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 vegetales y proporciona paredes celulares vegetales fuertes soporte estructural y dureza. Debido a la larga cadena molecular de celulosa y la alta cristalinidad, tiene una fuerte estabilidad e insolio.
(1) Propiedades de la celulosa y dificultad para disolverse
La celulosa tiene las siguientes propiedades que dificultan la disolución:
Alta cristalinidad: las cadenas moleculares de celulosa forman una estructura de red apretada a través de 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 varía de cientos a 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 ser destruido y disuelto por solventes generales.
(2) reactivos que disuelven la celulosa
Actualmente, los reactivos conocidos que pueden disolver efectivamente 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 capacidad de ajuste. 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-butilo-3-metilimidazolio ([BMIM] CL): este líquido iónico disuelve la celulosa al interactuar con enlaces de hidrógeno en 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 oxidante amina
La solución oxidante de amina, como una solución mixta de dietilamina (DEA) y cloruro de cobre, se llama [Cu (II) -Amonium Solución], que es un sistema solvente fuerte que puede disolver la celulosa. Destruye la estructura cristalina de la celulosa a través de la oxidación y el enlace de hidrógeno, lo que hace 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 solvente puede interactuar bien con la cadena molecular de celulosa.
4. Solución de cloruro de ácido clorhídrico/zinc
La solución de cloruro de ácido clorhídrico/zinc es un reactivo descubierto temprano 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 que destruye los enlaces de hidrógeno entre las moléculas de celulosa. Sin embargo, esta solución es altamente corrosiva para el equipo y es limitada en aplicaciones prácticas.
5. Enzimas fibrinolíticas
Las enzimas fibrinolíticas (como las celulasas) disuelven la celulosa al catalizar la descomposición de la celulosa en oligosacáridos y monosacáridos más pequeños. Este método tiene una amplia gama de aplicaciones en los campos de biodegradación y conversión de biomasa, aunque su proceso de disolución no es completamente disolución química, sino que se logra mediante biocatálisis.
(3) Mecanismo de disolución de celulosa
Diferentes reactivos tienen diferentes mecanismos para disolver la celulosa, pero en general pueden atribuirse a dos mecanismos principales:
Destrucción de enlaces de hidrógeno: destrucción de los enlaces de hidrógeno entre las cadenas moleculares de celulosa a través de la formación de enlaces de hidrógeno competitivos o la interacción iónica, lo que lo hace soluble.
Relajación de la cadena molecular: aumentando la suavidad de las cadenas moleculares de celulosa y reduciendo la cristalinidad de las cadenas moleculares a través de medios físicos o químicos, para que puedan disolverse en solventes.
(4) Aplicaciones prácticas de disolución de celulosa
La disolución de la celulosa tiene aplicaciones importantes 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 usan ampliamente en alimentos, medicamentos, recubrimientos y otros campos.
Materiales a base de celulosa: utilizando celulosa disuelta, 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 la utilización de la energía renovable.
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 oxidantes amino, los sistemas LiCL-DMAC, las soluciones de cloruro de ácido clorhídrico/zinc y las enzimas celolíticas son agentes efectivos para disolver la celulosa. Cada agente tiene su propio mecanismo de disolución único y campo de aplicación. Con el estudio en profundidad del mecanismo de disolución de celulosa, se cree que se desarrollarán métodos de disolución más eficientes y ecológicos, proporcionando más posibilidades para la utilización y el desarrollo de la celulosa.
Tiempo de publicación: julio-09-2024