Целулозата е сложен полизахарид, съставен от много глюкозни единици, свързани с β-1,4-гликозидни връзки. Той е основният компонент на стените на растителните клетки и придава на стените на растителните клетки силна структурна опора и здравина. Благодарение на дългата молекулна верига на целулозата и високата кристалност, той има силна стабилност и неразтворимост.
(1) Свойства на целулозата и трудности при разтваряне
Целулозата има следните свойства, които затрудняват разтварянето й:
Висока кристалност: Молекулните вериги на целулозата образуват плътна решетъчна структура чрез водородни връзки и сили на Ван дер Ваалс.
Висока степен на полимеризация: Степента на полимеризация (т.е. дължината на молекулната верига) на целулозата е висока, обикновено варираща от стотици до хиляди глюкозни единици, което повишава стабилността на молекулата.
Мрежа от водородни връзки: Водородните връзки са широко присъстващи между и в целулозните молекулни вериги, което затруднява разрушаването и разтварянето им от общите разтворители.
(2) Реагенти, които разтварят целулозата
Понастоящем известните реагенти, които могат ефективно да разтварят целулоза, включват главно следните категории:
1. Йонни течности
Йонните течности са течности, съставени от органични катиони и органични или неорганични аниони, обикновено с ниска летливост, висока термична стабилност и висока регулируемост. Някои йонни течности могат да разтварят целулозата и основният механизъм е да разкъсат водородните връзки между молекулните вериги на целулозата. Обичайните йонни течности, които разтварят целулозата, включват:
1-Бутил-3-метилимидазолиев хлорид ([BMIM]Cl): Тази йонна течност разтваря целулозата чрез взаимодействие с водородните връзки в целулозата чрез акцептори на водородни връзки.
1-Етил-3-метилимидазолиев ацетат ([EMIM][Ac]): Тази йонна течност може да разтвори високи концентрации целулоза при относително меки условия.
2. Разтвор на аминен оксидант
Разтвор на аминен оксидант, като смесен разтвор на диетиламин (DEA) и меден хлорид, се нарича [Cu(II)-амониев разтвор], който е силна система от разтворители, която може да разтвори целулозата. Той разрушава кристалната структура на целулозата чрез окисление и водородни връзки, правейки целулозната молекулярна верига по-мека и по-разтворима.
3. Система литиев хлорид-диметилацетамид (LiCl-DMAc).
Системата LiCl-DMAc (литиев хлорид-диметилацетамид) е един от класическите методи за разтваряне на целулоза. LiCl може да образува конкуренция за водородни връзки, като по този начин разрушава мрежата от водородни връзки между целулозните молекули, докато DMAc като разтворител може да взаимодейства добре с целулозната молекулна верига.
4. Разтвор на солна киселина/цинков хлорид
Разтворът на солна киселина/цинков хлорид е рано открит реагент, който може да разтваря целулозата. Той може да разтваря целулозата чрез образуване на координационен ефект между молекулните вериги на цинковия хлорид и целулозата и солната киселина, разрушаваща водородните връзки между целулозните молекули. Това решение обаче е силно корозивно за оборудването и е ограничено в практическите приложения.
5. Фибринолитични ензими
Фибринолитичните ензими (като целулази) разтварят целулозата, като катализират разграждането на целулозата в по-малки олигозахариди и монозахариди. Този метод има широк спектър от приложения в областта на биоразграждането и преобразуването на биомаса, въпреки че процесът му на разтваряне не е напълно химично разтваряне, а се постига чрез биокатализа.
(3) Механизъм на разтваряне на целулозата
Различните реагенти имат различни механизми за разтваряне на целулозата, но като цяло те могат да бъдат приписани на два основни механизма:
Разрушаване на водородни връзки: Разрушаване на водородните връзки между молекулните вериги на целулозата чрез конкурентно образуване на водородна връзка или йонно взаимодействие, което я прави разтворима.
Релаксация на молекулярната верига: Повишаване на мекотата на целулозните молекулярни вериги и намаляване на кристалността на молекулярните вериги чрез физически или химически средства, така че те да могат да бъдат разтворени в разтворители.
(4) Практически приложения на разтварянето на целулоза
Разтварянето на целулоза има важни приложения в много области:
Приготвяне на целулозни производни: След разтваряне на целулоза, тя може да бъде допълнително химически модифицирана, за да се получат целулозни етери, целулозни естери и други производни, които се използват широко в храните, медицината, покритията и други области.
Материали на основата на целулоза: С помощта на разтворена целулоза могат да се приготвят целулозни нановлакна, целулозни мембрани и други материали. Тези материали имат добри механични свойства и биосъвместимост.
Енергия от биомаса: чрез разтваряне и разграждане на целулоза, тя може да бъде превърната във ферментиращи захари за производството на биогорива като биоетанол, което спомага за постигане на развитието и използването на възобновяема енергия.
Разтварянето на целулоза е сложен процес, включващ множество химични и физични механизми. Йонни течности, разтвори на аминооксиданти, системи LiCl-DMAc, разтвори на солна киселина/цинков хлорид и целолитични ензими понастоящем са известни като ефективни средства за разтваряне на целулоза. Всеки агент има свой уникален механизъм на разтваряне и област на приложение. Със задълбоченото проучване на механизма за разтваряне на целулозата се смята, че ще бъдат разработени по-ефективни и екологични методи за разтваряне, предоставящи повече възможности за използване и развитие на целулозата.
Време на публикуване: 09 юли 2024 г