Tselluloos on kompleksne polüsahhariid, mis koosneb paljudest glükoosiühikutest, mis on ühendatud β-1,4-glükosiidsidemetega. See on taimeraku seinte põhikomponent ja annab taimeraku seintele tugeva struktuurilise toe ja sitkuse. Tselluloosi pika molekulaarahela ja kõrge kristallilisuse tõttu on sellel tugev stabiilsus ja lahustumatus.
(1) Tselluloosi omadused ja lahustumisraskused
Tselluloosil on järgmised omadused, mis raskendavad selle lahustumist:
Kõrge kristallilisus: tselluloosi molekulaarahelad moodustavad vesiniksidemete ja van der Waalsi jõudude kaudu tiheda võrestruktuuri.
Kõrge polümerisatsiooniaste: tselluloosi polümerisatsiooniaste (st molekulaarahela pikkus) on kõrge, ulatudes tavaliselt sadadest kuni tuhandete glükoosiühikuteni, mis suurendab molekuli stabiilsust.
Vesiniksidemete võrgustik: vesiniksidemed on laialdaselt olemas tselluloosi molekulaarahelate vahel ja sees, mistõttu on nende hävitamine ja lahustamine tavaliste lahustitega raske.
(2) Reaktiivid, mis lahustavad tselluloosi
Praegu on tuntud reaktiivid, mis suudavad tselluloosi tõhusalt lahustada, peamiselt järgmisi kategooriaid:
1. Ioonsed vedelikud
Ioonsed vedelikud on vedelikud, mis koosnevad orgaanilistest katioonidest ja orgaanilistest või anorgaanilistest anioonidest, millel on tavaliselt madal lenduvus, kõrge termiline stabiilsus ja kõrge reguleeritavus. Mõned ioonsed vedelikud võivad tselluloosi lahustada ja peamine mehhanism on tselluloosi molekulaarsete ahelate vaheliste vesiniksidemete katkestamine. Tavalised ioonsed vedelikud, mis lahustavad tselluloosi, on järgmised:
1-butüül-3-metüülimidasoolkloriid ([BMIM]Cl): see ioonne vedelik lahustab tselluloosi, toimides vesiniksideme aktseptorite kaudu tselluloosis olevate vesiniksidemetega.
1-etüül-3-metüülimidasooliumatsetaat ([EMIM][Ac]): see ioonne vedelik võib suhteliselt leebetes tingimustes lahustada kõrge kontsentratsiooniga tselluloosi.
2. Amiinoksüdeerija lahus
Amiinoksüdeerivat lahust, näiteks dietüülamiini (DEA) ja vaskkloriidi segalahust, nimetatakse [Cu(II)-ammooniumilahuseks], mis on tugev lahustisüsteem, mis võib lahustada tselluloosi. See hävitab tselluloosi kristallstruktuuri oksüdatsiooni ja vesiniksideme kaudu, muutes tselluloosi molekulaarahela pehmemaks ja lahustuvamaks.
3. Liitiumkloriid-dimetüülatseetamiid (LiCl-DMAc) süsteem
LiCl-DMAc (liitiumkloriid-dimetüülatseetamiid) süsteem on üks klassikalisi meetodeid tselluloosi lahustamiseks. LiCl võib moodustada konkurentsi vesiniksidemete pärast, hävitades seeläbi tselluloosi molekulide vahelise vesiniksidemete võrgustiku, samas kui DMAc kui lahusti suudab hästi suhelda tselluloosi molekulaarahelaga.
4. Vesinikkloriidhappe/tsinkkloriidi lahus
Vesinikkloriidhappe/tsinkkloriidi lahus on varakult avastatud reaktiiv, mis võib tselluloosi lahustada. See võib lahustada tselluloosi, moodustades tsinkkloriidi ja tselluloosi molekulaarsete ahelate vahel koordineeriva efekti ning vesinikkloriidhape hävitab tselluloosi molekulide vahelisi vesiniksidemeid. See lahendus on aga seadmeid väga söövitav ja praktilistes rakendustes piiratud.
5. Fibrinolüütilised ensüümid
Fibrinolüütilised ensüümid (nagu tsellulaasid) lahustavad tselluloosi, katalüüsides tselluloosi lagunemist väiksemateks oligosahhariidideks ja monosahhariidideks. Sellel meetodil on lai valik rakendusi biodegradatsiooni ja biomassi muundamise valdkonnas, kuigi selle lahustumisprotsess ei ole täielikult keemiline lahustumine, vaid see saavutatakse biokatalüüsi abil.
(3) Tselluloosi lahustumismehhanism
Erinevatel reaktiividel on tselluloosi lahustamiseks erinevad mehhanismid, kuid üldiselt võib neid seostada kahe peamise mehhanismiga:
Vesiniksidemete hävitamine: vesiniksidemete hävitamine tselluloosi molekulaarsete ahelate vahel konkureeriva vesiniksideme moodustumise või ioonse interaktsiooni kaudu, muutes selle lahustuvaks.
Molekulaarse ahela lõdvestamine: tselluloosi molekulaarsete ahelate pehmuse suurendamine ja molekulaarsete ahelate kristallilisuse vähendamine füüsikaliste või keemiliste vahendite abil, et neid saaks lahustada lahustites.
(4) Tselluloosi lahustamise praktilised rakendused
Tselluloosi lahustamisel on olulised rakendused paljudes valdkondades:
Tselluloosi derivaatide valmistamine: Pärast tselluloosi lahustamist saab seda täiendavalt keemiliselt modifitseerida, et valmistada tselluloosi eetreid, tselluloosi estreid ja muid derivaate, mida kasutatakse laialdaselt toidus, meditsiinis, kattekihtides ja muudes valdkondades.
Tselluloosipõhised materjalid: lahustunud tselluloosist saab valmistada tselluloosi nanokiude, tselluloosmembraane ja muid materjale. Nendel materjalidel on head mehaanilised omadused ja biosobivus.
Biomassi energia: tselluloosi lahustamisel ja lagundamisel saab seda muuta kääritavateks suhkruteks biokütuste, näiteks bioetanooli tootmiseks, mis aitab saavutada taastuvenergia arengut ja kasutamist.
Tselluloosi lahustumine on keeruline protsess, mis hõlmab mitmeid keemilisi ja füüsikalisi mehhanisme. Ioonsed vedelikud, aminooksüdantide lahused, LiCl-DMAc süsteemid, vesinikkloriidhappe/tsinkkloriidi lahused ja tsellolüütilised ensüümid on praegu teadaolevalt tõhusad ained tselluloosi lahustamiseks. Igal ainel on oma ainulaadne lahustumismehhanism ja kasutusala. Tselluloosi lahustumismehhanismi süvendatud uurimisega arvatakse, et töötatakse välja tõhusamad ja keskkonnasõbralikumad lahustamismeetodid, mis annavad rohkem võimalusi tselluloosi kasutamiseks ja arendamiseks.
Postitusaeg: juuli-09-2024