La celulosa es un polisacárido complejo compuesto por numerosas unidades de glucosa unidas por enlaces β-1,4-glucosídicos. Es el componente principal de las paredes celulares vegetales y les confiere un fuerte soporte estructural y tenacidad. Gracias a su larga cadena molecular y su alta cristalinidad, presenta 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 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, oscilando normalmente 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 por solventes 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 adaptabilidad. 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 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 de oxidante de amina
Una solución oxidante de amina, como una solución mixta de dietilamina (DEA) y cloruro de cobre, se denomina [solución de Cu(II)-amonio] y constituye un sistema solvente potente capaz de disolver la celulosa. Destruye la estructura cristalina de la celulosa mediante oxidación y enlaces de hidrógeno, lo que suaviza y hace más soluble la cadena molecular de la celulosa.
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 celulosa. El LiCl puede competir por los enlaces de hidrógeno, destruyendo así la red de enlaces de hidrógeno entre las moléculas de celulosa, mientras que el DMAc, como disolvente, puede interactuar eficazmente 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. Esta solución puede disolverla mediante 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 su aplicación práctica es limitada.
5. Enzimas fibrinolíticas
Las enzimas fibrinolíticas (como las celulasas) disuelven la celulosa catalizando su descomposición en oligosacáridos y monosacáridos más pequeños. Este método tiene una amplia gama de aplicaciones en los campos de la biodegradación y la conversión de biomasa, aunque su proceso de disolución no es completamente químico, sino que se logra 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: Destrucción de los enlaces de hidrógeno entre las cadenas moleculares de celulosa mediante la formación de enlaces de hidrógeno competitivos o interacción iónica, haciéndola soluble.
Relajación de la cadena molecular: Aumento de la suavidad de las cadenas moleculares de celulosa y reducción de la cristalinidad de las cadenas moleculares a través de medios físicos o químicos, de modo que puedan disolverse en disolventes.
(4) Aplicaciones prácticas de la disolución de celulosa
La disolución de celulosa tiene aplicaciones importantes en muchos campos:
Preparación de derivados de celulosa: Después de disolver la celulosa, se puede modificar químicamente aún más para preparar éteres de celulosa, ésteres de celulosa y otros derivados, que se utilizan ampliamente en alimentos, medicamentos, 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 presentan buenas propiedades mecánicas y biocompatibilidad.
Energía de la biomasa: Al disolver y degradar la celulosa, ésta puede convertirse 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 celulosa es un proceso complejo que implica 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. Con el estudio a fondo del mecanismo de disolución de la celulosa, se cree que se desarrollarán métodos de disolución más eficientes y respetuosos con el medio ambiente, ofreciendo más posibilidades para el uso y desarrollo de la celulosa.
Hora de publicación: 09-jul-2024