發布時間：2021-07-05所屬分類：免費文獻瀏覽：1次
摘 要： 中國文藝家
《頂空氣相法測定木質素中甲氧基含量》論文發表期刊：《中國文藝家》；發表周期：2021年02期
《頂空氣相法測定木質素中甲氧基含量》論文作者信息：劉義先生，在讀博士研究生；主要從事木質纖維原料高值化利用基礎研究。
摘要：本研究介紹了一種頂空氣相色譜法快速測定木質素甲氧基含量的方法，并以12種木質素模型化合物驗證該方法的準確性和可靠性。在密閉的頂空樣品瓶中加入木質素樣品和0.5 mL.氫碘酸，
130℃下反應30 min，隨后注入檸檬酸鈉溶液中和樣品，通過HS-GC測定樣品瓶中的碘甲烷含量。結果表明，丙酮抽提后云杉木粉(以Klason木質素計)甲氧基含量為4.6560 mmollg，以滴定法作為對照測定甲氧基含量為4.6028 mmollg，兩者RSD值<1%。本方法簡便、準確，具有較好的精準度，可用于有效測定木質素及相關物質中甲氧基的含量。
關鍵詞：木質素;甲氧基;頂空氣相
Abstract: A method for rapid determination methoxyl content in lignin by headspace gas chromatography was introduced, and its accuracy and reliability were verified by twelve lignin model compounds. This method included adding lignin sample and 0.5 mL hydroiodic acid intoa closed headspace sample vial, reacting at 130℃ for 30 min, then injecting trisodium citrate dihydrate solution to neutralize the sample and determining the content of iodomethane in the sample vial by HS-GC. The results showed that the methoxyl content of the spruce wood powder extracted with acetone was 4.6560 mmol/g by this method (based on Klason lignin), and the methoxyl content was 4.6028 mmol/g by itration as the control method with the RSD <1%. This method was simple, accurate and had good precision. It could be used to effectively determine the content of methoxyl in lignin and related substances.
Key words: lignin; methoxyl group; headspace gas chromatography
木質素是植物界中含量僅次于纖維素的天然大分子高聚物"。作為一種來源豐富、可再生的天然高分子聚合物，木質素具有廣闊的應用前景，在木材化學、植物生化等相關領域都引起了越來越多的關注。木質素是一種由苯基丙烷結構單元通過醚鍵和C-C鍵連接而成的具有三維空間的高聚物"。苯基丙烷結構單元存在3種類型"，即愈創木基型(G)、紫丁香基型(S)和對羥苯基結構單元(H)，其分別在苯環上含有1、2和0個甲氧基。木質素結構中含有許多官能團或功能基，如羧基、羥基、甲氧基和羰基等。甲氧基是木質素結構中的特征官能團，它們在木質素中的含量和分布與木質素的種類及分離方法有關。一般針葉水中甲氧基含量為14%-16%，闊葉木中甲氧基含量為19%-22%，草本類植物中甲氧基含量為14%~15%。木質素中準確的甲氧基含量不僅能夠提供木質素的基本結構信息，還可以反映出化學改性過程的結構變化。
甲氧基含量的測定方法有化學法(質量法和容量法)與儀器分析法(色譜法、核磁共振法和電化學法等)。測定原理是使試樣與氫碘酸(HI)作用，反應生成碘甲烷[，采用不同方法測定生成碘甲烷含量，從而確定甲氧基含量"3。目前應用較為廣泛的是化學法中改進的溴化法"，該方法具有準確度較高、操作簡便等優點，但需要使用特殊定制的氣密性玻璃器皿和較多的有毒化學試劑，且整個流程耗時較久。Goto等人a1使用了碳水化合物和木質素模型化合物研究了木質素甲氧基與碘離子形成碘甲烷的酸催化反應機理;發現碳水化合物的存在會影響甲氧基含量的測定，特別是一些木質素含量低的原料，如紙漿等;另外碳水化合物可能通過充當路易斯堿來干擾碘甲烷的形成速度，還會與HI直接反應生成碘甲烷，影響測定結果。Li等人"以頂空氣相法測定木質素中的甲氧基含量，該方法對木質素中甲氧基含量的測定具有良好的測量精度(RSD<
0.69%)和準確度(RSD3.5%)，但引入NaOH去中和過量的HI會有副產物生成。Sumerski等人"建立了一種頂空同位素稀釋(HS-ID)GC-MS定量分析木質素中甲氧基和乙氧基的方法，該方法顯示出了較好的精密度和準確度，但同位素的使用導致其不能廣泛推廣進行實驗研究。
基于上述內容，本研究對頂空氣相法進行了改進優化，以期建立一種簡便、準確、可用于木質素及相關物質中甲氧基含量的高效測定方法。本實驗選用檸檬酸鈉作為終止反應劑，它是一種弱酸強堿鹽，具有良好的pH調節及緩沖性能;同時還選用涵蓋木質素基本結構單元的G型、S型、H型和5-5縮合型等12種木質素模型化合物作為研究對象;使用模型化合物具有結構確定、可模擬木質素中的給定結構單元的優點，而不受真實木質素樣品中存在的其他結構的干擾。
1實驗
1.1實驗原料和試劑
實驗使用的12種模型化合物結構式見圖1，其中化合物IX、X、X1在實驗室合成，其余均購自上海阿拉丁生化科技股份有限公司。云杉木粉，取自實驗室。
氫碘酸、氨水、鐵氰化鉀，購于上海阿拉丁生化科技股份有限公司;檸檬酸三鈉、過硫酸鈉、氫氧化鈉，購于天津市大茂化學試劑廠;硫酸亞鐵、鹽酸、抗壞血酸、乙酸乙酯、石油醚、丙酮，購于天津市致遠化學試劑有限公司;碘甲烷，購于天津市風船化學試劑科技有限公司;硼氫化鈉，購于成都金山化學試劑有限公司;無水硫酸鈉，購于廣州時金華大化學試劑有限公司。
1.2實驗儀器
安捷倫7697A頂空進樣器;安捷倫8890氣相色系統;Bruker AVANCEII1 HD
1.3實驗方法
1.3.1 HS-GC實驗方法
根據1i等人"方法，采用HS-GC法測定木質素樣品中甲氧基含量，并進行適當的改進。具體操作步驟為：將0.5mL質量分數57%氫碘酸(HI)與10.0-20.0 mg木質素樣品(木粉40mg)混合，置于20ml.
頂空樣品瓶中，用隔片密封;樣品瓶置于油浴中，130℃加熱30 min;然后冰浴冷卻至室溫，用注射器將1 mlL 0.75 g/mL檸檬酸鈉(Na，CH，0，-2H，0)溶液注射到密封的樣品瓶中，中和多余的Hl;立即放入頂空自動采樣器進行HS-GC檢測。HS條件為：烘箱溫50℃，度60，輸溫度70℃，GC循環時間7min，樣品瓶平衡時間15 min，加壓時間0.25 min。氣相色譜條件為：HP-5毛細管柱(30 mx0.32 mmx0.25 um)30℃保持5 min，高純氮氣(99.999%)載氣流量3.8 ml/min.氫氣和空氣流速分別為40 ml/min和400 mlL/min。檢測器溫度250℃，分流模式50：1，進樣口溫度200℃.
1.3.2 標準曲線繪制
準確稱取0-20 mg香草醛，按照1.3.1中的方法分別測定生成的碘甲烷(CH，)峰面積，繪制香草醛物質的量與CH，峰面積的標準曲線。
1.3.3定量限[5161按照1.3.1中的方法，將CH1標準品逐步稀釋，分別移取10uL.稀釋后的溶液和0.5 mlL質量分數57%的H1置于20 mL頂空樣品瓶中，用隔片密封。其他條件保持不變，進行HS-GC檢測，按信噪比10：1確定定量限。
1.3.4重復性測試"
準確稱取6份相同的香草醛，參照1.3.1中的方法進行平行測定，計算相對標準偏差(relative standard deviation，RSD).
1.4 3種模型化合物的合成及'H，"CNMR表征
1.4.1 雙香草醛(X)的合成1稱取2.0g香草醛溶于200 mL.蒸餾水中，加熱攪拌使其充分溶解;加入0.15 g七水合硫酸亞鐵(Fe-S0.7H0)和1.6 g過硫酸鈉(Na，S，0)繼續攪拌，反應5min后停止加熱，生成的沉淀物待冷卻至室溫后用洗凈的G5砂芯坩堝進行過濾，保留全部沉淀物。
將上述沉淀物用25 mL3 mol/L NaOH溶液溶解，再向溶解液里加入15 mL 6 mol/L HCI溶液進行第二次沉淀;過濾沉淀，用100 mL熱水分多次洗滌沉淀，洗凈后放入真空干燥箱中直至干燥為止。所得雙香草醛的合成見化學方程式(1)。
產磁共結顯示為：'H NMR(500 MHz，DMSO，5)：9.81(s，H)，7.44(s，H，，H)，3.94(s，OCH);"C NMR(500 MHz，DMSO，8)：191.64(s，C)，150.88(s，C)，148.62(s，C)，128.66(s，C)，128.24(s，C)，125.04(s，C)，109.62(s，C)，56.51(OCH)
1.4.2雙香草醇(X)的合成
稱取6.0 g雙香草醛溶于100 mL.0.5 mol/L NaOH中 (冰浴)，緩慢加入 3.6 g 硼氫化鈉。室溫下攪拌30 min，用 HCl 酸化調至 pH 值=7;反應結束后過濾收集沉淀，產品在真空80℃下干燥過夜。所得雙香草醇 (X) 得率為 90%。合成雙香草醇 (X) 的化學方程式見式(2)
產物核磁共振結果顯示為：'H NMR(500 MHz，DMSO，8)：6.88(s，H)，6.67(s，H)，4.41(d，H)，3.81(s，OCH);"C NMR(500 MHz，DMSO，8)：147.94(s，C)，142.78(s，C)，133.08(s，C)，126.14(s，C)，121.83(s，C)，109.68(s，C)，63.54(s，C).56.25(s，OCH)。
1.4.3 雙高香草酸(XI)的合成
稱取3.0g4羥基-3-甲氧基苯乙酸(高香草酸)溶于30 mlL蒸餾水和5mL濃氨水中，再緩慢加入6.0 g鐵氰化鉀，攪拌均勻。5min后加入1.0g抗壞血酸(L-Ascorbic acid)，用HCl酸化調至pH值=7;隨后用乙酸乙酯萃取，萃取液用無水硫酸鈉干燥后，旋轉蒸發至干燥。再用石油醚-乙酸乙酯進行重結晶。所得雙高香草酸的合成見化學方程式(3)。
產物核磁共振結果顯示為：'H NMR(500 MHz，DMSO，8)：6.83(s，Ho)，6.60(s，H)，3.46(d，Ha)，3.80(s，OCH);"C NMR(500 MHz，DMSO，8)：147.93(s，C)，142.83(s，C)，126.11(s，C).125.39(s.C)，124.25(s，C)，112.26(s，C)，56.34(s，OCH)。
2結果與討論
2.1 香草醛物質的量與CH，1峰面積標準曲線與儀器
定量限圖2為香草物質的量與CH，1峰面積標準曲線。如圖2所示，香草醛物質的量與CH，峰面積線性關系良好，通過計算得到標準曲線方程為y=94755xt143.7，R'-0.9995(其中x為木質素模型物香草醛物質的量，mmol，y為CH，1峰面積)。通過逐步稀釋碘甲烷標準溶液，使之信噪比接近10：100定量限測定結果表明，在本方法中定量限為1.52u(信噪比為10.2：1)
2.2香草醛樣品重復性測試
圖3為香草醛樣品重復性測試色譜圖。由圖3可知，在空白樣品測試中未出現CH，峰，說明儀器穩定，實驗中所使用試劑等不會引人系統誤差。且6組平行樣中(V1-V6)出峰時間(即保留時間)一致，峰面積接近(結果見表1)，重復性良好，峰面積RSD為1.70%。
2.3 12種模型物中甲氧基含量的測定
表2為12種模型物中的甲氧基含量。從表2可以看出，模型物IX、模型物X甲氧基含量測定值低于理論值，可能的原因是2種模型物在HI中溶解性不好，不能與之充分反應，導致最終測定值偏小;其次，5-5結構在木質素中含量較少，尤其是雙香草醛含量更少，可認為對測定結果影響不大。其他10種模型物中甲氧基含量測定值與理論值相比的RSD<3%，說明改進的頂空氣相測定木質素甲氧基含量的方法準確、可靠。
圖4為模型物阿魏酸乙酯的頂空氣相色譜圖。由圖4可以看出，模型物VIl(阿魏酸乙酯)與H1反應不僅生成CHI，還會有大量副產物碘乙烷(CH，1)生成，因此以CH，I作為內標測定甲氧基含量可能存在一定的誤差。綜上，本研究采用外標法計算木質素中甲氧基含量比較合理。
2.4丙酮抽提云杉木粉的甲氧基含量測定
準確稱取40 mg 40-60目云杉木粉(水分10.06%，Klason木質素含量為27.91%)丙酮抽提28 h，之后操作與1.3.1中的方法相同。同時以滴定法的結果作對
照，具體測定結果見圖5從圖5可知，通過本方法測定丙酮抽提后云杉木粉(以Klason木質素計)的甲氧基含量為4.6560mmollg，同時使用滴定法測定的甲氧基含量為4.6028mmollg，與本方法測定值的RSD<1%。表明本方法對于直接測定植物纖維原料木質素中甲氧基含量也是合理的。
3結論
本研究通過向木質素中注入檸檬酸鈉溶液來中和過量的氫碘酸(HI)，然后使用頂空氣相色譜間接測定12種木質素模型物甲氧基含量。
3.1 選用12種木質素模型化合物和丙酮抽提后云杉木粉驗證改進后測定方法的準確性和可靠性。結果表明，模型物Ix、模型物 中甲氧基含量測定值低于理論值，因其在木質素結構中所占比例較低，不影響最終測定結果;其他10種模型物中甲氧基含量測定值與理論值的RSD<3%。
3.2丙酮抽提后云杉木粉(以Klason木質素計)甲氧基含量為4.6560 mmolg，以滴定法作為對照測定的甲氧基含量為4.6028 mmol/g，兩者RSD<1%。因此，改進后的頂空氣相色譜法準確、可靠，可以實現快速測定原料中甲氧基含量。
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