Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

02.00.03. органическая химия

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора химических наук

Количественная Спектроскопия ЯМР поликомпонентных систем из природного органического сырья

Рохин А.В.

Иркутск 2007

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Иркутский государственный университет»

Научный консультант

доктор химических наук, профессор Кушнарёв Д. Ф.

Официальные оппоненты:

доктор химических наук, профессор Гюльмалиев А. М.

доктор химических наук, профессор Кривдин Л.Б.

доктор химических наук, профессор Евстафьев С. Н.

Ведущая организация:

Российский университет дружбы народов, г. Москва

Защита состоится «24» октября 2007 г. в 1000 час. на заседании диссертационного совета Д 212.074.06 при Иркутском государственном университете по адресу: 664033, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 126, ауд. 430.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Иркутского государственного университета и на сайте ВАК РФ.

Отзывы на автореферат высылать по адресу: 664003, г. Иркутск, ул. К. Маркса, 1, Иркутский государственный университет, химический факультет, Эдельштейн О.А.

Автореферат разослан “02” сентября 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат химических наук О. А. Эдельштейн

1. Общая характеристика работы

Актуальность темы. Ресурсосбережение включает переработку всех видов природного органического сырья, удовлетворяющую комплексу жёстких и часто противоречащих друг другу требований: экологическая безопасность и высокая эффективность по выходу целевых продуктов, низкая энергоемкость и безотходность. Сдерживающим фактором успешного решения таких задач выступает дефицит знаний о составе, строении и структуре объекта, подвергаемого переработке. Преодоление этого невозможно без расширения арсенала методов количественного анализа, адекватно описывающих состав, молекулярное строение и надмолекулярную структуру природного органического материала, его компонентов и целевых продуктов. Структурно-химические взаимосвязи определяются природой объектов, и как доминанты, положены в основу стратегии поиска методов идентификации и аутентификации целевых продуктов переработки природного органического сырья, оптимизации технологии химических и биохимических процессов.

Разработка методологии исследования состава и строения многокомпонентных систем природного происхождения учитывает их принципиальные особенности такие как высокая молекулярная масса, полидисперсность, фазовая неоднородность, стохастический состав. Эти обстоятельства ограничивают применимость большинства классических химических и физико-химических методов анализа, эффективных для индивидуальных соединений и их компаундов, тогда как для метода спектроскопии ЯМР эти особенности не накладывают никаких ограничений и количественный вариант спектроскопии ЯМР вносит весомый вклад в исследования органических веществ биогенного происхождения. Однако возможности метода для решения теоретических и практических задач химии и переработки природного органического сырья далеко не исчерпаны.

Работа выполнена в рамках государственной научно-технической программы по приоритетному направлению развития науки и техники на 1990-1994гг. 10. «Новые материалы и вещества - основа создания нового поколения техники, технологии и решения специальных задач» по теме 10.1.4.3. «Исследование электрохимических, биохимических и электробиохимических реакций макрокомпонентов древесины» (государственный регистрационный № 01860109695) и программы Министерства науки и технической политики РФ «Комплексное использование и воспроизводство древесного сырья». Поддержана грантами РФФИ № 96-03-34297а (1996-1998 гг.) «Разработка комплексной методики анализа структурных групп лигнинов», № 97-04-96151 (1997-1999гг.). «Исследование биокаталитических реакций окисления лигнинов и ароматических соединений - компонентов донных отложений» и «Количественная спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР) гуминовых веществ: методология и методики исследования состава и строения», № 00-03-32965a (2000-2001г.), при поддержке НТП Министерства образования РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» на 2003-2004 г.г. (гранты № 203.05.07.040 и 204.01.02.014).

Цель работы

Разработка способов оценки влияния различных факторов и их комбинаций на химические, биохимические и технологические процессы переработки многокомпонентных систем природного происхождения, идентификации и аутентификации целевых продуктов на основе информации, полученной методом количественной спектроскопии ЯМР. Формирование концептуальных направлений её использования при решении теоретических и практических задач химии лигнина, угля, гуминовых веществ, многокомпонентных изотопомерных смесей природного происхождения.

Задачи

1. Разработка методических приемов получения достоверной количественной информации из одно- и двумерных спектров ЯМР 1Н и 13С о фрагментном составе, функциональных группах, структурных звеньях и их взаимосвязей, отдельных компонентах, содержащихся в продуктах переработки природного органического сырья:

? для экспертной оценки методов химического анализа природных полимеров, идентификации и количественной оценки содержания различных классов органических соединений и лигнинов в сложных смесях техногенного происхождения;

? для оптимизации условий технологической переработки природных объектов (углей) с целью получения целевых продуктов с заданным составом и свойствами;

? для установления структурно-спектральных взаимосвязей гуминовых веществ, идентификации их сырьевого происхождения и первичного прогнозирования рост-стимулирующей активности промышленных препаратов без проведения полевых испытаний;

2. Разработка методов идентификации и аутентификации многокомпонентных изотопомерных смесей, этанолсодержащих целевых продуктов различного происхождения методом спектроскопии ЯМР на естественном содержании минорных изотопов.

Научная новизна и практическая значимость работы. Обобщены новые наиболее важные результаты по применению одно- и двумерной количественной спектроскопии ЯМР высокого разрешения в исследовании растворов многокомпонентных систем природного происхождения - лигнина, продуктов переработки угля, гуминовых веществ, многокомпонентных изотопомерных смесей различного происхождения.

Методом количественной спектроскопии ЯМР 1Н и 13С изучен фрагментный состав лигнинов, подвергнутых химической модификации различными реагентами, рассмотрены методические аспекты получения достоверной информации о содержании функциональных групп и связей в макромолекулах лигнинов из одномерных и двумерных спектров ЯМР. Спектроскопия ЯМР предложена в качестве метода аттестации и оценки результатов химических способов анализа функциональных групп лигнина и идентификации лигнинов в смесях органических веществ техногенного происхождения.

На основе закономерностей изменения фрагментного состава из спектров ЯМР 1Н, 13С продуктов гидрогенизации каменного угля проведена оптимизация технологических условий процессов каталитического гидрирования угольных смол с высоким содержанием гетероатомных органических соединений с целью получения продуктов заданного состава и свойствами.

Найдены новые статистически надежные взаимосвязи параметров фрагментного состава из спектров ЯМР 13С с рост-стимулирующей активностью гуминовых кислот. Анализ спектров ЯМР 13С более 40 гуминовых кислот показал, что количественная спектроскопия ЯМР 13С при модификации методик анализа спектров - наиболее корректный метод аутентификации промышленных препаратов гуминовых кислот, идентификации их сырьевого происхождения, первичного прогнозирования физиологической активности.

Разработана и аттестована оригинальная методика количественного определения содержания дейтерия в различных фрагментах молекул органических веществ методом спектроскопии ЯМР 2Н на естественном содержании дейтерия. Её применение продемонстрировано при идентификации этанолов различного генезиса и технологий получения в компаундах широкого диапазона его концентраций. С помощью метода спектроскопии ЯМР найдены качественные и количественные критерии дифференциации пищевых и синтетических этанолов, алгоритм идентификации подлинности и географического происхождения вин с использованием компонентного и изотопного анализов.

Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена в 5 главах, на 320 страницах, включая таблицы, рисунки и схемы. Библиография насчитывает 600 наименований. В начале глав приводится краткий обзор литературы по решаемой тематике. На защиту выносятся основные положения методологии и алгоритмов количественного изучения ряда поликомпонентных систем природного происхождения - лигнинов, углей, многокомпонентных изотопомерных смесей, гуминовых веществ. В первой главе представлен алгоритм исследования препаратов лигнина на примере лигнина Бъёркмана, выделенного из древесины ели и его модифицированных препаратов с использованием одно- и двумерных экспериментов ЯМР 1Н и 13С. Во второй и третьей главах обсуждаются результаты применения разработанных подходов и методик для исследования продуктов переработки угля (продукты гидрогенизации угля и гуминовые вещества). В четвёртой главе представлены результаты исследования многокомпонентных изотопомерных смесей природного происхождения методом спектроскопии ЯМР на ядрах минорных изотопов. Глава 5 содержит сведения об объектах исследования, методиках пробоподготовки, использованной аппаратуре, элементный состав, условия выделения лигнинов, жидких продуктов переработки угля, гуминовых веществ, многокомпонентных изотопомерных смесей различного происхождения и технике эксперимента ЯМР.

Лигнин полифункциональный, гетероцепной, хаотически построенный природный полимер ароматической природы, не гидролизующийся до мономеров. Нерегулярная структура этого наиболее распространенного в природе полимера, его полифункциональность, многообразие типов связей приводит к снижению избирательности многих аналитических реагентов, успешно используемых для анализа органических соединений и их смесей. Это затрудняет исследование его химического строения большинством химических и физических методов.

Рис. 1. Предмет и объекты исследования методом количественной спектроскопии ЯМР на ядрах 1Н, 2Н, 13С, 17О, 31Р.

При изучении химической структуры лигнина наиболее информативным признан метод спектроскопии ЯМР. В основном, в ЯМР-исследованиях используются химически модифицированные препараты лигнина, вследствие их хорошей растворимости и информативности спектров. Для ацетилированных препаратов оценивают содержание фенольных и спиртовых групп ОН, что является одной из основных задач при исследовании структуры лигнинов. К настоящему времени разработаны и интенсивно используется ~ 30 различных способов оценки функциональных групп, которые основаны на методах модификации препаратов лигнина химическими реагентами (силилирование, фторирование, фосфорилирование и т.д.) с последующей оценкой содержания функциональных групп по спектрам ЯМР 19F, 29Si, 31P, 199Hg. Однако ни в одном из вышеперечисленных методов не установлены степень конверсии различных типов ОН-групп в реакциях, возможная трансформация химического строения макромолекулы лигнина при данных видах химического воздействия. В связи с этим нами предпринята попытка разработки новых приемов в исследовании химической структуры лигнина методом количественной спектроскопии ЯМР в одно- и двумерном представлении.

Рис. 2. Алгоритм исследования химической структуры препаратов лигнина методом количественной спектроскопии ЯМР в сочетании с 2D-экспериментами.

Основные методические приёмы отработаны при исследовании препаратов лигнина низших растений (папоротник), травянистых (пшеница, хлопчатник) и высших растений (ель, лиственница, береза, осина), выделенных различными способами из древесной матрицы.

Цель данного этапа работы состояла в разработке независимого метода контроля изменения химической структуры макромолекулы лигнина, модифицированного в различных химических процессах. Алгоритм анализа макромолекул лигнинов методом количественной спектроскопии ЯМР представлен на рис. 2:

Характеристика исходного ЛМР ели. Наиболее сложным в анализе лигнинов является дифференцированное определение содержания функциональных групп (фенольных, карбоксильных и спиртовых групп ОН, альдегидных, кетонных, сложноэфирных), различных типов связей (арил-арильных и арил-алкильных простых эфирных связей, двойных связей) и фрагментов S, G, Н. В работе основное внимание уделено разработке специальных методов и приёмов для решения этой задачи. В табл. 1, 2 приведены результаты анализа химической структуры исходного ЛМР ели.

Спектры ЯМР препаратов лигнина обычно регистрируют в растворе ДМСО-D6, в котором сигналы 1Н ОН-групп фенолов и карбоксильных групп перекрываются с сигналами атомов водорода ароматических колец и двойных связей. В растворителе ГМФТА-D18, более основном, чем ДМСО-D6, сигналы атомов водорода карбоксильных и фенольных групп ОН смещаются в более слабое поле (912 м.д.). Это позволило произвести дифференцированную оценку указанных атомов водорода.

Таблица 1. Количество структурных фрагментов (Nx) в препарате ЛМРЕ, приходящееся на 100 АК

Расчёт степени ароматичности лигнина (fa) и количества основных структурообразующих элементов его макромолекулы произведён с учётом количества атомов углерода фрагментов >СН=СН< и >СН=СН2. Идентификация и оценка двойных связей представляет собой особенно трудную задачу: их невозможно определить не только химическими, но и физико-химическими методами, в том числе и методом спектроскопии ЯМР, если анализировать спектры 1Н и 13С, зарегистрированные традиционными способами со стандартными растворителями. Для решения этой задачи предложено использовать гетероядерные корреляционные спектры в двумерном представлении (рис. 3 а, б) в растворе ГМФТА-D18 и спектры ЯМР 13С модифицированного варианта многоимпульсной последовательности спинового эха (рис. 4 б, в). Область спектра ЯМР 13С 160102 м.д. включает: сигналы атомов углерода СарО (164140 м.д.), Сатомов двойных связей (161140 м.д.) в структурах типа ArC=CC(O)OH; СарС (140125 м.д.) Сатомов двойных связей (138115 м.д.) и групп СНар (135102 м.д.), т.е. наблюдается существенное перекрывание сигналов, препятствующее их идентификации. По спектру HSQC, зарегистрированному в растворе ГМФТА-D18 (рис. 3б), и подспектрам ЯМР 13С ЛМРЕ, произведено отнесение сигналов С-Н атомов двойных связей и их количественная оценка.

Рис. 3. 2D HSQC-спектры ЛМРЕ в ДМСО-D6 (а) и ГМФТА-D18 (б)

1 - атомы углерода >С=О групп спиродиенона; 2 - атомы углерода >С=О групп кетонов; 3 - атомы углерода С-групп связей >С=С<; 4 - атомы углерода >С=О групп альдегидов; 5 - атомы углерода С-групп связей >С=С<; 6 - атомы углерода СН2-групп боковых цепей.

Сравнительный анализ спектров ЯМР 13С препаратов ЛМР ели, полученных по методу Бъёркмана до и после очистки, позволил установить отсутствие в спектре очищенного ЛМРЕ соединений с ХС 181,4 м.д. (рис. 4 г), фрагмента >С=О спиродиенона. Следовательно, структура спиродиенона не связана ковалентными связями с трехмерной полимерной матрицей лигнина, как другие структуры (пинорезинольные, фенилкумарановые и т.д.), поскольку трудно предположить, что метод очистки лигнина от низкомолекулярных примесей может столь избирательно воздействовать на макромолекулу с деструкцией связей макромолекулы лигнина со спиродиеноном.

Рис. 4. Спектры (а, г) и подспектры (б, в) ЯМР 13С растворов очищенного (а) и неочищенного (г) ЛМРЕ в растворе ДМСО-D6 c добавкой 0,02М релаксанта Cr(AcAc)3:

Таким образом, благодаря модифицированной нами программе спинового эха, спектров ЯМР в двумерном представлении и специфических комплексообразователей возможно прямое определение содержания описанных выше фрагментов, детализирующих структуру макромолекулы лигнина. Разработанный подход позволил определить содержание всех основных структурных фрагментов макромолекулы лигнина, функциональных групп, связей и звеньев в расчете на 100 ароматических колец (табл. 1) и в % мас. (табл. 2).

Таблица 2. Содержание функциональных групп в препарате ЛМР ели, определенное из спектров ЯМР и химическими методами анализа, мас.%.

Другая отличительная черта предложенного подхода в исследовании химической структуры лигнина - методика определения длины боковых цепей, которая рассчитывается с учётом интегральных дескрипторов фрагментного состава из спектров ЯМР 13С: атомов углерода двойных связей (?С=С?), карбонильных (С=О), альдегидных (С(О)Н), карбоксильных (С(О)О?) групп, окисленных алифатических (Салк?О), пинорезинольных, фенилкумарановых (СН), алифатических атомов углерода (Салк):

Атомы углерода в области 4010 м.д. обычно игнорируют при расчетах Сбоковой цепи, хотя сигналы в диапазоне 3628 м.д. соответствуют СН2-группам структур, типа секойзиларицирезинола, кониферилового спирта, эвгенола; в расчет не принимаются также атомы углерода сложноэфирных групп:

Количественная спектроскопия ЯМР 1Н, 13С как экспертный метод оценки химических способов определения функциональных групп лигнина. Традиционные химические методы определения содержания функциональных групп в препаратах лигнина (метилирование, ацетилирование) используются на протяжении более 100 лет и считаются наиболее точными и надёжными. В табл. 3 приведены результаты исследований структуры лигнинов ели методом количественной спектроскопии ЯМР, подвергнутых химической модификации различными реагентами (метанолом, диметилсульфатом, диазометаном, ангидридом уксусной кислоты) с целью определения содержания гидроксильных групп (фенольных, карбоксильных спиртовых), при этом спектроскопия ЯМР выступает в качестве независимого метода аттестации химических способов анализа (табл. 3, 4).

Таблица 3. Количество структурных фрагментов и связей (Nx) в модифицированных и исходном препаратах ЛМР ели, приходящееся на 100 АК

При химическом анализе концентрацию реагирующих ОН-групп рассчитывают по приросту (в % мас.) содержания метоксильных или ацетильных групп в лигнине после реакции. По разработанной методике содержание ОН-групп оценивается как по приросту метоксильных групп, так и по уменьшению содержания СООН и ОН-групп, установленное из спектров ЯМР 1Н, 13С. Изменения фрагментного состава позволяют установить соотношения основных и побочных реакций, протекающих в условиях метилирования или ацетилирования (табл. 4).

Таблица 4. Содержание функциональных групп в модифицированных и исходных препаратах ЛМР ели, определенное из спектров ЯМР, % мас.

Метилирование метанолом (ЛМРМ). Модифицирование ЛМР ели метанолом приводит к метилированию -бензилспиртовых и карбоксильных групп. Метилирование модельных соединений показало, что наряду с основными реакциями одновременно протекает процесс переалкилирования -бензилэфирных групп лигнина с образованием новых фенольных групп ОН: