Характеристика органических веществ древесины и коры

Целлюлоза. Это вещество представляет собой линейный полимер -полисахарид, который, как и крахмал, имеет формулу (C₆H₁₀O₅)_n, где п -степень полимеризации. Макромолекула целлюлозы имеет вид цепи, со­стоящей из множества элементарных звеньев- глюкозных остатков. Число этих звеньев, характеризуемое степенью полимеризации, у природ­ной древесной целлюлозы находится в пределах 5000 - 10000, а по некото­рым данным может достигать и больших значений.

Каждая пара связанных между собой глюкозных остатков образует целлобиозу. Структурная формула целлюлозы имеет вид:

В целлобиозе глюкозные остатки расположены под углом 180°, и первый углеродный атом одного из них связан с четвертым углеродным атомом соседнего звена. Длина одного глюкозного остатка 0,515 нм, а вся макромолекула имеет длину 3-5 мкм. Поперечные размеры молекулы целлюлозы, согласно Фрей-Висслингу, 0,4 - 0,8 нм.

Строение целлюлозы рассматривают на четырех уровнях: молеку­лярном, надмолекулярном, субмикроскопическом и микроскопическом. Характеризуя строение целлюлозы на молекулярном уровне, отметим, что элементарное звено целлюлозы не плоское; его атомы занимают различное положение по отношению друг к другу, образуя сложную пространствен­ную структуру (конформацию).

Существование различных конформаций отдельных участков цепи целлюлозы, а также межмолекулярное взаимодействие, обусловленное в основном водородными связями, объясняет сложный характер надмолеку­лярных структур и их многообразие. Рентгенографические исследования показали, что значительная часть целлюлозы обладает упорядоченной (кристаллической) структурой. Отношение кристаллической части целлю­лозы к ее общей массе у древесной целлюлозы может достигать 76 % [46].

Кристаллическая ячейка целлюлозы, согласно модели Мейера и Миша, состоит из пяти параллельных целлобиозных единиц, организован­ных в моноклинную систему, и имеет длину 1,03 нм.

Более крупные целлюлозные образования (элементарные фибриллы, микро- и макрофибриллы) были описаны в гл. 2 при рассмотрении струк­туры клеточной стенки древесины.

Регулярность строения цепи макромолекулы и значительное внутри- и межмолекулярное взаимодействие проявляются в том, что целлюлоза имеет особые свойства по сравнению с другими линейными полимерами. Так, при нагревании до температуры разложения целлюлоза сохраняет свойства стеклообразного тела, которому свойственны преимущественно упругие деформации. Целлюлоза весьма химически стойкое вещество, она не растворяется в воде и большинстве органических растворителей.

По химической природе целлюлоза представляет собой полиатомный спирт, так как молекула ее содержит группы СН₂ОН и СНОН. Благодаря наличию гидроксилов она вступает в реакцию со щелочными металлами и основаниями. При действии на целлюлозу щелочей одновременно с хими­ческой реакцией протекают и физико-химические процессы: набухание, растворение низкомолекулярных фракций и структурные превращения.

Глюкозидные связи между элементарными звеньями в макромолеку­ле обусловливают малую устойчивость целлюлозы к действию кислот. В присутствии кислот происходит гидролиз целлюлозы с разрушением це­пей макромолекул.

Гидроксильные группы, находящиеся в элементарных звеньях мак­ромолекулы, обеспечивают возможность образования таких производных целлюлозы, как ее простые (метилцеллюлоза, этилцеллюлоза и др.) и сложные (нитраты целлюлозы, ацетаты целлюлозы и др.) эфиры.

Целлюлоза сравнительно легко поддается модификации. Путем мо­дификации ее можно превратить в разветвленный или сшитый полимер. Это вещество белого цвета с плотностью порядка 1,54 - 1,58 г/см³.

Гемицеллюлозы. Этим термином объединяется группа полисахари­дов [21], содержащихся в клеточных стенках древесины, но отличающихся от целлюлозы большей гидролизуемостью в кислотах и растворимостью в щелочах.

В указанную группу входят пентозаны и гексозаны, которые в свою очередь делятся на отдельные разновидности полисахаридов (маннаны, ксиланы, галактаны и др.).

Пентозаны (C₅H₈0₄)_n содержат пять атомов углерода в составе элементарного звена. Гексозаны (С₆НюО5)_п, так же как и целлюлоза, имеют шесть атомов углерода в звене. Однако молекулярная масса всех гемицеллюлоз значительно меньше, чем у целлюлозы. Обычно степень полимери­зации составляет 150- 200, но могут быть гемицеллюлозы с еще меньшей степенью полимеризации (до 30).

По последним данным гемицеллюлозы представляют собой не столько так называемые гомополимеры, состоящие из одинаковых элементарных звеньев, сколько сополимеры, включающие разные звенья.

Среди сополимеров известен, например, растворимый в воде арабиногалактан, содержание которого в древесине лиственницы доходит до 25 %.

В древесине могут содержаться также другие смешанные полисаха­риды, в том числе и продукты взаимодействия полисахаридов с уроновыми веществами (уроновыми кислотами, пектинами) Весь углеводный ком­плекс древесины (без лигнина) носит название холоцеллюлоза.

Лигнин. Это высокомолекулярное соединение ароматической при­роды (полифенол) представляет собой аморфный полимер сложной струк­турной организации. Строение лигнина, находящегося в составе клеточных стенок древесины и коры, до сих пор окончательно не установлено. Дело в том, что в процессе выделения из древесины природный лигнин претерпе­вает необратимые превращения. Лигнин, выделенный разными способами отличается по строению и свойствам. Об этом можно судить хотя бы по цвету выделенного лигнина, который может быть от светло-желтого до темно-коричневого, в то время как природный лигнин, очевидно, соответ­ствует цвету древесины. Плотность отдельных видов выделенного лигнина колеблется в пределах 1,25-1,45 г/см³ [8].

По химическому составу лигнин, выделенный из древесины хвойных и лиственных пород, не одинаков.

В отличие от целлюлозы лигнин имеет ароматическую природу, содержит двойные связи, метоксильные ОСНз- группы, карбонильные СО- группы и др.

Для лигнина характерна значительная полидисперсность, молеку­лярные массы выделенных из ели лигнинов колеблются от 1*10³ до 146*10³. Элементный состав лигнина из древесины сосны, ели, лиственницы [по 8], в среднем равен, %: углерода 63, водорода 6 и кислорода 31, т. е. в лигнине по сравнению с целлюлозой содержится значительно больше углерода и меньше кислорода.

Лигнин химически менее стоек, чем целлюлоза. Это используется для выделения целлюлозы из древесины. Природный лигнин легко окисля­ется, взаимодействует с хлором, растворяется при нагревании в щелочах, водных растворах сернистой кислоты и ее кислых солей.

По поводу характера связей межу лигнином и углеводами нет едино­го мнения. Большинство исследователей считает, что существуют химиче­ские лигноуглеводные связи. Однако окончательно этот вопрос не решен, поскольку, очевидно, имеются различия в характере связи лигнина в сре­динной пластинке и вторичной оболочке клеточной стенки. Не ясен так же вопрос о том, весь ли лигнин связан с углеводами и все ли углеводы связа­ны с лигнином.

Суберин. Это смесь веществ - сложных эфиров алифатических длинноцепочных гидрооксикислот. Суберин находится только в коре и вызыва­ет опробковение клеточных стенок корки.

Экстрактивные вещества. В эту группу входят вещества, которые могут быть извлечены из древесины и коры путем экстракции водой или органическими растворителями.

Водой экстрагируются дубильные и красящие вещества, камеди.

Дубильные вещества, таннины (танниды) - соединения (смесь) представляющие собой многоатомные фенолы. Они используются для выделки кож (дубления) из сырых шкур животных. Обладают вяжущим вкусом, осаждают белки и алкалоиды из разбавленных растворов. Разделяются на гидролизуемые и конденсированные. Первые - представ­ляют собой сложные эфиры сахаридов и фенолкарбоновых кислот. Вторые - относятся к флавоноидам; при действии минеральных кислот обра­зуют красно-коричневые продукты конденсации. Дубление придает коже эластичность, мягкость, ненабухаемость в воде, стойкость против гниения.

Камеди представляют собой водорастворимые смолообразные вещества, состоящие в основном из полисахаридов (арабиногалактана и др.). Красящие вещества желтого, коричневого, красного и синего цвета содержатся в полостях клеток древесины (особенно в ядре) и коры.

Органическими растворителями (эфиром, спиртом, ацетоном, бензо­лом и др.) из древесины могут быть выделены разнообразные по химиче­скому составу вещества: смоляные и жирные кислоты, жиры, вески, стеарины и др. Количество экстрагируемых продуктов зависит от породы, вида растворителя и условий экстракции.

Смолы, находящиеся в древесине и коре хвойных пород, содержат в природном состоянии около 40 % терпенов и смоляных кислот. Выделяющаяся при ранении ствола живица по своему составу отличается от смолы, находящейся в смоловместилищах дерева. Терпены (монотерпены), общая формула которых С₁₀Н₁₆, являются жидкими веществами. Они со­ставляют основу технического продукта - скипидара. Живица кроме жидкой, легко подвижной и летучей (с водяным паром), части содержит смоляную часть, представляющую собой трудно разделимую смесь смоля­ных кислот с общей формулой С₂₀Н_зоО₂. При уваривании живицы образу­ется другой технический продукт - канифоль.

Кроме того в древесине хвойных и лиственных пород содержится небольшое количество жирных кислот: олеиновой, линолевой и др.

В нейтральной части экстракта содержатся в основном жиры, а так­же стерины, представляющие собой биологически активные ненасыщен­ные спирты. Они выделяются в виде фитостерина - кристаллического про­дукта, используемого в медицине.

В состав коры ряда пород кроме упомянутых экстрактивных веществ входят алкалоиды (хинин, стрихнин и др.) и витамины (С, В₁, В₂ и др.).

Древесина преимущественно тропических пород содержит ядови­тые вещества. При шлифовании и других видах механической обра­ботки такой древесины образующаяся пыль, мелкие опилки могут вызвать отравления, кожные заболевания.

Входящие в состав древесины таннины, смолы и эфирные масла со­держат легколетучие вещества, обусловливающие ее запах. Особенно сильным запахом обладают хвойные породы. У некоторых иноземных ли­ственных пород (сандаловое и камфарное дерево, австралийская акация, анисовое дерево) древесина имеет особо приятный запах. По мере высыха­ния свежесрубленной древесины запах ослабевает. Изменение запаха часто свидетельствует о начавшемся процессе загнивания древесины от воздей­ствия грибов. Пораженная бактериями древесина также приобретает спе­цифический запах. Так, пораженная анаэробными бактериями ядровая древесина дуба имеет сильный уксусный и прогорклый запах. Такая древесина при обычной камерной сушке растрескивается больше здоровой.

Дата добавления: 2015-04-30