24第四节 木素的化学反应

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木素大分子中各部位的化学反应性能呈现出不均一性
theα-aryl ether bonds,β-aryl ether bonds and the 木素结构单元侧链的对位上是否存在游离的酚羟
基对其反应性能的影响很大 methyl aryl ether bonds are easily to be cleaved. 木素结构单元分为酚型结构单元和非酚型结构 单元
甲基磺酸
(六)碱性亚硫酸盐溶液和木素的反应
蒸煮液:pH=10,在亚硫酸盐中加入氢氧化钠
或硫化钠 含有两个亲核试剂,即SO32-离子、OH-离子或 SH-离子 主要反应
酚型单元很易起反应 非酚型的木素结构单元也能参加反应 如:苯基丙烷-β-芳基醚结构。结果部分β-取代物 脱除,剩余的苯基丙烷骨架一部分亦被磺化,并 生成碎解产物。
反应主要发生在苯环甲氧基或羟基的邻位或对位上 木素的亲电取代反应往往还伴随着木素的氧化、降 解等反应
(二)氯与木素的反应
氯在水溶液中的平衡(氯-水体系)离子或 氯是中亲电试剂,水溶液中形成强亲电性的Cl+
氯-水体系中,Cl2、HOCl、OCl-的比例随 pH而变。 酸性条件下(pH<2) 以Cl2为主 中性条件下(pH4~6) 以HOCl为主 氯也是一种强的氧化剂 Cl+ + 2e → Cl 碱性条件下(pH>7) 以OCl-为主
2、酸性介质中
具有苯甲基醚结构的
酚型和非酚型结构单 元(I) 在酸性条件 下变成—盐形式的醚 基团(Ⅱ),然后 α-醚键断裂,形成 正碳离子(Ⅲ) 正碳离子亦呈4种形 式存在。
Conclusions
木素结构单元中的酚型结构在碱性介质中 形成亚甲基醌结构; 在酸性介质中,无论是酚型结构还是非酚 型结构均可形成正碳离子结构。
植物纤维原料在苛性钠法蒸煮过程中,木素与氢 氧化钠的反应包括:
通过木素大分子中酚型α -芳基醚键的断裂,酚型α-烷
基醚键的断裂,非酚型结构基团在α-原子上连有OH基 时的β-芳基醚键的断裂和苯环上芳基甲基醚键的断裂, 导致新的酚羟基的生成 上述4种醚键断裂的同时,还伴随着脱芳基、脱烷基、 脱甲醛等反应,使木素分子逐步降解而溶出,其中以 非酚型结构的β-芳基醚键断裂的脱芳基反应为引起木 素降解的主要反应。但此反应只是在α-位臵有醇羟基 的情况下才出现 当有蒽醌存在时,蒽醌促进了酚型β-芳基醚键的断裂, 加速了木素的溶出,同时保护了碳水化合物
组成
XSO3 + XCO3(XOH或 没有) XHSO3 H2SO3 + XHSO3
硫酸盐
碱性亚硫 酸盐
XSO3 + XOH(或 Na2S)
不同蒸煮液中的亲核试剂
氢氧化钠法蒸煮液:OH硫酸盐法蒸煮液: OH- ,SH-,S2碱性亚硫酸盐蒸煮液: SO32酸性亚硫酸盐蒸煮液:HSO3-, SO32-
三、木素的亲核反应
(一)和木素起反应的亲核试剂 亲核性:指试剂给予电子的能力或是指试剂 对原子核的亲合力 亲核反应是植物纤维原料蒸煮脱木素的主要 反应
一些试剂的亲核性能
亲核剂 H2O C6H5OE 1.00 1.46 亲核剂 H2SO3 SO3HE 1.99 2.27 亲核剂 CH3OS2E 2.74 3.08
木素在化学反应中受到亲核试剂以及亲电试剂攻 击时,木素的活性部位与苯环上不同功能基的定 位特性有关 以愈疮木基丙烷为例,苯环上的4-位是羟基,3位是甲氧基,1-位是烷基,而羟基、甲氧基和烷 基都属于邻对位定位基,也就是说可使它们的邻 位和对位活化 在木素大分子中还存在少量的松柏醛或松柏醇型 结构,它们的侧链不饱和双键容易进行一些加成 反应
第四节 木素的化学反应
Section 4 Chemical Reactions of Lignin
木素的化学反应类型 木素结构单元的化学反应性能 木素的亲核反应 木素的亲电取代反应 木素的氧化反应 木素的颜色反应及其呈色机理
主要研究:与制浆蒸煮和漂白有关的化学反应 使木素大分子溶解而被除去的途径: 木素大分子碎片化 引进亲水性基团 这种结构上的变化是通过亲核反应和亲电反 应实现的。
Examples——
α-碳原子上连接着的芳氧基或烷氧基醚键 很容易断裂,断开后α位臵有很大的反应活 力; 如果α-碳原子上存在羟基(-OH),也极易 引起反应; 硫酸盐蒸煮或亚硫酸盐蒸煮,在此位臵引 入S2-或HSO3- , α-烷基醚键和α-芳基醚键 断裂。
2、非酚型结构单元
凡木素结构单元苯环上不具有游离酚羟基,而是 以酚醚键联接到相邻的单元上,这类结构单元称 之为非酚型结构单元 特点:苯环的酚羟基上有了取代基,难以像酚型 结构单元那样使α-碳原子得到活化 非酚型单元中存在的α-醚键、β-醚键都比较稳 定或反应活力较弱 即使α-位臵是醇羟基,其反应能力也比酚型结 构的醇羟基小得多;如果α-醇羟基又被醚化, 则此位臵就难于进行反应
木素结构单元在酸性亚硫酸盐蒸煮条件下的缩合反应
Comparision
磺化和缩合都发生在同一木素结构单元的 α-碳原子上; 缩合了的木素在缩合的部位难以再发生磺 化反应,磺化了的木素在磺化了的部位也 不易发生缩合; 缩合的结果:木素分子变大,亲水性降低, 木素不易溶出。
松脂酚结构的反应
一、木素的化学反应类型
游离基反应
两个原子带有同等的电子。
亲核反应
亲核试剂(nucleophilic reagent)即失去电子的原子,呈阴 离子性。
亲电取代反应
亲电试剂(electrophilic reagent)即得到电子的原子,呈阳 离子性。
亲核反应: A B + :C A - C + :B 亲电反应: A B + D A - D + B 游离基反应:A• + •B A - B
(三)氢氧化钠蒸煮中木素的反应
酚型α-芳基醚结构基团的反应 酚型α-烷基醚结构基团的反应 β -芳基醚结构基团的反应 甲基芳基醚结构的反应 添加蒽醌时的反应
酚型α-芳基醚结构基团的反应
苯基香豆满
羰基C=O诱导效应
酚型α -烷基醚结构基团的反应
β-甲醛消除反应
非酚型的上述两种结构在氢氧化钠蒸煮中是稳定的!
1、酚型结构单元(phenolic structural units)
木素结构单元苯环上存在游 离酚羟基 特点:能通过诱导效应而使 酚羟基对位侧链上的α -碳原 子活化 如果在化学反应过程中能在 木素大分子上析出更多的酚 羟基或尽量保护其游离酚羟 基免于缩合,这将会提高木 素的反应活性
亲和性能的比较: S2- >SH- (SO32- )>HSO3- >OH-
(二)木素结构单元在酸、碱介质中的基本变化
1、碱性介质中

酚型结构单元(Ⅰ)
酚羟基极易离子化以酚阴离子 的形式(Ⅱ)存在,诱导效应, 使得对位侧链上的α-碳原子上 的醚键极易断裂,形成亚甲基 醌结构(Ⅲ)。 非酚型的木素结构单元不能形 成亚甲基醌结构。
酚型α-芳基醚结构基团的反应
主要反应
苯基香豆满
亚甲基醌
非酚型的苯基香豆满结构是稳定的。
酚型α-烷基醚结构基团的反应
酚型β-芳基醚结构基团的反应
α-磺酸
α,β -二磺酸
苯乙烯β -磺酸
木素中羰基和双键的反应
松柏醛结构在中性亚硫酸盐 蒸煮中的磺化反应
肉桂醇结构在 中性亚硫酸盐蒸煮中的磺化反应
甲基芳基醚结构的反应
AP法制浆
KP法制浆
(五)中性亚硫酸盐溶液和木素的反应
蒸煮液pH为6~10的亚硫酸盐法制浆方法 蒸煮液中的活性基团是亲核性的SO32-离子和
SO3H-离子,使木素磺化和一些醚键断裂 主要反应
酚型α-芳基醚结构基团的反应 酚型α-烷基醚结构结构基团的反应 酚型β-芳基醚结构基团的反应 木素中羰基和双键的反应 甲基芳基醚结构的反应
氯与木素的反应
它的水合物H2O+Cl
主要是亲电取代反应和氧化反应 少量的氯还与木素侧链中的双键发生加成反应

(七)酸性亚硫酸盐溶液和木素的反应
蒸煮液:pH值为1~2
含有两个亲核试剂,即SO32-和HSO3-离子 主要反应


磺化反应
缩合反应 生成硫醚型化合物的反应
磺化作用
木素结构单元在酸性亚硫酸盐蒸煮条件下α-碳原子的磺化
无论是酚型或非酚型的结构单元,其α-碳原子都能被磺化!
缩合反应
亚甲基醌 愈疮木基-甘油β -愈疮木基醚 苯甲硫基
The cleavage of β-aryl ether bonds is considerably complete and rapid during sulfate cooking.
Characteristic:
虽然NaOH用量比Na2S高,但β-芳基醚键的断裂主 要是S2-和SH-在α-碳原子上的亲核进攻形成苯甲硫基 结构,导致β -芳基醚键断裂,而不是OH-离子的主 要作用。 β-芳基醚在木素结构中占有相当大的比例,因 此它的断裂对木素大分子降解成碎片而溶出是很有 意义的,这一反应在苛性钠法蒸煮中是次要的,而 在硫酸盐法蒸煮中则是一个主要反应 。 几个理论
二甲基醌
亲核试剂对α 碳原子攻击
愈疮木基阴离子
缩合
酚型β -芳基醚结构基团的反应
苯乙烯芳基醚 稳定 亚甲基醌结构
非酚型β -芳基醚结构基团的反应
负氧离子
负氧离子
非酚型β-芳基醚结构,只有当α-位臵上有醇羟基结构时, 其在碱法蒸煮条件下才能发生反应 。
甲基-芳基醚结构的反应
添加蒽醌时的反应
Conclusions
松脂酚结构在酸性亚硫酸盐蒸煮条件下的反应 磺化和缩合
Note:
无论是酚型或非酚型结构的β-醚键始终是 稳定的。 无论是酚型或非酚型结构的甲基芳基醚键 都是稳定的。
Conclusions——
四、木素的亲电取代反应
有机化学反应过程中,能从与之相互作用的 体系得到或共享电子对者,称为亲电试剂。 亲电试剂与有机化合物反应时,总是由试剂 中带正电荷的原子或离子首先攻击化合物中 电子云密度较大的位臵。
二、木素结构单元的化学反应性能
木素是由苯基丙烷结构单元通过醚键和碳-碳键 联接而成的高分子化合物 单元间不同性质的联接键和单元上不同性质的功 The carbon to carbon bonds and the aryl ether bonds 能基的存在,使木素:
具有一定的化学反应活性 are stable during the chemical pulping process, but
SO2
OH-
1.51
1.65
S2O32SO32-
2.52
2.57
C2H5O-
3.28
SCN-
1.83
SH-
2.57
几种蒸煮液的主要成分
反应开始 蒸煮液 pH值 名称
14 14 10+
氢氧化钠
组成
NaOH
XOH + Na2S
反应开 蒸煮液 始pH值 名称
6~9+ 2~6 1~2
中性 亚硫酸盐 亚硫酸 氢盐 酸性 亚硫酸盐
四、木素的亲电取代反应
(一)木素亲电取代反应的特点
木素结构单元容易发生亲电取代反应?
苯环上联接着羟基、甲氧基等供电子基团而使苯环得以
活化,电子云密度增大,很容易和亲电试剂作用,发生 亲电取代反应
最重要的是卤化反应和硝化反应
பைடு நூலகம்以正氯离子或其他正卤离子、正硝基离子等首先作用于
木素的苯环上,通过一个过渡状态,把氢原子取代出来, 生成氯化木素、硝化木素等
(四)硫化钠水溶液和木素的反应
在硫酸盐法蒸煮中,除了氢氧化钠和木素的反
应外,硫化钠和木素的反应是脱木素的主要反 应。 在Na2S的水溶液中,由于Na2S的离解,溶液 中同时存在OH-、HS-和S2-等离子:
为什么硫酸盐法蒸煮脱木素速率比氢氧化钠法蒸煮快?
酚型结构基团的β-芳基醚键的断裂
开裂促进说 保护作用说 游离基捕捉作用说
KP法制浆中甲基芳基醚键的断裂
1、HS-进攻木素芳香环中甲氧基的碳原子生成甲硫醇, 在苯环上导出酚羟基; 2、甲硫醇的阴离子与第二个甲氧基反应,生成二甲基 硫醚。 3、甲硫醇和二甲基硫醚是硫酸盐浆厂蒸煮放出气体臭 味的主要成分。
AP和KP法制浆中木素的反应小结
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