如何测定木素中甲氧基含量？

甲氧基是植物纤维原料的主要功能基之一。甲氧基主要存在于木素上，连接于木素芳香苯环上，部分连接到聚糖上。

木素甲氧基的含量是木素化学结构特征的重要方面，因此甲氧基测定在木素化学结构研究中具有重要的意义。根据木素的元素分析和甲氧基、羟基等功能基的测定，还可以推算出木素的C₉单元经验式。国内外学者研究得出的不同原料的C₉单元经验式示例如下：

云杉磨木木素C₉H_7.92O_2.40（OCH₃）_0.92

桦木磨木木素C₉H_9.03O_2.77（OCH₃）_1.58

山毛榉磨木木素C₉H_8.50O_2.86（OCH₃）_1.42

杨木磨木木素C₉H_8.35O_2.83（OCH₃）_1.43

稻草磨木木素C₉H_7.44O_3.38（OCH₃）_1.03

麦草磨木木素C₉H_7.39O_3.00（OCH₃）_1.09

芦苇磨木木素C₉H_7.39O_3.53（OCH₃）_1.20

蔗渣磨木木家C₉H_7.34O_3.50（OCH₃）_1.25

毛竹磨木木素C₉H_7.20O_2.84（OCH₃）_1.24

根据甲氧基含量还可以推论木素中愈创木基丙烷和紫丁香基丙烷的比率，以及在制浆漂白过程中木素结构的变化。据研究，云杉木素每100个C₉单元中有0.92个甲氧基，愈创木基丙烷（V）、对苯羟基丙烷（H）和紫丁香基丙烷（S）的比率为V∶H∶S=80∶14∶6；阔叶木木素S/V为1～5（通常为3）；禾草类木素S/V为0.5～1.0。

各种植物纤维原料的木素，由于化学结构不同，因而甲氧基含量有所差别，木素中甲氧基含量的多少与木素结构中苯丙烷单元类型有关。一般针叶木木素中甲氧基含量为13.6%～16%；温带阔叶木木素为17%～22%；热带阔叶材为15%～18.5%；禾草类木素为12%～16%。阔叶木木素的甲氧基含量比针叶木高，这是因为阔叶木的木素除愈创木基（苯环上带有一个甲氧基）外，尚含有较多的紫丁香基（苯环上带有二个甲氧基）。

甲氧基除主要分布于木素上之外，还有少量存在于半纤维素和果胶上。与聚糖连接的甲氧基占其总量的10%～15%，主要在聚木糖的侧链上，以4-O-甲基-D葡萄糖尾酸形式存在。果胶质中甲氧基含量的高低，对果胶的性质也会产生影响。在同一聚合度时，果胶质中甲氧基含量越高，生成盐的羟基越少，则果胶质在水中的溶解度就越大。

测定甲氧基含量的方法有化学法（质量法和容量法）与仪器分析法（色谐法、核磁共振法和电化学法等）。

本节重点介绍化学法中的溴化法，又称维伯克（ViebÖck）法。该方法具有准确度较高、操作较简便、迅速等优点，因此目前应用较广泛。

（一）溴化法的测定原理

化学法测定甲氧基含量的基本原理是，使试样与浓碘氢酸作用，使木素中的甲氧基被裂解，生成碘化甲烷蒸馏而出。然后采用不同的吸收剂吸收碘化甲烷，并测定其生成的化合物含量，从而确定出甲氧基的含量。根据吸收剂的不同，有硝酸银法、溴化法和氮苯法等。其中，硝酸银法为重量法；氮苯法和溴化法为容量法。

溴化法是以溴作为吸收剂的容量法测定甲氧基含量的方法。

试样与浓碘氢酸作用，木素中的甲氧基被裂解，生成碘化甲烷蒸馏而出，其化学反应式为：

ROCH₃+HI →ROH+CH₃I↑

然后用溴作为吸收剂，使碘化甲烷被溶有溴的乙酸钠-乙酸溶液吸收，并与溴作用生成溴化碘。溴化碘又被溴氧化成碘酸。再加入甲酸以破坏多余的溴。待确定已无溴时，加入碘化钾，用硫代硫酸钠标准溶液滴定游离出的碘，从而计算出甲氧基的含量。其化学反应式如下：

CH₃I+Br₂→CH₃Br+IBr

IBr+2Br₂+3H₂O →HIO₃+5HBr

HIO₃+5KI+5H⁺→3I₂+3H₂O+5K⁺

I₂+2Na₂S₂O₃→2NaI+Na₂S₄O₆

溴化法可用于微量或半微量分析。此法也适用于含硫化合物的分析，即可用于测定硫酸盐浆和亚硫酸盐浆及其废液中甲氧基的含量。

（二）仪器

① 甲氧基测定装置（改进的ViebÖck甲氧基反应器如图2-7）；

② 二氧化碳气体发生器或二氧化碳钢瓶；

③ 二氧化碳洗涤瓶；

④ 空心胶囊：装试样用。

图2-7 改进的ViebÖck甲氧基测定仪

A—反应瓶 B—洗涤瓶C—吸收瓶(www.xing528.com)

（三）试剂

① 新蒸恒沸点的HI（100mL HI+1g红磷）。在250mL三口圆底烧瓶中进行蒸馏。在CO₂气体保护下，回流2h，然后蒸馏。收集恒沸点126～127℃的馏出液，将馏出液分成5mL为一份，每份转移至5mL棕色容量瓶中，用N₂充满后，用蜡封口，存于冰箱中，备用。

② 重蒸蒸馏水。将蒸馏水重蒸，用于洗涤红磷至中性。

③ 红磷的准备。取5g红磷，加入50mL 50g/L的氨水中，在水浴上煮30min，沉淀物用重蒸蒸馏水洗涤直至洗涤水呈中性。然后用无水乙醇洗涤，将纯化后的红磷在100℃下烘干，贮存于干燥器中备用。

④ 苯酚。

⑤ 乙酸钠溶液：溶解20g纯的结晶乙酸钠（CH₃COONa）于80g 96%的乙酸中。

⑥ 溴（Br₂）。

⑦ 饱和NaHCO₃溶液：用蒸馏水配制。

⑧ 10g/L淀粉指示剂。

⑨ 10%（质量分数）H₂SO₄溶液。

⑩ Na₂S₂O₃标准溶液：0.05mo/L（1/2Na₂S₂O₃）。

（四）测定步骤

此处介绍改进的ViebÖck-Schwappach法。

在反应瓶A中，放入5mL新蒸馏的恒沸点的HI、数枚苯酚和25mg红磷（加入苯酚的目的是为了增加木素的溶解度）。在B中的洗涤器中加入3mL蒸馏水。C中的第一个气体吸收瓶内放入1.5～2mL含20%乙酸钠的96%冰乙酸溶液，再加入10～20滴Br₂，并轻轻摇动。最后用20%乙酸钠溶液将第一个吸收瓶充满，倾斜C吸收瓶，使吸收液在三个吸收瓶中均匀分配。将A瓶和B瓶连接起来，用塞子塞紧B瓶中的侧壁。CO₂气体慢慢地通过气体入口管进入反应瓶中，控制气泡速度每10s 6个气泡。反应瓶中的混合液在加热器或油浴状态下（油浴温度145～150℃）回流2h，反应混合物中的游离碘或反应产生的游离碘被红磷转换成碘氢酸。反应方程式如下：

2P+3I₂→2PI₃

2PI₃+3H₂O →3HI+H₃PO₃

回流2h后，将蒸馏水从B瓶中吸出，加入饱和NaHCO₃溶液，并连接C瓶和B瓶。

精确称取约10mg（称准至0.01mg）绝干试样放入洁净容器中，将试样通过反应瓶的顶部投入反应混合液中，连接A瓶和B瓶，反应混合液继续回流1h。将吸收瓶C中的反应混合液转移至含1.5g醋酸钠的250mL碘量瓶中，用20mL蒸馏水分三次洗涤C瓶，洗涤液也转移至碘量瓶中，加入5～10滴甲酸，轻轻摇动碘量瓶，至溴的棕色完全消失。然后加入3mL 10%的H₂SO₄溶液和1.5gKI，5min后，用0.05mol/L Na₂S₂O₃标准溶液标定至游离碘将要消失（淡黄色），而后加入1～2mL 10g/L淀粉溶液，继续滴定至蓝色完全消失。因为1mL 1mol/L的（1/2Na₂S₂O₃）溶液与5.1706mg甲氧基反应，1mL 0.05mol/L（1/2Na₂S₂O₃）与0.25853mg甲氧基反应，当甲氧基空白试验确定后，就可以获得准确的结果。试样的甲氧基含量w_CH3^O（%）计算如式（2-51）：

式中 V_s——滴定试样时所耗用的（1/2Na₂S₂O₃）标准溶液的体积，mL

V_b——空白滴定时所耗用的（1/2Na₂S₂O₃）标准溶液的体积，mL

c——（1/2Na₂S₂O₃）标准溶液的浓度，mol/L

f——滴定时（1/2Na₂S₂O₃）标准溶液的校正系数，一般f均为1

m——试样绝干质量，mg

5.1706——甲氧基毫摩尔质量，mg/mmol

（五）注意事项

① 各仪器连接处的磨口部位要用苯酚密封，以避免反应时气体逸出。

② 当回流2h以后，向反应瓶中投入试样时速度要快，并赶紧封口。

③ 一定要控制好通入CO₂时气泡的速度，掌握在每分钟36个气泡。

④ 甘油浴温度145～150℃，冷凝水温度控制在45℃。

⑤ 当反应结束后，用蒸馏水洗涤瓶C时要尽量洗净，每次加一管吸收瓶的蒸馏水（约为7～8mL）。

⑥ 反应结束后，若因为苯酚封口太严而无法取下C瓶，可先用吹风机吹密封处，使苯酚稍微融化，再取下C瓶，切不可强行取下，以免折断仪器。

⑦ 反应结束后，洗涤甲氧基仪器时，先用洗液洗，若瓶口处有苯酚，可用热水洗一下，以洗去苯酚，最后用蒸馏水洗净。若要马上再做下一个试样的试验，可用少许丙酮洗，用吹风机吹干即可进行下一个样品测定。

⑧ 氢碘酸溶液中HI含量为45%。收集蒸馏出来的HI时，要待冷凝液变为淡黄色时才开始收集。这是因为刚开始蒸馏出来的是无色的液体，可能是蒸馏水；而后冷凝液稍微显红色，可能是I₂出来了；再后，蒸馏液才呈淡黄色，此时开始收集，保险系数比较大。此外，在蒸馏HI时，红磷可以多加一些。同时还要注意，蒸馏HI时，不能将底瓶内容物蒸干，必须在蒸干之前停止加热，而且须待仪器冷却至室温后方可拆卸仪器，否则热的氢碘酸蒸汽被氧化，可能发生爆炸。