A celulosa é un polisacárido complexo composto por moitas unidades de glicosa unidas por enlaces β-1,4-glicosídicos. É o principal compoñente das paredes celulares vexetais e dá ás paredes celulares vexetais un forte soporte estrutural e dureza. Debido á longa cadea molecular de celulosa e á alta cristalinidade, ten unha forte estabilidade e insolubilidade.
(1) Propiedades da celulosa e dificultade de disolución
A celulosa ten as seguintes propiedades que dificultan a súa disolución:
Alta cristalinidade: as cadeas moleculares de celulosa forman unha estrutura reticular axustada a través de enlaces de hidróxeno e forzas de van der Waals.
Alto grao de polimerización: o grao de polimerización (é dicir, a lonxitude da cadea molecular) da celulosa é alto, normalmente oscilando entre centos e miles de unidades de glicosa, o que aumenta a estabilidade da molécula.
Rede de enlaces de hidróxeno: os enlaces de hidróxeno están moi presentes entre e dentro das cadeas moleculares de celulosa, o que dificulta a súa destrución e disolución por disolventes xerais.
(2) Reactivos que disolven a celulosa
Actualmente, os reactivos coñecidos que poden disolver efectivamente a celulosa inclúen principalmente as seguintes categorías:
1. Líquidos iónicos
Os líquidos iónicos son líquidos compostos por catións orgánicos e anións orgánicos ou inorgánicos, normalmente con baixa volatilidade, alta estabilidade térmica e alta axustabilidade. Algúns líquidos iónicos poden disolver a celulosa, e o mecanismo principal é romper os enlaces de hidróxeno entre as cadeas moleculares de celulosa. Os líquidos iónicos comúns que disolven a celulosa inclúen:
Cloruro de 1-butil-3-metilimidazolio ([BMIM]Cl): este líquido iónico disolve a celulosa ao interactuar con enlaces de hidróxeno na celulosa a través de aceptores de enlaces de hidróxeno.
Acetato de 1-etil-3-metilimidazolio ([EMIM][Ac]): este líquido iónico pode disolver altas concentracións de celulosa en condicións relativamente suaves.
2. Solución oxidante de amina
A solución oxidante de amina, como unha solución mixta de dietilamina (DEA) e cloruro de cobre, chámase [disolución de Cu(II)-amonio], que é un sistema de disolventes fortes que pode disolver a celulosa. Destrúe a estrutura cristalina da celulosa mediante a oxidación e os enlaces de hidróxeno, facendo que a cadea molecular da celulosa sexa máis suave e soluble.
3. Sistema de cloruro de litio-dimetilacetamida (LiCl-DMAc).
O sistema LiCl-DMAc (cloruro de litio-dimetilacetamida) é un dos métodos clásicos para disolver a celulosa. O LiCl pode formar unha competencia polos enlaces de hidróxeno, destruíndo así a rede de enlaces de hidróxeno entre as moléculas de celulosa, mentres que o DMAc como disolvente pode interactuar ben coa cadea molecular da celulosa.
4. Solución de ácido clorhídrico/cloruro de zinc
A solución de ácido clorhídrico/cloruro de zinc é un reactivo descuberto precozmente que pode disolver a celulosa. Pode disolver a celulosa formando un efecto de coordinación entre o cloruro de cinc e as cadeas moleculares de celulosa, e o ácido clorhídrico destruíndo os enlaces de hidróxeno entre as moléculas de celulosa. Non obstante, esta solución é altamente corrosiva para os equipos e está limitada en aplicacións prácticas.
5. Encimas fibrinolíticos
Os encimas fibrinolíticos (como as celulasas) disolven a celulosa catalizando a descomposición da celulosa en oligosacáridos e monosacáridos máis pequenos. Este método ten unha ampla gama de aplicacións nos campos da biodegradación e conversión de biomasa, aínda que o seu proceso de disolución non é unha disolución completamente química, senón que se consegue mediante a biocatálise.
(3) Mecanismo de disolución da celulosa
Os distintos reactivos teñen diferentes mecanismos para disolver a celulosa, pero en xeral pódense atribuír a dous mecanismos principais:
Destrución de enlaces de hidróxeno: destruír os enlaces de hidróxeno entre as cadeas moleculares de celulosa mediante a formación de enlaces de hidróxeno competitivos ou a interacción iónica, facéndoo soluble.
Relaxación da cadea molecular: aumenta a suavidade das cadeas moleculares de celulosa e reduce a cristalinidade das cadeas moleculares a través de medios físicos ou químicos, para que se poidan disolver en disolventes.
(4) Aplicacións prácticas da disolución de celulosa
A disolución de celulosa ten aplicacións importantes en moitos campos:
Preparación de derivados de celulosa: despois de disolver a celulosa, pódese modificar quimicamente para preparar éteres de celulosa, ésteres de celulosa e outros derivados, que son amplamente utilizados en alimentos, medicina, revestimentos e outros campos.
Materiais a base de celulosa: utilizando celulosa disolta pódense preparar nanofibras de celulosa, membranas de celulosa e outros materiais. Estes materiais teñen boas propiedades mecánicas e biocompatibilidade.
Enerxía da biomasa: ao disolver e degradar a celulosa, pódese converter en azucres fermentables para a produción de biocombustibles como o bioetanol, o que axuda a conseguir o desenvolvemento e aproveitamento de enerxías renovables.
A disolución da celulosa é un proceso complexo que implica múltiples mecanismos físicos e químicos. Actualmente sábese que os líquidos iónicos, as solucións de aminooxidantes, os sistemas LiCl-DMAc, as solucións de ácido clorhídrico/cloruro de zinc e os encimas celolíticos son axentes eficaces para disolver a celulosa. Cada axente ten o seu propio mecanismo de disolución e campo de aplicación únicos. Co estudo en profundidade do mecanismo de disolución da celulosa, crese que se desenvolverán métodos de disolución máis eficientes e respectuosos co medio ambiente, proporcionando máis posibilidades para a utilización e desenvolvemento da celulosa.
Hora de publicación: 09-07-2024