Цэлюлоза - гэта складаны поліцукрыд, які складаецца з мноства звёнаў глюкозы, злучаных β-1,4-гліказіднымі сувязямі. Гэта асноўны кампанент клеткавых сценак раслін і надае клеткавым сценам раслін моцную структурную падтрымку і трываласць. Дзякуючы доўгаму малекулярнаму ланцугу цэлюлозы і высокай кристалличности, ён мае моцную стабільнасць і нерастваральнасць.
(1) Уласцівасці цэлюлозы і цяжкасці растварэння
Цэлюлоза валодае наступнымі ўласцівасцямі, якія абцяжарваюць яе растварэнне:
Высокая кристалличность: малекулярныя ланцугі цэлюлозы ўтвараюць цесную структуру рашоткі праз вадародныя сувязі і сілы Ван-дэр-Ваальса.
Высокая ступень полімерызацыі: ступень полімерызацыі (г.зн. даўжыня малекулярнага ланцуга) цэлюлозы высокая, звычайна складае ад сотняў да тысяч адзінак глюкозы, што павялічвае стабільнасць малекулы.
Сетка вадародных сувязей: вадародныя сувязі шырока прысутнічаюць паміж малекулярнымі ланцужкамі цэлюлозы і ўнутры іх, што ўскладняе разбурэнне і растварэнне звычайнымі растваральнікамі.
(2) Рэагенты, якія раствараюць цэлюлозу
У цяперашні час вядомыя рэагенты, здольныя эфектыўна раствараць цэлюлозу, у асноўным ўключаюць наступныя катэгорыі:
1. Іённыя вадкасці
Іённыя вадкасці - гэта вадкасці, якія складаюцца з арганічных катыёнаў і арганічных або неарганічных аніёнаў, звычайна з нізкай лятучасцю, высокай тэрмічнай стабільнасцю і высокай магчымасцю рэгулявання. Некаторыя іённыя вадкасці могуць раствараць цэлюлозу, і асноўным механізмам з'яўляецца разрыў вадародных сувязей паміж малекулярнымі ланцугамі цэлюлозы. Агульныя іённыя вадкасці, якія раствараюць цэлюлозу, ўключаюць:
Хларыд 1-бутыл-3-метилимидазолия ([BMIM]Cl): гэтая іённая вадкасць растварае цэлюлозу, узаемадзейнічаючы з вадароднымі сувязямі ў цэлюлозе праз акцэптары вадародных сувязяў.
Ацэтат 1-этыл-3-метылімідазолію ([EMIM][Ac]): гэтая іённая вадкасць можа раствараць высокія канцэнтрацыі цэлюлозы ў адносна мяккіх умовах.
2. Раствор амінакісляльніка
Раствор акісляльніка аміна, такі як змешаны раствор дыэтыламіну (ДЭА) і хларыду медзі, называецца [раствор амонія Cu(II)], які з'яўляецца моцнай сістэмай растваральнікаў, якая можа раствараць цэлюлозу. Ён разбурае крышталічную структуру цэлюлозы праз акісленне і вадародныя сувязі, робячы малекулярны ланцужок цэлюлозы больш мяккім і растваральным.
3. Сістэма хларыд літыя-дыметылацэтамід (LiCl-DMAc).
Сістэма LiCl-DMAc (хларыд літыя-дыметылацэтамід) - адзін з класічных метадаў растварэння цэлюлозы. LiCl можа ўтвараць канкурэнцыю за вадародныя сувязі, тым самым разбураючы сетку вадародных сувязяў паміж малекуламі цэлюлозы, у той час як DMAc як растваральнік можа добра ўзаемадзейнічаць з малекулярным ланцужком цэлюлозы.
4. Саляная кіслата / раствор хларыду цынку
Раствор салянай кіслаты/хларыду цынку - гэта рана адкрыты рэагент, які можа раствараць цэлюлозу. Ён можа раствараць цэлюлозу, ствараючы каардынацыйны эфект паміж малекулярнымі ланцужкамі хларыду цынку і цэлюлозы, а саляная кіслата разбурае вадародныя сувязі паміж малекуламі цэлюлозы. Тым не менш, гэта рашэнне вельмі раз'ядае абсталяванне і абмежавана ў практычных прымяненнях.
5. Фибринолитические ферменты
Фибринолитические ферменты (напрыклад, целлюлазы) раствараюць цэлюлозу, каталізуючы распад цэлюлозы на больш дробныя алігацукрыды і монацукрыды. Гэты метад мае шырокі спектр прымянення ў галіне біядэградацыі і пераўтварэння біямасы, хоць працэс яго растварэння не з'яўляецца цалкам хімічным растварэньнем, а дасягаецца з дапамогай біякаталізу.
(3) Механізм растварэння цэлюлозы
Розныя рэагенты маюць розныя механізмы растварэння цэлюлозы, але ў цэлым іх можна аднесці да двух асноўных механізмаў:
Разбурэнне вадародных сувязей: разбурэнне вадародных сувязей паміж малекулярнымі ланцужкамі цэлюлозы шляхам канкурэнтнага ўтварэння вадародных сувязей або іённага ўзаемадзеяння, што робіць яе растваральнай.
Рэлаксацыя малекулярных ланцугоў: павышэнне мяккасці малекулярных ланцугоў цэлюлозы і памяншэнне крышталічнасці малекулярных ланцугоў фізічнымі або хімічнымі спосабамі, каб іх можна было растварыць у растваральніках.
(4) Практычнае прымяненне растварэння цэлюлозы
Растварэнне цэлюлозы мае важнае прымяненне ў многіх галінах:
Падрыхтоўка вытворных цэлюлозы: пасля растварэння цэлюлозы яе можна дадаткова хімічна мадыфікаваць для атрымання простых эфіраў цэлюлозы, складаных эфіраў цэлюлозы і іншых вытворных, якія шырока выкарыстоўваюцца ў харчовай прамысловасці, медыцыне, пакрыццях і іншых галінах.
Матэрыялы на аснове цэлюлозы: з дапамогай растворанай цэлюлозы можна прыгатаваць цэлюлозныя нанавалакна, цэлюлозныя мембраны і іншыя матэрыялы. Гэтыя матэрыялы валодаюць добрымі механічнымі ўласцівасцямі і биосовместимостью.
Энергія біямасы: шляхам растварэння і дэградацыі цэлюлозы яе можна ператварыць у зброджвальны цукар для вытворчасці біяпаліва, напрыклад біяэтанолу, што дапамагае дасягнуць развіцця і выкарыстання аднаўляльных крыніц энергіі.
Растварэнне цэлюлозы - гэта складаны працэс, які ўключае мноства хімічных і фізічных механізмаў. Іённыя вадкасці, растворы амінакіслот, сістэмы LiCl-DMAc, растворы салянай кіслаты/хларыду цынку і цэлалітычныя ферменты ў цяперашні час вядомыя як эфектыўныя сродкі для растварэння цэлюлозы. Кожны агент мае свой унікальны механізм растварэння і вобласць прымянення. Мяркуецца, што з паглыбленым вывучэннем механізму растварэння цэлюлозы будуць распрацаваны больш эфектыўныя і экалагічна чыстыя метады растварэння, якія адкрыюць больш магчымасцей для выкарыстання і развіцця цэлюлозы.
Час публікацыі: 9 ліпеня 2024 г