木靠近,木质素样品中伴随木质素样品中伴随OCH3/C9比值增比值增加加,吸光系数下降。吸光系数下降。第56页第57页木质素紫外光谱应用木质素紫外光谱应用280nm及及20

27、0208nm区域吸光值可用于木质素定区域吸光值可用于木质素定量分析（乙酰溴法定量木素及酸溶木素）量分析（乙酰溴法定量木素及酸溶木素）但但280nm附近聚糖降解产物如糠醛和羟甲基糠醛附近聚糖降解产物如糠醛和羟甲基糠醛也有紫外吸收，需加以校正，不然数值偏高；也有紫外吸收，需加以校正，不然数值偏高；200208nm吸光系数很高，轻易产生误差吸光系数很高，轻易产生误差普通聚糖含量低样品，用普通聚糖含量低样品，用280nm处吸光值定量较处吸光值定量较为准确，而聚糖含量高用酸溶木素，用为准确，而聚糖含量高用酸溶木素，用200208nm第58页 2 2 红外光谱法红外光谱法可对木素功效基定性研究可对木素功效

28、基定性研究34503400cm-1为羟基伸缩振动为羟基伸缩振动29402820 为甲基、亚甲基、次甲基伸缩振动为甲基、亚甲基、次甲基伸缩振动17151710 为与苯环非共轭羰基振动为与苯环非共轭羰基振动16751660与苯环共轭羰基振动与苯环共轭羰基振动14701460 C-H不对称弯曲振动不对称弯曲振动1430、1500、1600 cm-1为苯环骨架振动为苯环骨架振动13701365 为为C-H对称弯曲振动对称弯曲振动13301325 为紫丁香基环呼吸振动为紫丁香基环呼吸振动12751270 cm-1为愈创木基环呼吸振动为愈创木基环呼吸振动10851030 cm-1为为C-O、C-H弯曲振动

29、弯曲振动第59页红外光谱图红外光谱图云杉磨木木素和酶木素云杉磨木木素和酶木素第60页木素红外光谱性质木素红外光谱性质羟基峰羟基峰3425cm3425cm-1-1共轭羰基峰共轭羰基峰1660cm1660cm-1-1苯环芳香核峰苯环芳香核峰16001600、15001500、1425cm1425cm-1-1紫丁香基峰紫丁香基峰1325cm1325cm-1-1、愈创木基峰、愈创木基峰1270cm1270cm-1-1多糖中乙酰基和糖醛酸酯基峰多糖中乙酰基和糖醛酸酯基峰1740cm1740cm-1-1；第61页激光拉曼光谱仪工作原理激光拉曼光谱仪工作原理3 3 拉曼光谱法拉曼光谱法第62页红外和拉曼光谱

30、区分红外和拉曼光谱区分第63页黑云杉黑云杉a.磨木木素；磨木木素；b.酶酶木素；木素；c.天然木素拉曼光天然木素拉曼光谱谱2890峰强度大于峰强度大于2886，说明，说明MWL中存在少许碳水化合物，中存在少许碳水化合物，而而C是由差谱产生，其中没是由差谱产生，其中没有碳水化合物（未处理黑云有碳水化合物（未处理黑云杉杉Raman谱，减去盐酸脱木谱，减去盐酸脱木素后素后Raman谱，取得天然木谱，取得天然木素谱）素谱）2894处峰强度大，说明酶木处峰强度大，说明酶木素中存在较多碳水化合物素中存在较多碳水化合物（纤维素和半纤维素）（纤维素和半纤维素）第64页常作为红外光谱法研究木素结构辅助方法常作为

31、红外光谱法研究木素结构辅助方法用溶剂用溶剂(乙醇、三氯甲烷乙醇、三氯甲烷-乙醇、乙醇乙醇、乙醇-水水)按次按次序真空抽提松木试样序真空抽提松木试样在不一样时间在不一样时间(16h)脱木素程度，观察其拉脱木素程度，观察其拉曼光谱图中曼光谱图中1595cm-1谱带谱带(苯环苯环)改变情况改变情况其峰高与试样中木素含量呈直线关系其峰高与试样中木素含量呈直线关系第65页脱木素拉曼光谱脱木素拉曼光谱第66页第67页拉曼位移(cm-1)细胞壁中主要组分拉曼特征峰归属2 945木质素、葡甘露聚糖甲氧基中CH键非对称伸缩振动2 897纤维素CH和CH2伸缩振动1 660木质素松柏醇中苯环C=C共轭双键伸缩振动

32、；松柏醛中C=O伸缩振动；16201 600木质素木质素松柏醛中苯环C=C共轭双键伸缩振动苯环对称伸缩振动1 508木质素苯环非对称伸缩振动1 462木质素、纤维素HCH和HOC键摇摆振动1 423木质素OCH3扭曲振动;CH2剪切振动;愈创木基环振动1 376纤维素HCC,HCO和HOC键摇摆振动1 333纤维素HCC和HCO键摇摆振动1 274木质素苯环上羟基或甲氧基振动；愈创木基环振动1 150纤维素重原子（CC和CO）伸缩振动及HCC和HCO键摇摆振动1 143木质素1 122纤维素、木糖、葡甘露聚糖重原子（CC和CO）伸缩振动1 096纤维素、木糖、葡甘露聚糖重原子（CC和CO）伸缩

33、振动1045木质素苯环甲氧基中CO和OH振动997纤维素903纤维素重原子（CC和CO）伸缩振动黑黑杨细杨细胞壁中胞壁中木木质质素素及碳水化合物拉曼位移及碳水化合物拉曼位移Gierlinger第68页4 4 核磁共振法核磁共振法(NMR)(NMR)原子核是带正电荷粒子，其自旋运动产生磁距，自原子核是带正电荷粒子，其自旋运动产生磁距，自旋运动又与自旋量子数旋运动又与自旋量子数I相关，只有相关，只有I0才产生自旋才产生自旋运动运动 质量数为偶数，原子序数也为偶数质量数为偶数，原子序数也为偶数(质子数是偶质子数是偶数，中子数也为偶数数，中子数也为偶数)核，则自旋量子数核，则自旋量子数Io，没有，没有

34、自旋现象。比如自旋现象。比如12C 6、“16O8、“32S16等核。等核。质量数为奇数质量数为奇数(质子数是奇数，中子数是偶数，质子数是奇数，中子数是偶数，或质子数是偶数。中子数是奇数核，自旋量子数或质子数是偶数。中子数是奇数核，自旋量子数I为为12、32、52等半整数。比如等半整数。比如1H 1、13C6、19F9等核等核第69页质子数为偶数，原子序数为奇数质子数为偶数，原子序数为奇数(质子数是奇数，质子数是奇数，中子数也是奇数中子数也是奇数)核，核，I1、2、3等正整数。比等正整数。比如如2H1、6Li3、14N7等核。等核。在静磁场中含有磁距原子核存在不一样能级，当在静磁场中含有磁距原

35、子核存在不一样能级，当含有一定频率电磁波照射样品时，原子核发生能含有一定频率电磁波照射样品时，原子核发生能级跃迁产生核磁共振级跃迁产生核磁共振含有磁距原子核各种参数为天然丰度含有磁距原子核各种参数为天然丰度(%)、自旋量、自旋量子数子数(I)、相对灵敏度、共振频率、相对灵敏度、共振频率(MHz)、磁距、磁距()、电四极距、电四极距第70页1H核磁共振法核磁共振法1H-NMR谱是惯用方法谱是惯用方法1H丰度为丰度为99.9844%，敏感度，敏感度非常大，易观察到满意信号非常大，易观察到满意信号一个共振谱中各种氢峰面积与一个共振谱中各种氢峰面积与氢数量成正比，如乙苯中苯、氢数量成正比，如乙苯中苯、

36、次甲基、甲基氢数量之比为次甲基、甲基氢数量之比为5:2:3第71页木素1 1H H谱图化学位移谱图化学位移化学位移左正右负化学位移左正右负1H和和13CNMR基准物质为基准物质为TMS（四甲基硅烷）（四甲基硅烷），化学位移均在右侧，都为正值；沸点只有，化学位移均在右侧，都为正值；沸点只有27，轻易出去，缺点是不溶于水。，轻易出去，缺点是不溶于水。31P NMR基准物质是基准物质是H3PO31H化学位移小于化学位移小于20,13C可达可达600第72页木质素氢谱分析木质素氢谱分析木质素首先溶于氘代溶剂，普通用氘代氯仿木质素首先溶于氘代溶剂，普通用氘代氯仿CDCl3分离木质素溶解性不好，普通需要乙

37、酰化，提升分离木质素溶解性不好，普通需要乙酰化，提升其溶解性其溶解性第73页AssignmentsofSignalsinthe1HNMRSpectraof AcetylatedBirchandSpruceMWLs inChloroform-d第74页高去屏蔽氢，主要是羧基或醛基上氢高去屏蔽氢，主要是羧基或醛基上氢苯环上氢或侧链双键上氢苯环上氢或侧链双键上氢苯环侧链非环结构氢苯环侧链非环结构氢苯环侧链环结构氢苯环侧链环结构氢甲氧基及主要脂肪区氢甲氧基及主要脂肪区氢芳香氧乙酰基氢芳香氧乙酰基氢脂肪氧乙酰基氢脂肪氧乙酰基氢非氧脂肪链结构氢非氧脂肪链结构氢木质素氢谱归类木质素氢谱归类第75页第76页第

38、77页木质素氢谱范围木质素氢谱范围10ppm10ppm，信号存在严重重合，信号存在严重重合碳谱谱宽碳谱谱宽200ppm200ppm分辨能力高，给出不连氢碳吸收峰分辨能力高，给出不连氢碳吸收峰低分子量木素模型物与木素化学位移有很好一致低分子量木素模型物与木素化学位移有很好一致性性但灵敏度低，自然丰度仅为但灵敏度低，自然丰度仅为1.1%1.1%，需要屡次扫描，需要屡次扫描1313C-NMRC-NMR谱谱第78页13C NMR spectrum of spruce MWL第79页13C NMR spectrum of birch MWL第80页13C-Chemical Shifts(6)in ppm

39、 from TMS and Relative Intensities of Acetylated Spruce MWL and Beech MWL 第81页Continued第82页木质素碳谱归类木质素碳谱归类碳谱分碳谱分4类类高去屏蔽碳：高去屏蔽碳：165200ppm，包含醛基、酯基和羧，包含醛基、酯基和羧基碳基碳苯环和双键上碳：苯环和双键上碳：104162苯环侧链碳：苯环侧链碳：5387甲氧基碳：甲氧基碳：55.556少许糖：少许糖：101102第83页第84页二维二维-三维核磁技术三维核磁技术HMQC:异核多量子关系异核多量子关系(HMQC)multipulHSQC:异核单量子关系异核单

40、量子关系(heteronuclear singular quantum correlation，HSQC),给出信息是直接相连碳氢给出信息是直接相连碳氢关系，给出一键关系，给出一键CH连接问题，而不能处理碳与季碳相连连接问题，而不能处理碳与季碳相连问题，或隔碳相连问题。问题，或隔碳相连问题。生物大分子全部使用HSQC。HMQC-TOCSYHMBC总相关谱（TotalCorrelationSpectroscopy,TOCSY）第85页3 1 P-NMR法法测定木素功效基测定木素功效基3 1 P-自然丰度是自然丰度是 1 0 0%、灵敏度高。、灵敏度高。木素要转变为含磷衍生物才能进行木素要转变为含

41、磷衍生物才能进行 3 1 P-NMR分析分析 第86页把碳水化合物和木素转变为含磷衍生物把碳水化合物和木素转变为含磷衍生物，惯用有惯用有 1,3-二氧磷基氯化物、四甲基二氧磷基氯化物、四甲基-1,3-二氧磷基氯化物和三甲基磷酸盐二氧磷基氯化物和三甲基磷酸盐 第87页三甲基磷酸盐能与醌型结构反应三甲基磷酸盐能与醌型结构反应转变成含磷衍生物转变成含磷衍生物 第88页几个木素模型物磷衍生物化学位移几个木素模型物磷衍生物化学位移 第89页木素功效基木素功效基-1-1 酚羟基酚羟基酚羟基各类酚磷衍生物酚羟基各类酚磷衍生物3 1 P-NMR光谱中化学位移光谱中化学位移在在 1 2 7.71 31.5范围范

42、围,在苯环邻位取代基对在苯环邻位取代基对3 1 P-NMR 化学位移影响大，化学位移影响大，而对而对/间位取代基对间位取代基对3 1 P-NMR 影响较小影响较小 木素中存在三种基本酚羟基，即愈创木酚、紫丁木素中存在三种基本酚羟基，即愈创木酚、紫丁香型和对羟基苯基型酚羟基，与磷化试剂形成衍香型和对羟基苯基型酚羟基，与磷化试剂形成衍生物后，它们生物后，它们3 1 P-核磁共振化学位移将出现在不核磁共振化学位移将出现在不一样区域，分别在一样区域，分别在 1 30,1 32,1 2 8附近附近 第90页醇羟基即使存在醇羟基即使存在伯、仲伯、仲、叔三类、叔三类,不过在木素结构不过在木素结构中只有前两种

43、。中只有前两种。各类醇磷衍生物各类醇磷衍生物3 1 P-NMR 光谱化学位移在光谱化学位移在 3 1 P-131.5136.2范围。范围。普通来讲普通来讲,伯醇磷衍生物伯醇磷衍生物3 1 P-NMR 化学位移较酚化学位移较酚类羟基向低场移类羟基向低场移 2,而仲醇磷衍生物而仲醇磷衍生物3 1 P-NMR 化化学位移较伯醇向低场移学位移较伯醇向低场移 0.52.5。伯醇羟基主要是苯环侧链伯醇羟基主要是苯环侧链 羟基羟基,而仲醇羟基主要而仲醇羟基主要是是 羟基。在含有羟基。在含有-4结构木素中又存在立体结构木素中又存在立体构型差异构型差异,即苏式即苏式(Threo)和赤式和赤式(erythro)羟

44、基。羟基。木素功效基木素功效基-2-2醇羟基醇羟基第91页在在3 1 P-NMR 研研究究中中,羧羧酸酸可可分分两两类类,一一类类是是除除被被磷磷衍衍生生化化羧羧基基外外,无无其其它它基基团团,3 1 P-NMR 信信号号将将出现在高场出现在高场;另一类是邻二酸或另一类是邻二酸或 羟基酸。羟基酸。第第一一类类羧羧基基磷磷衍衍生生物物3 1 P-NMR 化化学学位位移移出出现现在在 1 2 7处处,第二类出现两个峰第二类出现两个峰,相差约相差约 7但但与与普普通通羧羧基基和和羟羟基基又又有有所所不不一一样样。这这是是因因为为反反应方式不一样应方式不一样,发生酯交换发生酯交换木素功效基木素功效基-

45、3-3羧基羧基第92页醛醛基基与与磷磷化化试试剂剂生生成成衍衍生生物物，发发生生加加成成反反应应，其其3 1 P-NMR 化化学学位位移移在在 130137范范围，围，酮与磷化试剂不反应酮与磷化试剂不反应,尚不能测定尚不能测定木素功效基木素功效基-4-4醛基醛基第93页 5 5 电子自旋共振电子自旋共振(ESR)(ESR)法法a为未处理材为未处理材b磨碎为磨碎为40目目c深入用球磨机磨碎深入用球磨机磨碎d高纯度漂白浆球磨高纯度漂白浆球磨第94页1963年年Steelink证实证实各种木素中存在稳定游离基各种木素中存在稳定游离基游离基数量不等，其单位用游离基个数游离基数量不等，其单位用游离基个数

46、/OCH3或自旋数或自旋数/木素分子表示木素分子表示图示中几个木素谱图，经图示中几个木素谱图，经射线照射后射线照射后游离基能增加游离基能增加第95页 6 6 色谱研究法色谱研究法纸色谱及薄层色谱主要用于木素降解产物分离和纸色谱及薄层色谱主要用于木素降解产物分离和判定判定普通纸色谱层析剂有石油醚普通纸色谱层析剂有石油醚水、正丁醚水、正丁醚水、水、石油醚石油醚:正丁醚正丁醚:水水=6:1:6等等显色剂用显色剂用2,4二硝基苯肼及二硝基苯肼及1%三氯化铁三氯化铁:1%氰化铁氰化铁 1:1混合液混合液香草醛、紫丁香醛、对羟苯甲醛香草醛、紫丁香醛、对羟苯甲醛 在石油醚在石油醚-水中水中Rf值分别为值分别

47、为0.39、0.12、0.1，在正丁醚在正丁醚-水中水中Rf值分别为值分别为0.64、0.37、0.64第96页 其它色谱法其它色谱法气相色谱法及高压液相色谱，能够分气相色谱法及高压液相色谱，能够分离和判定硝基苯氧化和乙醇解产物离和判定硝基苯氧化和乙醇解产物凝胶色谱能够分析磨木木素及其降解凝胶色谱能够分析磨木木素及其降解产物分子量和分布产物分子量和分布第97页第四节第四节 研究木素化学结构破坏性方法研究木素化学结构破坏性方法 1 1 木素元素分析木素元素分析采取元素分析仪采取元素分析仪(如如PE-240C元素分析仪元素分析仪)只能分析只能分析C、H等元素组成，等元素组成，O含量是计算出来含量是

48、计算出来计算不饱和双键数，如计算不饱和双键数，如CaHbOc应为应为(2a+2)-b/2原理：动态闪烧-色谱分离法，通俗叫法是杜马斯燃烧法。样品经过粉碎研磨后，经过锡囊或银囊包裹，经自动进样器进入燃烧反应管中，向系统中通入少许纯氧以帮助有机或无机样品燃烧，燃烧后样品经过深入催化氧化还原过程，其中有机元素碳C、氢H、氮N、硫S和氧O,全部转化为各种可检测气体。混合气体经过分离色谱柱深入分离，最终经过TCD热导检测器完成检测过程。第98页木素苯基丙烷单元经典式计算木素苯基丙烷单元经典式计算第99页假设：第100页 2 2 木素功效基测定木素功效基测定甲氧基甲氧基(-OCH3)可采取可采取HI酸处理

49、转变为酸处理转变为CH3I，用醋酸钠用醋酸钠-醋酸醋酸-溴溶液吸收并进行碘量滴定溴溶液吸收并进行碘量滴定 ROCH3+HI ROH+CH3I CH3I+Br2 CH3Br+IBr IBr+2 Br2+3H2O HIO3+5HBr HIO3+5HI 3I2+3H2O I2+2Na2S2O3 Na2S4O6+2NaI第101页HCOOHCH3COOH第102页羟基测定羟基测定总羟基总羟基(醇羟基加酚羟基醇羟基加酚羟基)测定，采取测定硫酸测定，采取测定硫酸二甲酯甲基化后增加甲氧基数来计算二甲酯甲基化后增加甲氧基数来计算用高碘酸盐氧化愈创木基酚，产生一分子甲用高碘酸盐氧化愈创木基酚，产生一分子甲醇就有

50、一个醇就有一个酚羟基酚羟基总羟基数减去酚羟基数就是总羟基数减去酚羟基数就是醇羟基醇羟基数数第103页酚羟基酚羟基-紫外紫外离子化差示光谱离子化差示光谱游离酚羟基与醚化酚羟基在游离酚羟基与醚化酚羟基在pH13pH13以上碱液中性质，以上碱液中性质，前者被离子化，吸收增多，使极大值向长波方向前者被离子化，吸收增多，使极大值向长波方向移动，而醚化酚羟基改变不大。移动，而醚化酚羟基改变不大。酚羟基在碱性溶液中离解成酚盐离子，使在酚羟基在碱性溶液中离解成酚盐离子，使在280nm280nm最大消光系数增加，碱性溶液吸收减去中性溶液最大消光系数增加，碱性溶液吸收减去中性溶液中吸收光谱，即可得到差示光谱，可测