સેલ્યુલોઝ ઈથરની રચના અને પ્રકારો શું છે?

1. સેલ્યુલોઝ ઈથરનું માળખું અને તૈયારી સિદ્ધાંત

આકૃતિ 1 સેલ્યુલોઝ ઇથર્સની લાક્ષણિક રચના દર્શાવે છે. દરેક bD-એનહાઇડ્રોગ્લુકોઝ યુનિટ (સેલ્યુલોઝનું પુનરાવર્તિત યુનિટ) C (2), C (3) અને C (6) સ્થાનો પર એક જૂથને બદલે છે, એટલે કે, ત્રણ ઇથર જૂથો હોઈ શકે છે. ઇન્ટ્રા-ચેઇન અને ઇન્ટર-ચેઇન હાઇડ્રોજન બોન્ડ્સને કારણેસેલ્યુલોઝ મેક્રોમોલેક્યુલ્સ, પાણીમાં અને લગભગ તમામ કાર્બનિક દ્રાવકોમાં ઓગળવું મુશ્કેલ છે. ઇથેરિફિકેશન દ્વારા ઇથેર જૂથોનો પરિચય ઇન્ટ્રામોલેક્યુલર અને ઇન્ટરમોલેક્યુલર હાઇડ્રોજન બોન્ડનો નાશ કરે છે, તેની હાઇડ્રોફિલિસિટીમાં સુધારો કરે છે, અને પાણીના માધ્યમમાં તેની દ્રાવ્યતામાં ઘણો સુધારો કરે છે.

લાક્ષણિક ઇથેરિફાઇડ સબસ્ટિટ્યુએન્ટ્સ ઓછા પરમાણુ વજનવાળા આલ્કોક્સી જૂથો (1 થી 4 કાર્બન અણુઓ) અથવા હાઇડ્રોક્સાયલ્કિલ જૂથો છે, જે પછી કાર્બોક્સિલ, હાઇડ્રોક્સિલ અથવા એમિનો જૂથો જેવા અન્ય કાર્યાત્મક જૂથો દ્વારા બદલી શકાય છે. સબસ્ટિટ્યુએન્ટ્સ એક, બે અથવા વધુ વિવિધ પ્રકારના હોઈ શકે છે. સેલ્યુલોઝ મેક્રોમોલેક્યુલર સાંકળ સાથે, દરેક ગ્લુકોઝ યુનિટના C(2), C(3) અને C(6) સ્થાનો પરના હાઇડ્રોક્સિલ જૂથો અલગ અલગ પ્રમાણમાં બદલવામાં આવે છે. કડક શબ્દોમાં કહીએ તો, સેલ્યુલોઝ ઇથરમાં સામાન્ય રીતે ચોક્કસ રાસાયણિક માળખું હોતું નથી, સિવાય કે તે ઉત્પાદનો જે સંપૂર્ણપણે એક પ્રકારના જૂથ દ્વારા બદલવામાં આવે છે (ત્રણેય હાઇડ્રોક્સિલ જૂથો બદલવામાં આવે છે). આ ઉત્પાદનોનો ઉપયોગ ફક્ત પ્રયોગશાળા વિશ્લેષણ અને સંશોધન માટે થઈ શકે છે, અને તેનું કોઈ વ્યાપારી મૂલ્ય નથી.

(a) સેલ્યુલોઝ ઈથર મોલેક્યુલર ચેઈન, R1~R6=H, અથવા કાર્બનિક અવેજીના બે એનહાઈડ્રોગ્લુકોઝ એકમોની સામાન્ય રચના;

(b) કાર્બોક્સિમિથાઈલનો એક પરમાણુ સાંકળનો ટુકડોહાઇડ્રોક્સિએથિલ સેલ્યુલોઝ, કાર્બોક્સિમિથાઈલના અવેજીની ડિગ્રી 0.5 છે, હાઇડ્રોક્સીથિલના અવેજીની ડિગ્રી 2.0 છે, અને દાઢના અવેજીની ડિગ્રી 3.0 છે. આ રચના ઇથેરિફાઇડ જૂથોના સરેરાશ અવેજીની સ્તરનું પ્રતિનિધિત્વ કરે છે, પરંતુ અવેજીઓ ખરેખર રેન્ડમ છે.

દરેક અવેજીમાં, ઇથેરિફિકેશનની કુલ માત્રા DS મૂલ્યના અવેજી દ્વારા દર્શાવવામાં આવે છે. DS ની શ્રેણી 0~3 છે, જે દરેક એનહાઇડ્રોગ્લુકોઝ એકમ પર ઇથેરિફિકેશન જૂથો દ્વારા બદલાયેલા હાઇડ્રોક્સિલ જૂથોની સરેરાશ સંખ્યા જેટલી છે.

હાઇડ્રોક્સાયલ્કિલ સેલ્યુલોઝ ઇથર્સ માટે, અવેજી પ્રતિક્રિયા નવા મુક્ત હાઇડ્રોક્સિલ જૂથોમાંથી ઇથેરિફિકેશન શરૂ કરશે, અને અવેજીનું પ્રમાણ MS મૂલ્ય દ્વારા માપી શકાય છે, એટલે કે, અવેજીનું મોલર ડિગ્રી. તે દરેક એનહાઇડ્રોગ્લુકોઝ યુનિટમાં ઉમેરવામાં આવેલા ઇથેરિફાઇંગ એજન્ટ રિએક્ટન્ટના મોલ્સની સરેરાશ સંખ્યા દર્શાવે છે. એક લાક્ષણિક રિએક્ટન્ટ ઇથિલિન ઓક્સાઇડ છે અને ઉત્પાદનમાં હાઇડ્રોક્સાઇથિલ સબસ્ટિટ્યુએન્ટ છે. આકૃતિ 1 માં, ઉત્પાદનનું MS મૂલ્ય 3.0 છે.

સૈદ્ધાંતિક રીતે, MS મૂલ્ય માટે કોઈ ઉપલી મર્યાદા નથી. જો દરેક ગ્લુકોઝ રિંગ જૂથ પર અવેજીની ડિગ્રીનું DS મૂલ્ય જાણીતું હોય, તો ઈથર સાઇડ ચેઈનની સરેરાશ સાંકળ લંબાઈ કેટલાક ઉત્પાદકો ઘણીવાર DS અને MS મૂલ્યોને બદલે અવેજીના સ્તર અને ડિગ્રીનું પ્રતિનિધિત્વ કરવા માટે વિવિધ ઈથરીકરણ જૂથો (જેમ કે -OCH3 અથવા -OC2H4OH) ના માસ અપૂર્ણાંક (wt%) નો ઉપયોગ પણ કરે છે. દરેક જૂથના માસ અપૂર્ણાંક અને તેના DS અથવા MS મૂલ્યને સરળ ગણતરી દ્વારા રૂપાંતરિત કરી શકાય છે.

મોટાભાગના સેલ્યુલોઝ ઇથર પાણીમાં દ્રાવ્ય પોલિમર હોય છે, અને કેટલાક કાર્બનિક દ્રાવકોમાં પણ આંશિક રીતે દ્રાવ્ય હોય છે. સેલ્યુલોઝ ઇથરમાં ઉચ્ચ કાર્યક્ષમતા, ઓછી કિંમત, સરળ પ્રક્રિયા, ઓછી ઝેરીતા અને વિશાળ વિવિધતાની લાક્ષણિકતાઓ છે, અને માંગ અને એપ્લિકેશન ક્ષેત્રો હજુ પણ વિસ્તરી રહ્યા છે. સહાયક એજન્ટ તરીકે, સેલ્યુલોઝ ઇથરમાં ઉદ્યોગના વિવિધ ક્ષેત્રોમાં મોટી એપ્લિકેશન ક્ષમતા છે. MS/DS દ્વારા મેળવી શકાય છે.

સેલ્યુલોઝ ઈથર્સને અવેજીઓના રાસાયણિક બંધારણ અનુસાર એનિઓનિક, કેશનિક અને નોનિયોનિક ઈથરમાં વર્ગીકૃત કરવામાં આવે છે. નોનિયોનિક ઈથર્સને પાણીમાં દ્રાવ્ય અને તેલમાં દ્રાવ્ય ઉત્પાદનોમાં વિભાજિત કરી શકાય છે.

ઔદ્યોગિકીકરણ પામેલા ઉત્પાદનો કોષ્ટક 1 ના ઉપરના ભાગમાં સૂચિબદ્ધ છે. કોષ્ટક 1 ના નીચેના ભાગમાં કેટલાક જાણીતા ઇથેરિફિકેશન જૂથોની યાદી છે, જે હજુ સુધી મહત્વપૂર્ણ વ્યાપારી ઉત્પાદનો બન્યા નથી.

મિશ્ર ઈથર અવેજીઓના સંક્ષિપ્ત ક્રમને મૂળાક્ષરોના ક્રમ અથવા સંબંધિત DS (MS) ના સ્તર અનુસાર નામ આપી શકાય છે, ઉદાહરણ તરીકે, 2-હાઈડ્રોક્સીથાઈલ મિથાઈલસેલ્યુલોઝ માટે, સંક્ષિપ્ત નામ HEMC છે, અને મિથાઈલ અવેજીને પ્રકાશિત કરવા માટે તેને MHEC તરીકે પણ લખી શકાય છે.

સેલ્યુલોઝ પરના હાઇડ્રોક્સિલ જૂથો ઇથેરિફિકેશન એજન્ટો દ્વારા સરળતાથી સુલભ નથી હોતા, અને ઇથેરિફિકેશન પ્રક્રિયા સામાન્ય રીતે આલ્કલાઇન પરિસ્થિતિઓ હેઠળ હાથ ધરવામાં આવે છે, સામાન્ય રીતે NaOH જલીય દ્રાવણની ચોક્કસ સાંદ્રતાનો ઉપયોગ કરીને. સેલ્યુલોઝ સૌપ્રથમ NaOH જલીય દ્રાવણ સાથે ફૂલેલા આલ્કલી સેલ્યુલોઝમાં બને છે, અને પછી ઇથેરિફિકેશન એજન્ટ સાથે ઇથેરિફિકેશન પ્રતિક્રિયામાંથી પસાર થાય છે. મિશ્ર ઇથેરના ઉત્પાદન અને તૈયારી દરમિયાન, એક જ સમયે વિવિધ પ્રકારના ઇથેરિફિકેશન એજન્ટોનો ઉપયોગ કરવો જોઈએ, અથવા ઇથેરિફિકેશન તબક્કાવાર ખોરાક દ્વારા (જો જરૂરી હોય તો) હાથ ધરવામાં આવવું જોઈએ. સેલ્યુલોઝના ઇથેરિફિકેશનમાં ચાર પ્રતિક્રિયા પ્રકારો છે, જેનો સારાંશ પ્રતિક્રિયા સૂત્ર (સેલ્યુલોસિકને સેલ-OH દ્વારા બદલવામાં આવે છે) દ્વારા નીચે મુજબ આપવામાં આવ્યો છે:

સમીકરણ (1) વિલિયમસન ઇથેરિફિકેશન પ્રતિક્રિયાનું વર્ણન કરે છે. RX એક અકાર્બનિક એસિડ એસ્ટર છે, અને X હેલોજન Br, Cl અથવા સલ્ફ્યુરિક એસિડ એસ્ટર છે. ક્લોરાઇડ R-Cl નો ઉપયોગ સામાન્ય રીતે ઉદ્યોગોમાં થાય છે, ઉદાહરણ તરીકે, મિથાઈલ ક્લોરાઇડ, ઇથિલ ક્લોરાઇડ અથવા ક્લોરોએસેટિક એસિડ. આવી પ્રતિક્રિયાઓમાં સ્ટોઇકિયોમેટ્રિક માત્રામાં બેઝનો ઉપયોગ થાય છે. ઔદ્યોગિક સેલ્યુલોઝ ઈથેરિફિકેશન પ્રતિક્રિયાના ઉત્પાદનો ઔદ્યોગિક સેલ્યુલોઝ ઇથેરિફિકેશન પ્રતિક્રિયા છે.

પ્રતિક્રિયા સૂત્ર (2) એ બેઝ-ઉત્પ્રેરિત ઇપોક્સાઇડ્સ (જેમ કે R=H, CH3, અથવા C2H5) અને સેલ્યુલોઝ પરમાણુઓ પર હાઇડ્રોક્સિલ જૂથોની ઉમેરણ પ્રતિક્રિયા છે, જે બેઝનો ઉપયોગ કર્યા વિના છે. આ પ્રતિક્રિયા ચાલુ રહેવાની શક્યતા છે કારણ કે પ્રતિક્રિયા દરમિયાન નવા હાઇડ્રોક્સિલ જૂથો ઉત્પન્ન થાય છે, જે ઓલિગોઆલ્કાઇલેથિલિન ઓક્સાઇડ સાઇડ ચેઇન્સની રચના તરફ દોરી જાય છે: 1-એઝિરીડાઇન (એઝિરીડાઇન) સાથે સમાન પ્રતિક્રિયા એમિનોઇથિલ ઇથર બનાવશે: સેલ-O-CH2-CH2-NH2. હાઇડ્રોક્સિએથિલ સેલ્યુલોઝ, હાઇડ્રોક્સિપ્રોપીલ સેલ્યુલોઝ અને હાઇડ્રોક્સિબ્યુટીલ સેલ્યુલોઝ જેવા ઉત્પાદનો બધા બેઝ-ઉત્પ્રેરિત ઇપોક્સિડેશનના ઉત્પાદનો છે.

પ્રતિક્રિયા સૂત્ર (3) એ કોષ-OH અને કાર્બનિક સંયોજનો વચ્ચેની પ્રતિક્રિયા છે જેમાં આલ્કલાઇન માધ્યમમાં સક્રિય ડબલ બોન્ડ હોય છે, Y એ ઇલેક્ટ્રોન-ઉપાડનાર જૂથ છે, જેમ કે CN, CONH2, અથવા SO3-Na+. આજે આ પ્રકારની પ્રતિક્રિયાનો ઉપયોગ ઔદ્યોગિક રીતે ભાગ્યે જ થાય છે.

પ્રતિક્રિયા સૂત્ર (4), ડાયઝોઆલ્કેન સાથે ઇથેરિફિકેશન હજુ સુધી ઔદ્યોગિકીકરણ થયું નથી.

1. સેલ્યુલોઝ ઈથરના પ્રકારો

સેલ્યુલોઝ ઈથર મોનોઈથર અથવા મિશ્ર ઈથર હોઈ શકે છે, અને તેના ગુણધર્મો અલગ અલગ હોય છે. સેલ્યુલોઝ મેક્રોમોલેક્યુલ પર ઓછા-અવેજીવાળા હાઇડ્રોફિલિક જૂથો હોય છે, જેમ કે હાઇડ્રોક્સીઇથિલ જૂથો, જે ઉત્પાદનને ચોક્કસ ડિગ્રી પાણીમાં દ્રાવ્યતા આપી શકે છે, જ્યારે મિથાઈલ, ઇથિલ, વગેરે જેવા હાઇડ્રોફોબિક જૂથો માટે, માત્ર મધ્યમ અવેજી ઉચ્ચ ડિગ્રી ઉત્પાદનને ચોક્કસ પાણીની દ્રાવ્યતા આપી શકે છે, અને ઓછી અવેજીવાળા ઉત્પાદન ફક્ત પાણીમાં ફૂલે છે અથવા પાતળા આલ્કલી દ્રાવણમાં ઓગળી શકે છે. સેલ્યુલોઝ ઈથરના ગુણધર્મો પર ઊંડાણપૂર્વક સંશોધન સાથે, નવા સેલ્યુલોઝ ઈથર અને તેમના એપ્લિકેશન ક્ષેત્રો સતત વિકસિત અને ઉત્પન્ન થશે, અને સૌથી મોટું પ્રેરક બળ વ્યાપક અને સતત શુદ્ધ એપ્લિકેશન બજાર છે.

મિશ્ર ઈથરમાં જૂથોના દ્રાવ્યતા ગુણધર્મો પર પ્રભાવનો સામાન્ય નિયમ છે:

૧) ઈથરની હાઇડ્રોફોબિસિટી વધારવા અને જેલ પોઈન્ટ ઘટાડવા માટે ઉત્પાદનમાં હાઇડ્રોફોબિક જૂથોની સામગ્રીમાં વધારો;

2) તેના જેલ પોઈન્ટને વધારવા માટે હાઇડ્રોફિલિક જૂથો (જેમ કે હાઇડ્રોક્સાઇથાઇલ જૂથો) ની સામગ્રીમાં વધારો;

૩) હાઇડ્રોક્સીપ્રોપીલ જૂથ ખાસ છે, અને યોગ્ય હાઇડ્રોક્સીપ્રોપીલેશન ઉત્પાદનના જેલ તાપમાનને ઘટાડી શકે છે, અને મધ્યમ હાઇડ્રોક્સીપ્રોપીલેટેડ ઉત્પાદનનું જેલ તાપમાન ફરીથી વધશે, પરંતુ ઉચ્ચ સ્તરનું અવેજી તેના જેલ બિંદુને ઘટાડશે; તેનું કારણ હાઇડ્રોક્સીપ્રોપીલ જૂથની ખાસ કાર્બન સાંકળ લંબાઈની રચના, નીચા-સ્તરના હાઇડ્રોક્સીપ્રોપીલેશન, સેલ્યુલોઝ મેક્રોમોલેક્યુલમાં પરમાણુઓમાં અને વચ્ચે નબળા હાઇડ્રોજન બોન્ડ અને શાખા સાંકળોમાં હાઇડ્રોફિલિક હાઇડ્રોક્સિલ જૂથો છે. પાણી પ્રબળ છે. બીજી બાજુ, જો અવેજી વધારે હોય, તો બાજુના જૂથ પર પોલિમરાઇઝેશન થશે, હાઇડ્રોક્સિલ જૂથની સંબંધિત સામગ્રી ઘટશે, હાઇડ્રોફોબિસિટી વધશે, અને તેના બદલે દ્રાવ્યતા ઘટશે.

નું ઉત્પાદન અને સંશોધનસેલ્યુલોઝ ઈથરતેનો ઇતિહાસ ઘણો લાંબો છે. ૧૯૦૫માં, સુઇડાએ સૌપ્રથમ સેલ્યુલોઝના ઇથેરિફિકેશનની જાણ કરી, જે ડાયમિથાઇલ સલ્ફેટ સાથે મિથાઇલેટેડ હતું. પાણીમાં દ્રાવ્ય અથવા તેલમાં દ્રાવ્ય સેલ્યુલોઝ ઇથેર માટે અનુક્રમે લિલિયનફેલ્ડ (૧૯૧૨), ડ્રેફસ (૧૯૧૪) અને લ્યુચ્સ (૧૯૨૦) દ્વારા નોનિયોનિક આલ્કિલ ઇથેર પેટન્ટ કરવામાં આવ્યા હતા. બુચલર અને ગોમ્બર્ગે ૧૯૨૧માં બેન્ઝિલ સેલ્યુલોઝનું ઉત્પાદન કર્યું, ૧૯૧૮માં કાર્બોક્સિમિથાઇલ સેલ્યુલોઝનું ઉત્પાદન સૌપ્રથમ જાન્સન દ્વારા કરવામાં આવ્યું, અને હુબર્ટે ૧૯૨૦માં હાઇડ્રોક્સિઇથાઇલ સેલ્યુલોઝનું ઉત્પાદન કર્યું. ૧૯૨૦ના દાયકાની શરૂઆતમાં, જર્મનીમાં કાર્બોક્સિમિથાઇલ સેલ્યુલોઝનું વ્યાપારીકરણ કરવામાં આવ્યું. ૧૯૩૭ થી ૧૯૩૮ સુધી, યુનાઇટેડ સ્ટેટ્સમાં MC અને HECનું ઔદ્યોગિક ઉત્પાદન સાકાર થયું. સ્વીડને ૧૯૪૫માં પાણીમાં દ્રાવ્ય EHECનું ઉત્પાદન શરૂ કર્યું. ૧૯૪૫ પછી, સેલ્યુલોઝ ઇથેરનું ઉત્પાદન પશ્ચિમ યુરોપ, યુનાઇટેડ સ્ટેટ્સ અને જાપાનમાં ઝડપથી વિસ્તર્યું. ૧૯૫૭ ના અંતમાં, ચીનના CMC ને સૌપ્રથમ શાંઘાઈ સેલ્યુલોઇડ ફેક્ટરીમાં ઉત્પાદન શરૂ કરવામાં આવ્યું હતું. ૨૦૦૪ સુધીમાં, મારા દેશની ઉત્પાદન ક્ષમતા ૩૦,૦૦૦ ટન આયનીય ઈથર અને ૧૦,૦૦૦ ટન નોન-આયનીય ઈથર હશે. ૨૦૦૭ સુધીમાં, તે ૧૦૦,૦૦૦ ટન આયનીય ઈથર અને ૪૦,૦૦૦ ટન નોનિયોનિક ઈથર સુધી પહોંચી જશે. દેશ-વિદેશમાં સંયુક્ત ટેકનોલોજી કંપનીઓ પણ સતત ઉભરી રહી છે, અને ચીનની સેલ્યુલોઝ ઈથર ઉત્પાદન ક્ષમતા અને તકનીકી સ્તર સતત સુધરી રહ્યું છે.

તાજેતરના વર્ષોમાં, વિવિધ DS મૂલ્યો, સ્નિગ્ધતા, શુદ્ધતા અને રિઓલોજિકલ ગુણધર્મો ધરાવતા ઘણા સેલ્યુલોઝ મોનોઇથર્સ અને મિશ્ર ઇથર્સ સતત વિકસાવવામાં આવ્યા છે. હાલમાં, સેલ્યુલોઝ ઇથર્સના ક્ષેત્રમાં વિકાસનું ધ્યાન અદ્યતન ઉત્પાદન તકનીક, નવી તૈયારી તકનીક, નવા સાધનો, નવા ઉત્પાદનો, ઉચ્ચ-ગુણવત્તાવાળા ઉત્પાદનો અને વ્યવસ્થિત ઉત્પાદનોને તકનીકી રીતે સંશોધન કરવા પર છે.