La celulosa es un polisacárido complejo compuesto por muchas unidades de glucosa conectadas por enlaces β-1,4-glucosídicos. Es el componente principal de las paredes celulares de las plantas y les proporciona un fuerte soporte estructural y dureza. Debido a la larga cadena molecular de celulosa y su alta cristalinidad, tiene una gran estabilidad e insolubilidad.
(1) Propiedades de la celulosa y dificultad de disolución.
La celulosa tiene las siguientes propiedades que dificultan su disolución:
Alta cristalinidad: las cadenas moleculares de celulosa forman una estructura reticular estrecha mediante enlaces de hidrógeno y fuerzas de van der Waals.
Alto grado de polimerización: El grado de polimerización (es decir, la longitud de la cadena molecular) de la celulosa es alto, generalmente oscila entre cientos y miles de unidades de glucosa, lo que aumenta la estabilidad de la molécula.
Red de enlaces de hidrógeno: los enlaces de hidrógeno están ampliamente presentes entre y dentro de las cadenas moleculares de celulosa, lo que dificulta su destrucción y disolución con disolventes generales.
(2) Reactivos que disuelven la celulosa.
Actualmente, los reactivos conocidos que pueden disolver eficazmente la celulosa incluyen principalmente las siguientes categorías:
1. Líquidos iónicos
Los líquidos iónicos son líquidos compuestos de cationes orgánicos y aniones orgánicos o inorgánicos, generalmente con baja volatilidad, alta estabilidad térmica y alta ajustabilidad. Algunos líquidos iónicos pueden disolver la celulosa y el mecanismo principal es romper los enlaces de hidrógeno entre las cadenas moleculares de celulosa. Los líquidos iónicos comunes que disuelven la celulosa incluyen:
Cloruro de 1-butil-3-metilimidazolio ([BMIM]Cl): este líquido iónico disuelve la celulosa al interactuar con los enlaces de hidrógeno de la celulosa a través de aceptores de enlaces de hidrógeno.
Acetato de 1-etil-3-metilimidazolio ([EMIM][Ac]): este líquido iónico puede disolver altas concentraciones de celulosa en condiciones relativamente suaves.
2. Solución de oxidante de amina
La solución de amina oxidante, como una solución mixta de dietilamina (DEA) y cloruro de cobre, se denomina [solución de Cu(II)-amonio], y es un sistema disolvente fuerte que puede disolver la celulosa. Destruye la estructura cristalina de la celulosa mediante oxidación y enlaces de hidrógeno, haciendo que la cadena molecular de celulosa sea más suave y soluble.
3. Sistema de cloruro de litio-dimetilacetamida (LiCl-DMAc)
El sistema LiCl-DMAc (cloruro de litio-dimetilacetamida) es uno de los métodos clásicos para disolver la celulosa. LiCl puede formar una competencia por los enlaces de hidrógeno, destruyendo así la red de enlaces de hidrógeno entre las moléculas de celulosa, mientras que DMAc como disolvente puede interactuar bien con la cadena molecular de celulosa.
4. Solución de ácido clorhídrico/cloruro de zinc
La solución de ácido clorhídrico/cloruro de zinc es un reactivo descubierto tempranamente que puede disolver la celulosa. Puede disolver la celulosa formando un efecto de coordinación entre el cloruro de zinc y las cadenas moleculares de celulosa, y el ácido clorhídrico destruye los enlaces de hidrógeno entre las moléculas de celulosa. Sin embargo, esta solución es altamente corrosiva para los equipos y está limitada en aplicaciones prácticas.
5. Enzimas fibrinolíticas
Las enzimas fibrinolíticas (como las celulasas) disuelven la celulosa catalizando la descomposición de la celulosa en oligosacáridos y monosacáridos más pequeños. Este método tiene un amplio rango de aplicaciones en los campos de la biodegradación y conversión de biomasa, aunque su proceso de disolución no es completamente una disolución química, sino que se consigue mediante biocatálisis.
(3) Mecanismo de disolución de la celulosa.
Diferentes reactivos tienen diferentes mecanismos para disolver la celulosa, pero en general se pueden atribuir a dos mecanismos principales:
Destrucción de enlaces de hidrógeno: Destruir los enlaces de hidrógeno entre las cadenas moleculares de celulosa mediante la formación de enlaces de hidrógeno competitivos o interacción iónica, volviéndola soluble.
Relajación de cadenas moleculares: Aumentar la suavidad de las cadenas moleculares de celulosa y reducir la cristalinidad de las cadenas moleculares por medios físicos o químicos, para que puedan disolverse en disolventes.
(4) Aplicaciones prácticas de la disolución de celulosa.
La disolución de celulosa tiene importantes aplicaciones en muchos campos:
Preparación de derivados de celulosa: después de disolver la celulosa, se puede modificar químicamente para preparar éteres de celulosa, ésteres de celulosa y otros derivados, que se utilizan ampliamente en alimentos, medicinas, recubrimientos y otros campos.
Materiales a base de celulosa: Utilizando celulosa disuelta, se pueden preparar nanofibras de celulosa, membranas de celulosa y otros materiales. Estos materiales tienen buenas propiedades mecánicas y biocompatibilidad.
Energía de biomasa: Al disolver y degradar la celulosa, se puede convertir en azúcares fermentables para la producción de biocombustibles como el bioetanol, lo que ayuda a lograr el desarrollo y utilización de energías renovables.
La disolución de la celulosa es un proceso complejo que involucra múltiples mecanismos químicos y físicos. Actualmente se sabe que los líquidos iónicos, las soluciones de aminooxidantes, los sistemas LiCl-DMAc, las soluciones de ácido clorhídrico/cloruro de zinc y las enzimas celolíticas son agentes eficaces para disolver la celulosa. Cada agente tiene su propio mecanismo de disolución y campo de aplicación únicos. Con el estudio en profundidad del mecanismo de disolución de la celulosa, se cree que se desarrollarán métodos de disolución más eficientes y respetuosos con el medio ambiente, brindando más posibilidades para la utilización y desarrollo de la celulosa.
Hora de publicación: 09-jul-2024