السليلوز عبارة عن عديد السكاريد المعقد الذي يتكون من العديد من وحدات الجلوكوز المرتبطة بروابط β-1,4-glycosidic. وهو المكون الرئيسي لجدران الخلايا النباتية ويمنح جدران الخلايا النباتية دعمًا هيكليًا قويًا ومتانة. نظرًا لسلسلة جزيئات السليلوز الطويلة والبلورة العالية، فهو يتمتع بثبات قوي وعدم قابلية للذوبان.
(1) خصائص السليلوز وصعوبة الذوبان
يحتوي السليلوز على الخصائص التالية التي تجعل من الصعب إذابته:
التبلور العالي: تشكل السلاسل الجزيئية السليولوزية بنية شبكية محكمة من خلال روابط الهيدروجين وقوى فان دير فالس.
درجة البلمرة العالية: درجة البلمرة (أي طول السلسلة الجزيئية) للسليلوز عالية، وتتراوح عادة من مئات إلى آلاف وحدات الجلوكوز، مما يزيد من ثبات الجزيء.
شبكة الروابط الهيدروجينية: توجد الروابط الهيدروجينية على نطاق واسع بين وداخل السلاسل الجزيئية السليلوزية، مما يجعل من الصعب تدميرها وإذابتها بواسطة المذيبات العامة.
(2) الكواشف التي تذيب السليلوز
حاليًا، تشمل الكواشف المعروفة التي يمكنها إذابة السليلوز بشكل فعال الفئات التالية:
1. السوائل الأيونية
السوائل الأيونية هي سوائل تتكون من الكاتيونات العضوية والأنيونات العضوية أو غير العضوية، وعادة ما تكون منخفضة التطاير، والاستقرار الحراري العالي وقابلية التعديل العالية. يمكن لبعض السوائل الأيونية إذابة السليلوز، والآلية الرئيسية هي كسر الروابط الهيدروجينية بين سلاسل السليلوز الجزيئية. تشمل السوائل الأيونية الشائعة التي تذيب السليلوز ما يلي:
1-بوتيل-3-كلوريد ميثيلميدازوليوم ([BMIM]Cl): يقوم هذا السائل الأيوني بإذابة السليلوز عن طريق التفاعل مع الروابط الهيدروجينية في السليلوز من خلال متقبلات الروابط الهيدروجينية.
1-إيثيل-3-ميثيلميدازوليوم أسيتات ([EMIM][Ac]): يمكن لهذا السائل الأيوني إذابة تركيزات عالية من السليلوز في ظل ظروف معتدلة نسبيًا.
2. محلول أمين مؤكسد
يُسمى محلول الأكسدة الأمينية مثل المحلول المختلط من ثنائي إيثيل أمين (DEA) وكلوريد النحاس [محلول الأمونيوم Cu(II)]، وهو نظام مذيب قوي يمكنه إذابة السليلوز. إنه يدمر البنية البلورية للسليلوز من خلال الأكسدة والترابط الهيدروجيني، مما يجعل سلسلة السليلوز الجزيئية أكثر ليونة وأكثر قابلية للذوبان.
3. نظام كلوريد الليثيوم-ثنائي ميثيل أسيتاميد (LiCl-DMAc).
يعد نظام LiCl-DMAc (كلوريد الليثيوم-ثنائي ميثيل أسيتاميد) أحد الطرق الكلاسيكية لإذابة السليلوز. يمكن أن يشكل LiCl منافسة على الروابط الهيدروجينية، وبالتالي تدمير شبكة الروابط الهيدروجينية بين جزيئات السليلوز، في حين أن DMAc كمذيب يمكن أن يتفاعل بشكل جيد مع السلسلة الجزيئية السليلوز.
4. حمض الهيدروكلوريك/محلول كلوريد الزنك
محلول حمض الهيدروكلوريك/كلوريد الزنك هو كاشف تم اكتشافه مبكرًا ويمكنه إذابة السليلوز. يمكنه إذابة السليلوز عن طريق تكوين تأثير تنسيق بين كلوريد الزنك والسلاسل الجزيئية السليلوز، وحمض الهيدروكلوريك الذي يدمر روابط الهيدروجين بين جزيئات السليلوز. ومع ذلك، فإن هذا الحل يسبب تآكلًا كبيرًا للمعدات وهو محدود في التطبيقات العملية.
5. الانزيمات الحالة للفبرين
تعمل الإنزيمات المحللة للفبرين (مثل السليوليز) على إذابة السليلوز عن طريق تحفيز تحلل السليلوز إلى سكريات قليلة وسكريات أحادية أصغر. تتمتع هذه الطريقة بنطاق واسع من التطبيقات في مجالات التحلل الحيوي وتحويل الكتلة الحيوية، على الرغم من أن عملية الذوبان ليست انحلالًا كيميائيًا بالكامل، ولكنها تتحقق من خلال التحفيز الحيوي.
(3) آلية ذوبان السليلوز
الكواشف المختلفة لها آليات مختلفة لإذابة السليلوز، ولكن بشكل عام يمكن أن تعزى إلى آليتين رئيسيتين:
تدمير الروابط الهيدروجينية: تدمير الروابط الهيدروجينية بين السلاسل الجزيئية السليولوزية من خلال تكوين رابطة هيدروجينية تنافسية أو التفاعل الأيوني، مما يجعلها قابلة للذوبان.
استرخاء السلسلة الجزيئية: زيادة ليونة سلاسل السليلوز الجزيئية وتقليل تبلور السلاسل الجزيئية من خلال وسائل فيزيائية أو كيميائية، بحيث يمكن إذابتها في المذيبات.
(4) تطبيقات عملية على إذابة السليولوز
إنحلال السليلوز له تطبيقات مهمة في العديد من المجالات:
تحضير مشتقات السليلوز: بعد إذابة السليلوز، يمكن تعديله كيميائيًا لتحضير إثيرات السليلوز واسترات السليلوز ومشتقات أخرى، والتي تستخدم على نطاق واسع في الغذاء والدواء والطلاءات وغيرها من المجالات.
المواد المعتمدة على السليلوز: يمكن تحضيرها باستخدام السليلوز المذاب وألياف السليلوز النانوية وأغشية السليلوز وغيرها من المواد. هذه المواد لها خصائص ميكانيكية جيدة وتوافق حيوي.
طاقة الكتلة الحيوية: من خلال إذابة وتحلل السليلوز يمكن تحويلها إلى سكريات قابلة للتخمر لإنتاج الوقود الحيوي مثل الإيثانول الحيوي، مما يساعد على تحقيق تطوير واستغلال الطاقة المتجددة.
يعد تحلل السليلوز عملية معقدة تتضمن آليات كيميائية وفيزيائية متعددة. من المعروف حاليًا أن السوائل الأيونية ومحاليل الأكسدة الأمينية وأنظمة LiCl-DMAc ومحاليل حمض الهيدروكلوريك/كلوريد الزنك والإنزيمات المحللة للسيلوليت هي عوامل فعالة في إذابة السليلوز. كل وكيل لديه آلية الحل الفريدة الخاصة به ومجال التطبيق. ومن خلال الدراسة المتعمقة لآلية إذابة السليلوز، يُعتقد أنه سيتم تطوير طرق إذابة أكثر كفاءة وصديقة للبيئة، مما يوفر المزيد من الإمكانيات لاستخدام السليلوز وتطويره.
وقت النشر: 09 يوليو 2024