معرف حل کننده سلولز چیست؟

سلولز یک پلی ساکارید پیچیده است که از واحدهای گلوکز زیادی که توسط پیوندهای β-1،4 گلیکوزیدی به هم متصل شده اند، تشکیل شده است. این جزء اصلی دیواره سلولی گیاه است و به دیواره سلولی گیاه پشتیبانی ساختاری و چقرمگی قوی می دهد. به دلیل طولانی بودن زنجیره مولکولی سلولزی و بلورینگی بالا، پایداری و نامحلول بودن قوی دارد.

(1) خواص سلولز و مشکل در انحلال

سلولز دارای خواص زیر است که حل شدن آن را دشوار می کند:

بلورینگی بالا: زنجیره های مولکولی سلولز یک ساختار شبکه ای محکم را از طریق پیوندهای هیدروژنی و نیروهای واندروالس تشکیل می دهند.

درجه پلیمریزاسیون بالا: درجه پلیمریزاسیون (یعنی طول زنجیره مولکولی) سلولز زیاد است که معمولاً از صدها تا هزاران واحد گلوکز متغیر است که باعث افزایش پایداری مولکول می شود.

شبکه پیوند هیدروژنی: پیوندهای هیدروژنی به طور گسترده ای بین زنجیره های مولکولی سلولز و درون آن وجود دارد که تخریب و حل شدن آن توسط حلال های عمومی را دشوار می کند.

(2) معرف هایی که سلولز را حل می کنند

در حال حاضر، معرف های شناخته شده ای که می توانند به طور موثر سلولز را حل کنند، عمدتاً شامل دسته های زیر هستند:

1. مایعات یونی

مایعات یونی مایعاتی هستند که از کاتیون‌های آلی و آنیون‌های آلی یا معدنی تشکیل شده‌اند که معمولاً دارای فراریت کم، پایداری حرارتی بالا و قابلیت تنظیم بالا هستند. برخی از مایعات یونی می توانند سلولز را حل کنند و مکانیسم اصلی شکستن پیوندهای هیدروژنی بین زنجیره های مولکولی سلولز است. مایعات یونی رایج که سلولز را حل می کنند عبارتند از:

1-Butyl-3-methylimidazolium chloride ([BMIM]Cl): این مایع یونی با برهمکنش با پیوندهای هیدروژنی موجود در سلولز از طریق گیرنده های پیوند هیدروژنی، سلولز را حل می کند.

1-اتیل-3- متیل ایمیدازولیوم استات ([EMIM][Ac]): این مایع یونی می تواند غلظت بالایی از سلولز را در شرایط نسبتا ملایم حل کند.

2. محلول اکسیدان آمین
محلول اکسیدان آمین مانند محلول مخلوط دی اتیل آمین (DEA) و کلرید مس [محلول مس (II)-آمونیوم] نامیده می شود که یک سیستم حلال قوی است که می تواند سلولز را حل کند. ساختار بلوری سلولز را از طریق اکسیداسیون و پیوند هیدروژنی از بین می برد و زنجیره مولکولی سلولز را نرم تر و محلول تر می کند.

3. سیستم لیتیوم کلرید-دی متیل استامید (LiCl-DMAc)
سیستم LiCl-DMAc (لیتیوم کلرید- دی متیل استامید) یکی از روش های کلاسیک برای حل کردن سلولز است. LiCl می تواند رقابتی را برای پیوندهای هیدروژنی ایجاد کند، در نتیجه شبکه پیوند هیدروژنی بین مولکول های سلولز را از بین می برد، در حالی که DMAc به عنوان یک حلال می تواند به خوبی با زنجیره مولکولی سلولز تعامل کند.

4. محلول هیدروکلریک اسید/کلرید روی
محلول اسید هیدروکلریک/کلرید روی یک معرف اولیه کشف شده است که می تواند سلولز را حل کند. این می تواند با ایجاد یک اثر هماهنگی بین کلرید روی و زنجیره های مولکولی سلولز و اسید هیدروکلریک که پیوندهای هیدروژنی بین مولکول های سلولز را از بین می برد، سلولز را حل کند. با این حال، این محلول برای تجهیزات بسیار خورنده است و در کاربردهای عملی محدود است.

5. آنزیم های فیبرینولیتیک
آنزیم های فیبرینولیتیک (مانند سلولازها) با کاتالیز کردن تجزیه سلولز به الیگوساکاریدها و مونوساکاریدهای کوچکتر، سلولز را حل می کنند. این روش کاربردهای گسترده ای در زمینه های تجزیه زیستی و تبدیل زیست توده دارد، اگرچه فرآیند انحلال آن انحلال کامل شیمیایی نیست، بلکه از طریق کاتالیز زیستی به دست می آید.

(3) مکانیسم انحلال سلولز

معرف های مختلف مکانیسم های متفاوتی برای انحلال سلولز دارند، اما به طور کلی می توان آنها را به دو مکانیسم اصلی نسبت داد:
تخریب پیوندهای هیدروژنی: از بین بردن پیوندهای هیدروژنی بین زنجیره های مولکولی سلولز از طریق تشکیل پیوند هیدروژنی رقابتی یا برهمکنش یونی و تبدیل آن به محلول.
آرامش زنجیر مولکولی: افزایش نرمی زنجیره های مولکولی سلولزی و کاهش کریستالی بودن زنجیره های مولکولی از طریق روش های فیزیکی یا شیمیایی به طوری که می توان آنها را در حلال ها حل کرد.

(4) کاربردهای عملی انحلال سلولز

انحلال سلولز کاربردهای مهمی در بسیاری از زمینه ها دارد:
تهیه مشتقات سلولز: پس از انحلال سلولز، می توان آن را از نظر شیمیایی برای تهیه اترهای سلولز، استرهای سلولز و سایر مشتقات که به طور گسترده در غذا، دارو، پوشش و سایر زمینه ها استفاده می شود، اصلاح کرد.
مواد مبتنی بر سلولز: با استفاده از سلولز محلول، می توان نانوالیاف سلولزی، غشاهای سلولزی و سایر مواد را تهیه کرد. این مواد خواص مکانیکی و زیست سازگاری خوبی دارند.
انرژی زیست توده: با حل کردن و تجزیه سلولز، می توان آن را به قندهای قابل تخمیر برای تولید سوخت های زیستی مانند اتانول زیستی تبدیل کرد که به توسعه و استفاده از انرژی های تجدید پذیر کمک می کند.

انحلال سلولز فرآیند پیچیده ای است که مکانیسم های شیمیایی و فیزیکی متعددی را در بر می گیرد. مایعات یونی، محلول‌های آمینو اکسیدان، سیستم‌های LiCl-DMAc، محلول‌های اسید هیدروکلریک/کلرید روی و آنزیم‌های سلولیتیک در حال حاضر به عنوان عوامل موثر برای حل سلولز شناخته شده‌اند. هر عامل مکانیزم انحلال و زمینه کاربردی منحصر به فرد خود را دارد. با مطالعه عمیق مکانیسم انحلال سلولز، اعتقاد بر این است که روش‌های انحلال کارآمدتر و سازگار با محیط زیست توسعه داده خواهد شد و امکانات بیشتری برای استفاده و توسعه سلولز فراهم می‌کند.