Celuloza je kompleksni polisaharid sastavljen od mnogih jedinica glukoze povezanih β-1,4-glikozidnim vezama. To je glavna komponenta zidova biljnih ćelija i daje zidovima biljnih ćelija snažnu strukturnu podršku i čvrstinu. Zbog dugog molekulskog lanca celuloze i visoke kristalnosti, ima jaku stabilnost i nerastvorljivost.
(1) Svojstva celuloze i poteškoće u rastvaranju
Celuloza ima sljedeća svojstva koja otežavaju rastvaranje:
Visoka kristalnost: molekularni lanci celuloze formiraju čvrstu strukturu rešetke kroz vodonične veze i van der Waalsove sile.
Visok stepen polimerizacije: Stepen polimerizacije (tj. dužina molekularnog lanca) celuloze je visok, obično se kreće od stotina do hiljada jedinica glukoze, što povećava stabilnost molekula.
Mreža vodoničnih veza: Vodikove veze su široko prisutne između i unutar molekulskih lanaca celuloze, što otežava uništavanje i rastvaranje općim rastvaračima.
(2) Reagensi koji otapaju celulozu
Trenutno poznati reagensi koji mogu efikasno rastvoriti celulozu uglavnom uključuju sledeće kategorije:
1. Jonske tečnosti
Jonske tekućine su tekućine sastavljene od organskih katjona i organskih ili neorganskih aniona, obično niske isparljivosti, visoke termičke stabilnosti i velike prilagodljivosti. Neke jonske tekućine mogu otopiti celulozu, a glavni mehanizam je razbijanje vodikovih veza između molekulskih lanaca celuloze. Uobičajene jonske tekućine koje otapaju celulozu uključuju:
1-Butil-3-metilimidazolijum hlorid ([BMIM]Cl): Ova jonska tečnost otapa celulozu interakcijom sa vodoničnim vezama u celulozi preko akceptora vodonične veze.
1-etil-3-metilimidazolijum acetat ([EMIM][Ac]): Ova jonska tečnost može rastvoriti visoke koncentracije celuloze u relativno blagim uslovima.
2. Otopina oksidansa amina
Otopina oksidansa amina kao što je miješana otopina dietilamina (DEA) i bakar hlorida naziva se [Cu(II)-amonijum rastvor], što je jak sistem rastvarača koji može da rastvori celulozu. Uništava kristalnu strukturu celuloze kroz oksidaciju i vodikovu vezu, čineći molekularni lanac celuloze mekšim i topljivijim.
3. Litijum hlorid-dimetilacetamid (LiCl-DMAc) sistem
LiCl-DMAc (litijum hlorid-dimetilacetamid) sistem je jedna od klasičnih metoda za otapanje celuloze. LiCl može formirati konkurenciju za vodonične veze, uništavajući tako mrežu vodoničnih veza između molekula celuloze, dok DMAc kao rastvarač može dobro komunicirati sa molekulskim lancem celuloze.
4. Rastvor hlorovodonične kiseline/cink hlorida
Rastvor hlorovodonične kiseline/cink hlorida je rano otkriven reagens koji može da rastvori celulozu. Može rastvoriti celulozu formiranjem efekta koordinacije između cink hlorida i molekularnih lanaca celuloze, a hlorovodonična kiselina uništava vodikove veze između molekula celuloze. Međutim, ovo rješenje je vrlo korozivno za opremu i ograničeno je u praktičnim primjenama.
5. Fibrinolitički enzimi
Fibrinolitički enzimi (kao što su celulaze) otapaju celulozu katalizujući razgradnju celuloze na manje oligosaharide i monosaharide. Ova metoda ima širok spektar primjena u područjima biorazgradnje i konverzije biomase, iako njen proces rastvaranja nije potpuno hemijsko otapanje, već se postiže biokatalizom.
(3) Mehanizam rastvaranja celuloze
Različiti reagensi imaju različite mehanizme za otapanje celuloze, ali općenito se mogu pripisati dva glavna mehanizma:
Uništavanje vodoničnih veza: Uništavanje vodoničnih veza između celuloznih molekulskih lanaca kroz kompetitivno formiranje vodonične veze ili ionsku interakciju, čineći ga rastvorljivim.
Relaksacija molekularnih lanaca: Povećanje mekoće molekularnih lanaca celuloze i smanjenje kristalnosti molekularnih lanaca fizičkim ili hemijskim sredstvima, tako da se mogu rastvoriti u rastvaračima.
(4) Praktične primjene rastvaranja celuloze
Otapanje celuloze ima važnu primjenu u mnogim poljima:
Priprema derivata celuloze: Nakon otapanja celuloze, može se dalje hemijski modificirati za pripremu celuloznih etera, celuloznih estera i drugih derivata, koji se široko koriste u hrani, medicini, premazima i drugim poljima.
Materijali na bazi celuloze: Koristeći otopljenu celulozu, mogu se pripremiti celulozna nanovlakna, celulozne membrane i drugi materijali. Ovi materijali imaju dobra mehanička svojstva i biokompatibilnost.
Energija biomase: Otapanjem i razgradnjom celuloze može se pretvoriti u fermentabilne šećere za proizvodnju biogoriva kao što je bioetanol, što pomaže u postizanju razvoja i korištenja obnovljive energije.
Otapanje celuloze je složen proces koji uključuje više hemijskih i fizičkih mehanizama. Trenutno je poznato da su jonske tečnosti, rastvori amino oksidanata, LiCl-DMAc sistemi, rastvori hlorovodonične kiseline/cink hlorida i celolitički enzimi efikasni agensi za rastvaranje celuloze. Svaki agens ima svoj jedinstveni mehanizam rastvaranja i polje primjene. Uz dubinsko proučavanje mehanizma rastvaranja celuloze, vjeruje se da će se razviti efikasnije i ekološki prihvatljivije metode rastvaranja, pružajući više mogućnosti za korištenje i razvoj celuloze.
Vrijeme objave: Jul-09-2024