Что такое лигнин

Спросив ученика средней школы, какой полимер самый распространенный на земном шаре, вы почти наверняка получите правильный ответ: целлюлоза. Действительно, синтез этого полимера в природе идет непрерывно, и ее производительность куда больше, чем у совокупности всех предприятий полимерной химии, вместе взятых.

А вот на вопрос о том, какой из полимеров занимает второе место после целлюлозы, нередко затрудняются ответить даже химики. Между тем «серебряный призер» и «чемпион» — вещества одного происхождения. Природный полимер лигнин — постоянный спутник целлюлозы в растительной ткани. В среднем на каждый килограмм целлюлозы приходится около 400 граммов лигнина. Именно поэтому проблема лигнина встает каждый раз, когда дело доходит до химической переработки растительного сырья. А из растительного сырья в конечном счете получаем мы и бумагу, и искусственные волокна, и порох. Так в чем же проблема лигнина?

Целью любого из известных до сих пор методов химической переработки растительного сырья было и остается получение целлюлозы или, реже, ее мономеров — углеводов. И первая проблема здесь — разделение целлюлозы и лигнина. Есть два пути: либо перевести лигнин в раствор, оставив целлюлозу в нерастворимом состоянии, либо поступить наоборот: целлюлозу — в раствор, лигнин — в осадок. По первому пути идет бумажная промышленность, по второму — гидролизная.

Эти отрасли — крупнейшие потребители растительного сырья. Обе они успешно используют целлюлозную часть древесины, и обе не находят рациональных путей применения лигнина.

Почему же так происходит? Почему растрачиваются впустую результаты гигантских усилий растительного мира по синтезу лигнина? Чтобы как-то ответить на этот вопрос, необходимо как минимум разобраться в том, что же такое лигнин.

Это не просто полимер. Правильнее было бы назвать его сложным веществом преимущественно полимерной природы, точное строение которого установлено не окончательно. Строго говоря, лигнин нельзя назвать полимером в привычном смысле этого слова. В нем нет единственного регулярно повторяющегося структурного звена, какие есть в целлюлозе или полиэтилене. Наоборот, здесь природа продемонстрировала нам образец неуемной фантазии, создав целую гамму неодинаковых высокомолекулярных продуктов жизнедеятельности растений. Главным структурным элементом лигнина считают фенилпропановое звено, но здесь же, в этом же веществе, мы обнаружим разнообразные кислородсодержащие функциональные группы, разнообразные типы связей между звеньями. И конечно, другие звенья, отличные от фенилпропанового. Все это делает лигнин, если можно так выразиться, образцово нерегулярным полимером.

Неоднородность древесины впервые обнаружил еще в 1838 году французский химик Г. Пайеи. Как оказалось, целлюлоза пропитана «инкрустирующим материалом», который и назвали лигнином (от латинского lignun — «древесина»). До сих пор все попытки выделить лигнин в том состоянии, в котором он находится в древесине, успехом не увенчались.

Причины этого — химическая неоднородность и активность лигнина плюс особенности его расположения в растительной клетке. Если сравнить, как это часто делают, структуру древесины со структурой железобетона, то в этой аналогий целлюлозе отводят роль арматуры, а лигнину — бетона. Аналогия не очень точна: «арматуры» в древесине больше, чем самого «бетона». Правда, этот материал, как и бетой, обладает высокой прочностью на сжатие…

Лишь в последние годы строение лигнина в значительной мере прояснилось. К этой труднейшей проблеме шли с двух сторон: изучали превращения природного лигнина под действием различных реагентов и, с другой стороны, пытались проследить ход биохимического синтеза лигнина. В результате удалось не только получить довольно обширную информацию о строении природного лигнина, но и синтезировать лигниноподобный полимер.

На рисунке показана современная схема строения елового лигнина, предложенная западногерманским химиком Г. Фрейденбергом. Эту схему не следует рассматривать как подлинную структурную формулу лигнина. Это упрощенная схема, она содержит элементарные звенья 18 типов. В то же время сам ее автор признает, что полная структура содержит не менее ста различных звеньев.

Структура елового лигнина по Фрейденбергу. Цифрами внутри бензольных колец на схеме показаны структурные звенья различных типов. В действительности их не 18, а значительно больше. В качестве примеров, иллюстрирующих не всегда одинаковое строение отдельных звеньев, приведены варианты с буквенными индексами для звеньев № 6, 13 и 14. Больщинство структурных элементов молекулы лигнина — производные фенилпропана.

Совершенно очевидно, что многочисленные реакционноспособные группировки лигнина не могут остаться безразличными к химическим воздействиям. Существующим производственным процессам отнюдь не свойственно деликатное обращение с лигнином. Его бьют наотмашь — кислотами, щелочами, и в результате в любом технологическом процессе лигнин претерпевает необратимые изменения, еще более усложняющие его структуру. Получается такое многообразие структурных элементов, что выделение индивидуальных химических веществ из лигнина остается пока, за редким исключением, экономически нецелесообразным.

Это тем более досадно, что в лигнине заключены ароматические структурные образования. Получать их синтетическим путем очень трудно, а интерес они представляют не только для химической теории.

Сегодня самая насущная проблема — рациональное использование огромных запасов технических лигнинов, то есть уже подвергнутых какой-то химической обработке на предприятиях целлюлозно-бумажной и гидролизной промышленности.

Использование огромных количеств лигнинных отходов — проблема не только экономическая. Целлюлозно-бумажные и гидролизные заводы мира сбрасывают в водоемы и отвалы миллионы тонн лигнинных веществ, вредных для природы.

Сейчас наметились два пути переработки лигнина. Первый — это использование лигнина в качестве углеродсодержащего сырья, например для получения углей различного назначения или как наполнителя каучуков и других полимерных материалов. Можно использовать лигнин и в качестве топлива. Можно, но жалко и не всегда целесообразно.

Второй путь более рационален. Это химическая переработка лигнина, дающая возможность использовать имеющиеся в нем ароматические структуры. В отдельных случаях это направление уже сейчас может конкурировать с традиционными синтетическими методами. Существует, например, опытное производство ванилина из технических лигнинов. Но много ли лигнина способно «переварить» такое производство?

Более перспективным представляется получение из лигнина близких по свойствам групп веществ, которые без разделения (последнее очень важно) можно было бы использовать в качестве биологически активных веществ, пестицидов, поверхностно- активных веществ и так далее. Именно на этом пути просматривается перспектива создания крупнотоннажных современных производств.

В этой области работают многие отечественные и зарубежные исследователи, но пока что силами, явно не соответствующими объему и сложности стоящих проблем. Видимо, нужны объединенные усилия химиков, биохимики», биологов и технологов. Лишь комплексный подход позволит от частных маленьких побед перейти к решению проблемы в целом. Пока же в каком-то мере шатки даже наши представления и о химии лигнина, и о его роли в растениях. Не можем мы точно ответить и на такой вопрос — зачем понадобилось природе изобретать лигнин? Обычно на него отвечают так: «Чтобы деревья не падали». Это означает, что роль лигнина в растении сводится к приданию растительной ткани необходимой механической жесткости.

И тем не менее трудно поверить, что природа синтезирует столь сложное вещество ради столь простой цели. Это на нее непохоже. Для чего же еще?

В последние годы появилось немало экспериментальных данных, из которых следует, что лигнин участвует в процессах обмена веществ, которые идут в растительных клетках. Не исключена возможность, что лигнинные вещества — результат каких-то пока не раскрытых каталитических процессов, идущих в растениях. Но это утверждение еще требует серьезной экспериментальной проверки: опыты нередко приводят к противоречивым выводам, но это, полагаем, не должно пугать. Очень сложен объект исследования — порожденный жизнью, многосложный и многоплановым, как все живое.

Кандидаты химических наук
В.Д. Немировский
М.Н. Раскин