Lignina

Toate plantele organizate superior contin lignina, care este depozitata in peretii celulelor vegetale, precum si in spatiile intercelulare. Plantele inferioare, cum ar fi: algele, lichenii, muschii si ciupercile nu contin aceasta substanta cu caracter incrustant.

Lignina reprezinta componentul chimic principal de natura aromatica al tesuturilor vegetale. La plantele superioare continutul de lignina variaza in limite largi, in functie de specie si de virsta tesutului vegetal. Mai bogate in lignina sint coniferele, continutul acesteia variind intre 28 - 34 %. La foioase se atesta 18 - 27 % asa dupa cum se vede din tabelul 1:

Tabelul 1. Valori maxime in ordine descrescatoare ale continutului de lignina la unele specii lemnoase

Prezenta ligninei in plantele lemnoase marcheaza o treapta superioara in organizarea acestora, aparuta ca urmare a adaptarii la viata de uscat.

Fiind cel mai raspindit polimer aromatic natural, lignina reprezinta o bogata sursa potentiala fenolica pentru industria sintezelor organice.

Notiunea de lignina nu reflecta o substanta cu structura chimica bine definita, similar altor produse macromoleculare naturale cum este celuloza, amidonul sau proteinele, ci se refera mai curind la un grup de combinatii polimere inrudite chimic intre ele.

Compozitia chimica elementala a ligninei a fost stabilita inca de Gay Lussac si T. Thenard. Prin cercetarea produsilor de degradare a ligninei s-a stabilit ca unitatea structurala de baza a acesteia  este gruparea fenilpropanica, C₆-C₃. Pentru a nota pozitiile in ea se propune de a folosi literele grecesti a b g pentru atomii de carbon din catena laterala si numerele arabe de la 1 pina la 6 pentru atomii de carbon din nucleul benzenic:

Unitatea structurala fenilpropanica contine o grupa hidroxil fenolica in pozitia para (4)  fata de catena laterala si una sau doua grupe metoxil (-OCH₃) in pozitiile 3,5 ale nucleului benzenic.

In anul 1961 F. E. Brauns a definit lignina drept component chimic principal al lemnului, care in conditiile reactiei de oxidare cu nitrobenzen in mediu alcalin, la temperatura de 160 ^oC, conduce la formarea unui amestec de trei aldehide aromatice: aldehida vanilica (vanilina), aldehida siringica si p-hidroxibenzaldehida:

Produsul principal care se obtine la oxidarea ligninei coniferelor este vanilina, pe cind la oxidarea ligninei foioaselor rezulta un amestec binar de vanilina si aldehida siringica. Din lignina plantelor anuale se formeaza un amestec ternar de vanilina, aldehida siringica si p-hidroxibenzaldehida.

O definitie mai noua, propusa de K.V.Sarcanen si C.Ludwig arata ca lignina este un polimer natural care rezulta prin polimerizarea initiata enzimatic a trei precursori principali, si anume: a alcoolului coniferilic, alcoolului sinapic si alcoolului cumarilic.

In prezent, prin notiunea de lignina majoritatea cercetatorilor subinteleg o substanta organica macromoleculara cu structura amorfa, care in prezenta acizilor nu hidrolizeaza si care este constituita dintr-un numar de unitati fenilpropanice, mai mult sau mai putin metoxilate, reunite intre ele prin legaturi eterice si legaturi carbon-carbon.

La alcatuirea denumirii diferitelor tipuri de lignina s-a adoptat o nomenclatura conventionala, care se bazeaza pe doua criterii de baza:

denumirea ligninei trebuie sa indice procedeul sau reactivul folosit la extragerea ei din lemn;

denumirea ligninei trebuie sa mentioneze specia de material lemnos din care a fost extrasa.

De exemplu, atribuirea unei denumiri ca lignina clorhidrica de pin denota ca ea s-a obtinut prin tratarea lemnului de pin cu acid clorhidric, in timp ce denumirea de lignina disulfitica de molid arata ca aceasta s-a obtinut prin tratarea lemnului de molid cu solutie de disulfit de sodiu, amoniu, calciu sau magneziu.

Protolignina reprezinta o denumire conventionala atribuita ligninei nemodificate, adica sub forma ei naturala din plante, in care se gaseste de fapt intim asociata cu celuloza sau alte polizaharide.

1. Modul de legare a ligninei cu hidratii de carbon

Pina in prezent exista mai multe ipoteze despre natura si modul de legare a ligninei cu polizaharidele din lemn si anume:

ipoteza legarii mecanice;

ipoteza legarii chimice;

ipoteza legarii fizico-chimice.

Conform ipotezei legarii mecanice lignina, fiind o substanta de incrustare, nu se leaga chimic cu ceilalti componenti principali ai lemnului. In favoarea ei pot servi argumentele:

celuloza extrasa din lemn prezinta proprietati similare cu celuloza din bumbac;

lemnul are aceeasi röentgenograma ca si celuloza din bumbac;

dupa indepartarea celulozei si a hemicelulozelor prin hidroliza acida, lignina isi mentine structura fizica.

In concordanta cu ipoteza legarii chimice, lignina este o substanta legata chimic de ceilalti componenti ai lemnului. Ea a fost motivata printr-o serie de argumente experimentale:

celuloza nu poate fi extrasa din lemn cu solutie cupro-amoniacala fara un tratament acid prealabil, care sa scindeze legaturile chimice si sa favorizeze in final extragerea si dizolvarea acesteia;

lignina, desi poseda numeroase grupe functionale polare, nu se dizolva atunci cind rumegusul se trateaza cu alcalii diluate, de exemplu, cu solutie de hidroxid de sodiu de 5 %;

extragerea ligninei din lemn cu diferiti solventi organici este  conditionata de un tratament prealabil al rumegusului cu acid;

bacteriile care degradeaza celuloza din bumbac nu sint capabile sa atace celuloza din rumegus;

lemnul nu da coloratia albastra caracteristica cu iod in clorura de zinc (ZnCl₂ + J₂), care este un reagent chimic specific de culoare pentru celuloza.

In baza ipotezei legarii fizico-chimice, lignina si polizaharidele din lemn se leaga intre ele pe baza principiilor adsorbtiei coloidale.

Majoritatea cercetatorilor accepta totusi in ultima vreme ideea unor legaturi chimice reale intre lignina si polizaharidele din lemn, care ar duce la formarea unor compusi denumiti complecsi ligno-polizaharidici. Cercetarile demonstreaza ca un asemenea complex consta din oligomeri polizaharidici avind gradul mediu de polimerizare ~18, legati chimic cu moleculele mai simple de lignina, care au o masa moleculara de cca. 3500. Principalele tipuri de legaturi chimice posibile in complecsii ligno-polizaharidici ar fi de fapt cele patru, dupa cum urmeaza:

legaturi benzil-eterice. Sint niste legaturi eterice care se pot forma cu participarea grupei hidroxil din pozitia a a unitatii fenilpropanice (grupa hidroxil benzilica) si grupele alcoolice libere ale polizaharidelor, predominant a hemicelulozelor:

Asemenea legaturi hidrolizeaza usor in prezenta acizilor, dar sint stabile la hidroliza alcalina.

legaturi acetalice sau cetalice. Sint legaturi semiacetalice, acetalice sau cetalice care se formeaza cu participarea grupelor carbonil din unitatile fenilpropanice si grupele hidroxil alcoolice din moleculele polizaharidelor:

Aceste legaturi de asemenea se desfac la hidroliza acida.

legaturi fenilglicozidice. Acest tip de legaturi se formeaza cu implicarea grupei semiacetalice (glicozidice) din molecula polizaharidei si grupei hidroxil fenolice libere a unitatii fenilpropanice din lignina:

legaturi estere. Sint legaturi estere care apar la interactiunea grupelor hidroxil benzilice (din  pozitia a) cu grupele carboxil libere a acizilor poliuronici din unele hemiceluloze (glucuronxilani si alte poliuronide ale membranei celulare vegetale):

Aceste legaturi estere hidrolizeaza usor chiar in solutii slab alcaline.

Concomitent cu acestea si alte legaturi chimice, sint importante si legaturile de hidrogen, existenta carora in lignina a fost confirmata prin cercetarile spectrale ale ligninei in IR. In acelasi timp se cere de precizat, ca la momentul de fata au fost aduse numai dovezi indirecte despre existenta tuturor legaturilor chimice mentionate anterior. De fapt legaturile ligninei cu hidratii de carbon sint foarte variate. In procesul de lignificare polizaharidele se leaga cu lignina in toate cele trei directii spatiale la intimplare. Din aceasta cauza peretele celular prezinta un polimer cu structura spatiala de felul: celuloza - lignina - hemiceluloze - lignina - poliuronide.

Studiind stabilitatea, dimensiunile si forma macromoleculelor ligno-polizaharidice, Brownell arata ca legaturile chimice dintre lignina si hidratii de carbon se mentin in general in mediu alcalin pina la 100 ^oC. Tot el mai specifica faptul ca legaturile estere nu rezista la actiunea alcaliilor, iar legaturile acetalice nu sint stabile la actiunea acizilor.

2. Biosinteza ligninei

Lignina nu se formeaza in plante concomitent cu hidratii de carbon ci, probabil treptat, pe masura lignificarii tesuturilor vegetale. Astfel, s-a constatat ca odata cu cresterea virstei arborelui, continutul de cenusa, acizi uronici, substante extractibile cu apa si solventi organici se micsoreaza, iar continutul de celuloza, lignina si grupe metoxil creste. Perioada de lignificare coincide cu perioada de crestere esentiala si disparitia culorii verzi din plante. In lemn procesul de lignificare are loc concomitent cu maturizarea celulei vegetale lemnoase, aceasta producindu-se de regula dupa cca. doi ani. In cel de-al doilea an, in celula vegetala se formeaza mai multa lignina decit hidrati de carbon, tesuturile vegetale tinere fiind astfel mai putin lignificate.

Procesul de lignificare a tesuturilor vegetale este ireversibil. Lignina odata depozitata in membrana celulara vegetala nu mai participa la metabolismul plantei. Celula vegetala isi pierde astfel viata si lignina indeplineste din acest moment functia de agent de consolidare mecanica si de protector impotriva turgescentei plantei.

Formarea ligninei are loc in membrana celulara vegetala mai intii in peretele ei primar.

Lignina care se contine in diferitele parti ale celulei lemnoase se deosebeste calitativ de la o zona celulara la alta. K. Freudenberg denumeste lignina din lamela mediana drept lignina formata, iar lignina din peretii celulari drept lignina neformata si face distinctie intre ele, in functie de continutul de grupe metoxil si de solubilitate, prima fiind mai putin solubila decit cea de a doua. Lignina neformata din peretii celulari ar constitui de fapt o lignina nematurizata, fiind un produs intermediar in procesul de lignificare a lemnului. Cind se efectueaza determinarea cantitativa a ligninei insa, nu se face nici un fel de distinctie intre lignina formata si cea neformata, ci se analizeaza lignina globala extrasa ca atare din lemn.

In ultima perioada de timp s-au inregistrat progrese considerabile in domeniul chimiei ligninei. Dar necatind la aceasta, mai exista inca diverse puncte de vedere asupra precursorilor, mai ales, a surselor de formare a ligninei in lemn. Totusi cercetatorii disting, astazi, trei etape principale in procesul de biosinteza a ligninei:

1)     Formarea, respectiv biosinteza, hidratilor de carbon prin fotosinteza;

2)     Ciclizarea si aromatizarea hidratilor de carbon, cu formarea unor elemente primare care au o structura fenolica, denumite si monomeri fenolici precursori;

3)     Polimerizarea monomerilor fenolici precursori cu formarea polimerului de natura aromatica si a ligninei.

Asadar, lignificarea este o ilustrare a celui mai general fenomen de aromatizare, adica de conversie in celulele vii a precursorilor nearomatici in compusi care contin cicluri de tip benzenic.

Ansamblul transformarilor care conduc la formarea ligninei din hidrati de carbon se poate reprezenta schematic astfel:

Rolul esential la sinteza in vivo a ligninei apartine actiunei permanente a sistemelor enzimatice din tesuturile meristimatice, in particular, zonelor cambiale.

Multe din mecanismele de biosinteza in vivo a ligninei au fost urmarite prin transformari ale oxidului de carbon (IV) si ale hidratilor de carbon, marcati cu izotopi radioactivi (*C¹⁴). In forma generala aceste transformari pot fi prezentate:

In cele ce urmeaza prezentam mai detaliat ultimele doua etape ale biosintezei ligninei din lemn. Penultima etapa este procesul de ciclizare si aromatizare a hidratilor de carbon. Se considera ca ea se realizeaza prin doua faze:

1.     Formarea acidului shikimic. Acidul schikimic reprezinta un produs intermediar raspindit foarte larg in lumea plantelor superioare, in particular, la speciile de conifere;

2.     Transformarea acidului shikimic in diferiti monomeri fenolici. Acestea din urma se considera precursori in procesul ulterior de formare a ligninei.

Acidul shikimic se formeaza in plantele lemnoase din D glucoza printr-un proces de glicoliza si fosforilare datorat unor bacterii, care conduce la formarea a doua substante de baza: acidului 2-fosfoenolpiruvic (Ac. 2-FEP) si eritrozo-4-fosfatului (E-4-F). Aceste doua substante condenseaza, iar apoi produsul de condensare sufera o ciclizare si se transforma in acid 5 dehidroquinic (ADHQ):

Referat: Diviziunea celulei si ereditatea Referat: Ecosistemul

Acidul 5-dehidroquinic (ADHQ) se poate transforma mai departe reversibil in acid quinic (AQ) si respectiv in acid shikimic (AS):

Acidul quinic are o raspindire foarte larga in plantele superioare. De rind cu acidul shikimic, el are un rol important in biosinteza unor monomeri fenolici cu structura C₆ - C₃ sau C₆ - C₁, in care apar doua sau trei grupe fenolice in pozitiile orto-, cum ar fi acidul protocatehic si acidul galic.

A doua etapa, principala, este cea de transformare a acidului shikimic in derivati monomeri fenolici: acidul  galic, acidul protocatehic, fenilalanina, L-tirozina, acizii para-cumaric, cafeic, ferulic, sinapic etc. Prezentam schematic unele dintre aceste transformari:

Este cunoscut astazi faptul, ca toate plantele au capacitatea de a incorpora fenilalanina in verigile aromatice ale ligninei. Dintre toti monomerii fenilpropanici indicati anterior, acizii p-cumaric, ferulic si sinapic, pot fi transformati, prin reducere enzimatica, in aldehide si apoi in alcooli corespunzatori. Acesti alcooli, la rindul lor, participa mai departe, prin polimerizare, la biosinteza ligninei:

Tinind cont de cele specificate mai sus, rezulta ca fenilalanina, acizii cumaric, ferulic si sinapic reprezinta monomerii fenilpropanici de baza, care servesc drept precursori in etapele imediat premergatoare de biosinteza a ligninei in plante. Acesti monomeri fenilpropanici au un rol fiziologic important in viata plantelor, mai ales in functia de respiratie, adica de transport a hidrogenului. La plantele superioare in faza postmortala, dupa terminarea functiei de catalizatori ai respiratiei, monomerii fenilpropanici trec in lignina pe seama reactiilor de dehidrogenare, condensare si polimerizare.

Ultima etapa a procesului de biosinteza a ligninei, cea de polimerizare a monomerilor fenolici, a fost elucidata prin diferite cai de biosinteza in afara organismului vegetal, adica prin asa numita sinteza in vitro.

In anul 1922, P. Klason arata ca alcoolul coniferilic sintetizat de partile verzi ale plantelor, formeaza cu glucoza o glicozida numita coniferina, care este transportata si patrunde impreuna cu hidratii de carbon in seva cambiala:

In seva cambiala au fost identificate si enzime cu rol de oxidanti, denumite oxidaze. Acestea sint capabile sa transforme coniferina in alcool coniferilic si glucoza. Ulterior a fost emisa ipoteza oxidarii enzimatice a alcoolului coniferilic in alcool b hidroxiconiferilic. Acesta din urma este capabil sa polimerizeze si sa condenseze, formind mai usor lignina:

Aceasta ipoteza a dus la concluzia, ca prima faza de biosinteza a ligninei din coniferina in tesuturile vegetale o constituie oxidarea enzimatica a alcoolului coniferilic.

K. Freudenberg a contribuit in mod hotaritor, prin cercetarile sale, la elucidarea modului de biosinteza a ligninei. El a propus mecanismul radicalic a reactiei de polimerizare a alcoolului coniferilic in solutie alcoolica, sub actiunea unor enzime specifice, cum ar fi lacaza si peroxidaza, denumite generic dehidrogenaze. Sub actiunea unor astfel de enzime molecula de alcool coniferilic poate pierde atomul de hidrogen din hidroxilul fenolic, transformindu-se in patru radicali monomeri, notati cu R_a, R_b, R_g, R_s

Acesti radicali liberi mezomeri se pot transforma usor unul in altul, sint extrem de activi si exista un timp foarte scurt - mai scurt de un minut. Ei sint capabili sa initieze mai departe reactii de dehidrogenare ale unor noi molecule de alcool coniferilic, sau sa se cupleze intre ei doi cite doi si sa formeze dimeri sau dilignoli. Astfel, daca un radical R_b se cupleaza cu un radical R_a, atunci poate rezulta o combinatie chimica care se numeste structura chinon-metidica. Aceasta tot este substanta instabila, avind durata de viata de numai doua ore. Prin aditia apei ea formeaza un dimer, sau un dilignol, numit eter guaiacil-gliceril-b-coniferilic:

Daca se cupleaza un radical R_b cu un radical R_g, atunci se poate forma, tot prin intermediul unei structuri chinon-metidice, dimerul sau dulignolul numit alcool dehidro-diconiferilic:

Acest tip de legatura ciclica intre cele doua unitati fenilpropanice mai poarta denumirea de legatura fenil-cumaranica.

Prin cuplarea a doi radicali R_b intre ei se poate forma, tot prin intermediul unei structuri chinon-metidice, un dimer sau un dilignol denumit DL-pinorezinol:

Acesti trei dilignoli sint cel mai des intilniti in formulele de structura chimica a ligninei. Din cei patru radicali mezomeri se pot forma practic prin combinare reciproca un numar de cca. 11 dilignoli.

La rindul lor, prin eliminarea unui atom de hidrogen din grupa hidroxil fenolica, dilignolii se pot transforma si ei in radicali mezomeri ai dilignolilor. Si acestea sint foarte reactivi, avind durate mici de existenta. Ei pot ataca alte molecule de alcool coniferilic sau pot reactiona cu radicalii simpli R_a, R_b, R_g, R_s, formind astfel trimeri, sau trilignoli. Radicalii dilignolilor se mai pot cupla pur si simplu unii cu altii, doi cite doi, formindu-se in acest mod tetrameri sau tetralignoli.

La rindul lor, trilignolii pot suferi si ei un proces de dehidrogenare enzimatica similara. Trilignolii se vor transforma in radicali mezomeri de trilignoli. Ei ca si ceilalti radicali au o durata scurta de viata si sint foarte reactivi. Radicalii de trilignoli pot interactiona cu moleculele alcoolului coniferilic sau se pot cupla cu radicalii simpli R_a, R_b, R_g, R_s formind tetrameri sau tetralignoli.

Tetralignolii, la rindul lor, pot suferi aceleasi transformari de dehidrogenare si reactii de cuplare cu radicalii simpli, cu dilignoli si trilignoli, rezultind astfel oligomeri sau oligolignoli superiori, numiti in mod corespunzator: pentalignoli, hexalignoli, heptalignoli s.a.m.d., adica polimeri sau polilignoli, respectiv lignina.

Procese asemanatoare au loc si in cazul ligninei din foioase, in care alaturi de alcool coniferilic se gasesc cantitati insemnate de alcool sinapilic sau alcool p-cumarilic.

Pornind de la aceste considerente de baza, K. Freudenberg a elaborat principiile de dezvoltare a catenei macromoleculare de lignina:

1.     La fiecare patru unitati elementare de structura fenilpropanice (C₆ - C₃), care se cupleaza prin dehidrogenare cu pierderea atomului de hidrogen, se formeaza o legatura C-C sau C O pe seama aditiei sau polimerizarii, dar fara pierderi de hidrogen;

2.     Rolul cheie in asigurarea cresterii moleculelor de dehidropolimeri (DHP) il detine dilignolul chinon-metidic, care cu o noua molecula de alcool coniferilic faciliteaza formarea trilignolilor, tetra-, penta-, polilignolilor;

3.     Simultan are loc si procesul de polimerizare a p-chinon-metidelor, care genereaza astfel legaturile benzil-aril-eterice;

4.     Sub actiunea indelungata a mediilor slab acide, generate de prezenta sevei din tesuturi, are loc o regrupare a eterilor benzilarilici cu constituirea derivatilor de difenilmetan.

3. Structura chimica a ligninei

Structura chimica a ligninei s-a dovedit a fi foarte complicata, de multe ori ea fiind comparata cu cea a materialelor plastice fenol-formaldehidice. In prezent inca nu se poate vorbi despre o formula de structura pe deplin argumentata. Si totusi, au fost propuse diverse formule: unele dintre ele sint destul de complicate si nesistematizate, altele au la baza monomeri fenilpropanici, care prin condensare in diferite moduri compun molecula de lignina.

Datele analizei chimice elementale (lignina are un continut de carbon mult mai mare - 60 66 % decit celuloza - 44,4 %), studiul grupelor functionale, a produselor de degradare, mai ales, determinarile spectrale (coeficientul de refractie are valoarea 1,61 caracteristic compusilor aromatici; cercetarile spectrale in IR si UV care au inregistrat benzile caracteristice ale nucleului aromatic) demonstreaza ca lignina este, desigur, o substanta cu structura predominant aromatica. Mai mult, macromolecula de lignina s-a dovedit a fi constituita din monomeri de tip fenilpropanic, cu un continut variabil de grupe metoxilice. Unitatea structurala fenilpropanica a ligninei are nucleul benzenic si o serie de grupe functionale caracteristice: grupa metoxil, grupa hidroxil, grupa carbonil, legatura dubla.

a.     Grupa metoxil OCH₃). Este cea mai caracteristica grupare functionala a ligninei. Continutul de grupe metoxil depinde atit de metoda folosita la extragerea ligninei, cit si de specia lemnoasa din care aceasta provine. Ligninele speciilor de foioase au un continut mai mare de grupe metoxil decit ligninele speciilor de conifere. Cele mai probabile valori pentru continutul de grupe metoxil in ligninele extrase din lemnul coniferelor sint cuprinse intre 14-16% si 17-22 % in cazul ligninei de foioase. In general, se admite ca in ligninele native apare cite o singura grupa metoxil la 10 atomi de carbon, adica la o unitate fenilpropanica.

Radicalul metil (-CH₃) din grupele metoxil ale ligninei apare numai la grupele hidroxil fenolice din nucleul benzenic si nu la grupele hidroxil alcoolice ale catenei laterale propanice. Grupele metoxil sint legate de nucleul benzenic numai in pozitiile meta- fata de catena laterala.

b.     Grupa hidroxil ( OH). In unitatea fenilpropanica din lignina se disting doua tipuri de grupe hidroxil si anume:

grupe hidroxil de natura alcoolica; 

grupe hidroxil de natura fenolica.

Cele de natura alcoolica care la rindul lor pot fi primare, secundare sau tertiare, sint prezente numai in catena laterala  propanica. Proportia lor se considera de cca. 80-90 % din numarul total de grupe hidroxil. Cele de natura fenolica reprezinta, respectiv 10-20 %.

Toate datele experimentale au dovedit ca la tratarea ligninei cu diazometan (CH₂N₂) reactioneaza numai grupele hidroxil fenolice si enolice, iar la tratarea cu dimetilsulfat (CH₃)₂SO₄ reactioneaza numai grupele hidroxil alcoolice primare si secundare libere din catena propanica. In schimb, la tratarea ligninei cu agenti de acetilare (anhidrida acetica, clorura de acetil), reactioneaza toate grupele hidroxil alcoolice si fenolice libere din lignina. Din cauza asta continutul global de grupe hidroxil in lignina este determinat, cel mai des, prin metoda de acetilare:

R-OH + (CH₃CO)₂O R-OCOCH₃ + CH₃COOH

Pentru diverse preparate de lignina continutul total de grupe hidroxil s-a dovedit a fi in mediu de 9 - 11 %. Cercetind lignina extrasa din brad, Björkman a stabilit ca la fiecare unitate fenil-propanica C₆ - C₃ revine 0,3 mol grupe hidroxil fenolice si cca. 0,9 grupe hidroxil alcoolice. Conform determinarilor lui K. Freudenberg, grupele hidroxil alcoolice din catena laterala a unitatii fenil-propanice in majoritatea sa sint primare si partial secundare. Cele tertiare se intilnesc mult mai rar. Din cei 0,9 mol de grupe hidroxil alcoolice, cele primare -CH₂OH din pozitia g au cea mai mare pondere. Cca. 0,2 mol prezinta grupele hidroxil secundare (-CHOH-) din pozitia a. In pozitia b, probabil, sint plasate mult mai rar grupele alcoolice.

Dintre grupele hidroxil alcoolice ale ligninei cele din pozitia a se deosebesc prin reactivitatea sa sporita. Din cauza asta ele au un rol important intr-o serie de reactii ale ligninei (de exemplu, reactia de sulfonare in procesul sulfit de fierbere a lemnului). Deosebit de active ele sint atunci cind in pozitia para- este prezenta grupa hidroxil fenolica libera. Aceasta activitate sporita se explica prin posibilitatea formarii produsului intermediar activ - chinon-metidic:

c.      Grupa carbonil (>C=O) Existenta ei in lignina se bazeaza pe cercetarile spectrale in IR care au evidentiat benzile caracteristice ale grupei carbonil si pe unele reactii chimice specifice pentru grupele aldehidice sau cetonice:

lignina da reactii de condensare cu hidroxilamina, hidrazina si fenilhidrazina;

lignina este capabila sa reduca reactivul Fehling;

da reactii de culoare specifice, care se datoreaza grupei de tip aldehida din aldehida coniferilica.

Grupele carbonil din lignina pot sa apara si sa dispara in urma diferitelor tratamente chimice sau sa participe la formarea legaturilor chimice ale ligninei cu ceilalti componenti din peretii celulelor vegetale. Continutul de grupe carbonil din lignina este mult mai scazut de cit cel al grupelor hidroxil. El variaza intre 1-6 %, ceea ce corespunde la cca. 0,1-0,2 grupe carbonil pe o unitate fenilpropanica. Pozitia grupei carbonil poate fi in g (grupa aldehidica) sau in a si b (grupa cetonica). Pentru lignina extrasa din rumegusul de lemn in stare fin macinata (lignina Brauns) au fost depistate 0,21 mol grupe carbonil la o unitate fenil-propanica. Aceste grupe se repartizeaza pe catena laterala in modul ce urmeaza: 0,04 mol grupe aldehidice ale aldehidei coniferilice la o unitate fenil-propanica. Celelalte grupe carbonil (cca. 0,17 mol grupe pe unitatea fenil-propanica) sint cetonice plasindu-se in pozitia g (0,07 mol) si in pozitia b (0,1 mol).

d.     Legatura dubla. Prezenta legaturilor duble in lignina este confirmata de o serie de reactii chimice specifice de aditie a halogenilor, a acidului sulfuros, reactia cu tetraacetatul de plumb si cu anhidrida maleica. Legaturile duble sint prezente in cantitati mici si ele apar numai in catena laterala propanica. De regula, o grupare etilenica revine la 70-80 atomi de carbon. Desi se admite existenta in lignina a legaturilor etilenice, totusi nu s-a putut stabili cu certitudine pina in prezent, daca acestea exista ca atare in protolignina sau ele se formeaza prin reactii de deshidratare a unor alcooli nestabili in timpul izolarii ligninei.

e.     Nucleul aromatic este o alta grupa functionala caracteristica unitatii fenilpropanice din lignina, care confera acesteia un caracter aromatic pronuntat. Prezenta lui si respectiv natura aromatica a ligninei este confirmata prin indicele mare de refractie, spectrele de absorbtie in IR si UV, precum si natura produselor care rezulta in urma reactiilor de topire alcalina, metilare, oxidare sau de distilare uscata.

Proprietati fizice

Proprietatile fizice ale preparatelor de lignina difera in functie de metoda care a stat la baza separarii lor si de specia lemnoasa din care au fost extrase. Lignina nativa, probabil, este incolora sau de culoare deschisa. Lignina izolata fara tratament acid (de exemplu, lignina Brauns) prezinta o pulbere de culoare roz-deschisa. Prin procedeele acide se obtin preparate de lignina de culoare inchisa, de regula brun spre negru. Ele sint produse de natura amorfa si isi mentin structura morfologica sub forma in care au fost sintetizate in tesuturile vegetale.

Lignina periodat, nitroligninele, iar in unele conditii chiar acizii lignosulfonici, prezinta culori foarte frumoase, care variaza de la galben-oranj spre rosu-brun si care prin evaporare tind sa capete insusiri cristaline.

Solubilitatea preparatelor de lignina depinde, de asemenea, de metoda utilizata pentru izolarea lor. Astfel, ligninele extrase prin procedeele acide (lignina sulfurica, hidrolitica, cupruamoniacala, clorhidrica) sint solubile in etanol, acetona, eter, solutii disulfitice si  alcaline la cald. Ligninele extrase cu solventi organici, ca de exemplu: etanol-lignina, fenol-lignina, dioxan-lignina sint solubile in dizolvanti organici specifici, sau amestecuri ale acestora, precum si in solutii alcaline. Singura lignina solubila in apa, datorita prezentei grupelor sulfonice, pare a fi preparatul izolat din lesiile disulfitice.

Densitatea preparatelor de lignina variaza de la 1,25 pina la 1,45 g/cm³. Indicele de refractie a ligninei, n, are valoarea 1,61, ceea ce reprezinta inca o dovada in plus asupra naturii aromatice a ligninei. Cercetarile spectrale cu raze X si studiile proprietatilor termoplastice ale ligninei au demonstrat ca ea este un polimer amorf. Cu toate ca are atomi de carbon asimetrici, lignina prezinta o substanta fara activitate optica. Solubilitatea redusa a ligninei se explica prin faptul ca este un polimer cu structura tridimensionala. Preparatele ligninei solubile in dizolvanti organici au proprietati termoplastice, cele insolubile nu se topesc dar se descompun. Ca si toti polimerii, ligninele nu au temperaturi de topire distincte, ele se inmoaie treptat intr-un interval de temperatura larg - de la 125 pina la 255 ^oC.

5. Proprietati chimice

Reactivitatea chimica a ligninelor constituie si in prezent una din problemele fundamentale ale cercetarii stiintifice din domeniul chimiei lemnului. Se considera, ca sint posibile doua tipuri principale de reactii:

Reactii nucleofile;

Reactii de substitutie electrofila aromatica.

Reactiile nucleofile ale ligninei au loc in principal in procesele sulfit si sulfat de fierbere a lemnului pentru obtinerea celulozelor industriale, in timp ce reactiile de substitutie electrofila aromatica sint caracteristice proceselor de nitrare, clorurare, sulfonare si condensare. In cele ce urmeaza vor fi prezentate reactiile chimice specifice care au furnizat cele mai pretioase informatii asupra structurii chimice a ligninei.

Reactii de culoare

Lignina da numeroase reactii de culoare. Ele sint cunoscute si au fost utilizate inca din secolul trecut pentru identificarea ligninei din tesuturi si celule vegetale. Astazi este stabilit cu certitudine faptul ca reactiile de culoare ale tesuturilor lignificate sint cauzate de prezenta ligninei si nu altor componenti chimici ai lemnului. Dintre reactiile de culoare ale ligninei, cele mai cunoscute sint reactiile cu fenolii si aminele aromatice. Pe linga acestea, lignina da reactii caracteristice de culoare si cu alcooli sau compusi heterociclici, precum si cu acizi minerali.

Reactii de culoare cu fenolii

Lignina da reactii de culoare caracteristice cu o serie de mono- si polifenoli: fenolul, cresolii, naftolii, aminofenolii, nitrofenolii (tabelul 2).

Tabelul 2. Coloratii ale ligninei ce se obtin la reactia cu fenolii in prezenta acidului clorhidric dupa F. E. Brauns

Dintre reactiile de culoare ale ligninei cu fenolii, cea mai caracteristica este reactia cu floroglucinol, cunoscuta sub denumirea de reactie Wiesner. Aceasta reactie este pozitiva numai pentru lignina din lamela mediana si peretele primar al membranei celulare vegetale. Din studiul acestei reactii s-a constatat ca alcoolul coniferilic nu da reactia Wiesner, in schimb aldehida coniferilica reactioneaza cu floroglucinolul printr-o reactie de condensare:

Reactia Wiesner poate fi data si de aldehida a hidroxiconiferilica, intrucit sub actiunea acizilor minerali aceasta se deshidrateaza formind aldehida coniferilica:

Lignina sau lemnul metilat in prealabil, nu dau reactii de culoare cu fenolii. Lignina disulfitica nu da decit o coloratie foarte slaba cu floroglucinolul, in schimb acizii lignosulfonici, daca sint tratati cu alcalii, dau o culoare la fel de intensa ca si lignina nativa.

Reactii de culoare cu amine aromatice

Lignina nativa, precum si unele tipuri de lignina extrase dau reactii de culoare caracteristice cu un numar mare de amine aromatice, acestea fiind conditionate de prezenta aldehidei coniferilice nemodificata. Ele au fost utilizate in special ca metode de identificare in botanica sau in prelucrarea celulozei. La reactii de culoare in acest caz participa numai aminele primare si secundare. Aminele acetilate nu reactioneaza cu lignina. La tratarea tesuturilor lemnoase cu aminele aromatice se obtin coloratii specifice (tabelul 3)

Tabelul 3. Coloratii ale ligninei ce se obtin la reactia cu amine aromatice

Aldehida coniferilica reactioneaza cu anilina in mediul acid, formindu-se un produs de condensare:

Reactii de culoare cu alcoolii

Prin tratarea lemnului cu o solutie de alcool in prezenta acidului clorhidric se obtin coloratii specifice. Aceste reactii dau rezultate diferentiate pe diferite zone ale lemnului. Astfel, intr-o sectiune transversala prin lemn, intensitatea culorii obtinute la tratarea acestuia cu alcool descreste puternic de la periferie spre centru. Reactiile de culoare ale ligninei cu alcooli in mediu acid sint de fapt reactii de condensare a ligninei cu taninurile catehinice existente in lemn. Aceste reactii sint catalizate de acizi minerali, alcoolul avind in acest caz rolul de a dizolva taninurile.

Reactii de culoare cu compusi heterociclici

Lignina da reactii de culoare specifice cu foarte multi compusi heterociclici in prezenta acizilor minerali (tabelul 4).

Tabelul  Coloratii ale ligninei ce se obtin la reactia cu compusi heterociclici dupa F.E. Brauns

Reactii de culoare cu acizii minerali

Acidul clorhidric concentrat actioneaza asupra lemnului producind o coloratie galbena. Dupa un timp aceasta trece in verde, iar in final lemnul prezinta o culoare negru-brun. Reactii de culoare specifice apar si in cazul utilizarii altor acizi minerali, cum ar fi: acidul azotic, acizii molibdenici si wolframici. Reactiile ligninei cu acizii se caracterizeaza in general prin modificarea culorii in timp, ceea ce sugereaza de fapt formarea mai multor compusi colorati in timpul tratamentului.

Reactia Mäule

Reactia Mäule este o reactie de culoare mai putin specifica, dar adesea folosita. Conform acestei reactii, tesuturile vegetale, imersate succesiv in solutie de KMnO₄ de 1 %, spalate apoi cu acid clorhidric diluat si tratate in final cu o solutie diluata de amoniac, dau o coloratie rosie in cazul ligninei de foioase. Lignina din lemnul de rasinoase se coloreaza in brun deschis, necaracteristic.

Reactii de oxidare

Una dintre cele mai uzuale metode, folosita pentru elucidarea structurii chimice a ligninei, este reactia de oxidare a acesteia cu diferiti agenti oxidanti. Produsele reactiei de oxidare a ligninei sint destul de variate. Tipul lor difera in functie de natura agentului oxidant si de conditiile de reactie folosite.

In functie de pH-ul mediului, reactiile de oxidare a ligninei pot avea loc:

In mediul alcalin;

In mediul neutru;

In mediul acid.

Reactiile de oxidare in mediul alcalin au loc cu nitrobenzen, oxizi metalici, oxigen molecular, permanganat de potasiu, hidroxid de cupru etc. In mediu neutru se trateaza cu permanganat de potasiu si ozon. Reactiile de oxidare in mediu acid au loc cu hipoclorit de sodiu (NaClO), dioxid de clor (ClO₂) si clorit de sodiu (NaClO₂).

Reactii de oxidare in mediul alcalin

Prin oxidarea ligninei in mediul alcalin cu nitrobenzen, s-a constatat ca cca. 75 % din macromolecula de lignina se transforma in trei aldehide aromatice de baza, si anume:

Aceasta reactie tipica de oxidare demonstreaza, cu prisosinta, faptul ca lignina este alcatuita din unitati fenilpropanice cu diverse grade de metoxilare. Mai mult ca atit, ea caracterizeaza gradul de condensare a ligninelor din diverse specii lemnoase in functie de randamentele de vanilina. De exemplu, prin oxidarea ligninei dintr-un lemn de molid se obtine cca. 19,1 % vanilina, iar dintr-o lignina din lemn de plop rezulta cca. 12,4 % vanilina si cca. 30 % aldehida siringica.

La oxidarea ligninei tot in mediul alcalin, dar in conditii de temperatura ridicata, presiune si in prezenta unor oxizi metalici (CuO, HgO, Ag₂O, CoO) drept catalizatori, se pot obtine aldehide aromatice, acizi aromatici sau amestecurile lor. Produsul principal al reactiei de oxidare a ligninei cu Ag₂O este acidul vanilic, alaturi de cantitati variabile de vanilina.

Oxidarea ligninei cu apa oxigenata (H₂O₂) si peroxid de sodiu (Na₂O₂) in mediu alcalin este un procedeu utilizat in industrie pentru albirea celulozelor chimice si decolorarea suprafetelor lemnoase. Agentul de albire actioneaza selectiv asupra grupelor cromofore din lignina, pe care, fie ca le blocheaza, fie ca le distruge.

Reactii de oxidare in mediul neutru

Oxidarea lemnului sau a ligninei in mediul neutru cu ozon (O₃), conduce la formarea unui amestec din: CO₂, HOOC-COOH (acid oxalic), CH₃COOH (acid acetic) si H-COOH (acid formic), produse de oxidare avansata, printre care predomina acidul oxalic. Dupa cum a demonstrat D. V. Tiscenko, la ozonarea ligninei in mediul unor solventi organici (acetat de etil), din diverse lignine se formeaza triozonide cu randament, care corespunde schemei de reactie:

Randamentul teoretic conform acestei scheme trebuie sa fie 180 %. Randamentul practic a fost de 176 - 180 %. Aceasta confirma odata in plus ca lignina este constituita din unitati fenilpropanice.

Daca se metileaza in prealabil lignina sau lemnul ca atare si apoi se oxideaza cu KMnO₄ in mediu neutru, se obtine diferentiat, in functie de specia lemnoasa utilizata, un amestec format din:

Formarea acizilor izohemipinic si metahemipinic a condus de altfel la ipoteza existentei legaturilor carbon - carbon (C-C) intre unitatile fenilpropanice ale ligninei.

Reactii de oxidare in mediul acid

Oxidarea cu hipoclorit de sodiu (NaClO), dioxid de clor (ClO₂) si clorit de sodiu (NaClO₂) se aplica curent in procesele de albire a celulozelor tehnice. Hipocloritul de sodiu si cloritul de sodiu actioneaza concomitent ca agenti oxidanti si ca agenti de clorurare asupra unitatilor fenilpropanice din lignina, care contin grupe hidroxil fenolice libere degradind treptat, unitate cu unitate, intreaga macromolecula de lignina.

Din cele prezentate despre reactiile de oxidare se poate afirma ca oxidarea ligninei in mediul acid si neutru, conduce la formarea unor produse de descompunere avansata, respectiv pina la acizi alifatici mono- si dicarboxilici, in timp ce oxidarea in mediul alcalin favorizeaza mai curind formarea unor produse de degradare moderata, care isi pastreaza nucleele aromatice.

Reactii de hidrogenare

Hidrogenarea catalitica a lemnului sau a ligninei s-a efectuat cu scopul obtinerii unor produse lichide cu masa moleculara mica, dar cu valoare chimica sau energetica ridicata. Aplicata la lignina, reactia de hidrogenare conduce la scindarea moleculei in fragmente moleculare mai mici si, deci, are caracter destructiv. Produsele acestei reactii, care se mai numeste hidrogenoliza, au natura diferita si se numesc hidrol-lignine. Din asemenea produse s-au separat trei monomeri fenilpropanici:

si trei derivati feniletanici:

Hidrogenoliza ligninelor in conditii dure determina formarea unui spectru mult mai larg de produse monomere de tipul: C₆ - C₃ (cca. 25 %), C₆ - C₂, C₆ - C₁ si chiar C₆, cu predominarea alcoolului dihidroconiferilic in cazul ligninelor de conifere, sau a alcoolului dihidrosinapic in cazul ligninelor de foioase.

De mentionat, ca din toate reactiile chimice, reactiile de hidrogenare au fost cele mai utile pentru elucidarea structurii chimice a ligninei. Pe linga importanta teoretica e necesar de subliniat consecintele practice deosebite pe care le-ar putea avea "lichefierea" ligninelor prin hidrogenoliza in vederea obtinerii unor combustibili lichizi sau a unor monofenoli. Literatura de specialitate ofera deja unele informatii deosebit de utile in acest sens. Problema fundamentala ramine: gasirea unor sisteme catalitice potrivite, care sa creasca mai mult randamentele si economicitatea acestor procese de hidrogenoliza a ligninelor.

Reactii de nitrare

Ca agenti principali de nitrare a ligninei in prezent se folosesc: amestecul nitrant (HNO₃ + H₂SO₄), amestecul din HNO₃ si CH₃COOH, solutiile apoase de HNO₃ si altele. Nitrarea ligninei se desfasoara asemanator cu nitrarea arenelor, cu formarea de nitrolignine. Acestea sint produse chimice solubile in solventi organici ca acetona, etanolul, dioxanul, precum in alcalii diluate si acid acetic. Ele au o culoare galbena si proprietati bune de vopsire.

Lignina se nitreaza destul de usor, ceea ce se explica prin faptul ca ea are caracter fenolic. La inceput are loc substitutia electrofila in pozitiile 5 si 6 ale nucleului benzenic:

Acesti nitroderivati mai departe se modifica prin demetilare si oxidare.

Produsele de nitrare a ligninei isi gasesc in prezent utilizarea in tehnica forajului petrolier si la fabricarea cimentului. Tratarea lemnului cu acid azotic se utilizeaza si in unele procedee de delignificare a lemnului cu scopul de a obtine celuloza. Pentru asta lemnul este incalzit in solutie diluata de acid azotic (2 - 7 %) la temperatura apropiata de cea de fierbere. Lignina in aceste conditii se nitreaza si se oxideaza iar hemicelulozele se supun hidrolizei. Produsele de descompunere a ligninei sint eliminate la tratare cu solutie diluata de hidroxid de sodiu. Rezultate bune se obtin la fierberea lemnului de foioase si a plantelor anuale.

Acest tratament se foloseste si in unele metode cantitative de determinare a continutului de celuloza in lemn (metoda Kürchner).

Reactii de halogenare

Reactia de clorurare a ligninei prezinta un mare interes practic, deoarece ea se foloseste in tehnologia albirii celulozelor, in delignificarea materialelor fibroase vegetale si la dozarea cantitativa a ligninelor din plante.

Reactia de halogenare se poate realiza prin aditie a halogenului la legaturile duble din catena laterala propanica si/sau prin substitutie fie in inelul benzenic, fie in catena laterala. In baza cercetarilor s-a constatat ca la primele etape are loc substitutia electrofila in nucleul aromatic (de natura fenolic) in pozitia 5 sau 6:

Clorurarea ligninei este insotita deseori de o serie de reactii chimice secundare, mai ales reactii de oxidare, ceea ce determina, desigur, o degradare insemnata a macromoleculei.

Cloroligninele sint produse colorate in galben deschis pina la brun. Ele au o structura amorfa, sint solubile in hidroxid de sodiu si amoniu, piridina, acetat de etil, etanol, dioxan, dimetilsulfoxid si insolubile in apa, clorura de metil, CCl₄, eter, benzen.

Preparatele de clorolignina se utilizeaza in prezent drept coloranti, pentru extragerea metalelor rare, in forajul petrolier, la fabricarea maselor plastice si a insecticidelor.

Reactii de solvoliza

Printre reactiile de solvoliza cel mai frecvent se intilnesc cele de hidroliza si alcooliza care pot fi realizate partial sau total in prezenta acizilor sau bazelor. In astfel de procese se desfac legaturile a- si b-eterice dintre unitatile fenilpropanice. Legaturile b-eterice se rup, de regula, mai rapid decit legaturile a-aril-eterice.

In procesele industriale de delignificare acida sau alcalina a lemnului, simultan cu reactiile de substitutie, eliminare si condensare au loc si reactii de solvoliza sau de destructie, realizindu-se astfel fragmentarea structurii macromoleculare a ligninei si dizolvarea acestor fractiuni cu macromolecule mai scurte. Procesul este insotit simultan de desfacerea heterolitica a legaturilor dintre lignina si polizaharidele din lemn.

Topirea alcalina

La topirea alcalina a ligninei (tratarea ligninei cu KOH de 60 - 70 % la temperaturi de 170 - 290 ^oC) are loc desfacerea atit legaturilor chimice -C - O -, cit si celor - C - C -. Se pastreaza doar inelul benzenic si legaturile lui cu carbonul si oxigenul:

Prin topirea alcalina a unei lignine de rasinoase cu hidroxid de potasiu, la 240 - 290 ^oC si in atmosfera de gaz inert se obtine un amestec format din produsele ce urmeaza:

Prin topirea alcalina a unei lignine de foioase in aceleasi conditii de reactie se obtine un amestec alcatuit din:

Cercetarile produselor reactiei de topire alcalina a ligninei ia permis lui Freudenberg sa determine pozitiile substituite si nesubstituite din nucleul benzenic al unitatii fenilpropanice.

Distilarea uscata

Prin distilarea uscata a unei lignine clorhidrice la 300 - 390 ^oC se formeaza: cca. 15 % gudroane, cca. 52 % cocs, cca. 21 % ape pirolignoase si cca. 12 % gaze necondensabile. Natura chimica a gudroanelor astfel obtinute este aproape identica cu cea a gudroanelor care se formeaza la distilarea uscata a lemnului. In asemenea gudroane au fost identificate unele hidrocarburi si derivati fenolici, iar in apele pirolignoase cantitati importante de metanol, acid acetic si multe produse de tip fenolic.

6. Extragerea ligninei din lemn

Lignina poate fi extrasa din lemn prin doua feluri de metode: chimice si biochimice. Extragerea ligninei prin metode chimice este cel mai cunoscut si folosit procedeu. Metodele chimice folosite se pot imparti in doua grupe mari: metode directe si metode indirecte.

Metodele directe de extragere a ligninei

Aceste metode se bazeaza pe dizolvarea si respectiv indepartarea hidratilor de carbon din lemn prin hidroliza, lignina raminind in acest caz sub forma unui reziduu solid. Ligninele astfel obtinute se mai numesc si lignine insolubile. Hidratii de carbon pot fi solubilizati cu acizi minerali de o anumita concentratie, cu solutie cuproamoniacala, cu baze cuaternare de amoniu sau prin oxidarea cu periodat de sodiu. Printre metodele de importanta deosebita se enumara acele, la care se folosesc acizii concentrati, si anume: acidul sulfuric de 60 - 80 % sau acidul clorhidric de 42 - 43 %. La prelucrarea rumegusului de lemn cu acesti acizi, polizaharidele (celuloza si hemicelulozele) hidrolizeaza si trec in solutie, iar lignina ramine in forma unui rest insolubil deoarece in aceste conditii nu se supune hidrolizei. Lignina ce se obtine are o culoare mai mult sau mai putin intunecata, metodele fiind folosite si pentru determinarea cantitativa a ligninei din lemn. De mentionat ca in timpul tratamentului lemnului prin metodele chimice directe au loc modificari avansate a ligninei, precum si a hidratilor de carbon cu care este intr-o legatura foarte strinsa. Folosind pentru izolare acidul sulfuric se obtine lignina sulfurica (lignina Klasson) iar utilizind acidul clorhidric se obtine lignina clorhidrica (lignina Willstätter).

Metoda Klasson. Este una dintre cele mai vechi tehnici de determinare cantitativa a ligninei din lemn. Ea consta in tratarea rumegusului cu acid sulfuric de 60 - 80 %, urmata apoi de diluare cu apa si fierbere a amestecului obtinut sub reflux. Este standardizata metoda Klasson-Komarov, care utilizeaza acidul sulfuric cu concentratia de 72 %.

Metoda Willstätter. Aceasta metoda consta in tratarea rumegusului de lemn cu acid clorhidric de 42 - 43 % (r 1,21 g/cm³). Dupa diluare cu apa si hidroliza prelungita sub reflux se obtine asa-numita lignina clorhidrica, care are o culoare mult mai deschisa decit lignina sulfurica. In timpul actiunii acidului clorhidric lignina isi schimba culoarea de la galben la verde si apoi in brun deschis.

Metoda Freudenberg. Metoda consta in tratarea prealabila a rumegusului de lemn cu o solutie de NaOH de 5 %, pentru indepartarea gumelor. Urmeaza apoi un tratament de prehidroliza prin fierbere cu acid sulfuric de 1 %, pentru a se scinda legaturile dintre lignina si hidrati de carbon. In cele din urma se efectueaza mai multe tratamente succesive cu solutie cupruamoniacala, care dizolva hidratii de carbon si in special celuloza. Acest tip de lignina mai este denumita si lignina cuproxam.

Metoda periodat. Metoda periodat consta in extragerea ligninei din lemn prin degradarea oxidativa a hidratilor de carbon cu o solutie de periodat de sodiu (NaJO₄) avind concentratia de 4,5% in mediu acid. Polizaharidele din lemn dupa degradare devin solubile si se inlatura prin fierbere cu apa, iar lignina ramine ca un produs de culoare aurie. Acest tip de lignina se mai numeste lignina periodat.

Metode indirecte de extragere a ligninei

Metodele indirecte se bazeaza pe solubilizarea si indepartarea ligninei din lemn, hidratii de carbon raminind in acest caz sub forma de reziduu solid. Se cunosc mai multe tehnici de lucru, printre care mentionam:

extragerea ligninei cu solventi organici in mediu neutru;

extragerea ligninei cu solventi organici in mediu acid;

extragerea ligninei cu solutii apoase anorganice.

Extragerea ligninei cu solventi organici in mediu neutru

Ligninele obtinute in aceste conditii au avantajul ca se obtin pure, iar solventul folosit dizolva numai lignina, fara a afecta ceilalti componenti chimici ai lemnului. In prezent se cunosc doua tipuri mai importante din astfel de preparate: lignina Brauns si lignina Björkman.

Lignina Brauns se obtine prin extractia la rece a rumegusului de lemn in stare fin macinata cu etanol de 86 %. In aceste conditii este extrasa numai o mica parte din cantitatea totala de lignina, respectiv cca. 1,6 % din lignina lemnului de molid si cca. 0,4 % din cea a lemnului de fag. Datorita conditiilor blinde de extractie, lignina astfel obtinuta nu reactioneaza chimic cu solventul folosit si isi pastreaza insusirile pe care le are in stare naturala. Lignina Brauns este cel mai apropiat preparat ligninic fata de protolignina. Ea este cea mai putin modificata dintre toate tipurile de lignina cunoscute pina in prezent. Aceasta reprezinta insa numai o anumita fractiune de protolignina, avind masa moleculara mica si fiind mai slab legata de complexul hidratilor de carbon din lemn. Cu toate acestea lignina Brauns a fost una dintre cele mai folosite tipuri de lignina pentru cercetarea structurii chimice, ea fiind si astazi considerata drept o lignina de referinta.

Lignina Björkman se obtine din rumegus de lemn, extras in prealabil cu alcool si benzen si uscat apoi cu anhidrida fosforica. Dupa uscare, rumegusul este premacinat intr-o moara vibratorie tip Lampen in mediu de toluen, timp de 2 -3 zile, dupa care urmeaza macinarea propriu-zisa in aceleasi conditii, timp de 48 ore. Rumegusul se transforma astfel intr-o masa apropiata ca aspect de stare coloidala. Dupa macinare, materialul macinat se filtreaza pentru indepartarea toluenului, iar reziduul ramas se extrage in continuare cu solutie apoasa de dioxan, la temperatura mediului, timp de cca. 1000 ore. In urma evaporarii solventului se obtine astfel un preparat de lignina, care reprezinta pina la 50 % din cantitatea totala de lignina existenta in lemn. Acest tip de lignina este cunoscut sub denumirea de lignina macinata vibratoriu (LMV) sau simplu lignina Björkman, fiind si ea foarte apropiata ca structura de protolignina. Lignina Björkman se utilizeaza ca substanta model sau de referinta in studiile de structura chimica, precum si in cercetarea proprietatilor fizico-chimice ale acesteia.

Extragerea ligninei cu solventi organici in mediu acid

Prin adaugarea unor cantitati mici de acid clorhidric sau alti acizi anorganici in solventi organici se poate obtine un produs, care la temperaturi inalte poate conduce la delignificarea lemnului. Ligninele obtinute in acest mod se numesc si lignine organosolubile, printre care:

a)     Metanol-lignina se obtine prin extractia la cald, respectiv la 90 - 100 ^oC, sub reflux pe baie de apa, timp de 80 ore a rumegusului de lemn cu metanol absolut la care se adauga in prealabil 2 % acid clorhidric. Lignina astfel extrasa poate fi precipitata din solutie prin adaugare de apa in exces.

b)     Etanol-lignina este un produs de condensare a protoligninei cu etanolul. Cresterea continutului de grupe alcoxil arata ca in timpul extragerii din lemn cu alcool se produce in mod evident o modificare chimica a protoligninei.

c)      Dioxan-lignina se obtine prin tratarea la rece a rumegusului, de molid spre exemplu, cu dioxan in prezenta de 3 % de apa si 2 - 2,5 % acid clorhidric, timp de 20 zile. Dioxan-lignina rezultata este apoi precipitata din solutie cu dietil-eter.

d)     Fenol-lignina se obtine prin incalzirea rumegusului de lemn cu fenol, cresoli, difenoli, clorofenoli, la temperatura de 180 ^oC. Produsul acestui tratament este solubil in solventi organici. Fenol-ligninele se deosebesc de protolignina, deoarece ele sint produse de condensare dintre fenol si lignina.

e)     Formaldehid-lignina se obtine prin tratarea rumegusului de lemn cu o solutie de formaldehida de 37 %, in mediu acid. In urma acestui tratament toata masa lemnoasa se solubilizeaza, iar formaldehid-lignina obtinuta este apoi precipitata cu solutie de carbonat de sodiu.

Extragerea ligninei cu solutii apoase anorganice

In procedeele industriale de fabricare a celulozei tehnice lignina este extrasa cu solutii apoase de saruri anorganice la anumite valori a pH-ului. Mai importante sint:

a)     Lignina disulfitica, care rezulta in procedeele acide de dezincrustare a lemnului, la temperatura si presiune, cu solutii de: disulfit de calciu, Ca(HSO₃)₂, magneziu, Mg(HSO₃)₂, sodiu, NaHSO₃ sau amoniu, NH₄HSO₃. Tinind cont de natura agentului de dezincrustare folosit, lignina rezulta in mod corespunzator sub forma de lignosulfonat de calciu, magneziu, sodiu sau amoniu.

b)     Alcalilignina rezulta prin fierberea lemnului la temperaturi inalte si sub presiune cu o solutie de hidroxid de sodiu de 8 - 10 %. Acest tip de lignina este un produs puternic modificat in comparatie cu protolignina si are o culoare brun - inchisa.

c)      Tiolignina se gaseste in lesiile negre reziduale de la fabricarea celulozei prin procedeul sulfat cind, drept  agent de dezincrustare a lemnului se foloseste un amestec format din hidroxid de sodiu si sulfura de sodiu. Din aceste solutii reziduale, lignina poate fi precipitata prin neutralizare cu acid acetic si cu dioxid de carbon.

Extragerea ligninei prin metode biochimice

Enzimele produse de unele ciuperci xilofage pot separa lignina din lemn. Ele au o actiune de degradare selectiva care poate avea loc fie asupra celulozei, fie asupra ligninei. Studiindu-se procesul de putrezire a lemnului s-a stabilit ca exista doua tipuri de putregai, respectiv putregaiul alb si putregaiul brun. Putregaiul alb, care este produs de unele ciuperci, consuma cu precadere lignina, lasind celuloza aproape ne modificata. Putregaiul brun care este produs de ciupercile de tipul Poria  vaporaria consuma polizaharidele din lemn, lasind in acest caz lignina ne modificata. Asa se obtin preparate bioligninice, denumite si lignine eliberate enzimatic.