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ビフェミル型構造の定量的分析によるリグニンの分岐構造に関する研究

平山, 晴加 東京大学 DOI:10.15083/0002002291

2021.10.13

概要

1章 緒言
 リグニンは、非直鎖型の高分子と考えられる。これは、分岐点となり得るビフェニル型(5-5型)構造等がリグニンに含まれることに基づいている(図1)。ビフェニル型構造の含有量が、リグニン試料の違いによりどの程度変動し、それらがリグニンの芳香核型とどの程度強い関連を有するのか、この2つを把握することは、リグニンの高分子構造を理解するために必要な基本的な事柄と考えられる。本研究では、リグニン形成時に芳香核型がビフェニル型構造の生成頻度にどう影響するかを明らかにすることを目的に、様々な試料をニトロベンゼン酸化法で分析し、ビフェニル型分解生成物の収率と芳香核構造の構成比との関係を調べた。
 ビフェニル型構造を構成可能な芳香核型は、p-ヒドロキシフェニル核(H核)とグアイアシル核(G核)の2種類であり、これらからGG型、HG型およびHH型の3種のビフェニル型構造が生成する(図1)。リグニンに含まれるH核は通常数%と僅かであることから、まず、第2章では最も主要と考えられるGG型を対象に、針葉樹と広葉樹から成る21樹種1を用いて、ビフェニル型生成物の収率とシリンギル/グアイアシル核比(S/G比)との関係を調べた。次いで第3章では、H核が関与するビフェニル型構造(HGおよびHH型)、および、ビフェニル型構造と並んで重要な縮合型構造であるフェニルクマラン型(β-5型)構造の分析法を確立するために、ニトロベンゼン酸化法の適用を検討した。第4章では、H核含量の高いことで知られる針葉樹圧縮あて材を試料として用い、GG、HG、HH型の全てのビフェニル型構造を分析対象として、p-ヒドロキシフェニル/グアイアシル核比(H/G比)とビフェニル型生成物量の関係について調べた。また、β-5型構造も分析することにより、H核含量が縮合型構造全般の生成にどう影響するかについても知見を得た。

2章 樹種間におけるGG型ビフェニル型構造量の多様性
 21樹種(針葉樹6種、広葉樹15種)の脱脂木粉1を、ニトロベンゼン酸化法に170ºC、2時間の反応条件で供した。反応生成物をTMS化物としてガスクロマトグラフィー(GC-FID)で分析した。図2に示したニトロベンゼン酸化生成物のうち、G核型の非縮合型生成物(V)、S核型の生成物(S)、およびGG型ビフェニル型生成物(VV)を定量した。収率は、リグニン単位の分子量を200と概算し、Klasonリグニン量あたりのモル収率として算出した。ビフェニル型生成物は1分子に2つの芳香核を有するため、芳香核量を議論する際にはモル収率に2を乗じた数値を用いた。
 S/G比の指標として、ニトロベンゼン酸化生成物の全ての芳香核量に対するS核型生成物の芳香核量の比を示すS/(V+S+2VV)比を用いた(以下、S核比と略す)ところ、GG型ビフェニル型生成物の収率は、S核比の高い樹種ほど低くなる傾向が明瞭に示された(図3-a、芳香核量2VVとして表示)。この第一の理由として、G核の減少に伴い、G核同士の5-5結合が減ったことが挙げられる。一方で、両者の相関は、単純減少を想定して直線に近似した場合(R2=0.95)よりも、むしろ二次式に近似した方が僅かに高いR2値を示した(R2=0.98)。このため、ビフェニル型構造の形成を抑制する要因が他にもあると考えた。G核からGG型ビフェニル型構造の形成する頻度の指標として、2VV/(V+2VV)比を調べた。もし、今回観察されたGG型ビフェニル型構造の減少が、G核の減少のみに依存するならば、2VV/(V+2VV)比はS核比によらず一定になると思われる。しかし、同比はS核比の高い樹種ほど低くなった(図3-b)。これは、リグニン形成時、G核の一部が共存するS核と結合して、ビフェニル型構造を形成できなくなったためと説明できる。

3章 縮合型H核のニトロベンゼン酸化による分析法の確立
 縮合型H核を有するモデル化合物として、図4-aのデヒドロジp-クマリルアルコール(H核型β-5モデル化合物)をニトロベンゼン酸化法に170ºC、反応2〜48時間の条件下で供した。反応生成物をTMS化物としてGC-FIDで分析した。非縮合型および縮合型生成物(HおよびH5-C=O)を定量した(図2)。
 HとH5-C=Oの収率は、ともに反応16時間で最大となった(図4-b)。一般的な反応条件170ºC、2時間における収率は、両者ともに上記の最大収率の半分弱であった(図4-b)。一方、G核型β-5モデル化合物の場合、縮合型と非縮合型生成物の収率は、反応2時間で最大となることが報告されている2。このように、H核型モデル化合物のニトロベンゼン酸化には、G核型よりも長い反応時間を要することが明らかとなった。
 次に、スギのあて部0°(360°)から調製した脱脂木粉を、ニトロベンゼン酸化法に170ºC、190ºC、210ºC、反応2時間の条件下で供した(図6)。反応生成物をTMS化物としてGC-FIDで分析した。H核およびG核型の非縮合型生成物(HとV)、GGおよびHG型ビフェニル型生成物(VVとHV)、β-5型構造に由来するH核およびG核型の生成物(H5-C=OとV5-C=O)を定量した(図2)。HG型ビフェニル型生成物HValdは、GC-MS分析による合成した標品との比較により、リグニンのニトロベンゼン酸化生成物として初めて同定された(図2)。
 その結果、全生成物において、収率は210ºCのとき170ºCや190ºCよりも低い値を示した(図5)。H核を有する縮合型(HVとH5-C=O)および非縮合型生成物(H)の収率は、190ºCの条件で若干高い値を示したものの、ほとんど変わらなかった(図5)。このことから、圧縮あて材のニトロベンゼン酸化にも、一般的な反応条件(170ºC、2時間)を用いた。

4章 圧縮あて材におけるGG型およびHG型ビフェニル型構造量の分布
 3樹種(スギ、ヒマラヤスギ、およびメルクシマツ3)の圧縮あて材について、円盤試料のあて部を0°(360°)、対向部を180°として髄を中心に6つに分割し、各区画より脱脂木粉を調製した(図6)。Klason残渣のメトキシ基含量をもとに、3樹種のあて部には20-27%のH核が含まれることを確認した。ニトロベンゼン酸化生成物としてH、V、VV、HV、H5-C=OおよびV5-C=Oを定量した(図2)。HH型ビフェニル型生成物の生成量は極めて低く定量できなかった。
あて樹幹内における分解生成物の収率の分布として、H核を有する分解生成物(H、H5-C=OおよびHV)の収率は対向部180°からあて部0°(360°)に向かって高くなった一方、G核型生成物(V、V5-C=OおよびVV)の収率は低くなった(図7-a、b、c)。非縮合型生成物の収率(H+V)は、あて部に向かって低くなり過去の知見と一致した(図7-1)。非縮合型生成物の収率が低くなれば、β-5やビフェニル等の縮合型構造の割合が高くなることが予想されよう。しかし、β-5型生成物(H5-C=O+V5-C=O)およびビフェニル型生成物の芳香核量(2VV+2HV)も、あて部に向かって若干低くなり(図7-2、3)、結果として全生成物の合計収率もあて部で低くなった。この原因の一つとして、3章で前述したH核の反応効率の低さが挙げられる。
 次に、あて樹幹内におけるH/G比とビフェニル型生成物量との関係を調べた。H/G比の指標として、ニトロベンゼン酸化生成物の全ての芳香核量に対するH核型生成物の芳香核量の比である(H+H5-C=O+HV)/(H+V+H5-C=O+V5-C=O+2HV+2VV)比を用いた(以下、H核比と略す)。その結果、H核比が高くなるほど、GG型ビフェニル型生成物(VV)の収率は低く、HG型ビフェニル型生成物(HV)の収率は高くなり、互いに反対の傾向を示した(図8-a)。その結果、これらのビフェニル型芳香核の合計収率(2VV+2HV)はあて部と対向部で大きな違いはないものの、H核比が高くなるほどやや低くなる傾向がみられた(図8-a)。2VV+2HVがH核比と負の相関を示したのは、H核の反応効率が低いためとも考えられる。次に、リグニン量あたりの生成物の収率を比較する代わりに、全生成物(H+V+H5-C=O+V5-C=O+2HV+2VV)に対するビフェニル型芳香核(2VV+2HV)の相対収率を比較したところ、H核比に対しほとんど変化がみられなかった(図8-b)。
 メトキシ基をもたないH核は、芳香核の3位がメトキシ基で置換されたG核よりもビフェニル型構造を形成しやすく、ビフェニル型構造、つまりリグニンの分岐候補の量はH/G比の増大に伴い高くなると予想していた。しかし、本研究の結果、H/G比はビフェニル型構造の含有量に大きく影響しないことが示唆された。

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第1章

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