Celulóza je komplexní polysacharid složený z mnoha glukózových jednotek spojených β-1,4-glykosidickými vazbami. Je hlavní složkou stěn rostlinných buněk a poskytuje stěnám rostlinných buněk silnou strukturální podporu a houževnatost. Díky dlouhému molekulárnímu řetězci celulózy a vysoké krystalinitě má silnou stabilitu a nerozpustnost.
(1) Vlastnosti celulózy a obtížnost rozpouštění
Celulóza má následující vlastnosti, které ztěžují její rozpouštění:
Vysoká krystalinita: Molekulární řetězce celulózy tvoří pevnou mřížkovou strukturu prostřednictvím vodíkových vazeb a van der Waalsových sil.
Vysoký stupeň polymerace: Stupeň polymerace (tj. délka molekulárního řetězce) celulózy je vysoký, obvykle se pohybuje od stovek až po tisíce jednotek glukózy, což zvyšuje stabilitu molekuly.
Síť vodíkových vazeb: Vodíkové vazby jsou široce přítomny mezi a uvnitř molekulárních řetězců celulózy, takže je obtížné je zničit a rozpustit běžnými rozpouštědly.
(2) Činidla, která rozpouštějí celulózu
V současné době známá činidla, která mohou účinně rozpouštět celulózu, zahrnují zejména následující kategorie:
1. Iontové kapaliny
Iontové kapaliny jsou kapaliny složené z organických kationtů a organických nebo anorganických aniontů, obvykle s nízkou těkavostí, vysokou tepelnou stabilitou a vysokou nastavitelností. Některé iontové kapaliny mohou rozpouštět celulózu a hlavním mechanismem je přerušení vodíkových vazeb mezi molekulárními řetězci celulózy. Mezi běžné iontové kapaliny, které rozpouštějí celulózu, patří:
1-Butyl-3-methylimidazoliumchlorid ([BMIM]Cl): Tato iontová kapalina rozpouští celulózu interakcí s vodíkovými vazbami v celulóze prostřednictvím akceptorů vodíkových vazeb.
1-Ethyl-3-methylimidazoliumacetát ([EMIM][Ac]): Tato iontová kapalina může za relativně mírných podmínek rozpouštět vysoké koncentrace celulózy.
2. Roztok aminového oxidantu
Roztok aminového oxidantu, jako je směsný roztok diethylaminu (DEA) a chloridu měďnatého, se nazývá [Cu(II)-amonný roztok], což je silný rozpouštědlový systém, který dokáže rozpustit celulózu. Ničí krystalickou strukturu celulózy oxidací a vodíkovými vazbami, čímž je molekulární řetězec celulózy měkčí a rozpustnější.
3. Systém chlorid lithný-dimethylacetamid (LiCl-DMAc).
Systém LiCl-DMAc (chlorid lithný-dimethylacetamid) je jednou z klasických metod rozpouštění celulózy. LiCl může tvořit konkurenci pro vodíkové vazby, čímž ničí síť vodíkových vazeb mezi molekulami celulózy, zatímco DMAc jako rozpouštědlo může dobře interagovat s molekulárním řetězcem celulózy.
4. Roztok kyseliny chlorovodíkové/chloridu zinečnatého
Roztok kyseliny chlorovodíkové/chloridu zinečnatého je brzy objevené činidlo, které dokáže rozpustit celulózu. Dokáže rozpouštět celulózu vytvořením koordinačního efektu mezi molekulárním řetězcem chloridu zinečnatého a celulózy a kyselinou chlorovodíkovou, která ničí vodíkové vazby mezi molekulami celulózy. Toto řešení je však vysoce korozivní pro zařízení a v praktických aplikacích je omezené.
5. Fibrinolytické enzymy
Fibrinolytické enzymy (jako jsou celulázy) rozpouštějí celulózu tím, že katalyzují rozklad celulózy na menší oligosacharidy a monosacharidy. Tato metoda má širokou škálu aplikací v oblasti biodegradace a přeměny biomasy, ačkoli její proces rozpouštění není zcela chemické rozpouštění, ale je dosahováno pomocí biokatalýzy.
(3) Mechanismus rozpouštění celulózy
Různá činidla mají různé mechanismy pro rozpouštění celulózy, ale obecně je lze připsat dvěma hlavním mechanismům:
Zničení vodíkových vazeb: Zničení vodíkových vazeb mezi molekulárními řetězci celulózy prostřednictvím kompetitivní tvorby vodíkových vazeb nebo iontové interakce, čímž se stává rozpustnou.
Relaxace molekulárního řetězce: Zvýšení měkkosti molekulárních řetězců celulózy a snížení krystalinity molekulárních řetězců fyzikálními nebo chemickými prostředky, aby mohly být rozpuštěny v rozpouštědlech.
(4) Praktické aplikace rozpouštění celulózy
Rozpouštění celulózy má důležité aplikace v mnoha oblastech:
Příprava derivátů celulózy: Po rozpuštění celulózy ji lze dále chemicky upravovat na přípravu éterů celulózy, esterů celulózy a dalších derivátů, které jsou široce používány v potravinářství, lékařství, nátěrech a dalších oborech.
Materiály na bázi celulózy: Pomocí rozpuštěné celulózy lze připravit celulózová nanovlákna, celulózové membrány a další materiály. Tyto materiály mají dobré mechanické vlastnosti a biokompatibilitu.
Energie biomasy: Rozpouštěním a degradací celulózy může být přeměněna na zkvasitelné cukry pro výrobu biopaliv, jako je bioetanol, což pomáhá dosáhnout rozvoje a využití obnovitelné energie.
Rozpouštění celulózy je komplexní proces zahrnující mnoho chemických a fyzikálních mechanismů. Iontové kapaliny, roztoky aminooxidantů, systémy LiCl-DMAc, roztoky kyseliny chlorovodíkové/chloridu zinečnatého a celolytické enzymy jsou v současnosti známé jako účinná činidla pro rozpouštění celulózy. Každý prostředek má svůj vlastní jedinečný mechanismus rozpouštění a aplikační pole. S hloubkovou studií mechanismu rozpouštění celulózy se předpokládá, že budou vyvinuty účinnější a ekologicky šetrnější metody rozpouštění, které poskytnou více možností pro využití a vývoj celulózy.
Čas odeslání: Červenec-09-2024