Celulóza je komplexní polysacharid složený z mnoha glukózových jednotek spojených p-1,4-glykosidickými vazbami. Je hlavní součástí buněčných stěn rostlin a dává silnou strukturální podporu a houževnatost rostlinných buněk. Vzhledem k dlouhému molekulárnímu řetězci celulózy a vysoké krystalinity má silnou stabilitu a neholublizaci.
(1) Vlastnosti celulózy a obtíže při rozpuštění
Celulóza má následující vlastnosti, které ztěžují rozpuštění:
Vysoká krystalinita: molekulární řetězce celulózy tvoří těsnou mřížkovou strukturu prostřednictvím vodíkových vazeb a van der Waalsových sil.
Vysoký stupeň polymerace: stupeň polymerace (tj. Délka molekulárního řetězce) celulózy je vysoká, obvykle v rozmezí od stovek do tisíců glukózových jednotek, což zvyšuje stabilitu molekuly.
Síť vodíkové vazby: Vodíkové vazby jsou široce přítomny mezi molekulárními řetězci celulózy a uvnitř molekulárních řetězců, což ztěžuje zničení a rozpuštění obecnými rozpouštědly.
(2) činidla, která rozpouštějí celulózu
V současné době zahrnují známá činidla, která mohou účinně rozpustit celulózu, zejména následující kategorie:
1. iontové kapaliny
Iontové kapaliny jsou kapaliny složené z organických kationtů a organických nebo anorganických aniontů, obvykle s nízkou těkatostí, vysokou tepelnou stabilitou a vysokou nastavitelností. Některé iontové kapaliny mohou rozpustit celulózu a hlavním mechanismem je přerušit vodíkové vazby 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 vodíkové vazby.
1-ethyl-3-methylimidazolium acetát ([Emim] [AC]): Tato iontová kapalina může rozpustit vysoké koncentrace celulózy za relativně mírných podmínek.
2. Roztok oxidantů aminů
Roztok aminového oxidantu, jako je smíšený roztok diethylaminu (DEA) a chloridu mědi, se nazývá roztok [Cu (II)-AMMOMIUM], což je silný systém rozpouštědla, který může rozpustit celulózu. Zničuje krystalovou strukturu celulózy oxidací a vazbou vodíku, díky čemuž je molekulární řetězec celulózy měkčí a rozpustnější.
3. systém chlorid-dimethylacetamid chloridu lithia (LICL-DMAC)
Systém LICL-DMAC (lithium chlorid-dimethylacetamid) je jednou z klasických metod rozpuštění celulózy. LICL může tvořit konkurenci vodíkových vazeb, čímž zničí síť vodíkové vazby mezi molekulami celulózy, zatímco DMAC jako rozpouštědla může dobře interagovat s molekulárním řetězcem celulózy.
4. Roztok kyseliny chlorovodíkové kyseliny/kyseliny zinkem
Roztok chloridu kyseliny chlorovodíkové/zinku je časně objevené činidlo, které může rozpustit celulózu. Může rozpustit celulózu vytvořením koordinačního účinku mezi molekulárními řetězci chloridu zinku a celulózami a kyselinou chlorovodící ničící vodíkovou vazbu mezi molekulami celulózy. Toto řešení je však vysoce korozivní pro zařízení a je omezeno v praktických aplikacích.
5. Fibrinolytické enzymy
Fibrinolytické enzymy (jako jsou celulázy) rozpouštějí celulózu katalyzováním rozkladu celulózy na menší oligosacharidy a monosacharidy. Tato metoda má širokou škálu aplikací v oblastech biodegradace a přeměny biomasy, ačkoli proces rozpouštění není zcela chemický rozpuštění, ale je dosažen biokatalýzou.
(3) Mechanismus rozpouštění celulózy
Různá činidla mají různé mechanismy pro rozpuštění celulózy, ale obecně je lze připsat dvěma hlavním mechanismům:
Zničení vodíkových vazeb: Zničení vodíkových vazeb mezi molekulárními řetězci celulózy prostřednictvím konkurenční tvorby vodíkové vazby nebo iontovou interakcí, což je rozpustné.
Relaxace molekulárního řetězce: Zvyšování měkkosti molekulárních řetězců celulózy a snižování krystalinity molekulárních řetězců fyzickými nebo chemickými prostředky, aby mohly být rozpuštěny v rozpouštědlech.
(4) Praktické aplikace rozpuštění celulózy
Rozpuštění celulózy má důležité aplikace v mnoha oborech:
Příprava derivátů celulózy: Po rozpuštění celulózy může být dále chemicky modifikována tak, aby připravila celulózové ethery, celulózové estery a další deriváty, které se široce používají v potravinách, medicíně, povlacích a jiných oborech.
Materiály na bázi celulózy: Použití rozpuštěné celulózy lze připravit nanovlákny celulózy, celulózových membrán a dalších materiálů. Tyto materiály mají dobré mechanické vlastnosti a biokompatibilitu.
Energie biomasy: Rozpuštěním a degradingovou celulózou ji lze přeměnit na fermentovatelné cukry pro výrobu biopaliv, jako je bioethanol, což pomáhá dosáhnout rozvoje a využití obnovitelné energie.
Rozpuštění celulózy je komplexní proces zahrnující více chemických a fyzikálních mechanismů. Iontové kapaliny, roztoky amino oxidantů, systémy LICL-DMAC, roztoky chloridu kyseliny chlorovodíkové a celllytické enzymy jsou v současné době známy jako účinná látka pro rozpuštění celulózy. Každý agent má svůj vlastní jedinečný mechanismus rozpouštění a aplikační pole. Při hloubkové studii mechanismu rozpouštění celulózy se předpokládá, že budou vyvinuty účinnější a ekologicky šetrnější metody rozpouštění, což poskytuje více možností pro využití a vývoj celulózy.
Čas příspěvku:-09-2024