La cel·lulosa és un polisacàrid complex compost per moltes unitats de glucosa connectades per enllaços β-1,4-glicosídics. És el component principal de les parets de les cèl·lules vegetals i proporciona a les parets cel·lulars de les plantes un fort suport i duresa estructurals. A causa de la llarga cadena molecular de cel·lulosa i alta cristalinitat, té una forta estabilitat i insolulació.
(1) Propietats de la cel·lulosa i la dificultat per dissoldre
La cel·lulosa té les següents propietats que dificulten la dissolució:
Alta cristalinitat: les cadenes moleculars de cel·lulosa formen una estructura de gelosia estreta mitjançant enllaços d’hidrogen i forces de van der Waals.
Alt grau de polimerització: el grau de polimerització (és a dir, la longitud de la cadena molecular) de cel·lulosa és elevat, generalment de centenars a milers d’unitats de glucosa, cosa que augmenta l’estabilitat de la molècula.
Xarxa d’enllaços d’hidrogen: els enllaços d’hidrogen estan àmpliament presents entre i dins de les cadenes moleculars de cel·lulosa, cosa que dificulta la seva destrucció i dissolució per dissolvents generals.
(2) Reactius que dissolen la cel·lulosa
Actualment, els reactius coneguts que poden dissoldre eficaçment la cel·lulosa inclouen principalment les categories següents:
1. Líquids iònics
Els líquids iònics són líquids compostos per cations orgànics i anions orgànics o inorgànics, normalment amb baixa volatilitat, alta estabilitat tèrmica i alta ajustabilitat. Alguns líquids iònics poden dissoldre la cel·lulosa i el mecanisme principal és trencar els enllaços d’hidrogen entre les cadenes moleculars de cel·lulosa. Els líquids iònics comuns que dissolen la cel·lulosa inclouen:
1-butil-3-metilimidazolium clorur ([BMIM] Cl): aquest líquid iònic dissol la cel·lulosa interactuant amb els enllaços d’hidrogen en cel·lulosa mitjançant acceptors d’enllaç d’hidrogen.
1-etil-3-metilimidazolium acetat ([EMIM] [AC]): Aquest líquid iònic pot dissoldre altes concentracions de cel·lulosa en condicions relativament lleus.
2. Solució oxidant amina
La solució d’oxidant amina, com ara una solució mixta de dietilamina (DEA) i clorur de coure s’anomena [Cu (II)-Solució Ammonium], que és un sistema de dissolvent fort que pot dissoldre la cel·lulosa. Destrueix l'estructura de cristall de la cel·lulosa mitjançant l'oxidació i l'enllaç d'hidrogen, fent que la cadena molecular de la cel·lulosa sigui més suau i més soluble.
3. Sistema de clorur-dimetilacetamida de liti (LICL-DMAC)
El sistema LiCl-DMAC (clorur-dimetilacetamida de liti) és un dels mètodes clàssics per dissoldre la cel·lulosa. LiCL pot formar una competència per enllaços d’hidrogen, destruint així la xarxa d’enllaç d’hidrogen entre molècules de cel·lulosa, mentre que DMAC com a dissolvent pot interactuar bé amb la cadena molecular de cel·lulosa.
4. Solució de clorur d’àcid clorhídric/zinc
La solució de clorur d’àcid clorhídric/zinc és un reactiu descobert precoç que pot dissoldre la cel·lulosa. Pot dissoldre la cel·lulosa formant un efecte de coordinació entre el clorur de zinc i les cadenes moleculars de cel·lulosa i l’àcid clorhídric que destrueix els enllaços d’hidrogen entre molècules de cel·lulosa. Tanmateix, aquesta solució és altament corrosiva per als equips i està limitada en aplicacions pràctiques.
5. Enzims fibrinolítics
Els enzims fibrinolítics (com les cel·lulases) dissolen la cel·lulosa catalitzant la descomposició de cel·lulosa en oligosacàrids més petits i monosacàrids. Aquest mètode té una àmplia gamma d’aplicacions en els camps de biodegradació i conversió de biomassa, tot i que el seu procés de dissolució no és una dissolució química completament química, sinó que s’aconsegueix mitjançant la biocatalisi.
(3) Mecanisme de dissolució de cel·lulosa
Diferents reactius tenen diferents mecanismes per dissoldre la cel·lulosa, però en general es poden atribuir a dos mecanismes principals:
Destrucció d’enllaços d’hidrogen: destruir els enllaços d’hidrogen entre les cadenes moleculars de cel·lulosa mitjançant la formació de l’enllaç d’hidrogen competitius o la interacció iònica, fent -la soluble.
Relaxació de la cadena molecular: augmentar la suavitat de les cadenes moleculars de cel·lulosa i reduir la cristalinitat de les cadenes moleculars mitjançant mitjans físics o químics, de manera que es poden dissoldre en dissolvents.
(4) Aplicacions pràctiques de la dissolució de cel·lulosa
La dissolució de cel·lulosa té aplicacions importants en molts camps:
Preparació de derivats de cel·lulosa: Després de dissoldre la cel·lulosa, es pot modificar químicament per preparar èters de cel·lulosa, èsters de cel·lulosa i altres derivats, que s’utilitzen àmpliament en aliments, medicaments, recobriments i altres camps.
Es poden preparar materials basats en cel·lulosa: utilitzant cel·lulosa dissolta, nanofibres de cel·lulosa, membranes de cel·lulosa i altres materials. Aquests materials tenen bones propietats mecàniques i biocompatibilitat.
Energia de biomassa: dissolent i degradant la cel·lulosa, es pot convertir en sucres fermentables per a la producció de biocombustibles com el bioetanol, que ajuda a assolir el desenvolupament i la utilització d’energia renovable.
La dissolució de cel·lulosa és un procés complex que implica múltiples mecanismes químics i físics. Es coneix que els líquids iònics, les solucions amino oxidants, els sistemes LiCl-DMAC, les solucions de clorur de zinc/clorur de zinc i enzims cel·lolítics són agents efectius per dissoldre la cel·lulosa. Cada agent té el seu propi mecanisme de dissolució i camp d'aplicació únic. Amb l’estudi en profunditat del mecanisme de dissolució de cel·lulosa, es creu que es desenvoluparan mètodes de dissolució més eficients i respectuosos amb el medi ambient, proporcionant més possibilitats per a l’ús i el desenvolupament de la cel·lulosa.
Posada Posada: Jul-09-2024