सेलूलोज़ ईथर की संरचना और प्रकार क्या हैं?

1.सेलूलोज़ ईथर की संरचना और तैयारी सिद्धांत

चित्र 1 सेलूलोज़ ईथर की विशिष्ट संरचना को दर्शाता है। प्रत्येक बीडी-एनहाइड्रोग्लूकोज इकाई (सेल्युलोज की दोहराई जाने वाली इकाई) सी (2), सी (3) और सी (6) स्थितियों पर एक समूह को प्रतिस्थापित करती है, यानी तीन ईथर समूह तक हो सकते हैं। के इंट्रा-चेन और इंटर-चेन हाइड्रोजन बांड के कारणसेलूलोज़ मैक्रोमोलेक्युलस, पानी और लगभग सभी कार्बनिक विलायकों में घुलना मुश्किल है। ईथरीकरण के माध्यम से ईथर समूहों का परिचय इंट्रामोल्युलर और इंटरमॉलिक्युलर हाइड्रोजन बांड को नष्ट कर देता है, इसकी हाइड्रोफिलिसिटी में सुधार करता है, और जल मीडिया में इसकी घुलनशीलता में काफी सुधार करता है।

विशिष्ट ईथरीकृत प्रतिस्थापन कम आणविक भार एल्कोक्सी समूह (1 से 4 कार्बन परमाणु) या हाइड्रोक्साइल्किल समूह होते हैं, जिन्हें बाद में कार्बोक्सिल, हाइड्रॉक्सिल या अमीनो समूहों जैसे अन्य कार्यात्मक समूहों द्वारा प्रतिस्थापित किया जा सकता है। पदार्थ एक, दो या अधिक विभिन्न प्रकार के हो सकते हैं। सेल्युलोज मैक्रोमोलेक्यूलर श्रृंखला के साथ, प्रत्येक ग्लूकोज इकाई के सी(2), सी(3) और सी(6) पदों पर हाइड्रॉक्सिल समूहों को अलग-अलग अनुपात में प्रतिस्थापित किया जाता है। कड़ाई से बोलते हुए, सेलूलोज़ ईथर में आम तौर पर एक निश्चित रासायनिक संरचना नहीं होती है, उन उत्पादों को छोड़कर जो पूरी तरह से एक प्रकार के समूह द्वारा प्रतिस्थापित होते हैं (सभी तीन हाइड्रॉक्सिल समूह प्रतिस्थापित होते हैं)। इन उत्पादों का उपयोग केवल प्रयोगशाला विश्लेषण और अनुसंधान के लिए किया जा सकता है, और इनका कोई व्यावसायिक मूल्य नहीं है।

(ए) सेल्युलोज ईथर आणविक श्रृंखला, आर1~आर6=एच, या एक कार्बनिक पदार्थ की दो एनहाइड्रोग्लूकोज इकाइयों की सामान्य संरचना;

(बी) कार्बोक्सिमिथाइल का एक आणविक श्रृंखला टुकड़ाहाइड्रोक्सीएथाइल सेलूलोज़, कार्बोक्सिमिथाइल के प्रतिस्थापन की डिग्री 0.5 है, हाइड्रॉक्सीएथाइल के प्रतिस्थापन की डिग्री 2.0 है, और दाढ़ के प्रतिस्थापन की डिग्री 3.0 है। यह संरचना ईथरीकृत समूहों के औसत प्रतिस्थापन स्तर का प्रतिनिधित्व करती है, लेकिन प्रतिस्थापन वास्तव में यादृच्छिक हैं।

प्रत्येक प्रतिस्थापन के लिए, ईथरीकरण की कुल मात्रा प्रतिस्थापन डीएस मूल्य की डिग्री द्वारा व्यक्त की जाती है। डीएस की सीमा 0~3 है, जो प्रत्येक एनहाइड्रोग्लूकोज इकाई पर ईथरिफिकेशन समूहों द्वारा प्रतिस्थापित हाइड्रॉक्सिल समूहों की औसत संख्या के बराबर है।

हाइड्रॉक्सिलकाइल सेल्युलोज ईथर के लिए, प्रतिस्थापन प्रतिक्रिया नए मुक्त हाइड्रॉक्सिल समूहों से ईथरीकरण शुरू कर देगी, और प्रतिस्थापन की डिग्री को एमएस मान, यानी प्रतिस्थापन की दाढ़ डिग्री द्वारा निर्धारित किया जा सकता है। यह प्रत्येक एनहाइड्रोग्लूकोज इकाई में जोड़े गए ईथरिफाइंग एजेंट रिएक्टेंट के मोल्स की औसत संख्या का प्रतिनिधित्व करता है। एक विशिष्ट अभिकारक एथिलीन ऑक्साइड है और उत्पाद में एक हाइड्रॉक्सीएथाइल प्रतिस्थापक है। चित्र 1 में, उत्पाद का MS मान 3.0 है।

सैद्धांतिक रूप से, MS मान की कोई ऊपरी सीमा नहीं है। यदि प्रत्येक ग्लूकोज रिंग समूह पर प्रतिस्थापन की डिग्री का डीएस मान ज्ञात है, तो ईथर पक्ष श्रृंखला की औसत श्रृंखला लंबाई, कुछ निर्माता अक्सर विभिन्न ईथरीकरण समूहों (जैसे -OCH3 या -OC2H4OH) के द्रव्यमान अंश (wt%) का उपयोग करते हैं। डीएस और एमएस मूल्यों के बजाय प्रतिस्थापन स्तर और डिग्री का प्रतिनिधित्व करने के लिए। प्रत्येक समूह का द्रव्यमान अंश और उसके डीएस या एमएस मान को सरल गणना द्वारा परिवर्तित किया जा सकता है।

अधिकांश सेलूलोज़ ईथर पानी में घुलनशील पॉलिमर हैं, और कुछ कार्बनिक सॉल्वैंट्स में आंशिक रूप से घुलनशील भी हैं। सेलूलोज़ ईथर में उच्च दक्षता, कम कीमत, आसान प्रसंस्करण, कम विषाक्तता और विस्तृत विविधता की विशेषताएं हैं, और मांग और अनुप्रयोग क्षेत्र अभी भी बढ़ रहे हैं। एक सहायक एजेंट के रूप में, सेलूलोज़ ईथर में उद्योग के विभिन्न क्षेत्रों में काफी अनुप्रयोग क्षमता है। एमएस/डीएस द्वारा प्राप्त किया जा सकता है।

सेल्युलोज ईथर को प्रतिस्थापकों की रासायनिक संरचना के अनुसार ऋणायनिक, धनायनिक और गैरआयनिक ईथर में वर्गीकृत किया जाता है। गैर-आयनिक ईथर को पानी में घुलनशील और तेल में घुलनशील उत्पादों में विभाजित किया जा सकता है।

औद्योगिकीकरण किए गए उत्पाद तालिका 1 के ऊपरी भाग में सूचीबद्ध हैं। तालिका 1 के निचले भाग में कुछ ज्ञात ईथरीकरण समूह सूचीबद्ध हैं, जो अभी तक महत्वपूर्ण वाणिज्यिक उत्पाद नहीं बन पाए हैं।

मिश्रित ईथर पदार्थों के संक्षिप्त नाम को वर्णमाला क्रम या संबंधित डीएस (एमएस) के स्तर के अनुसार नामित किया जा सकता है, उदाहरण के लिए, 2-हाइड्रॉक्सीएथाइल मिथाइलसेलुलोज के लिए, संक्षिप्त नाम एचईएमसी है, और इसे एमएचईसी के रूप में भी लिखा जा सकता है। मिथाइल प्रतिस्थापक को उजागर करें।

सेलूलोज़ पर हाइड्रॉक्सिल समूह ईथरीकरण एजेंटों द्वारा आसानी से पहुंच योग्य नहीं हैं, और ईथरीकरण प्रक्रिया आमतौर पर क्षारीय परिस्थितियों में की जाती है, आमतौर पर NaOH जलीय घोल की एक निश्चित सांद्रता का उपयोग करके। सेलूलोज़ पहले NaOH जलीय घोल के साथ सूजे हुए क्षार सेलूलोज़ में बनता है, और फिर ईथरीकरण एजेंट के साथ ईथरीकरण प्रतिक्रिया से गुजरता है। मिश्रित ईथर के उत्पादन और तैयारी के दौरान, एक ही समय में विभिन्न प्रकार के ईथरीकरण एजेंटों का उपयोग किया जाना चाहिए, या ईथरीकरण को चरण दर चरण आंतरायिक फीडिंग (यदि आवश्यक हो) द्वारा किया जाना चाहिए। सेलूलोज़ के ईथरीकरण में चार प्रतिक्रिया प्रकार होते हैं, जिन्हें प्रतिक्रिया सूत्र द्वारा संक्षेपित किया जाता है (सेल्यूलोसिक को सेल-ओएच द्वारा प्रतिस्थापित किया जाता है) इस प्रकार है:

समीकरण (1) विलियमसन ईथरीकरण प्रतिक्रिया का वर्णन करता है। आरएक्स एक अकार्बनिक एसिड एस्टर है, और एक्स हैलोजन बीआर, सीएल या सल्फ्यूरिक एसिड एस्टर है। क्लोराइड आर-सीएल आमतौर पर उद्योग में उपयोग किया जाता है, उदाहरण के लिए, मिथाइल क्लोराइड, एथिल क्लोराइड या क्लोरोएसेटिक एसिड। ऐसी प्रतिक्रियाओं में आधार की एक स्टोइकोमेट्रिक मात्रा की खपत होती है। औद्योगिकीकृत सेल्युलोज ईथर उत्पाद मिथाइल सेल्युलोज, एथिल सेल्युलोज और कार्बोक्सिमिथाइल सेलुलोज विलियमसन ईथरीकरण प्रतिक्रिया के उत्पाद हैं।

प्रतिक्रिया सूत्र (2) बेस-उत्प्रेरित एपॉक्साइड (जैसे आर=एच, सीएच3, या सी2एच5) और हाइड्रॉक्सिल समूहों की सेल्युलोज अणुओं पर बिना आधार की खपत के अतिरिक्त प्रतिक्रिया है। यह प्रतिक्रिया जारी रहने की संभावना है क्योंकि प्रतिक्रिया के दौरान नए हाइड्रॉक्सिल समूह उत्पन्न होते हैं, जिससे ऑलिगोएल्काइलेथिलीन ऑक्साइड साइड चेन का निर्माण होता है: 1-एज़िरिडीन (एज़िरिडीन) के साथ एक समान प्रतिक्रिया से एमिनोइथाइल ईथर बनेगा: सेल-ओ-सीएच2-सीएच2-एनएच2 . हाइड्रॉक्सीएथाइल सेलुलोज, हाइड्रॉक्सीप्रोपाइल सेलुलोज और हाइड्रॉक्सीब्यूटाइल सेलुलोज जैसे उत्पाद सभी बेस-उत्प्रेरित एपॉक्सीडेशन के उत्पाद हैं।

प्रतिक्रिया सूत्र (3) सेल-OH और क्षारीय माध्यम में सक्रिय दोहरे बंधन वाले कार्बनिक यौगिकों के बीच की प्रतिक्रिया है, Y एक इलेक्ट्रॉन-निकासी समूह है, जैसे CN, CONH2, या SO3-Na+। आज इस प्रकार की प्रतिक्रिया का उपयोग औद्योगिक रूप से बहुत कम किया जाता है।

प्रतिक्रिया सूत्र (4), डायज़ोअल्केन के साथ ईथरीकरण का अभी तक औद्योगिकीकरण नहीं किया गया है।

1. सेल्युलोज ईथर के प्रकार

सेलूलोज़ ईथर मोनोईथर या मिश्रित ईथर हो सकता है, और इसके गुण अलग-अलग होते हैं। सेल्युलोज मैक्रोमोलेक्यूल पर कम-प्रतिस्थापित हाइड्रोफिलिक समूह होते हैं, जैसे कि हाइड्रॉक्सीथाइल समूह, जो उत्पाद को एक निश्चित डिग्री की पानी में घुलनशीलता प्रदान कर सकते हैं, जबकि मिथाइल, एथिल, आदि जैसे हाइड्रोफोबिक समूहों के लिए, केवल मध्यम प्रतिस्थापन उच्च डिग्री कर सकते हैं उत्पाद को एक निश्चित पानी में घुलनशीलता दें, और कम-प्रतिस्थापित उत्पाद केवल पानी में फूलता है या पतला क्षार समाधान में घुल सकता है। सेल्यूलोज ईथर के गुणों पर गहन शोध के साथ, नए सेल्यूलोज ईथर और उनके अनुप्रयोग क्षेत्रों को लगातार विकसित और उत्पादित किया जाएगा, और सबसे बड़ी प्रेरक शक्ति व्यापक और लगातार परिष्कृत अनुप्रयोग बाजार है।

घुलनशीलता गुणों पर मिश्रित ईथर में समूहों के प्रभाव का सामान्य नियम है:

1) ईथर की हाइड्रोफोबिसिटी बढ़ाने और जेल बिंदु को कम करने के लिए उत्पाद में हाइड्रोफोबिक समूहों की सामग्री बढ़ाएं;

2) इसके जेल बिंदु को बढ़ाने के लिए हाइड्रोफिलिक समूहों (जैसे हाइड्रोक्सीएथाइल समूह) की सामग्री बढ़ाएं;

3) हाइड्रॉक्सीप्रोपाइल समूह विशेष है, और उचित हाइड्रॉक्सीप्रोपाइलेशन उत्पाद के जेल तापमान को कम कर सकता है, और मध्यम हाइड्रॉक्सीप्रोपाइलेटेड उत्पाद का जेल तापमान फिर से बढ़ जाएगा, लेकिन उच्च स्तर के प्रतिस्थापन से इसका जेल बिंदु कम हो जाएगा; इसका कारण हाइड्रॉक्सीप्रोपाइल समूह की विशेष कार्बन श्रृंखला लंबाई संरचना, निम्न-स्तरीय हाइड्रॉक्सीप्रोपाइलेशन, सेल्यूलोज मैक्रोमोलेक्यूल में अणुओं के बीच कमजोर हाइड्रोजन बांड और शाखा श्रृंखलाओं पर हाइड्रोफिलिक हाइड्रॉक्सिल समूह हैं। जल प्रधान है. दूसरी ओर, यदि प्रतिस्थापन अधिक है, तो पार्श्व समूह पर पोलीमराइजेशन होगा, हाइड्रॉक्सिल समूह की सापेक्ष सामग्री कम हो जाएगी, हाइड्रोफोबिसिटी बढ़ जाएगी, और इसके बजाय घुलनशीलता कम हो जाएगी।

का उत्पादन एवं अनुसंधानसेलूलोज़ ईथरएक लंबा इतिहास है. 1905 में, सुइडा ने सबसे पहले सेलूलोज़ के ईथरीकरण की सूचना दी, जिसे डाइमिथाइल सल्फेट के साथ मिथाइलेट किया गया था। नॉनऑनिक एल्काइल ईथर को क्रमशः पानी में घुलनशील या तेल में घुलनशील सेलूलोज़ ईथर के लिए लिलिएनफेल्ड (1912), ड्रेफस (1914) और ल्यूच्स (1920) द्वारा पेटेंट कराया गया था। बुक्लर और गोम्बर्ग ने 1921 में बेंज़िल सेल्युलोज़ का उत्पादन किया, कार्बोक्सिमिथाइल सेल्युलोज़ का उत्पादन पहली बार 1918 में जेन्सन द्वारा किया गया था, और ह्यूबर्ट ने 1920 में हाइड्रॉक्सीएथाइल सेल्युलोज़ का उत्पादन किया था। 1920 के दशक की शुरुआत में, जर्मनी में कार्बोक्सिमिथाइल सेल्युलोज़ का व्यावसायीकरण किया गया था। 1937 से 1938 तक, संयुक्त राज्य अमेरिका में एमसी और एचईसी का औद्योगिक उत्पादन साकार हुआ। स्वीडन ने 1945 में पानी में घुलनशील ईएचईसी का उत्पादन शुरू किया। 1945 के बाद, पश्चिमी यूरोप, संयुक्त राज्य अमेरिका और जापान में सेलूलोज़ ईथर का उत्पादन तेजी से बढ़ा। 1957 के अंत में, चीन सीएमसी को पहली बार शंघाई सेल्युलाइड फैक्ट्री में उत्पादन में लगाया गया था। 2004 तक, मेरे देश की उत्पादन क्षमता 30,000 टन आयनिक ईथर और 10,000 टन गैर-आयनिक ईथर होगी। 2007 तक, यह 100,000 टन आयनिक ईथर और 40,000 टन गैर-आयनिक ईथर तक पहुंच जाएगा। देश और विदेश में संयुक्त प्रौद्योगिकी कंपनियां भी लगातार उभर रही हैं, और चीन की सेलूलोज़ ईथर उत्पादन क्षमता और तकनीकी स्तर में लगातार सुधार हो रहा है।

हाल के वर्षों में, विभिन्न डीएस मूल्यों, चिपचिपाहट, शुद्धता और रियोलॉजिकल गुणों वाले कई सेलूलोज़ मोनोईथर और मिश्रित ईथर लगातार विकसित किए गए हैं। वर्तमान में, सेलूलोज़ ईथर के क्षेत्र में विकास का ध्यान उन्नत उत्पादन तकनीक, नई तैयारी तकनीक, नए उपकरण, नए उत्पादों, उच्च गुणवत्ता वाले उत्पादों को अपनाना है और व्यवस्थित उत्पादों पर तकनीकी रूप से शोध किया जाना चाहिए।