植物纖維化學(xué)研究生試題

1、1、 填空題（20分，每空格1分）：1 造紙工業(yè)將植物原料分為：木材纖維、非木材纖維、半木材纖維。2 .植物纖維原料的主要化學(xué)成分包括：纖維素、半纖維素、木素。3 闊葉材木素的基本結(jié)構(gòu)單元是主要由愈瘡木基丙烷和紫丁香基丙烷單元所構(gòu)成。4 針葉材、闊葉材和禾草類木素的木素含量的變化規(guī)律是：針葉材闊葉材禾草類。5 針葉材最主要的細(xì)胞是管胞，闊葉材最主要的細(xì)胞是木纖維，禾本科植物纖維原料的主要細(xì)胞有：纖維細(xì)胞、薄壁細(xì)胞。6 .纖維素是由0-D-葡萄糖結(jié)構(gòu)單元通過(guò)1,4-#鍵連接而成的高分子化合物。7 .木素大分子結(jié)構(gòu)中最主要的連接形式為0-芳基酸鍵。8 木素總量的大部分存在于細(xì)胞壁的S2層，而木素含

2、量最高的是復(fù)合胞間層。2、 名詞解釋（15分）：1. （3分）早材（春材）：樹(shù)木的每一個(gè)年輪是由兩部分組成的，靠樹(shù)心部分的顏色淺，是每年生長(zhǎng)季節(jié)的前期生長(zhǎng)出來(lái)的，故稱為春材，也稱早材。2. （3分）木素：木素是由苯丙烷結(jié)構(gòu)單元（即C6-C3單元）通過(guò)醚鍵、碳-碳鍵聯(lián)接而成的芳香族高分子化合物。3. （3分）剝皮反應(yīng)：在堿的影響下，纖維素具有還原性末端基的葡萄糖基會(huì)逐個(gè)掉下來(lái)，一直到產(chǎn)生纖維素末端基轉(zhuǎn)化為偏變糖酸基的穩(wěn)定反應(yīng)發(fā)生為止。由于消除下來(lái)的烷氧基OR具有新的還原性末端基（也即是纖維素長(zhǎng)鏈分子具有新的還原性末端基），可以繼續(xù)進(jìn)行上述反應(yīng)，逐個(gè)不斷地脫掉末端基，所以稱為剝皮反應(yīng)。4. （3分

3、）半纖維素半纖維素是除纖維素和果膠以外的植物細(xì)胞壁聚糖。也可稱為非纖維素的碳水化合物。由兩種或兩種以上單糖基組成的不均一聚糖，大多帶有短的側(cè)鏈，聚合度較低。5. （3分）纖維素的結(jié)晶度：纖維素結(jié)晶區(qū)占纖維素整體的百分率。3、 簡(jiǎn)答題（60分）：1. 硫酸鹽法蒸煮過(guò)程中臭氣的主要成分是什么？并說(shuō)明其形成機(jī)理？（10分）硫酸鹽法蒸煮過(guò)程中放出的臭氣的主要成分為甲硫醇和二甲硫醚。在硫酸鹽法蒸煮時(shí)，木素結(jié)構(gòu)單元上甲基芳基醚結(jié)構(gòu)和硫化鈉發(fā)生反應(yīng)，首先，親核試劑HS-離子進(jìn)攻木素芳香環(huán)上的甲氧基的碳原子，生成甲硫醇，并在苯環(huán)上導(dǎo)出酚羥基；然后，甲硫醇的陰離子（CH3S-）與第二個(gè)甲氧基反應(yīng)，生成二甲硫醚。

4、2. 對(duì)同一種木材，晚材率的大小對(duì)制漿造紙有何影響（10分）晚材率是指樹(shù)木年輪中晚材的寬度與年輪總寬度之比的百分率。晚材率的大小對(duì)制漿造紙有相當(dāng)大的影響。因?yàn)樵绮氖怯杉?xì)胞壁比較薄的細(xì)胞組成，所以早材纖維具有彈性和柔韌性，容易打漿，能夠制造出抗張強(qiáng)度和耐破強(qiáng)度高的紙張；而晚材纖維壁厚，形成管狀，纖維又挺又硬，不容易打漿，抄成的紙除了撕裂度比較高以外，其他指標(biāo)都不如早材纖維。因此，就同一種木材而言，晚材率低的要優(yōu)于晚材率高的。3. 區(qū)分兩個(gè)概念：纖維素，纖維素纖維（10分）-1，4-苷鍵聯(lián)接起來(lái)的鏈狀高分子化合物。纖維素纖維指植物原料經(jīng)過(guò)特定的纖維化學(xué)工程所得到的殘余纖維素指在常溫下不溶于水、稀酸

5、、稀物紙漿，主成分為纖維素，其中還含有一些半纖維素和木素。堿的D-葡萄糖基以4. 、蒽醌在堿法蒸煮中的作用是什么？（10分）。-芳醚鍵的斷裂，從而加速木素的脫除，蒽氫醌和木素反應(yīng)又生成蒽氫醌，繼續(xù)發(fā)生氧化-還原反應(yīng)。在堿法蒸煮中，蒽醌氧化碳水化合物，生成糖醛酸末端基，防止剝皮反應(yīng)的發(fā)生，使紙漿得率增加，蒽醌本身被還原蒽氫醌，它與木素的亞甲基醌發(fā)生還原作用，促進(jìn)了木素5. 為什么纖維素的吸水量隨無(wú)定形區(qū)百分率的增加而增加？（10分）水有一定的極性，所以能進(jìn)到無(wú)定形區(qū)，發(fā)生結(jié)晶區(qū)之間的潤(rùn)脹。纖維素的吸著水只能進(jìn)入無(wú)定形區(qū)而不能進(jìn)入結(jié)晶區(qū)，并且與無(wú)定形區(qū)中的羥基形成氫鍵結(jié)合。吸著水量隨無(wú)定形區(qū)百分率

6、的增加而增加。6. 針葉木和闊葉材主要的聚木糖類半纖維素是什么？（10分）針葉材的聚木糖半纖維素是：聚阿拉伯糖基-4-O-甲基葡萄糖醛酸基木糖，闊葉材的聚木糖半纖維素是：聚4-O-甲基葡萄糖醛酸基木糖。四、問(wèn)答題（55分）：1 、紙漿中半纖維素的存在對(duì)紙漿的打漿和成紙性能有哪些影響？（15分）（1）由于半纖維素親水性好，能在打漿過(guò)程中促使制漿的潤(rùn)脹，因此能提高打漿的效率。（2）由于半纖維素形成氫鍵的能力比較強(qiáng)，但是聚合度較低（DP200）,紙漿中含一定量的半纖維素有利于提高紙張的物理強(qiáng)度，但半纖維素含量太高會(huì)顯著影響紙張的強(qiáng)度。（3）半纖維素的存在能提高紙張的緊度。但同時(shí)降低紙張的不透明度。（

7、4）半纖維素吸水性好，易受環(huán)境中水分的影響，影響紙頁(yè)的尺寸穩(wěn)定性。在紙張印刷過(guò)程中影響套色。2. 對(duì)于木材纖維，如何用壁腔比大小來(lái)判斷原料的優(yōu)劣？（15分）答：壁腔比就是細(xì)胞壁厚度的二倍與細(xì)胞腔直徑的比值。纖維細(xì)胞壁的絕對(duì)厚度與紙張性能無(wú)關(guān)。影響紙張性能的是纖維細(xì)胞壁厚度與細(xì)胞腔直徑的比值（壁腔比）。一般認(rèn)為細(xì)胞壁薄而細(xì)胞腔大的纖維抄成的紙張強(qiáng)度比較大。這是由于壁薄腔大的纖維有柔軟性，彼此容易結(jié)合得好。而壁厚腔小的纖維比較僵硬，彼此結(jié)合差，制成的紙張強(qiáng)度比較低，紙頁(yè)比較疏松，而吸水性好。對(duì)木材纖維原料，壁腔比小于1是好原料；等于1是中等原料；大于1是劣等原料。3. 解釋一下為什么吸附等溫曲線和

8、解吸等溫曲線不能重合，這種現(xiàn)象被稱為什么現(xiàn)象？（10分）干燥的纖維素在吸濕過(guò)程中其無(wú)定形區(qū)的氫鍵不斷打開(kāi)，纖維素分子間的氫鍵被纖維素與水分子間的氫鍵所代替，形成了新的氫鍵。在解吸過(guò)程中，潤(rùn)濕了的纖維脫水收縮，無(wú)定形區(qū)纖維素分子之間重新形成氫鍵，但由于內(nèi)部阻力的抵抗，被吸著的水不易揮發(fā)，纖維素與水分子之間的氫鍵不能全部可逆地打開(kāi)，故吸著的水較多，使得吸附等溫曲線和解吸等溫曲線不能重合，產(chǎn)生所謂的滯后現(xiàn)象。4. 如何制備Klason木素，其基本原理是什么？（15分）C下處理兩小時(shí)，然后在3%硫酸溶液中水解四小時(shí)，得到的不溶殘?jiān)礊榭死舅?，它的分離原理是把纖維原料中的多糖水解成單糖，使木素變成不

9、溶性殘?jiān)M(jìn)行分離木素。在制備過(guò)程中纖維素和半纖維素發(fā)生潤(rùn)脹，然后發(fā)生酸性水解反應(yīng)，最后變成單糖而溶出。60-80目的脫提取物木粉以72%硫酸在202011年研究生招生試卷答案信息來(lái)源：湖北工業(yè)大學(xué)植物纖維化學(xué)一、填空題（20分，每空格1分）：1 .植物纖維細(xì)胞壁可分為初生壁和次生壁兩層，構(gòu)成纖維細(xì)胞壁的主要化學(xué)成分有？_纖維素_、半纖維素、木素_。2 .針葉材最主要的細(xì)胞是管胞，闊葉材最主要的細(xì)胞是木纖維，禾本科植物纖維原料的主要細(xì)胞有:纖維細(xì)胞和薄壁細(xì)胞。3 .纖維素的堿性降解指剝皮反應(yīng)和堿性水解。4 .木素是由苯丙烷結(jié)構(gòu)單元通過(guò)醴鍵和碳-碳鍵連接而成的天然高分子化合物。5 .一般來(lái)說(shuō)木材原

10、料的灰分含量較低。而草類原料的灰分較高，其主要成分為SiO2。6 .針葉木、闊葉木和禾本科植物的木素分別屬于？G型、_GS_型以及_GSH_型。二、名詞解釋（15分）：1. （3分）：復(fù)合胞間層：由于初生壁P層和胞間層ML層緊密地生長(zhǎng)在一起，故把相鄰兩個(gè)細(xì)胞的P層及共有的ML層一起稱為復(fù)合胞間層CML。2. .（3分）木素-碳水化合物復(fù)合體：木素和半纖維素之間存在著化學(xué)鍵，構(gòu)成木素-碳水化合物復(fù)合體（Lignin-CarbohydrateComplexes簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)CC）。3. （3分）剝皮反應(yīng)：在堿的影響下，纖維素具有還原性末端基的葡萄糖基會(huì)逐個(gè)掉下來(lái)，一直到產(chǎn)生纖維素末端基轉(zhuǎn)化為偏變糖酸基的

11、穩(wěn)定反應(yīng)發(fā)生為止。由于消除下來(lái)的烷氧基一OR具有新的還原性末端基（也即是纖維素長(zhǎng)鏈分子具有新的還原性末端基），可以繼續(xù)進(jìn)行上述反應(yīng)，逐個(gè)不斷地脫掉末端基，所以稱為剝皮反應(yīng)。4. （3分）：纖維素的結(jié)晶區(qū)和無(wú)定形區(qū)：纖維素的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)是一種由結(jié)晶區(qū)和無(wú)定形區(qū)交錯(cuò)結(jié)合的體系。結(jié)晶區(qū)的特點(diǎn)是纖維素分子鏈取向良好，密度較大，分子間結(jié)合力強(qiáng)。無(wú)定形區(qū)的特點(diǎn)是纖維素分子鏈取向較差，分子排列無(wú)序，分子間距離較大，密度較低，分子間氫鍵結(jié)合數(shù)量少。5. （3分）貝克曼（Bj?rkman）木素：又稱磨木木素。在室溫下，用不引起潤(rùn)脹作用的中性溶劑作介質(zhì)仔細(xì)地研磨木粉，通過(guò)溶劑抽提而獲得高得率的分離木素。三、簡(jiǎn)答題（

12、60分）1 .針葉木半纖維素和闊葉木半纖維素有什么差異？（8分）針葉木的半纖維素以聚O-乙?；肴樘瞧咸烟歉事短菫橹鳎郯⒗?-O-甲基葡萄糖醛酸木糖也有一定的含量；闊葉木的半纖維素主要是聚。-乙?；?（4-氧甲基葡萄糖醛酸）木糖，伴隨著少量的聚葡萄糖甘露糖。2 .木材的心材和邊材在制漿性能上有何差別？（8分）心材樹(shù)脂含量高，浸透性差，用于制漿時(shí)藥液浸透較困難，影響蒸煮的均勻性，降低漿的質(zhì)量，酸法制漿時(shí)極易產(chǎn)生樹(shù)脂障礙及由于浸透不均勻而產(chǎn)生黑片等問(wèn)題。邊材易于浸透，易成漿，泡沫少，纖維長(zhǎng)度較大，是制漿造紙的好原料。3 .硫酸鹽法蒸煮過(guò)程中臭氣的主要成分是什么？并說(shuō)明其形成機(jī)理？（8分）硫酸

13、鹽法蒸煮過(guò)程中放出的臭氣的主要成分為甲硫醇和二甲硫醚。在硫酸鹽法蒸煮時(shí)，木素結(jié)構(gòu)單元上甲基芳基醚結(jié)構(gòu)和硫化鈉發(fā)生反應(yīng)，首先，親核試劑HS-離子進(jìn)攻木素芳香環(huán)上的甲氧基的碳原子，生成甲硫醇，并在苯環(huán)上導(dǎo)出酚羥基；然后，甲硫醇的陰離子（CH3S-）與第二個(gè)甲氧基反應(yīng)，生成二甲硫醚。4 、蒽醌在堿法蒸煮中的作用是什么？（10分）。-芳醚鍵的斷裂，從而加速木素的脫除，蒽氫醌和木素反應(yīng)又生成蒽氫醌，繼續(xù)發(fā)生氧化-還原反應(yīng)。在堿法蒸煮中，蒽醌氧化碳水化合物，生成糖醛酸末端基，防止剝皮反應(yīng)的發(fā)生，使紙漿得率增加，蒽醌本身被還原蒽氫醌，它與木素的亞甲基醌發(fā)生還原作用，促進(jìn)了木素5. 為什么纖維素的吸水量隨無(wú)定

14、形區(qū)百分率的增加而增加？（8分）水有一定的極性，所以能進(jìn)到無(wú)定形區(qū)，發(fā)生結(jié)晶區(qū)之間的潤(rùn)脹。纖維素的吸著水只能進(jìn)入無(wú)定形區(qū)而不能進(jìn)入結(jié)晶區(qū)，并且與無(wú)定形區(qū)中的羥基形成氫鍵結(jié)合。吸著水量隨無(wú)定形區(qū)百分率的增加而增加。6. 請(qǐng)比較針葉木、闊葉木原料的木素中甲氧基含量的差別，造成這個(gè)差別的原因是什么？（8分）（1）甲氧基含量的順序?yàn)椋洪熑~木）針葉木（2）闊葉木木素主要結(jié)構(gòu)單元為愈創(chuàng)木基和紫丁香基，紫丁香基含有兩個(gè)甲氧基，愈創(chuàng)木基含有一個(gè)甲氧基。針葉木木素主要結(jié)構(gòu)單元為愈創(chuàng)木基，愈創(chuàng)木基含有一個(gè)甲氧基。7. 為什么從纖維形態(tài)的角度看，針葉木的造紙?zhí)匦砸獌?yōu)于闊葉木？（10分）針葉木的生物結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，主要

15、由管胞組成。管胞占木質(zhì)部細(xì)胞總?cè)莘e的9095%o而管胞屬于優(yōu)良的造紙纖維，纖維較長(zhǎng)。而闊葉木是由導(dǎo)管、木纖維、木射線薄壁細(xì)胞與木薄壁細(xì)胞等組成的。主要是木纖維與導(dǎo)管，也有木射線與薄壁組織。闊葉木中對(duì)造紙有用的纖維狀細(xì)胞（木纖維）的數(shù)量（占木材體積的50%以上）顯然比針葉木中的管胞少得多，而且木纖維比較短，而非纖維狀細(xì)胞卻比針葉木多。所以從纖維形態(tài)的角度看，針葉木優(yōu)于闊葉木。四、問(wèn)答題（55分）：1. 燒堿法蒸煮和硫酸鹽法蒸煮的蒸煮藥劑有什么不同？對(duì)于同一原料，硫酸鹽法和燒堿法蒸煮哪個(gè)脫木素反應(yīng)速度更快？為什么？（15分）-芳醚的斷裂，加速了木素的降解和溶出。碳形成苯甲硫基結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)通過(guò)鄰基參

16、與反應(yīng)促進(jìn)了在NaOH作用下很難起反應(yīng)的非酚型燒堿法的蒸煮藥劑為NaOH，硫酸鹽法的蒸煮試劑為NaOH和Na2S，S2-比OH-具有更強(qiáng)的親核性，進(jìn)攻2. 解釋一下為什么纖維素的吸附等溫曲線和解吸等溫曲線不能重合，這種現(xiàn)象被稱為什么現(xiàn)象？（10分）干燥的纖維素在吸濕過(guò)程中其無(wú)定形區(qū)的氫鍵不斷打開(kāi)，纖維素分子間的氫鍵被纖維素與水分子間的氫鍵所代替，形成了新的氫鍵。在解吸過(guò)程中，潤(rùn)濕了的纖維脫水收縮，無(wú)定形區(qū)纖維素分子之間重新形成氫鍵，但由于內(nèi)部阻力的抵抗，被吸著的水不易揮發(fā)，纖維素與水分子之間的氫鍵不能全部可逆地打開(kāi)，故吸著的水較多，使得吸附等溫曲線和解吸等溫曲線不能重合，產(chǎn)生所謂的滯后現(xiàn)象3.

17、 為何Klason木素適用于定量測(cè)定，而磨木木素適合于木素化學(xué)結(jié)構(gòu)的分析？（15分）因?yàn)槟舅卦诨瘜W(xué)上不穩(wěn)定。當(dāng)它受到溫度、酸度或者化學(xué)試劑的作用時(shí)，都會(huì)引起化學(xué)變化，即使在比較溫和的條件下也會(huì)引起木素結(jié)構(gòu)的改變。Klason木素是以殘?jiān)男问蕉蛛x的木素。所有用酸水解得到的木素制備物全都改變了它們的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，主要是縮合反應(yīng)。因此這些制備物是不可能用于結(jié)構(gòu)研究的，但所得殘?jiān)牧颗c木素的真實(shí)含量很接近，所以主要是用于測(cè)定木素含量。而磨木木素是被溶解而分離得到的木素，是現(xiàn)在可用的最好的木素制備物，可以看作是木材中的木素代表，雖然它與原本木素并不相等。因?yàn)樗窃跍睾蜅l件下采用惰性溶劑分離出來(lái)的，其化學(xué)結(jié)構(gòu)測(cè)定結(jié)果比較接近于原本木