La cellulose est un polysaccharide complexe composé de nombreuses unités glucose reliées par des liaisons β-1,4-glycosidiques. C'est le composant principal des parois cellulaires végétales et confère aux parois cellulaires végétales un soutien structurel et une ténacité solides. En raison de la longue chaîne moléculaire de la cellulose et de sa cristallinité élevée, elle présente une forte stabilité et insoluble.
(1) Propriétés de la cellulose et difficulté à se dissoudre
La cellulose possède les propriétés suivantes qui la rendent difficile à dissoudre :
Haute cristallinité : les chaînes moléculaires de cellulose forment une structure de réseau serré grâce aux liaisons hydrogène et aux forces de Van der Waals.
Haut degré de polymérisation : 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 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 la cellulose, ce qui rend difficile leur destruction et leur dissolution par les solvants généraux.
(2) Réactifs qui dissolvent la cellulose
Actuellement, les réactifs connus capables de 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, dotés d'une stabilité thermique élevée et d'une capacité d'ajustement élevée. Certains liquides ioniques peuvent dissoudre la cellulose et le mécanisme principal consiste à rompre les liaisons hydrogène entre les chaînes moléculaires de la cellulose. Les liquides ioniques courants qui dissolvent la cellulose comprennent :
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 d'oxydant d'amine
Une solution d'oxydant d'amine telle qu'une solution mixte de diéthylamine (DEA) et de chlorure de cuivre est appelée [solution de Cu(II)-ammonium], qui est un système solvant puissant capable de dissoudre la cellulose. Il détruit la structure cristalline de la cellulose par oxydation et liaison hydrogène, rendant la chaîne moléculaire de la cellulose plus douce 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. LiCl peut former une 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, peut bien interagir avec la chaîne moléculaire de la cellulose.
4. Solution d'acide chlorhydrique/chlorure de zinc
La solution acide chlorhydrique/chlorure de zinc est un réactif découvert très tôt qui peut dissoudre la cellulose. Il peut dissoudre la cellulose en formant un effet de coordination entre le chlorure de zinc et les chaînes moléculaires de la cellulose, et l'acide chlorhydrique détruisant les liaisons hydrogène entre les molécules de cellulose. Cependant, cette solution est très corrosive pour les équipements et est limitée dans les applications pratiques.
5. Enzymes fibrinolytiques
Les enzymes fibrinolytiques (telles que les cellulases) dissolvent la cellulose en catalysant la décomposition de la cellulose en oligosaccharides et monosaccharides plus petits. Cette méthode a un large éventail d'applications dans les domaines de la biodégradation et de la conversion de la biomasse, bien que son processus de dissolution ne soit pas complètement chimique, mais soit obtenu par biocatalyse.
(3) Mécanisme de dissolution de la cellulose
Différents réactifs ont différents mécanismes de dissolution de la cellulose, mais en général, ils peuvent être attribués à deux mécanismes principaux :
Destruction des liaisons hydrogène : détruire les liaisons hydrogène entre les chaînes moléculaires de la cellulose par formation de liaisons hydrogène compétitives ou interaction ionique, la rendant soluble.
Relaxation des chaînes moléculaires : Augmenter la douceur des chaînes moléculaires de la cellulose et réduire 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, largement utilisés dans l'alimentation, la médecine, les revêtements et d'autres domaines.
Matériaux à base de cellulose : En utilisant de la cellulose dissoute, des nanofibres de cellulose, des membranes de cellulose et d'autres matériaux peuvent être préparés. Ces matériaux ont de bonnes propriétés mécaniques et 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 d'énergies renouvelables.
La dissolution de la cellulose est un processus complexe impliquant de multiples mécanismes chimiques et physiques. Les liquides ioniques, les solutions d'oxydants aminés, les systèmes LiCl-DMAc, les solutions d'acide chlorhydrique/chlorure de zinc et les enzymes cellolytiques sont actuellement connus pour être des agents efficaces pour dissoudre la cellulose. Chaque agent possède son propre mécanisme de dissolution et son propre champ d’application. Grâce à l'étude approfondie du mécanisme de dissolution de la cellulose, on pense que des méthodes de dissolution plus efficaces et plus respectueuses de l'environnement seront développées, offrant ainsi davantage de possibilités d'utilisation et de développement de la cellulose.
Heure de publication : 09 juillet 2024