DE899655C - Verfahren zur Demethylierung von Ligninstoffen - Google Patents

Verfahren zur Demethylierung von Ligninstoffen

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DE899655C
DE899655C DEK13953A DEK0013953A DE899655C DE 899655 C DE899655 C DE 899655C DE K13953 A DEK13953 A DE K13953A DE K0013953 A DEK0013953 A DE K0013953A DE 899655 C DE899655 C DE 899655C
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lignin
acid
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DEK13953A
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Dr Ludwig Kalb
Dr Anton Schwinghammer
Dr Hermann Weissauer
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LUDWIG KALB DR
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LUDWIG KALB DR
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08HDERIVATIVES OF NATURAL MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08H6/00Macromolecular compounds derived from lignin, e.g. tannins, humic acids

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Description

  • Verfahren zur Dernethylierung von Ligninstoffen Schon seit langem ist man bestrebt, die Methylgruppen von Ligninkörpern abzuspalten, um auf diese Weise zu hochmolekularen, an freiem Phenolhydroxyl reichen, als Gerbstoffe brauchbaren Produkten zu gelangen. Bei der dazu erforderlichen energischen Behandlung des Lignins mit Säuren oder Alkalien konnte aber bisher nie ein gleichzeitiges Überhandnehmen unerwünschter Begleitreaktionen, wie Humifizierung, Verharzung oder auch Aufspaltung zu niedermolekularen Phenolkörpern, vermieden werden.
  • Nur die alkalische Demethylierung von Ligninsulfonsäure war bisher in sehr bescheidenem Umfange ohne Humifizierung möglich. Demethylierung bis zur Hälfte führt bereits zu teilhumifizierten, dunklen und daher gerberisch minderwertigen Produkten, die bei völliger Demethylierung schließlich in sogar alkaliunlösliche, schwarze Huminstoffe übergahen.
  • Was die saure Demethylierung betriff t, so setzt diese zwar schon bei niedrigerer Temperatur ein als die alkalische, die Humifizierung aber hier offenbar noch früher.
  • So konnten Heuser, Schmitt und Gunkel (Cellulosechemie, wissenschaftliche Beiblätter zur Zeitschrift »Der Papierfabrikant«, Jahrg. 2, S. z7) beim Erhitzen von Säurelignin mit verdünnter Salzsäure unter Druck auf r5o bis 16o° zwar das g.samte Methoxyl abspalten; das entstandene, schwarze Produkt war aber weitgehend humifiziert und ließ sich mit Dimethylsulfat nur bis 5,8 °/o OCH3 anstatt theoretisch bis 32 °/o 0 CH, wieder aufmethylieren. Versuche von Beckmann, Liesche und Lehmann (Biochemische Zeitschrift, Jahrg. zag, S. 491) mit Alkalilignin und Jodwasserstoffsäure ergaben braune, verharzte Produkte mit starkem Jodgehalt, die ebenfalls zwar methoxylfrei, aber nicht mehr aufmethylierbar waren. Auf gleiche Weise erhielten H o 1 m b e r g und Wintzel (Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft, Jahrg. 54, S. 9,417) Produkte, die. nicht mehr acetylierbar waren. Zu ähnlichen Präparaten gelangten auch Willstätter und Kalb (Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft, Jahrg.55, S. 2737) bei der Hydrierung von Säurelignin mit Jodwasserstoffsäure und rotem Phosphor als Zwischenstufen. Aus der Zusammensetzung der bei höherer Temperatur entstandenen Kohlenwasserstoffgemische mußten sie erkennen, daß sie keine Lignin-, sondern Huminhydrierungsprodukte in Händen hatten.
  • Das neue Demethylierungsverfahren beruht auf der Beobachtung, daß man Humifizierung, Verharzung und je nach Wunsch auch eine weitgehende Aufspaltung des Ligninmoleküls nur dadurch vermeiden kann, daß man das Erhitzen mit starken Säuren in Gegenwart von Reduktionsmitteln vornimmt, die schon bei Temperaturen vor Beginn der Humifizierung wirksam sind. In Frage kommen Phosphorwasserstoff oder unter den gegebenen Bedingungen leicht solchen entwickelnde Stoffe, wie weißer Phosphor, Phosphoniumhalogenide oder niedrige Oxydationsstufen des Phosphors, besonders unterphosphorige Säure.
  • Zur Demethylierung selbst dienen vor allem Halogenwasserstoffsäuren. Doch sind im Prinzip auch andere, ähnlich starke Mineralsäuren` verwendbar, soweit sie unter den gewählten Bedingungen gegenüber den Reduktionsmitteln beständig sind.
  • Zusatz organischer Lösungsmittel, z. B. von Eisessig, begünstigen unter Umständen die Auflösung des Lignins und damit den Fortgang der Reaktion. Unterphosphorige Säure kann als Reduktions- und zugleich auch als Lösungsmittel dienen. Als konzentrierte etwa ioo°/oige Säure bringt sie Lignin beim Kochen leicht und vollständig mit schwach gelblicher Farbe in Lösung, aus der es beim Verdünnen mit Wasser als gelblichweißer Niederschlag wieder ausfällbar ist. Das durch Umfällen aus verdünnter Natronlauge mit Säure gereinigte Produkt besitzt noch den vollen Methoxylgehalt des Lignins, gibt aber die bekannten Hadromalreaktionen nicht mehr, ist also als eine Art Hydrolignin anzusprechen. Die Substanz ist in heißem Wasser kolloidal teilweise löslich. Beim Ansäuern tritt Ausflockung ein. Leicht lösen verdünnte Natronlauge, Soda- und Ammon iaklösung. Es liegt hier eine Vorstufe zur Demethylierung vor, deren Abscheidung bei Ausführung des beanspruchten Verfahrens geschehen kann, aber nicht nötig ist. Die Endprodukte der Demethylierung sind bei Anwendung von Chlor- und Bromwasserstoffsäure praktisch halogenfrei. Sämtliche Endprodukte, auch die obenerwähnte Vorstufe, besitzen einen gewissen Phosphorgehalt noch unbekannter Bindungsart.
  • Die Demethylierungsprodukte sind meist hell gelblichgraue Pulver. Mit kochendem Wasser geben sie stark schäumende Emulsionen, bei großer Verdünnung klare Lösungen. In kaltem Wasser sind sie äußerst schwer löslich, sehr leicht in wäßrigen Alkalien, auch in sehr verdünnter Soda-, Ammoniak- und Natriumacetatlösung. Nicht lösen Äther, Petroläther und Benzol, leicht dagegen Alkohol, feuchtes Aceton und Pyridin mit rötlicher Farbe und grüner Fluoreszenz. Die Demethylierungsprodukte sind luftempfindlich und färben sich besonders in alkalischer Lösung leicht braun. Mit diazotierten Aminen treten kräftige Kuppelungserscheinungen auf. Eisenchlorid färbt die neutrale oder schwach saure Lösung von demethyliertem Fichtenlignin intensiv blaugrün; auf Zusatz von Soda oder Ammoniak schlägt die Farbe nach Rotviolett um. Bei demethyliertem Buchenlignin sind die entsprechenden Färbungen tiefblau bzw. violett.
  • Auf Grund der in den Beispielen angegebenen Analysen ließ sich vollständig demethyliertes Fichtenlignin mit Diazomethan auf 1,og OCH,- Gruppen, bezogen auf die Lignineinheit von g C-Atomen ohne Methoxylkohlenstoff, vollständig demethyliertes Buchenlignin bis 1,440CH3-Gruppen aufmethylieren (die entsprechenden Zahlen für ursprüngliches Fichtenlignin betragen gemäß Literaturangaben o,9 bis 1,o, für Buchenlignin 1,45). Demethylierte Fichtenligninsulfonsäure konnte auf 1,29 OCH,- Gruppen je Einheit aufmethyliert werden. Die starke Überhöhung gegenüber Fichtenlignin ist hier auf bekanntlich schon in ursprünglicher Ligninsulfonsäure zusätzlich vorhandenes, freies Phenolhydroxyl, außerdem auf Veresterung der Sulfogruppen zurückzuführen.
  • In den Beispielen i bis ¢ sind die Bedingungen so gewählt, daß eben eine vollständige Demethylierung erreicht wird. Das Verfahren schließt aber auch eine Variierung der Arbeitsweise sowohl in Richtung einer Milderung als auch einer Verschärfung der Bedingungen ein. Im ersten Falle kann z. B. durch Abkürzung der Erhitzungsdauer oder Erniedrigung von Menge oder Konzentration der spaltenden Säure die Demethylierung weniger, aber doch noch zweckentsprechend weit getrieben und dabei der Vorteil einer höheren Ausbeute an hochmolekularem Produkt erreicht werden. Dies kann zur direkten Gewinnung von Gerbstoffen erwünscht -sein, zumal bei vollständiger Demethylierung unvermeidlich ein gewisser Anteil stärker abgebaut wird. Umgekehrt läßt sich durch Verschärfung der Bedingungen auch auf die Gewinnung hauptsächlich niedrigermolekularer und leichter löslicher Phenolkörper hinarbeiten, die als Ausgangsmaterial für Gerbstoffsynthesen, für Farbstoffe, Kunststoffe und andere Zwecke in Frage kommen. Beispiel 1 1 Gewichtsteil Fichten-Säürelignin (oder sonstiges Nadelholz-Ligninmaterial, wie von Cellulose und Harz gereinigter Holzverzuckerungsrückstand oder Alkalilignin) wird mit einer Mischung von 1o Raumteilen konzentrierter, etwa ioo°/oiger unterphosphoriger Säure und 5 Raumteilen 48°/oiger Bromwasserstoffsäure unter Rückfluß 6 Stunden zum Sieden erhitzt (Ölbadtemperatur 14o bis 15o°). Wegen Entwicklung von zum Teil selbstentzündlichem Phosphorwasserstoff wird die Luft aus der Apparatur vorher durch ein indifferentes Gas verdrängt und das während des Kochens abgehende Gasgemisch in einem Wäscher durch konzentrierte Salzsäure unschädlich gemacht. Das Lignin geht mit bräunlicher Farbe klar in Lösung. Nach dem Erkalten verdünnt man mit Wasser, wobei das Reaktionsprodukt als voluminöser, blaß gelblicher, beim Anwärmen sich gut absetzender Niederschlag ausfällt.
  • Zur Reinigung wird das abfiltrierte Produkt einige Male mit Wasser ausgekocht, jeweils nach Zusatz von etwas Salzsäure wieder abfiltriert und schließlich, da luftempfindlich, im Vakuum getrocknet. Aus den vereinigten, gelbgrünen Filtraten können durch Einengen und Aussahen noch gewisse Mengen an leichter löslichen Anteilen gewonnen werden. Gesamtausbeute 5o 0/0. Auch Umfällung des Rohproduktes aus wenig verdünnter Soda- oder Natriumacetatlösung ist möglich, jedoch unter Gefahr der Dunkelfärbung durch Luftoxydation. Die sonstigen Eigenschaften sind im allgemeinen Teil beschrieben.
  • Analyse: 59,880/, C, 4,380/, H, o,oo 0/0 O CH, 4,92"/, Asche. Mit Diazomethan erschöpfend aufmethyliert: 62,71% C, 5,0711/0 H, 17,56"/,) OCHS, 1,25"/, Asche. Mit Dimethylsulfat aufmethyliert: 25,66 % O CH, Beispiel 2 1 Gewichtsteil Buchen-Säurelignin wird mit 8 Raumteilen konzentrierter unterphosphoriger Säure und 2 Raumteilen 62%iger Bromwasserstoffsäure 8 Stunden unter Rückfluß gekocht. Aufarbeitung wie unter i. Das Produkt ist etwas dunkler als dort.
  • Analyse: 58,05)/o C, 3,8o0/, H, o,oo % OCH3, 8,73 % Asche. Mit Diazomethan erschöpfend aufmethyliert: 61,17')/, C, 6,690/, H, 21,82 % OCH3, 4,44 % Asche.
  • Beispiel 3 z Gewichtsteil ligninsulfonsauresNatrium mit 37,5% Ligningehalt wird mit j e 3 Raumteilen konzentrierter unterphosphoriger Säure und 62%iger Bromwasserstoffsäure 6 Stunden unter . Rückfluß gekocht. Aufarbeitung und (hier auf den Ligningehalt des Ausgangsmaterials bezogene) Ausbeute wie unter z. Das Produkt ist in Wasser etwas leichter löslich als das dort beschriebene.
  • Analyse: 57,180f, C, 4,0011/0 H, o,oo % O C H3, 1,6.1% S, 9,93 % Asche. Mit Diazomethan erschöpfend aufmethyliert: 57,86 % C, 6,o6 % H, 18,77 0/0 O C H3, Z,44 % S, 9,78 % Asche.
  • Beispiel 4 1 Gewichtsteil Fichten-Säurelignin wird mit der Mischung von zo Raumteilen unterphosphoriger Säure, 5 Raumteilen 66%iger Bromwasserstoffsäure und zo Raumteilen Eisessig 7 Stunden unter Rückfluß gekocht. Der Zusatz von Eisessig fördert die Auflösung des Lignins. Die grünlich fluoreszierende, in der Durchsicht rötliche Lösung wird nach Abdestillieren des Eisessigs im Vakuum mit Wasser gefällt. Sonst wie unter 1.
  • Das methoxylfreie Produkt ließ sich mit Diazomethan bis 2o,64 0/0, mit Dimethylsulfat bis 25,66 0/0 O C H3 aufmethylieren.
  • Beispiel 5 i Gewichtsteil Fichten-Säurelignin wird mit ioRaumteilen konzentrierter unterphosphoriger Säure unter ,Erhitzen gelöst, die Lösung mit 15 Raumteilen konzentrierter Salzsäure (d = 1,19) versetzt und in säurefestem Druckgefäß 8 Stunden auf i2o° weitererhitzt. Aufarbeitung wie unter 1. Das Produkt enthielt noch 5% OCHS.
  • Beispiel 6 1 Gewichtsteil Fichten-Säurelignin und 2 Gewichtsteile weißer Phosphor werden mit 2o Raumteilen starker jodwasserstoffsäure (d = 1,96) in einem säurefesten Druckgefäß zunächst 5 bis 6 Stunden auf 8o° erhitzt. Das Lignin geht dabei mit gelber Farbe in Lösung. Nach weiterem 8stündigen Erhitzen auf 15o° ist das Reaktionsgemisch fast farblos. Durch Verdünnen mit Wasser wird das Reaktionsprodukt als methoxylfreie Substanz abgeschieden. Es ist jod- haltig und teilweise hydriert.

Claims (1)

  1. PATENTANSPRUCH: Verfahren zur Demethylierung von Ligninstoffen, dadurch gekennzeichnet, daß man sie in Gegenwart von Phosphorwasserstoff oder diesen entwickelnden Gemischen oder Verbindungen mit starken Mineralsäuren erhitzt.
DEK13953A 1952-04-22 1952-04-22 Verfahren zur Demethylierung von Ligninstoffen Expired DE899655C (de)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3071570A (en) * 1961-06-06 1963-01-01 West Virginia Pulp & Paper Co Oxidative demethylation of lignin
CN101724136B (zh) * 2009-12-11 2011-08-31 北京工业大学 一种木质素磺酸盐环氧树脂的新制备方法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3071570A (en) * 1961-06-06 1963-01-01 West Virginia Pulp & Paper Co Oxidative demethylation of lignin
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