羟基含量的测定的分析介绍

在原料和纸浆的木素、纤维素和半纤维素中存在大量的羟基，测定羟基含量对于研究木素与纤维素的化学结构具有重要意义。

木素中的羟基有两种类型，一种是存在于木素结构单元苯环上的酚羟基，另一种是存在于木素结构单元侧链上的脂肪族羟基（醇羟基）。木素中的这两种羟基都是活泼的反应基团。羟基的存在对木素的化学性质有较大影响。

存在于苯环上的酚羟基中一小部分是以游离酚羟基存在，大部分是与其他木素结构单元连接，呈醚化了的形式存在。存在于木素结构单元侧链上的脂肪族羟基可以分布在α-碳原子和_β、γ-碳原子上，它们以游离的羟基存在，也有成醚的联结形式和其他烷基、芳基联结的。

由于木素的化学不稳定性，经不同的化学处理后，木素的羟基含量变化较大。例如，在温和条件下制备的盐酸木素每5.0～5.3个木素单元中含有一个酚羟基；木素磺酸盐中每3.9个木素单元含一个酚羟基；而充分缔合了的酸木素几乎未发现有羟基存在。

除木素结构单元中含有羟基外，在纤维素的化学结构中也含有羟基。纤维素中每个葡萄糖基环均具有3个羟基，它们分别处于葡萄糖基环的2，3，6位，其中在第6位碳原子C上的羟基为伯醇羟基，而C₂、C₃上的羟基是仲醇羟基。这些羟基的存在直接影响到纤维素的化学性质，如纤维素的酯化、醚化、氧化、接枝共聚等反应，以及纤维素分子间的氢键作用。纤维素纤维的润胀与溶解性能等都和纤维素大分子上的羟基有关。

测定羟基含量的方法有化学法和仪器分析的方法。先进的仪器分析方法测定羟基含量可采用核磁共振法、气相色谱法、紫外光谱法或电化学法等。在¹H-NMR波谱中，2.50～2.1mg/kg处代表酚羟基，2.17～1.70mg/kg处代表醇羟基。气相色谱法测定酚羟基含量时，先用硫酸二甲酯乙基化，然后测定乙烷含量，再换算出酚羟基含量；或是用高锰酸盐氧化使之脱甲氧基，生成甲醇，用气相色谱法测定甲醇含量，再换算成酚羟基含量。此外，还可采用紫外光谱法，在波长300nm或250nm下测定木素的酚羟基含量。

木素中的酚羟基和醇羟基的总量称为总羟基含量。化学法测定木素中羟基含量的方法，通常是同时测定总羟基含量和酚羟基含量，通过两者之差再计算出醇羟基含量。

（一）总羟基的测定

木素中总羟基含量测定可以采用多种方法。例如，可以通过测定木素经硫酸二甲酯或重氮甲烷或盐酸甲醇等甲基化后增加的甲氧基数量来计算而得；或用乙酰化试剂对木素的羟基反应，再以氢氧化钠溶液滴定产生的酸量，通过计算得出总羟基含量。

由于木素中总羟基含量测定方法很多，具体操作时需认真查阅相关资料。下面介绍Kuhn-Roth法（参见本章参考文献3）。

1.测定原理

木素结构中的总游离羟基都可用乙酰化剂如乙酸酐与之反应，同时产生出乙酸，其反应如下：

—OH^-+（CH₃CO）₂O →—O（CH₃CO）+CH₃COOH

所用乙酸酐是其与吡啶的等分子混合物，反应终了加丙酮与水，以稳定乙酰化木素。最后用氢氧化钠标准溶液滴定，终点以酚酞指示剂指示，或用电位滴定，通过计算得出乙酰基的含量。然后根据木素中的羟基在乙酰化过程中转化为乙酰基时，是以1对1摩尔为基础的，即木素的总羟基含量等于乙酰化木素的乙酰基含量，从而即可计算出木素中的总羟基含量。

2.测定方法

（1）木素的乙酰化

① 试剂：a.乙酸酐：新蒸的，沸点138～140℃；b.丙酮：新蒸的，沸点55～56℃；c.二氯甲烷：沸点39～40℃；d.乙醇：无水沸点78～79℃；e.盐酸：2mol/L；f.甲醇：沸点64～65℃；g.氮气：瓶装，带有控压和体积计量装置的钢瓶；h.五氧化二磷：98%，粉末；i.吡啶：新蒸的，沸点113～115℃，并KOH脱水；j.甲苯：新蒸的，沸点110～111℃。

② 乙酰化步骤

A.在烧杯中放入100mg提纯的木素试样和2mL乙酸酐-无水吡啶试剂（1∶1，体积比），经充分震荡直至木素被溶解。烧杯用表玻璃盖上，在室温下氮气中保持48h。向反应混合物中添加10mL冰冷的甲醇-二氯甲烷溶液（1∶8，体积比），并不时地搅拌30min。此后将该反应物转移至25mL分液漏斗中，用2mol/L HCl 5mL洗几次（注1）至无吡啶为止。

B.溶液用5mL水洗2次，过滤，并在减压下除去溶剂，得到的乙酰化木素在五氧化二磷存在的真空干燥箱中，于50℃下进行真空干燥，得到产品120～130g。

C.或者将100mL甲苯加入到装有上述反应混合物的250mL圆底烧瓶中。乙酸酐、乙酸和吡啶作为共沸混合物，在40℃下借旋转蒸发器除去。在除甲苯过程中，在溶液里加入少量丙酮，以稳定乙酰化木素。如有必要，可重复上述操作，以确保完全除去乙酰化试剂，残余甲苯可借加入70mL乙醇-丙酮（1∶1，体积比）混合液，以共沸形式除去。产物在50℃下真空干燥箱中干燥，产量约130mg（注2）。

（2）总乙酰基的测定

① 试剂：a.氯化钡：结晶；b.甲醇：加入足量的粒状氢氧化钾回流15min，以除去残余酸，并蒸馏；沸点64～65℃；c.偏磷酸：粉末；d.氢氧化钾溶液：500g/L水溶液；e.氢氧化钠溶液：甲醇-水的1mol/L溶液，将4g的球状NaOH溶解于50mL水和50mL甲醇中；f.碱石灰小球；g.硫酸：6.5mol/L H₂SO₄，将100mL，浓硫酸倾入200mL水中；h.酚酞溶液：10g/L；i.氢氧化钠标准溶液：0.01mol/L NaOH。

② 仪器：Kuhn-Roth法测定之酰基的装置见图2-8。该装置由气流调节器（Ⅰ）、反应器（Ⅱ）和冷凝器（Ⅲ）等部分组成。在单元Ⅰ中的气泡计数器（D）中充有500g/L氢氧化钾溶液，U形管（E）中充有碱石灰。单元Ⅱ中的反应瓶是由耐热玻璃制成，容积约45mL。它装有内径为2mm的细管通过瓶颈A（80mm×6mm内径）插入烧瓶底部；漏斗通过瓶颈B（80mm×6mm内径），伸进与瓶子结合处以下。漏斗有内磨口接合面，与玻璃插头（S）相配合。当玻璃插头堵上时，漏斗容积为8mL，并且有2mL和7mL的水平标记。在单元Ⅲ中，瓶颈C（65mm×5mm内径）与水平方向成50°，通过真空密合磨口接头与冷凝器（长36mm）相连接。在反应器上安装冷凝器可有两种位置：回流方式和蒸馏方式。在每次测定之前，单元Ⅱ、Ⅲ的所有玻璃部分均应仔细用蒸馏水洗净，并干燥。

图2-8 Kahn-Roth法乙酰基测定装置

Ⅰ—气流调节器 Ⅱ—反应器 Ⅲ—冷凝器Ⅱ—B—Ⅰ—单元Ⅱ中带有玻璃插头（S）的漏斗放大图

③ 乙酰基测定步骤

A.氮气经过鼓泡计数器进入该装置中，通气速度约每分钟50个气泡。冷凝器紧密地与反应瓶颈C相接，在回流位置上时，用一滴水作为润滑剂使瓶颈接口密封。在反应瓶中放入1mol/L甲醇-水的氢氧化钠溶液4mL，在外径为5mm的微量称量瓶中准确称取大约10mg（精确至0.01mg）干燥的纯制乙酰化木素试样（注3），并立即投入反应瓶中。

B.气体进口以及漏斗各连接件接口处用偏磷酸润湿，将其接牢。向带玻璃插头的漏斗加入1～2mL水，反应瓶中的溶液在水浴中仔细回流1h，然后冷却。此后，当将漏斗的玻璃插头第一次拔开后，冷凝器用洗瓶加入4～6mL水冲洗。然后再将漏斗中的玻璃插头复位。

C.随后拿掉冷凝器，用100～200mL水冲洗，并牢固地将其接到烧瓶的蒸馏位置。约有5mL主要由甲醇构成的反应混合物被蒸出之后，再次用100～200mL水冲洗冷凝器后，并再接至烧瓶上。

D.用滴管将1mL 6.5mol/L H₂SO₄滴加到漏斗中。小心地抬起插头，使硫酸流入烧瓶中。漏斗用2～3mL水冲洗，并将插头再插上。在漏斗中加水至7mL的标记处。在加入少许沸石后，以每5min有5～6mL反应混合物产生的速率进行蒸馏。将馏出物收集到一个75mL的锥形瓶中。当烧瓶中的残留物体积还有2～3mL时，不中断蒸馏，将漏斗塞子抬起，使水流进烧瓶中，至水面降到烧瓶刻度2mL处为止。反复添加5mL水，直到蒸馏完成。当收集到最初的20mL蒸馏物时（注4），采用锥形瓶与冷凝器接触的方法，移去附着于冷凝器上的馏出物，同时另取一500mL锥形瓶放到冷凝器的下端。(www.xing528.com)

E.继续蒸馏时，在第一个锥形瓶中加入2～3粒氯化钡晶体，将蒸馏物温和地煮沸几秒钟，以赶除二氧化碳。如果出现混浊现象，则可断定存在问题（注5）；若蒸馏物依旧透明，则可用0.01mol/L NaOH标准溶液在加入4～5滴酚酞溶液后进行滴定（注6）。后面的馏出物均按上述方法加以处理。如果在滴定最初的蒸馏物时，氢氧化钠标准溶液用量少于4mL，则后面的10mL蒸馏物照样进行滴定；但当最初蒸馏物中的乙酸耗用的氢氧化钠标准溶液量大于4mL时，则另收集3份各5mL的蒸馏物，分别按上法进行滴定。

注1：实验用水最好用二次蒸馏水或去离子水。

注2：空白试验表明，该产物中有少量与木素无关的低相对分子质量的杂质，这些杂质不会被¹³CNMR光谱检测出来。

注3：若无合适的微量称量瓶，也可用一小白金燃烧皿。

注4：在这时蒸馏尚未完成。

注5：浑浊是由于携带出的硫酸或（和）磺酸所致，这些酸的存在会导致试验误差。故若出现浑浊，则应重做。

注6：滴定用10mL或25mL的滴定管完成。

④ 乙酰基含量（%）计算如式（2-52）：

式中 V——滴定时所耗用的NaOH标准溶液的体积，mL

c——NaOH标准溶液的浓度，mol/L

m——试样绝干质量，mg

43.044——与1mL的1mol/L NaOH标准溶液相当的乙酰基的质量，mg/mmol

（3）总羟基含量的测定

由于羟基在乙酰化过程中转化为乙酰基时，是以1对1摩尔为基础的，木素的总羟基含量等于乙酰化木素的总乙酰基含量。乙酰化木素的甲氧基含量是可以测定出来的，故木素总羟基含量可以从甲氧基含量计算出来。

木素的总羟基含量也可以[总—OH/C₉（mol/C₉单元）]表示，如式（2-53）计算：

式中 C₉——木素的C₉结构单元

Y——以mol/C₉单元表示的木素中甲氧基含量

木素中总—O H/C₉单元的含量，也可以从乙酰化木素的元素组成C（%）、H（%）及总乙酰基和甲氧基含量直接计算出来。

（二）酚羟基含量的测定

木素中酚羟基的测定方法有：重氮甲烷法、氨解法、电位滴定法、离子差示光谱法、高碘酸盐氧化法、¹H—N MR法和气相色谱法等。这些方法都有一定的缺点，有些方法不够准确，有些方法要求很高，有些方法较为复杂。

随着科学技术的发展，非水电导滴定法和电位滴定法被用来测定木素中酚羟基和羧基的含量，这是较新的方法。

目前高碘酸盐氧化法和非水电导滴定法测定酚羟基含量的方法应用较为广泛。

高碘酸盐氧化法的测定原理是基于木素的酚羟基带有甲氧基在邻位，用高碘酸盐进行氧化脱甲氧基作用，即形成相应的邻醌和一个分子的甲醇。反应式如下：

R=木素侧链

R₁=H，OCH₃或木素单元

甲醇的含量可采用气相色谱法或分光光度法测定出来，测得的甲醇数量即是游离的酚羟基数目。此法所得结果需做实验以校正木素中存在的对-羟苯基单元，这种单元不适用此法测定。

非水电导滴定法和非水电位滴定法测定酚羟基含量是较新的方法，而且还可同时测定出羧基含量。本章重点介绍这种方法，其测定原理和测定方法详见本节第四部分“羧基和酚羟基含量的同时测定法（非水电导滴定法和非水电位滴定法）”。

（三）醇羟基含量的测定

醇羟基含量由总羟基含量与酚羟基含量之差计算求得。