Целулозата е сложен полизахарид, съставен от много глюкозни единици, свързани с β-1,4-гликозидни връзки. Той е основният компонент на растителните клетъчни стени и дава на растителните клетъчни стени силна структурна поддръжка и здравина. Поради дългата целулозна молекулна верига и висока кристалност, тя има силна стабилност и несъстоятелност.
(1) Свойства на целулозата и трудност при разтваряне
Целулозата има следните свойства, които затрудняват разтварянето:
Висока кристалност: Целулозните молекулни вериги образуват стегната решетка 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 увеличава стабилността на молекулата.
Мрежа за водородна връзка: Водородните връзки са широко присъстващи между и в рамките на целулозните молекулни вериги, което затруднява унищожаването и разтварянето от общи разтворители.
(2) реагенти, които разтварят целулозата
Понастоящем известните реагенти, които могат ефективно да разтворят целулозата, включват предимно следните категории:
1. Йонни течности
Йонните течности са течности, съставени от органични катиони и органични или неорганични аниони, обикновено с ниска променливост, висока термична стабилност и висока регулируемост. Някои йонни течности могат да разтворят целулозата и основният механизъм е да се разрушат водородните връзки между целулозните молекулни вериги. Общите йонни течности, които разтварят целулозата, включват:
1-бутил-3-метилимидазолиев хлорид ([BMIM] Cl): Тази йонна течност разтваря целулозата, като взаимодейства с водородни връзки в целулозата чрез акцептори на водородна връзка.
1-етил-3-метилимидазолиев ацетат ([EMIM] [AC]): Тази йонна течност може да разтвори високи концентрации на целулоза при сравнително леки условия.
2. Амино окислен разтвор
Амин окислителният разтвор като смесен разтвор на диетиламин (DEA) и меден хлорид се нарича [Cu (II) -мониев разтвор], който е силна система за разтворител, която може да разтвори целулозата. Той унищожава кристалната структура на целулозата чрез окисляване и водородна връзка, което прави целулозната молекулна верига по -мека и по -разтворима.
3. Литиев хлорид-диметилацетамид (LICL-DMAC)
Системата LICL-DMAC (литиев хлорид-диметилацетамид) е един от класическите методи за разтваряне на целулозата. LICL може да образува конкуренция за водородни връзки, като по този начин ще унищожи мрежата за водородна връзка между целулозните молекули, докато DMAC като разтворител може да взаимодейства добре с целулозната молекулна верига.
4. разтвор на солна киселина/цинков хлорид
Разтворът на хидрохлорна киселина/цинк хлорид е ранно открит реагент, който може да разтвори целулозата. Той може да разтвори целулозата чрез образуване на координационен ефект между цинков хлорид и целулозни молекулни вериги и солна киселина, унищожаваща водородните връзки между целулозните молекули. Това решение обаче е силно разяждащо за оборудването и е ограничено в практически приложения.
5. Фибринолитични ензими
Фибринолитичните ензими (като целулазите) разтварят целулозата чрез катализиране на разлагането на целулоза 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 химическо разтваряне, но се постига чрез биокатализа.
(3) Механизъм на разтваряне на целулоза
Различните реагенти имат различни механизми за разтваряне на целулозата, но като цяло те могат да бъдат приписани на два основни механизма:
Унищожаване на водородни връзки: Унищожаване на водородните връзки между целулозните молекулни вериги чрез конкурентно образуване на водородна връзка или йонно взаимодействие, което го прави разтворим.
Релаксация на молекулярна верига: Увеличаване на мекотата на целулозните молекулни вериги и намаляване на кристалността на молекулните вериги чрез физически или химически средства, така че те да могат да бъдат разтворени в разтворители.
(4) Практически приложения на целулозно разтваряне
Целулозното разтваряне има важни приложения в много области:
Приготвяне на целулозни производни: След разтваряне на целулозата може да бъде допълнително химично модифицирано за приготвяне на целулозни етери, целулозни естери и други производни, които се използват широко в храната, лекарството, покритията и други полета.
Материали на основата на целулоза: Използване на разтворена целулоза, целулозни нано влакна, целулозни мембрани и други материали могат да бъдат приготвени. Тези материали имат добри механични свойства и биосъвместимост.
Енергия на биомаса: Чрез разтваряне и разграждане на целулозата, тя може да бъде превърната във ферментируеми захари за производство на биогорива като биоетанол, което помага за постигане на развитието и използването на възобновяема енергия.
Разтварянето на целулозата е сложен процес, включващ множество химически и физически механизми. Йонни течности, амино оксидантни разтвори, LICL-DMAC системи, разтвори на солна киселина/цинков хлорид и целолитични ензими понастоящем са ефективни агенти за разтваряне на целулоза. Всеки агент има свой уникален механизъм за разтваряне и поле за приложение. С задълбоченото проучване на механизма за разтваряне на целулозата се смята, че ще бъдат разработени по-ефективни и екологични методи за разтваряне, осигуряващи повече възможности за използване и развитие на целулозата.
Време за публикация: 09-2024 юли