Методы синтеза и анализа производных растительных метаболитов

Г.Н. Кононов

Методы синтеза и анализа  
производных растительных  
метаболитов

Практикум

Федеральное государственное бюджетное  
образовательное учреждение высшего образования  
«Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана  
(национальный исследовательский университет)»

УДК 661.71  
ББК 35.76-1 

 К64 
 
Издание доступно в электронном виде по адресу 
ebooks.bmstu.press/catalog/23/book1911.html 
 
Факультет «Лесное хозяйство, лесопромышленные технологии  
и садово-парковое строительство»  
Кафедра «Химия и химические технологии в лесном комплексе» 
 
Рекомендовано Научно-методическим советом  
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве практикума 
 
Рецензенты: 
доцент кафедры «Технология древесных плит и пластиков» Мытищинского филиала 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, канд. техн. наук  А.А. Никитин;  
руководитель Исследовательского центра целлюлозно-бумажной промышленности 
«Центральная контрольно-аналитическая лаборатория» канд. техн. наук  Н.Л. Горячев 
 
 
 
Кононов, Г. Н. 
 
 
Методы синтеза и анализа производных растительных метаболитов : 
практикум / Г. Н. Кононов. — Москва : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 
2018. — 35, [5] с. : ил. 
 
ISBN 978-5-7038-4999-6 
 
Представлены методы синтеза и анализа производных первичных и вторичных метаболитов 
растительного происхождения. Приведены сведения о модифицировании 
компонентов растительной биомассы, используемых в различных технологиях химической 
переработки. Материалы используются при выполнении работ в лаборатории.  
Для бакалавров, обучающихся по направлению 18.03.01 «Химическая технология» 
(направленность «Химическая технология переработки древесины») и изучающих дисциплину «
Химия древесины и синтетических полимеров». 
 
УДК 661.71 
ББК 35.76-1 

 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 
 МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2018 
 
 Оформление. Издательство  
ISBN 978-5-7038-4999-6 
    МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2018 

К64 

Предисловие 

В издании рассмотрены вопросы химического синтеза и анализа производных 
компонентов растительной биомассы. Описаны методики, которые 
рекомендуется применять при выполнении работ по химическому анализу 
древесины в лаборатории.  
Целью лабораторных занятий является ознакомление с основными методами 
синтеза и анализа производных первичных и вторичных метаболитов 
растительного происхождения. Исследовательский характер их проведения 
обеспечивается использованием в качестве объектов анализа образцов, являющихся 
соединениями, полученными или применяющимися в различных 
технологиях химической переработки древесины в качестве полупродуктов и 
материалов. 
Перед обучающимися ставится задача использовать теоретический материал 
лекционного курса «Химия древесины и синтетических полимеров»  
в аналитических исследованиях. Выполнение лабораторных работ проводится 
параллельно с изучением указанного курса. 
В некоторых случаях при описании методик исследований обучающимся 
предложено обратиться к другим учебным изданиям, где эти методики описаны 
более детально. 
Результаты исследований должны быть оформлены в лабораторных тетрадях 
в виде учебно-исследовательских отчетов, включающих теоретические 
сведения из лекционного курса, описание лабораторных работ, полученные 
результаты и их анализ в сравнении с аналогичными данными, приведенными 
в справочном пособии Г.Н. Кононова, А.А. Фаньковской «Химия древесины и 
ее основных компонентов. Иллюстративный, справочный и демонстрационный 
материал по лекционному курсу» (М.: Изд-во МГУЛ, 2011.). При защите 
учебно-исследовательских отчетов обучающиеся отвечают на ряд вопросов 
для самоконтроля, приведенных в конце издания в соответствии с темами 
защищаемых работ. 
После проведения лабораторных работ обучающиеся получают профессиональные 
навыки выполнения лабораторных исследований, обработки и 
анализа полученных результатов.  
 
 
 

1. СИНТЕЗ И АНАЛИЗ ПРОИЗВОДНЫХ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ  
И ГЕМИЦЕЛЛЮЛОЗ 

Наличие в каждом элементарном звене целлюлозной макромолекулы трех 
реакционноспособных гидроксилов позволяет синтезировать производные 
целлюлозы, являющиеся ее простыми и сложными эфирами. 

1.1. Получение гидратцеллюлозы 

Гидратцеллюлоза — набухшая, но химически неизмененная целлюлоза. 
Химическая идентичность природной целлюлозы и гидратцеллюлозы доказывается 
тем, что раствор гидратцеллюлозы в медно-аммиачном реактиве 
обладает такой же способностью к вращению плоскополяризованного света, 
как и раствор природной целлюлозы. 
Гидратцеллюлоза отличается от природной целлюлозы, как показывают 
рентгенограммы, в основном строением кристаллической решетки. 
Кристаллическую модификацию гидратцеллюлозы называют целлюлозой II. 
Изменением размеров элементарной кристаллической ячейки объясняются 
все изменения в свойствах гидратцеллюлозного волокна по сравнению со 
свойствами природной целлюлозы. Считается, что при образовании гидрат-
целлюлозы одновременно происходит общее разрыхление структуры, в том 
числе увеличиваются межмицеллярные пространства. 
Бóльшую химическую активность гидратцеллюлозы можно объяснить ее 
набухшим состоянием по сравнению с природной целлюлозой. Гидратцеллюло-
за обладает высокой гигроскопичностью, повышенной способностью к окрашиванию, 
гидролизу, реакциям этерификации и т. п., легче растворяется в типичных 
для целлюлозы растворителях. Бóльшая реакционная способность 
гидратцеллюлозы по сравнению с природной целлюлозой объясняется ее 
значительно развитой внутренней поверхностью. 
Гидратцеллюлозу можно получить либо регенерацией целлюлозы из ее 
растворов или растворов ее производных, либо при набухании целлюлозы 
в полярных жидкостях. Для получения регенерированной целлюлозы ее 
сначала растворяют в растворителе, а затем осаждают или сначала превращают 
в производное, из которого затем удаляют группы заместителя. 
Регенерированную целлюлозу (гидратцеллюлозу) можно получить осаждением 
из медно-аммиачного раствора. При подкислении медно-аммиачного раствора 
целлюлозы гидратцеллюлоза выпадает в виде хлопьевидного осадка: 
 
[C6H7O2(O2Cu)O]2[Cu(NH3)4]n + 5n H2SO4 → 
 
→ 2(C6H10O5)2n + 3n CuSO4 + 2n (NH4)2SO4 

Осаждение гидратцеллюлозы из ее растворов может быть проведено также 
солями, щелочами, метанолом и др. 
Методика синтеза. Готовят раствор целлюлозы, влажность которой известна, 
в медно-аммиачном реактиве (реактиве Швейцера), содержащем 
1,3…1,5 % ионов Cu2+ и 15…20 % аммиака (см. лабораторную работу № 7 в [2]). 
В случае использования хлопковой целлюлозы рекомендуется готовить раствор 
концентрацией 0,2 % (1 г целлюлозы на 500 мл медно-аммиачного раствора). 
Более концентрированные растворы будут слишком вязкими, и с ними 
труднее работать. При использовании древесной целлюлозы можно готовить 
1…2%-ный раствор. Целлюлозу предварительно хорошо расщепляют. 
Навеску воздушно-сухой целлюлозы массой 0,5 г помещают в колбу вместимостью 
500 мл, вливают определенное количество медно-аммиачного реактива 
и плотно закрывают склянку пробкой. Для облегчения растворения 
растворитель предварительно охлаждают. Чтобы предохранить целлюлозу от 
окисления, к медно-аммиачному раствору добавляют 1 % CuCl. 
Склянку с целлюлозой и медно-аммиачным реактивом периодически 
встряхивают или помещают в аппарат для механического взбалтывания. Растворимость 
целлюлозы в медно-аммиачном реактиве зависит от количества 
примесей, загрязняющих ее. При большом их содержании (например, в небеленой 
целлюлозе) полного растворения целлюлозы может не произойти. Полученный 
раствор фильтруют, лучше всего через синтетическую фильтровальную 
ткань. 
Для осаждения гидратцеллюлозы медно-аммиачный раствор выливают 
тонкой струей в стакан с осадителем (кислотой, спиртом, раствором соли и 
др.). Можно применять, например, такой способ осаждения. Раствор выливают 
в смесь воды со льдом, помещенную в ледяную баню, а затем добавляют 
уксусную кислоту до достижения значения рН 7,0. Осажденную гидратцел-
люлозу отфильтровывают на воронке Бюхнера с полотняным фильтром и 
промывают водой до нейтральной реакции, а затем спиртом и эфиром и осторожно 
сушат. Полученную гидратцеллюлозу взвешивают и рассчитывают 
выход в процентах к массе исходной абсолютно сухой целлюлозы. 

1.2. Гидролиз целлюлозы и анализ продуктов гидролиза 

Молекула целлюлозы вследствие наличия в ней гликозидных связей обладает 
слабой устойчивостью к действию гидролизующих реагентов — водных 
растворов кислот. При гидролизе происходит разрыв гликозидных связей 
и снижается степень полимеризации целлюлозы. 
Реакция полного гидролиза целлюлозы описывается уравнением 
 
(C6H10O5)n + n H2O → n C6H12O6 
 
Этот процесс идет постепенно, с образованием ряда промежуточных продуктов. 
Сначала целлюлоза превращается в гидроцеллюлозу, которая иногда теряет 
волокнистую структуру. Такую гидроцеллюлозу можно растереть  

в порошок. Дальнейшая реакция превращения гидроцеллюлозы в растворимые 
поли-, олигосахариды и глюкозу идет медленно. 
Гидроцеллюлоза — это смесь природной целлюлозы и начальных продуктов 
ее гидролиза. Термин «гидроцеллюлоза» впервые был предложен 
французским инженером-механиком Ф.А. Жираром в 1875 г. для обозначения 
порошкообразных остатков, получающихся при кислотном гидролизе 
целлюлозы. В настоящее время гидроцеллюлозу определяют как группу 
макромолекулярных веществ, образующихся при гидролизе целлюлозы 
кислотой, при этом любой член этой группы является гидроцеллюлозой. 
Гидроцеллюлозу получают в определенных условиях, либо продолжительно 
воздействуя на целлюлозу разбавленными минеральными кислотами при 
комнатной температуре, либо при более кратковременной обработке ими в 
условиях нагревания. 
Методики синтеза. Получение гидроцеллюлозы по методу Жирара. Целлюлозу (
фильтровальную бумагу, измельченную древесную целлюлозу, 
хлопковую вату) смачивают 1…3%-ным раствором серной кислоты, отжимают 
на стеклянном фильтре до прекращения интенсивной фильтрации целлюлозы, 
подсушивают на воздухе, а затем нагревают в закрытой стеклянной 
колбе при температуре 50…70 °С в течение 8–10 ч. Полученную гидроцеллюлозу 
промывают дистиллированной водой и сушат. Высушенную гидроцеллюлозу 
растирают в ступке в порошок и определяют медное число (см. 
лабораторную работу № 4 в [1]). 
Если обработанную кислотой целлюлозу нагревать при более высокой 
температуре или в открытой склянке, то она быстро обуглится. 
Получение глюкозы. Навеску целлюлозы помещают в колбу вместимостью 
50 мл с 72%-ной серной кислотой (15 мл на 1 г целлюлозы) при температуре 
20…25 °С на 5 ч, периодически взбалтывая. По окончании гидролиза 
содержимое колбы смывают 150 мл дистиллированной воды в коническую 
колбу вместимостью 250 мл и кипятят с обратным холодильником в течение 
1 ч. Раствор фильтруют и после нейтрализации серной кислоты карбонатом 
кальция или бария определяют количество образовавшейся глюкозы по методу 
Бертрана (см. лабораторную работу № 8 в [2]). 

1.3. Окисление целлюлозы и анализ продуктов окисления 

Целлюлоза очень чувствительна к действию окислителей, поэтому практически 
любой образец целлюлозы, выделенной из растительных тканей, содержит 
в небольшом количестве карбонильные и карбоксильные группы. 
Частично окисленная целлюлоза, представляющая собой смесь продуктов 
различной степени окисления, называется оксицеллюлозой. 
Характер окисления целлюлозы зависит от значения рН среды и природы 
окислителя. В кислой и нейтральной средах, как правило, образуются продукты 
с преобладающим содержанием карбонильных групп. Эти препараты, 
имеющие свойства слабого восстановителя, называются оксицеллюлозами 
восстановительного типа. Для них характерны повышенные значения медно-

го и иодного чисел. При окислении в щелочной среде получают окисленные 
целлюлозы, содержащие большое количество карбоксильных групп. Такие 
целлюлозы обладают кислотными свойствами и называются оксицеллюлоза-
ми кислотного типа. 
Подавляющее большинство окислителей действует на целлюлозу неизби-
рательно, т. е. реакция идет одновременно по нескольким направлениям. 
Специфическим действием обладают лишь очень немногие окислители. Так, 
диоксид азота окисляет преимущественно первичные гидроксильные группы 
до карбоксильных, а иодная кислота и периодаты действуют главным образом 
на вторичные гидроксилы при втором и третьем углеродных атомах, 
окисляя их до альдегидных групп с разрывом связи С2–С3. Хлористая кислота, 
хлориты, диоксид хлора, являясь очень мягкими окислителями, окисляют 
только альдегидные группы, не затрагивая гидроксильных. 
Важнейшими окислителями, не обладающими избирательным действием, 
являются хлор, гипохлориты, пероксиды и кислород. 
При изучении реакций окисления целлюлозы глубину процесса определяют 
по расходу кислорода, а также по содержанию карбонильных и карбоксильных 
групп в исследуемом образце. 
Методика синтеза. Для окисления целлюлозы готовят 0,04 н. раствор 
гипохлорита натрия в фосфатном буферном растворе с (рН 7,4; 1,49 г/л 
NaClO; 1,18 г/л NaOH; 6,8 г/л KH2PO4). На каждые 20 г целлюлозы требуется 
1 л раствора. 
Требуемое количество раствора гипохлорита натрия наливают в колбу, 
помещают в термостат при температуре 20 °С и вносят в раствор навеску 
целлюлозы, влажность которой известна. Смесь сразу же взбалтывают, во 
время окисления перемешивание периодически повторяют. Продолжительность 
окисления определяется требуемой степенью окисления и находится 
в пределах 3–30 ч. Степень окисления выбирают по указанию преподавателя. 

По окончании окисления целлюлозу извлекают из раствора, промывают 
дистиллированной водой и погружают на 1–2 ч в 0,1 н. раствор соляной кислоты. 
Затем оксицеллюлозу вновь промывают дистиллированной водой, чтобы 
удалить кислоту, и высушивают на воздухе. Определяют выход оксицел-
люлозы, а также поглощение кислорода при окислении.  
Для определения количества кислорода, поглощенного целлюлозой, 
необходимо учесть самопроизвольное разложение гипохлорита натрия во 
время реакции. С этой целью параллельно с рабочим опытом проводят холостой 
опыт (без навески) с тем же количеством раствора гипохлорита 
натрия. Сразу же по окончании обоих опытов определяют концентрацию 
гипохлорита натрия в каждом растворе. Для этого отбирают 20 мл раствора, 
вводят в него 20 мл 10%-ного раствора иодида калия, 25 мл 2 н. раствора 
серной кислоты и титруют 0,04 н. раствором тиосульфата натрия в присутствии 
крахмала. 
Поглощение окислителя в пересчете на кислород на 100 грамм-молей 
целлюлозы рассчитывают по формуле 

 


2
3

1

0,342
О
,
V V
V
V m


 

 
где V — объем раствора гипохлорита натрия, взятый для окисления целлюлозы, 
мл; V2 — взятый из рабочей пробы объем 0,04 н. раствора тиосульфата 
натрия, израсходованный на титрование гипохлорита натрия, мл; V3 — то же из 
холостой пробы, мл; V1 — объем раствора гипохлорита натрия, израсходованный 
на титрование, мл; m — масса навески абсолютно сухой целлюлозы, г. 
Методики анализа. Определение содержания карбонильных групп. Для 
определения содержания карбонильных групп готовят раствор солянокислого 
гидроксиламина: 5 г NH2OH · HCl растворяют в 240 мл этилового спирта с 
добавлением 5 мл воды и 6 мл 0,2%-ного раствора индикатора бромфеноло-
вого синего. К полученному раствору желтого цвета прибавляют по каплям 
0,2 н. раствор NaOH до получения двухцветной окраски: зеленой в проходящем 
свете и красной в отраженном; значение рН приготовленного раствора, 
которое проверяют потенциометрическим методом, должно составлять 
3,2…3,4. Раствор готовят перед каждым опытом. 
Анализ осуществляют следующим образом: навеску окисленной целлюлозы 
массой 2…3 г помещают в колбу вместимостью 250 мл с притертой 
пробкой, заливают 60 мл раствора солянокислого гидроксиламина и оставляют 
на 2 ч при комнатной температуре. Затем целлюлозу отфильтровывают 
на стеклянном фильтре и 50 мл фильтрата титруют 0,1 н. раствором NaOH до 
получения двухцветной окраски, как в исходном растворе. Наиболее точные 
результаты дает потенциометрическое титрование. 
Содержание карбонильных групп в миллимолях на 100 г целлюлозы рассчитывают 
по формуле 



1,2 100
12
С
О
,
10
V
V
m
m







 

или в процентах: 

 


12
0,028
С
О
.
V
m




 

Здесь V — объем 0,1 н. раствора NaOH, израсходованного на титрование 50 мл 
фильтрата, мл; m —масса навески абсолютно сухой целлюлозы, г. 
Определение содержания карбоксильных групп. Около 2,5 г окисленной 
целлюлозы помещают в колбу вместимостью 250 мл с притертой пробкой, заливают 
50 мл раствора гидрокарбоната натрия (0,01 н. раствор NaHCO3, 0,1 н. 
раствор NaCl), закрывают и оставляют на 1 сут, периодически встряхивая. Затем 
смесь отфильтровывают на сухом стеклянном фильтре; 25 мл фильтрата 
титруют 0,1 н. раствором HCl, используя индикатор метиловый красный. При 
изменении окраски с желтой на красную раствор кипятят несколько минут, 
чтобы удалить CO2, быстро охлаждают и затем продолжают титрование до нового 
изменения окраски. Параллельно таким же образом титруют 25 мл раствора 
гидрокарбоната натрия. 

Содержание карбоксильных групп в миллимолях на 100 г целлюлозы рассчитывают 
по формуле 

 


2
1
2
СООН
,
50
Va
V
V
m










 

где V2 — объем 0,01 н. раствора HCl, израсходованный на титрование 25 мл 
раствора гидрокарбоната натрия, мл; V1 — то же на титрование 25 мл фильтрата, 
мл; V — содержание воды в навеске целлюлозы, мл; а — взятый из рабочей 
пробы объем 0,04 н. раствора тилосульфата натрия, израсходованный 
на титрование раствора гидрохлорида натрия, мл; m — масса навески абсолютно 
сухой целлюлозы, г. 
Этот опыт повторяют несколько раз до совпадения результатов с погрешностью 
около 5 %. 

1.4. Анализ ксантогенатов целлюлозы 

Предназначенную для получения ксантогената целлюлозу, обычно в виде 
листов, для выравнивания влажности кондиционируют, выдерживая длительное 
время (1–2 сут) в помещении при определенной температуре и постоянной 
влажности, или, что предпочтительнее, в специальных сушилках. 
Кондиционированную целлюлозу подвергают мерсеризации — обработке 
18%-ным раствором гидроксида натрия. При этом образуется щелочная целлюлоза (
алкалицеллюлоза): 
 
[C6H7O2(OH)3]2n + n NaOH → [C12H14O4(OH)5ONa]n + n H2O 
 
Мерсеризацию целлюлозы проводят при температуре 15…25 °С в ваннах-
прессах в течение 45–60 мин. По окончании мерсеризации щелочную целлюлозу 
отжимают на пористом фильтре до завершения интенсивной фильтрации, 
удаляя избыток щелочи. 
Отжатую щелочную целлюлозу измельчают в специальных аппаратах. 
При периодической мерсеризации продолжительность измельчения составляет 
2,0–2,5 ч. 
Измельченную щелочную целлюлозу подвергают предсозреванию, заключающемуся 
в ее выдерживании при постоянной температуре на воздухе. 
В щелочной среде под действием кислорода воздуха целлюлоза деструктиру-
ется, что приводит к уменьшению средней молекулярной массы целлюлозы и 
повышению молекулярной неоднородности. Продолжительность предсозре-
вания зависит от температуры. Если при 21…22 °С она составляет 50…70 ч, 
при 26…30 °С не превышает 20–24 ч. Однако существенное повышение температуры 
при предсозревании может вызвать нежелательное изменение 
свойств полученного продукта. 
После предсозревания проводят ксантогенирование щелочной целлюлозы — 
обработку ее сероуглеродом с получением вискозы: 

12
14
4
5
2
12
14
4
5

S

[C H O (OH) ONa] + CS
[C H O (OH)
O
C
S
Na]
n
n
n
→
−
−
−
−

 

 
В полученной вискозе определяют содержание целлюлозы и степень замещения, 
используя описанные ниже методики. 
Методики анализа. Определение содержания целлюлозы в вискозе. На 
чистое сухое предметное стекло размером 9×12 см помещают 1,5…2,0 г вискозы, 
накрывают образец вторым таким же стеклом и для получения равномерного 
слоя сжимают стекла пальцами. Затем стекла осторожно разъединяют, 
перемещая одно по другому, погружают на 10–15 мин вместе с пленками, образовавшимися 
на стекле, в раствор сульфата аммония концентрацией 300 г/л 
для коагуляции. После этого отставшие от стекла пленки осторожно переносят 
в 10%-ный раствор серной кислоты и выдерживают в нем до тех пор, 
пока пленки не станут полностью прозрачными и бесцветными. Полученные 
пленки извлекают из кислоты и промывают в стакане с холодной водой 
до нейтральной реакции по метиловому оранжевому. Сушат пленки или в 
бюксе при температуре (103 ± 2) °С до постоянной массы, или между листами 
сухой фильтровальной бумаги, сначала отжимая, а затем проглаживая 
горячим утюгом в течение 5–7 мин. Для сушки можно применять также инфракрасную 
лампу.  
Содержание (по массе) целлюлозы ω(ц) в вискозе вычисляют по формуле 

 
1
(ц)
100 %,
m
m
ω
=
⋅
 

где m1 — масса сухих пленок, г; m — масса навески вискозы, г. 
Для коагуляции ксантогената можно также применять насыщенный водный 
раствор хлорида натрия. Полученную в этом случае пленку сначала промывают 
разбавленной серной кислотой, а затем водой. 
Определение степени замещения вискозы. На чистое сухое предметное 
стекло размером 9×12 см помещают 1,2…1,5 г вискозы, накрывают образец 
вторым таким же стеклом и для получения равномерного слоя сжимают стекла 
пальцами. Стекла осторожно разъединяют, как описано выше, и затем погружают 
вместе с пленками в насыщенный раствор хлорида натрия или в 
30%-ный раствор хлорида аммония либо сульфата аммония. Через 10–15 мин 
пленки осторожно снимают и переносят в стакан, где промывают 3–4 раза 
чистым раствором соответствующей соли. После отмывки от примесей пленки 
переносят в коническую колбу вместимостью 250 мл, добавляют 150 мл 
дистиллированной воды и точно отмеренное количество (10 или 15 мл) 0,1 н. 
раствора серной кислоты, нагревают до кипения, охлаждают и оттитровыва-
ют избыток кислоты 0,1 н. раствором гидроксида натрия с индикатором метиловым 
красным.