第二章第四节木素化学反应
木素的存在及生物合成未整理
CChhapaptetrer22LiLginginin
12
Tianjin University of Science & Technology
Pulping: The Separation of Wood Fibres
CChhapaptetrer22LiLginginin
碳键连接而成的，具有三维空间立体 结构的芳香族高分子化合物。木素和 半纤维素在一起，填充在细胞壁的微 纤丝之间，同时也存在于胞间层。
CChhapaptetrer22LiLginginin
3
Tianjin University of Science & Technology
第一节 木素研究发展简史
对于木素的研究历史很长，可以追溯到十九世纪三十年 代，当时Gay-Lussal开始研究木材的元素组成。至今已有一 百七十年的历史了，但正规的化学研究始于1930年以后。
CChhapaptetrer22LiLginginin
27
Tianjin University of Science & Technology
云杉管胞中木素的分布
木材中部位 部位的体积 占总木素的比例
早 材
次生壁 复合胞间层 细胞角隅
87．4 8．7 3．9
72．1 15．8 12．1
晚 材
次生壁 复合胞间层 细胞角隅
CChhapaptetrer22LiLginginin
7
Tianjin University of Science & Technology
• 使用被乙醇和醚抽提过的木材以0.8分氯酸钾和1.2 分硝酸(相对密度1.16)的混合物在15℃处理两周,再 用稀氢氧化铵在60℃处理将木素分离出。
木质素的氧化分解机理
木质素的氧化分解机理
木质素的氧化分解机理是指，木质素在氧气的作用下，经历一系
列复杂化学反应而降解。
氧化分解过程可以分为三个阶段：
1. 初始阶段：由于木质素的化学结构十分复杂，它在氧气存在
的条件下很容易发生电子转移反应，形成半醛、半酸、氧化木质素等
间过化合物。
同时，氧化木质素还能与自由基发生反应，形成大量的
自由基中间体，这些中间体进一步引发链反应。
2. 中间阶段：在半醛和半酸等中间体的作用下，木质素结构开
始逐渐裂解，形成一系列更加简单的化合物，例如醛、酮、酸等。
此
过程中，木质素分子中的芳香结构、侧链结构等开始失去，相应的化
学物质也在逐渐产生。
3. 最终阶段：当木质素分子中的原子、基团等逐渐减少，它的
分解速率将逐渐降低，直到分解终止。
最终产物包括苯酚、苯醇、酚醛、羧酸等，这些化学物质也是木材氧化分解腐烂后的主要组成部分。
总体来说，木质素的氧化分解是一种复杂而持续的过程，过程中
需要较高的温度和氧气浓度。
同时，木质素的分解产物对于生物生长、土壤形成、固碳等环境作用具有重要意义。
化学木素的化学结构及其研究方法PPT课件
木质素的酸解和乙醇解
H2COH CH
CH OH
OCH3
16
6
H3CO
OH
H COH
HC CH2OH
O H3CO
OCH3
7
CH3 CH HC Carbohydrate
15 CH2OH
HC
14
O CH
OCH3 OH
O
13
HC HC
CH2 CH
H3CO
H2C
CH
O
O
CH2OH CH HOCH
第9页/共140页
硝基苯氧化主要产物
HO C
HO C
HO C
OCH3 H3CO
OCH3
OH
OH
OH
香草醛
紫丁香醛
对羟基苯甲醛
第10页/共140页
模型物硝基苯氧化
C
C
C
C
C
C
C
C
C
OCH3 CH3O O
OCH3 O
模型化合物Ⅰ
模型化合物Ⅱ
OH 模型化合物 Ⅲ
第11页/共140页
不同原料碱性硝基苯氧化产物的比较
8
H3CO O
CH2OH
12
CH H3CO
OHC CH CH2OH CH
O
O
H3CO
9
10
CO
Dioxane HCl
第17页/共140页
CH3 CO H COH
OCH3 OH
Hibbert's Ketones
2、木素的乙醇产物
CH3 CO CO
CH3 CO CO
CH3 CO CO
OCH3 CH3O
木素的化学结构及其研究方法
可见光：波长约为400～760nm；
紫外光：波长6～400nm； x-射线和γ-射线
木质素的光谱性质 常用波谱分析方法 紫外-可见光谱分析（UV） 红外光谱分析（IR） 核磁共振波谱分析（1H-NMR，13CNMR，… …） 质谱分析（MS）
木素及其模型物的紫外光及 可见光吸收光谱
及抽出物的关系。所以，关于木质素化学结构
的研究只是在受到极大限制的条件下进行的，
因而彻底阐明它的化学结构自然受到局限。
研究高分子聚合物化学结构的主要目的：
① 了解分子内和分子间相互作用的本质 ② 建立结构与性能间的内在联系
③ 改善现有聚合物的性能
④ 为高聚物的分子设计和材料设计打下科学基础
主要内容
b. 木素的氢化还原分解——高温高压下的氢解
木质素高压催化氢解用来制取化学品的实验很早 就已进行，但由于之前化石能源危机还未引起关注， 降解木质素来获取化工产品不经济 近年来，化石能源危机日益严重，从木质生物质 中获取能源已成为目前全球研究的热点之一。
c. 液态氨中金属钠作用产生的降解
云杉乙醇解产物
木素模型化合物的乙醇解反应
以 3 种模型化合物 进行乙醇解反应， 得到与木素乙醇解 相同的产物
将乙醇解的溶剂乙醇换成水，即成为木素的酸解，酸解 的机理与醇解完全相同。
通过云杉木素醇解的 5 种产物，证实其中含有愈疮木基 这一重要基团，并通过模型物的反应，证实希伯酮的生 成来源于木素中的β-芳基醚构造
和醚化的酚羟基结构在280 nm处有一特征吸收。
木质素紫外光谱最大吸收波长随取代情况不同而略有移动： λmax，nm
最大吸收值，L·cm-1·g-1
木质素和氢氧化钠反应
木质素和氢氧化钠反应介绍木质素（lignin）是一类存在于植物细胞壁中的有机化合物，是地球上最主要的非多糖有机物。
它是木材和纤维素中的主要成分之一，具有结构复杂、分子量较大的特点。
氢氧化钠（sodium hydroxide），又称苛性碱、纯碱、烧碱，化学式为NaOH，是一种常见的无机碱性化合物。
本文将详细介绍木质素和氢氧化钠之间的反应过程，探讨反应的机理和应用。
同时，还将介绍相关的实验方法和注意事项。
反应过程木质素和氢氧化钠的反应可以发生在不同的条件下，产物也有所不同。
酸催化反应在酸催化条件下，木质素和氢氧化钠会发生酮醇缩合反应，生成不同的产物，如羰基（carbonyl）和酚类化合物。
酸催化反应的过程如下：1.木质素中的苯环上的羟基（OH）被酸催化剂质子化。
2.质子化的羟基会与氢氧化钠中的钠离子（Na+）发生亲电取代反应，将Na+与羟基氢原子结合，形成水分子和钠醇盐（sodium alcoholate）。
3.产生的钠醇盐能够进一步与其他木质素分子的苯环上的羰基发生缩合反应，生成新的化合物。
碱催化反应在碱催化条件下，木质素和氢氧化钠会发生脱酸反应，生成羧酸和酚类化合物。
碱催化反应的过程如下：1.氢氧化钠中的钠离子（Na+）和羟基（OH）会与木质素中的羧酸基团发生亲电取代反应，生成水和钠盐。
2.脱水过程会生成酚类化合物。
反应机理酸催化反应机理在酸催化条件下，木质素与氢氧化钠的反应机理如下：1.酸催化剂质子化羟基（OH），形成质子酸（H+）和羟基离子（OH-）。
2.质子酸攻击苯环上的羟基氢原子，形成质子化羟基。
3.钠离子（Na+）与质子化羟基结合，形成水分子和钠醇盐。
碱催化反应机理在碱催化条件下，木质素与氢氧化钠的反应机理如下：1.氢氧化钠中的钠离子与羟基攻击木质素中的羧酸基团，生成钠盐和水分子。
反应应用由于木质素和氢氧化钠反应产物的多样性，这个反应在化学工业中具有广泛的应用。
1.臭氧漂白：在纸浆和纸张制造业中，木质素存在于纸浆中，会影响纸张的颜色和质量。
木质素
（4）羧基 一般认为木素中是不存在羧基的，但 在磨木木素中存在0.01-0.02/OCH3。
3.3 木素与糖类连接
在植物体内，木素总是与纤维素及半纤维素共存的，甚 至还有一些寡糖存在，其共存方式影响组分分离和材料利 用。长期研究表明，木素的部分结构单元与半纤维素中的 某些糖基通过化学键连接在一起，形成木素-糖类复合体， 称为LCC复合体。
14级木材加工化学课程
第五讲: 木质素
Content
1 木素概论 2 木素的分离与精制 3 木素的化学结构 4 木素的物理性质 5 木素的化学性质 6 木素的应用
1 木素概述
木素(lignin)是植物内普遍存 在的一类高聚物，是支撑植物生 长的主要物质，同纤维素与半纤 维素一起构成纤维素纤维。木素 是植物界中仅次于纤维素的最为 丰富的有机高聚物，它广泛存在 于羊齿类(蕨类)植物以上的高等 植物中，是裸子植物和被子植物 所物有的化学成分。
OCH3 O
(2)
OH H2C
CH HC
OCH3 O HC OH HC CH2
+ H2O
OCH3 O
(2)
OH H2C
CH HC
OCH3 O HC OH CH2 HC OH
OCH3 OH
(3)
OH H2C
CH HC
OCH3 O
HC OH +
HC CH2
OCH3 O
(2)
OH H2C
CH HC
OCH3 OH
磨木木素中羟基总数是1.00-1.25/OCH3，其中酚羟基 是0.24-0.335/OCH3，这些酚羟基又分为四种类型：非缩 合型、缩合型、侧链位有羰基的共轭型和肉桂醛型的共轭型 。木素中游离羟基的含量可采用乙酰化方法测定，酚羟基的 含量可采用气相色谱法测定。
木质素曼尼希反应
木质素曼尼希反应
木质素曼尼希反应（Mannich Reaction of Lignin）是指在一定条件下，将木质素与
醛类化合物和胺反应，形成的缩合产物。
该反应原理是在弱酸催化下，胺分子会受到醛类
分子的亲核加成，然后再加入环境中的木质素分子，通过协同作用生成木质素的缩合产物。
这个过程实际上是在模拟木质素在植物体内的合成过程，这也是该反应被广泛应用于木质
素的合成的原因。
从反应原理上来看，木质素曼尼希反应的特点之一就是环境温和，相比于其他方法，
它更注重于产物的选择性和收率。
在实际应用中，也有些反应需要在一定的温度、PH值和溶剂条件下才能得到理想的产物。
同时，反应的催化剂种类也很多样，如酸性离子液体、
小分子有机酸等，可以根据不同的反应要求进行选择。
虽然曼尼希反应一般应用在有机合成领域，但是在木质素的化学修饰和利用方面，该
反应也有非常广泛的应用。
一些研究表明，木质素曼尼希反应不仅可以用来合成有用的化
学品，而且合成的产物还有抗菌、抗氧化等多种生物活性。
总的来说，木质素曼尼希反应已经成为了木质素化学修饰和利用的一个重要手段，在
实践中得到了广泛的应用。
未来，随着技术的不断进步和反应条件的不断改进，相信木质
素曼尼希反应还会有更广泛的应用前景。
部分-2植物纤维化学部分-木素
THANKS
感谢观看
木素
目录
• 木素简介 • 木素的化学性质 • 木素的应用 • 木素的研究进展 • 结论
01
木素简介
定义与性质
定义
木素是一种天然高分子物质，是木材 中的主要非纤维成分，约占木材总质 量的20-30%。
性质
木素具有刚性、热塑性、热固性、可 降解性等特性，其化学结构复杂，主 要由苯丙烷单元构成。
木素的结构与组成
02
木素的化学性质
木素的化学结构
01
木素是由苯丙烷单元构成的复杂芳香族高分子化合物，具有三 维网状结构。
02
木素分子中存在多种官能团，如酚羟基、甲氧基和羰基等，这
些官能团的存在使得木素具有较高的化学反应性。
木素的化学结构决定了其具有较高的耐热性和化学稳定性，使
03
其在植物细胞壁中起到重要的支撑和保护作用。
离。该方法具有较高的提取率和纯度，但溶剂回收成本较高。
中的木素提取出来，再利用爆炸的力量将木素与其
他组分分离。该方法具有较高的提取率和产量，但工艺控制难度较大。
03
超临界流体萃取法
利用超临界流体作为溶剂，从木材中提取木素，再通过调节压力和温度
将木素与其他组分分离。该方法具有较高的提取率和纯度，但设备成本
木素在植物细胞壁中可以与纤维素形成氢键，增强细胞壁的机械强度和耐水性。
在制浆造纸过程中，木素是主要的脱除对象，通过化学或生物方法脱除木素可以获 得纯净的纤维素原料。
03
木素的应用
木素在造纸工业中的应用
木素是造纸工业的主 要原料之一，用于生 产纸张和纸浆。
木素在造纸过程中还 可以起到调节纸张厚 度和均匀性的作用。
05