Лигнин представляет собой один из основных компонентов клеточных стенок сосудистых растений, обеспечивающий их механическую прочность и устойчивость к биологическому разложению. Это аморфный, высокомолекулярный полимер, образующийся в процессе лигнификации — ферментативного отложения фенольных соединений в клеточных стенках, главным образом в сочетании с целлюлозой и гемицеллюлозами. Содержание лигнина в сухом веществе древесины колеблется от 20 до 35 % в зависимости от ботанического происхождения растения.
Лигнин относится к классу ароматических биополимеров. Его макромолекула построена из фенилпропановых звеньев, происходящих из трёх основных мономеров: п-кумарового, кониферилового и синапового спиртов, известных как мономеры лигнина или лигниновые спирты. Эти спирты содержат ароматическое кольцо с метоксильными заместителями и пропановый боковой фрагмент, благодаря чему в процессе поликонденсации образуются разнообразные типы связей.
Эмпирическая формула лигнина приблизительно выражается как C₉H₁₀O₂(OH)(OCH₃)₀₋₂, однако структура полимера чрезвычайно вариабельна. Количество метоксильных групп, степень окисления и соотношение различных мономеров зависят от вида растения: у хвойных пород преобладает конифериловый спирт (гуаяцильный тип лигнина), у лиственных — смесь кониферилового и синапового спиртов (сиринго-гуаяцильный тип), у травянистых растений — присутствуют все три типа звеньев, включая п-кумариловый (гидроксифенильный тип).
Молекула лигнина характеризуется высокой степенью разветвлённости. Основные типы связей между структурными единицами включают:
В макромолекуле чередуются фрагменты, содержащие спиртовые, фенольные, альдегидные и эфирные группы, что обусловливает разнообразие химических свойств лигнина.
Биосинтетический путь лигнина начинается с аминокислоты фенилаланина, которая под действием фермента фенилаланин-аммоний-лиазы превращается в коричную кислоту. Далее через ряд реакций гидроксилирования и метилирования образуются соответствующие фенилпропановые спирты — предшественники лигнина. Эти мономеры подвергаются ферментативной окислительной полимеризации, катализируемой пероксидазами и лакказами. В результате происходит случайная радикальная конденсация с образованием пространственно нерегулярной полимерной сети.
Лигнин является аморфным и термореактивным полимером. Он нерастворим в воде и большинстве органических растворителей, однако растворяется в щелочах, концентрированных сернистых соединениях и некоторых полярных апротонных средах. Благодаря присутствию фенольных гидроксильных групп лигнин проявляет слабокислые свойства, способен к ионному обмену и образованию комплексов с металлами.
При нагревании выше 200 °С начинается термическое разложение лигнина с выделением фенолов, метоксибензолов, углерода и газообразных продуктов. Эта особенность лежит в основе процессов пиролиза и получения ароматических углеводородов из древесины.
Химическая активность лигнина обусловлена присутствием реакционноспособных функциональных групп. Наиболее важные реакции включают:
Лигнин придаёт растениям прочность и гидрофобность, обеспечивает транспорт воды в ксилеме и защищает ткани от проникновения микроорганизмов. Его устойчивость к ферментативному расщеплению делает лигнин ключевым фактором долговечности древесины и основной причиной медленного разложения растительных остатков в экосистемах.
Деградация лигнина в природе осуществляется специализированными микроорганизмами — белой и бурой гнилью, продуцирующими ферменты лигниназы, пероксидазы и лакказы. Эти ферменты окисляют ароматические кольца и способствуют минерализации органического углерода.
Лигнин является побочным продуктом целлюлозно-бумажной промышленности, где он выделяется в процессе варки древесины при получении целлюлозы. Большие объёмы лигнина используются для производства:
Современные направления исследований сосредоточены на глубокой переработке лигнина для получения биобензолов, фенольных мономеров и углеродных наноструктур, что делает его важным компонентом биорефайнинга и «зелёной» химии.
Для определения структуры и состава лигнина применяются спектроскопические и химико-аналитические методы:
Эти методы позволяют уточнить соотношение структурных фрагментов, характер связей и степень конденсации, что имеет значение для технологической переработки лигниносодержащих материалов.
Лигнин занимает особое место среди природных полимеров как единственный массовый биополимер с ароматической структурой. Его изучение представляет фундаментальный интерес для понимания биосинтеза ароматических соединений в растениях и разработки методов их рационального использования. Сложность и разнообразие строения лигнина делают его модельным объектом для исследований в области органической и макромолекулярной химии, а также перспективным сырьём для устойчивой химической промышленности.