La cellulose est un polysaccharide complexe composé de nombreuses unités de glucose reliées par des liaisons β-1,4-glycosidiques. Principal composant des parois cellulaires végétales, elle leur confère un soutien structurel et une résistance remarquables. Grâce à sa longue chaîne moléculaire et à sa forte cristallinité, elle présente une grande stabilité et une grande insolvabilité.
(1) Propriétés de la cellulose et difficulté de dissolution
La cellulose possède les propriétés suivantes qui la rendent difficile à dissoudre :
Cristallinité élevée : les chaînes moléculaires de cellulose forment une structure en réseau serré grâce à des liaisons hydrogène et des forces de van der Waals.
Degré de polymérisation élevé : Le degré de polymérisation (c'est-à-dire la longueur de la chaîne moléculaire) de la cellulose est élevé, allant généralement de centaines à des milliers d'unités de glucose, ce qui augmente la stabilité de la molécule.
Réseau de liaisons hydrogène : les liaisons hydrogène sont largement présentes entre et au sein des chaînes moléculaires de cellulose, ce qui rend difficile leur destruction et leur dissolution par les solvants généraux.
(2) Réactifs qui dissolvent la cellulose
Actuellement, les réactifs connus qui peuvent dissoudre efficacement la cellulose comprennent principalement les catégories suivantes :
1. Liquides ioniques
Les liquides ioniques sont des liquides composés de cations organiques et d'anions organiques ou inorganiques, généralement peu volatils, présentant une grande stabilité thermique et une grande adaptabilité. Certains liquides ioniques peuvent dissoudre la cellulose, le principal mécanisme étant la rupture des liaisons hydrogène entre les chaînes moléculaires de la cellulose. Parmi les liquides ioniques les plus courants qui dissolvent la cellulose, on trouve :
Chlorure de 1-butyl-3-méthylimidazolium ([BMIM]Cl) : Ce liquide ionique dissout la cellulose en interagissant avec les liaisons hydrogène de la cellulose via des accepteurs de liaisons hydrogène.
Acétate de 1-éthyl-3-méthylimidazolium ([EMIM][Ac]) : Ce liquide ionique peut dissoudre de fortes concentrations de cellulose dans des conditions relativement douces.
2. Solution oxydante d'amine
Une solution oxydante d'amine, telle qu'une solution mixte de diéthylamine (DEA) et de chlorure de cuivre, appelée solution Cu(II)-ammonium, est un puissant solvant capable de dissoudre la cellulose. Elle détruit la structure cristalline de la cellulose par oxydation et liaison hydrogène, rendant la chaîne moléculaire de la cellulose plus molle et plus soluble.
3. Système chlorure de lithium-diméthylacétamide (LiCl-DMAc)
Le système LiCl-DMAc (chlorure de lithium-diméthylacétamide) est l'une des méthodes classiques de dissolution de la cellulose. Le LiCl peut entrer en compétition pour les liaisons hydrogène, détruisant ainsi le réseau de liaisons hydrogène entre les molécules de cellulose, tandis que le DMAc, en tant que solvant, interagit efficacement avec la chaîne moléculaire de la cellulose.
4. Solution d'acide chlorhydrique/chlorure de zinc
La solution d'acide chlorhydrique/chlorure de zinc est un réactif découvert très tôt pour dissoudre la cellulose. Elle peut dissoudre la cellulose en créant un effet de coordination entre le chlorure de zinc et les chaînes moléculaires de la cellulose, l'acide chlorhydrique détruisant les liaisons hydrogène entre les molécules de cellulose. Cependant, cette solution est très corrosive pour les équipements et ses applications pratiques sont limitées.
5. Enzymes fibrinolytiques
Les enzymes fibrinolytiques (comme les cellulases) dissolvent la cellulose en catalysant sa décomposition en oligosaccharides et monosaccharides plus petits. Cette méthode a de nombreuses applications dans les domaines de la biodégradation et de la conversion de la biomasse, bien que son processus de dissolution ne soit pas entièrement chimique, mais soit obtenu par biocatalyse.
(3) Mécanisme de dissolution de la cellulose
Différents réactifs ont différents mécanismes pour dissoudre la cellulose, mais en général, ils peuvent être attribués à deux mécanismes principaux :
Destruction des liaisons hydrogène : destruction des liaisons hydrogène entre les chaînes moléculaires de cellulose par formation de liaisons hydrogène compétitives ou interaction ionique, la rendant soluble.
Relaxation de la chaîne moléculaire : Augmentation de la douceur des chaînes moléculaires de cellulose et réduction de la cristallinité des chaînes moléculaires par des moyens physiques ou chimiques, afin qu'elles puissent être dissoutes dans des solvants.
(4) Applications pratiques de la dissolution de la cellulose
La dissolution de la cellulose a des applications importantes dans de nombreux domaines :
Préparation de dérivés de cellulose : Après dissolution de la cellulose, elle peut être modifiée chimiquement pour préparer des éthers de cellulose, des esters de cellulose et d'autres dérivés, qui sont largement utilisés dans l'alimentation, la médecine, les revêtements et d'autres domaines.
Matériaux à base de cellulose : la cellulose dissoute permet de préparer des nanofibres de cellulose, des membranes de cellulose et d'autres matériaux. Ces matériaux présentent de bonnes propriétés mécaniques et une bonne biocompatibilité.
Énergie de la biomasse : En dissolvant et en dégradant la cellulose, elle peut être convertie en sucres fermentescibles pour la production de biocarburants tels que le bioéthanol, ce qui contribue au développement et à l’utilisation des énergies renouvelables.
La dissolution de la cellulose est un processus complexe impliquant de multiples mécanismes chimiques et physiques. Les liquides ioniques, les solutions d'amino-oxydants, les systèmes LiCl-DMAc, les solutions d'acide chlorhydrique/chlorure de zinc et les enzymes cellolytiques sont actuellement reconnus comme des agents efficaces pour dissoudre la cellulose. Chaque agent possède son propre mécanisme de dissolution et son propre domaine d'application. Grâce à l'étude approfondie du mécanisme de dissolution de la cellulose, on s'attend à ce que des méthodes de dissolution plus efficaces et plus respectueuses de l'environnement soient développées, ouvrant ainsi de nouvelles perspectives d'utilisation et de développement de la cellulose.
Date de publication : 09/07/2024