Cellulose ist ein komplexes Polysaccharid, das aus vielen Glucoseeinheiten besteht, die durch β-1,4-glykosidische Bindungen verbunden sind. Es ist der Hauptbestandteil pflanzlicher Zellwände und verleiht pflanzlichen Zellwänden starke strukturelle Unterstützung und Zähigkeit. Aufgrund der langen Molekülkette der Cellulose und der hohen Kristallinität weist es eine hohe Stabilität und Unlöslichkeit auf.
(1) Eigenschaften von Cellulose und Schwierigkeiten beim Auflösen
Cellulose hat folgende Eigenschaften, die ihre Auflösung erschweren:
Hohe Kristallinität: Die Zellulosemolekülketten bilden durch Wasserstoffbrückenbindungen und Van-der-Waals-Kräfte eine dichte Gitterstruktur.
Hoher Polymerisationsgrad: Der Polymerisationsgrad (dh die Länge der Molekülkette) von Cellulose ist hoch und liegt normalerweise zwischen Hunderten und Tausenden von Glucoseeinheiten, was die Stabilität des Moleküls erhöht.
Wasserstoffbrückenbindungsnetzwerk: Zwischen und innerhalb der Molekülketten der Cellulose sind Wasserstoffbrücken weit verbreitet, sodass sie durch allgemeine Lösungsmittel nur schwer zerstört und aufgelöst werden können.
(2) Reagenzien, die Cellulose auflösen
Derzeit umfassen die bekannten Reagenzien, die Cellulose effektiv auflösen können, hauptsächlich die folgenden Kategorien:
1. Ionische Flüssigkeiten
Ionische Flüssigkeiten sind Flüssigkeiten aus organischen Kationen und organischen oder anorganischen Anionen, meist mit geringer Flüchtigkeit, hoher thermischer Stabilität und hoher Einstellbarkeit. Einige ionische Flüssigkeiten können Cellulose auflösen, und der Hauptmechanismus besteht darin, die Wasserstoffbrücken zwischen den Molekülketten der Cellulose aufzubrechen. Zu den gängigen ionischen Flüssigkeiten, die Cellulose auflösen, gehören:
1-Butyl-3-methylimidazoliumchlorid ([BMIM]Cl): Diese ionische Flüssigkeit löst Cellulose auf, indem sie über Wasserstoffbrückenbindungsakzeptoren mit Wasserstoffbrückenbindungen in Cellulose interagiert.
1-Ethyl-3-methylimidazoliumacetat ([EMIM][Ac]): Diese ionische Flüssigkeit kann unter relativ milden Bedingungen hohe Konzentrationen an Cellulose lösen.
2. Amin-Oxidationsmittellösung
Eine Aminoxidationsmittellösung, beispielsweise eine gemischte Lösung aus Diethylamin (DEA) und Kupferchlorid, wird als [Cu(II)-Ammoniumlösung] bezeichnet und ist ein starkes Lösungsmittelsystem, das Cellulose auflösen kann. Es zerstört die Kristallstruktur der Cellulose durch Oxidation und Wasserstoffbrückenbindung, wodurch die Molekülkette der Cellulose weicher und löslicher wird.
3. Lithiumchlorid-Dimethylacetamid (LiCl-DMAc)-System
Das LiCl-DMAc-System (Lithiumchlorid-Dimethylacetamid) ist eine der klassischen Methoden zur Auflösung von Cellulose. LiCl kann eine Konkurrenz um Wasserstoffbrückenbindungen bilden und dadurch das Wasserstoffbindungsnetzwerk zwischen Cellulosemolekülen zerstören, während DMAc als Lösungsmittel gut mit der Cellulosemolekülkette interagieren kann.
4. Salzsäure/Zinkchloridlösung
Die Salzsäure/Zinkchlorid-Lösung ist ein früh entdecktes Reagenz, das Cellulose auflösen kann. Es kann Zellulose auflösen, indem es einen Koordinationseffekt zwischen Zinkchlorid und Zellulosemolekülketten ausbildet, und Salzsäure zerstört die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Zellulosemolekülen. Diese Lösung wirkt jedoch stark korrosiv auf die Ausrüstung und ist in der praktischen Anwendung nur begrenzt einsetzbar.
5. Fibrinolytische Enzyme
Fibrinolytische Enzyme (z. B. Cellulasen) lösen Cellulose auf, indem sie die Zersetzung der Cellulose in kleinere Oligosaccharide und Monosaccharide katalysieren. Dieses Verfahren hat ein breites Anwendungsspektrum in den Bereichen biologischer Abbau und Biomasseumwandlung, obwohl sein Auflösungsprozess keine vollständig chemische Auflösung ist, sondern durch Biokatalyse erreicht wird.
(3) Mechanismus der Zelluloseauflösung
Verschiedene Reagenzien haben unterschiedliche Mechanismen zum Auflösen von Cellulose, aber im Allgemeinen können sie zwei Hauptmechanismen zugeschrieben werden:
Zerstörung von Wasserstoffbrückenbindungen: Zerstörung der Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Zellulosemolekülketten durch konkurrierende Bildung von Wasserstoffbrückenbindungen oder ionische Wechselwirkung, wodurch sie löslich werden.
Entspannung der Molekülkette: Erhöhung der Weichheit von Cellulose-Molekülketten und Verringerung der Kristallinität von Molekülketten durch physikalische oder chemische Mittel, sodass sie in Lösungsmitteln gelöst werden können.
(4) Praktische Anwendungen der Celluloseauflösung
Die Zelluloseauflösung hat in vielen Bereichen wichtige Anwendungen:
Herstellung von Cellulosederivaten: Nach dem Auflösen von Cellulose kann diese weiter chemisch modifiziert werden, um Celluloseether, Celluloseester und andere Derivate herzustellen, die in der Lebensmittel-, Medizin-, Beschichtungs- und anderen Bereichen weit verbreitet sind.
Materialien auf Zellulosebasis: Mit gelöster Zellulose können Zellulose-Nanofasern, Zellulosemembranen und andere Materialien hergestellt werden. Diese Materialien weisen gute mechanische Eigenschaften und Biokompatibilität auf.
Energie aus Biomasse: Durch die Auflösung und den Abbau von Zellulose kann diese in fermentierbare Zucker für die Produktion von Biokraftstoffen wie Bioethanol umgewandelt werden, was zur Entwicklung und Nutzung erneuerbarer Energien beiträgt.
Die Auflösung von Cellulose ist ein komplexer Prozess, an dem mehrere chemische und physikalische Mechanismen beteiligt sind. Ionische Flüssigkeiten, Aminooxidationslösungen, LiCl-DMAc-Systeme, Salzsäure-/Zinkchloridlösungen und cellolytische Enzyme sind derzeit als wirksame Mittel zum Auflösen von Cellulose bekannt. Jeder Wirkstoff hat seinen eigenen einzigartigen Auflösungsmechanismus und Anwendungsbereich. Man geht davon aus, dass mit der eingehenden Untersuchung des Auflösungsmechanismus von Cellulose effizientere und umweltfreundlichere Auflösungsmethoden entwickelt werden, die mehr Möglichkeiten für die Nutzung und Entwicklung von Cellulose bieten.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 09.07.2024