Нитрование гидролизного лигнина в водно-апротонных средах

  • Д. Е. Лахманов Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова https://orcid.org/0000-0001-9940-4862
  • Ю. Г. Хабаров Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова https://orcid.org/0000-0001-8392-0985
  • В. А. Вешняков Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова https://orcid.org/0000-0002-8278-5053
  • М. Р. Ёкубжанов Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова
Ключевые слова: гидролизный лигнин, нитрование, апротонные растворители, азотная кислота, ацетилнитрат

Аннотация

Технические лигнины образуются из природных лигнинов при химической или биохимической переработке растительного сырья. С помощью модификации из лигнинов можно получать ценные продукты, в том числе мономеры, полимерные материалы и композиты. Приводятся результаты исследования нитрования гидролизного лигнина в различных условиях. Цель исследования – получение нитрованного гидролизного лигнина с максимальным выходом и максимальным содержанием азота, поэтому нитрование проводили с помощью азотной кислоты в среде «вода – апротонный растворитель» (1,4-диоксан, диметилсульфоксид, тетрагидрофуран, диметилформамид, ацетонитрил). В качестве нитрующего реагента также был использован ацетилнитрат, который является смешанным ангидридом азотной и уксусной кислот. Поэтому расход уксусного ангидрида при синтезе ацетилнитрата был взят с учетом воды, присутствующей в концентрированной азотной кислоте. Ацетилнитрат получали с помощью реакции уксусного ангидрида и концентрированной азотной кислоты при комнатной температуре в течение 30 мин. В отличие от азотной кислоты ацетилнитрат является мягким нитрующим реагентом. Нитрование проводили в установке с обратным холодильником на кипящей водяной бане в течение 2…5 мин (нитрование азотной кислотой) или 1…60 мин (нитрование ацетилнитратом). По завершении реакции нитрования продукты были выделены, промыты дистиллированной водой и высушены до постоянной массы без нагревания. При нитровании азотной кислотой максимальный выход нитрованного гидролизного лигнина (83…101 %) достигается с использованием диоксана, ацетонитрила и тетрагидрофурана, а максимальное содержание азота (4,3…4,5 %) – с использованием 1,4-диоксана, ацетонитрила. Применение диметилсульфоксида и диметилформамида приводит к снижению выхода продукта до 23…35 %, к меньшему содержанию в нем азота 1,3…3,9 % и повышенному содержанию кислорода, что указывает на протекание не только нитрования, но и деполимеризации и окислительных превращений. При нитровании ацетилнитратом реакция проходит в течение 1…3 мин, при этом в продукте содержится до 4,7 % азота. На ИК-спектрах нитрованных гидролизных лигнинов появляются новые полосы поглощения при 1555 и 1710 см–1, обусловленные наличием карбоксильных и нитро-групп.
Для цитирования: Лахманов Д.Е., Хабаров Ю.Г., Вешняков В.А., Ёкубжанов М.Р. Нитрование гидролизного лигнина в водно-апротонных средах // Изв. вузов. Лесн. журн. 2020. № 5. С. 184–192. DOI: 10.37482/0536-1036-2020-5-184-192
Финансирование: Исследования проведены при финансовой поддержке гранта РНФ № 18-73-00250 с использованием оборудования ЦКП НО «Арктика» САФУ.

Скачивания

Данные скачивания пока не доступны.

Биографии авторов

Д. Е. Лахманов, Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова

канд. хим. наук, науч. сотр.; ResearcherID: N-5418-2016

Ю. Г. Хабаров, Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова

д-р хим. наук, проф.; ResearcherID: P-1802-2015

В. А. Вешняков, Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова

канд. хим. наук, доц.; ResearcherID: E-3882-2017

М. Р. Ёкубжанов, Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова

аспирант

Литература

Беллами Л. Новые данные по ИК-спектрам сложных молекул / пер. с англ. М.: Мир, 1971. 318 с. [Bellamy L.J. The Infra-Red Spectra of Complex Molecules. Translated from English. Moscow, Mir Publ., 1971. 318 p.]. DOI: 10.1007/978-94-011-6017-9

Гоготов А.Ф., Панасенков Ю.В., Панчуков И.Л., Шилкин Е.В., Бабкин В.А. Повышение экологической безопасности технологии нитрования лигнина // Химия в интересах устойчивого развития. 1996. № 4. С. 245–257. [Gogotov A.F., Panasenkov Yu.V., Panchukov I.L., Shilkin E.V., Babkin V.A. Improving the Environmental Safety of Lignin Nitration Technology. Khimiya v interesakh ustoychivogo razvitiya [Chemistry for Sustainable Development], 1996, no. 4, pp. 245–257].

Топчев А.В. Нитрование углеводородов и других органических соединений. М.: Изд-во АН СССР, 1956. 488 с. [Topchiev A.V. Nitration of Hydrocarbons and Other Organic Compounds. Moscow, AN SSSR Publ., 1956. 488 p.]. DOI: 10.1016/c2013-0-05254-1

Хабаров Ю.Г., Лахманов Д.Е. Деполимеризация конденсированных лигнинов под действием азотной кислоты // Изв. вузов. Лесн. журн. 2014. № 5. С. 176–182. [Habarov U.G., Lakhmanov D.E. Depolymerization of Condensed Lignins with Hydrogen Nitrate. Lesnoy Zhurnal [Russian Forestry Journal], 2014, no. 5, pp. 176–182]. URL: http://lesnoizhurnal.ru/upload/iblock/99a/2-_-depolimerizatsiya-kondensirovannykhligninov-pod-deystviem-azotnoy-kisloty_-.pdf

Хабаров Ю.Г., Вешняков В.А., Кузяков Н.Ю. Получение и применение комплексов лигносульфоновых кислот с катионами железа // Изв. вузов. Лесн. журн. 2019. № 5. С. 167–187. [Khabarov Yu.G., Veshnyakov V.A., Kuzyakov N.Yu. Preparation and Application of Complexes of Lignosulfonic Acids with Iron Cations. Lesnoy Zhurnal [Russian Forestry Journal], 2019, no. 5, pp. 167–187]. DOI: 10.17238/issn0536-1036.2019.5.167, URL: http://lesnoizhurnal.ru/upload/iblock/73e/167_187.pdf

Adams J.P. Nitro and Related Groups. Journal of the Chemical Society, Perkin Transactions 1, 2002, iss. 23, pp. 2586–2597. DOI: 10.1039/b009711j

Al-Saraireh F.M., Svinoroev Y. Assessment of Casting Binding Materials Based on Modified Technical Lignosulfonates. International Journal of Mechanical and Production Engineering Research and Development (IJMPERD), 2020, vol. 10, iss. 2, pp. 335–346.

Aro T., Fatehi P. Production and Application of Lignosulfonates and Sulfonated Lignin. ChemSusChem, 2017, vol. 10, iss. 9, pp. 1861–1877. DOI: 10.1002/cssc.201700082

Belgacem M.N., Gandini A. Monomers, Polymers and Composites from Renewable Resources. Amsterdam, Elsevier, 2008. 552 p.

Cazacu G., Capraru M., Popa V.I. Advances Concerning Lignin Utilization in New Materials. Advances in Natural Polymers. Ed. by S. Thomas, P. Visakh, A. Mathew.

Berlin, Springer, 2013, pp. 255–312. DOI: 10.1007/978-3-642-20940-6_8

Chen J., Fan X., Zhang L., Chen X., Sun S., Sun R.-C. Research Progress in Lignin-Based Slow/Controlled Release Fertilizer. ChemSusChem, 2020, vol. 13, iss. 17, pp. 4356–4366. DOI: 10.1002/cssc.202000455

Chio C., Sain M., Qin W. Lignin Utilization: A Review of Lignin Depolymerization from Various Aspects. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2019, vol. 107, pp. 232–249. DOI: 10.1016/j.rser.2019.03.008

Christopher L.P. Integrated Forest Biorefineries: Current State and Development Potential. Ch. 1. Integrated Forest Biorefineries: Challenges and Opportunities. London, Royal Society of Chemistry, 2012, pp. 1–66. DOI: 10.1039/9781849735063-00001

Evstigneyev E.I., Yuzikhin O.S., Gurinov A.A., Ivanov A.Yu., Artamonova T.O., Khodorkovskiy M.A., Bessonova E.A., Vasilyev A.V. Study of Structure of Industrial Acid Hydrolysis Lignin, Oxidized in the H2O2-H2SO4 System. Journal of Wood Chemistry and Technology, 2016, vol. 36, iss. 4, pp. 259–269. DOI:10.1080/02773813.2015.1137945

Fernández-Pérez M., Garrido-Herrera F.J., González-Pradas E. Alginate and Lignin-Based Formulations to Control Pesticides Leaching in a Calcareous Soil. Journal of Hazardous Materials, 2011, vol. 190, iss. 1-3, pp. 794–801. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2011.03.118

Guo X., Zhang S., Shan X.-Q. Adsorption of Metal Ions on Lignin. Journal of Hazardous Materials, 2008, vol. 151, iss. 1, pp. 134–142. DOI: 10.1016/j.jhazmat. 2007.05.065

Huo P., Savitskaya T., Reznikov I., Hrynshpan D., Tsygankova N., Telysheva G., Arshanitsa A. Hydrolysis Lignin as a Sorbent and Basis for Solid Composite Biofuel. Advances in Bioscience and Biotechnology, 2016, vol. 7, no. 11, pp. 501–530. DOI: 10.4236/abb.2016.711046

Louw R. Acetyl Nitrate. Encyclopedia of Reagents for Organic Synthesis. Ed. L.A. Parquette. New York, John Wiley & Sons, 2001. DOI: 10.1002/047084289X.ra032

Mimini V., Kabrelian V., Fackler K., Hettegger H., Potthast A., Rosenau T. Lignin-Based Foams as Insulation Materials: A Review. Holzforschung, 2018, vol. 73, iss. 1, pp. 117–130. DOI: 10.1515/hf-2018-0111

Olah G.A., Malhotra R., Narang S.C. Nitration: Methods and Mechanisms. New York, VCH Publishers, 1989. 330 p.

Rodrigues J.A.R., de Oliveira Filho A.P., Moran P.J.S., Custódio R. Regioselectivity of the Nitration of Phenol by Acetyl Nitrate Adsorbed on Silica Gel. Tetrahedron, 1999, vol. 55, iss. 22, pp. 6733–6738. DOI: 10.1016/S0040-4020(99)00320-8

Satheesh Kumar M.N., Mohanty A.K., Erickson L., Misra M. Lignin and Its Applications with Polymers. Journal of Biobased Materials and Bioenergy, 2009, vol. 3, no. 1, pp. 1–24. DOI: 10.1166/jbmb.2009.1001

Stevens J., Gardner D.J. Enhancing the Fuel Value of Wood Pellets with the Addition of Lignin. Wood and Fiber Science, 2010, vol. 42, no. 4, pp. 439–443.

Thiemann M., Scheibler E., Wiegand K.W. Nitric Acid, Nitrous Acid, and Nitrogen Oxides. Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. Weinheim, Wiley-VCH, 2000. 50 p. DOI: 10.1002/14356007.a17_293

Wang Y., Sun S., Li F., Cao X., Sun R. Production of Vanillin from Lignin: The Relationship between β-O-4 Linkages and Vanillin Yield. Industrial Crops and Products, 2018, vol. 116, pp. 116–121. DOI: 10.1016/j.indcrop.2018.02.043

Опубликован
2020-11-11
Как цитировать
Лахманов, Д., Ю. Хабаров, В. Вешняков, и М. Ёкубжанов. Нитрование гидролизного лигнина в водно-апротонных средах. Лесной журнал, вып. 5, Nov. 2020, сс. 184-92, doi:10.37482/0536-1036-2020-5-184-192.
Раздел
ХИМИЧЕСКАЯ ПЕРЕРАБОТКА ДРЕВЕСИНЫ

Наиболее читаемые статьи этого автора (авторов)