Celuloza je složen polisaharid sastavljen od mnogih jedinica glukoze povezanih β-1,4-glikozidnim vezama. To je glavna komponenta staničnih stijenki biljaka i daje staničnoj stijenci biljaka snažnu strukturnu potporu i žilavost. Zbog dugog molekularnog lanca celuloze i visoke kristalnosti, ima jaku stabilnost i netopljivost.
(1) Svojstva celuloze i poteškoće u otapanju
Celuloza ima sljedeća svojstva koja otežavaju otapanje:
Visoka kristalnost: celulozni molekularni lanci tvore čvrstu rešetkastu strukturu preko vodikovih veza i van der Waalsovih sila.
Visoki stupanj polimerizacije: Stupanj polimerizacije (tj. duljina molekularnog lanca) celuloze je visok, obično u rasponu od stotina do tisuća jedinica glukoze, što povećava stabilnost molekule.
Mreža vodikovih veza: vodikove veze široko su prisutne između i unutar celuloznih molekularnih lanaca, što otežava njihovo uništavanje i otapanje uobičajenim otapalima.
(2) Reagensi koji otapaju celulozu
Trenutačno poznati reagensi koji mogu učinkovito otopiti celulozu uglavnom uključuju sljedeće kategorije:
1. Ionske tekućine
Ionske tekućine su tekućine sastavljene od organskih kationa i organskih ili anorganskih aniona, obično niske hlapljivosti, visoke toplinske stabilnosti i visoke prilagodljivosti. Neke ionske tekućine mogu otopiti celulozu, a glavni mehanizam je kidanje vodikovih veza između celuloznih molekularnih lanaca. Uobičajene ionske tekućine koje otapaju celulozu uključuju:
1-Butil-3-metilimidazolij klorid ([BMIM]Cl): Ova ionska tekućina otapa celulozu interakcijom s vodikovim vezama u celulozi preko akceptora vodikove veze.
1-etil-3-metilimidazolij acetat ([EMIM][Ac]): Ova ionska tekućina može otopiti visoke koncentracije celuloze pod relativno blagim uvjetima.
2. Otopina oksidansa amina
Otopina oksidansa amina kao što je miješana otopina dietilamina (DEA) i bakrenog klorida naziva se [otopina Cu(II)-amonijaka], što je snažan sustav otapala koji može otopiti celulozu. Uništava kristalnu strukturu celuloze oksidacijom i vodikovim vezama, čineći celulozni molekularni lanac mekšim i topljivijim.
3. Sustav litijev klorid-dimetilacetamid (LiCl-DMAc).
Sustav LiCl-DMAc (litijev klorid-dimetilacetamid) jedna je od klasičnih metoda za otapanje celuloze. LiCl može formirati konkurenciju za vodikove veze, uništavajući tako mrežu vodikovih veza između molekula celuloze, dok DMAc kao otapalo može dobro komunicirati s celuloznim molekularnim lancem.
4. Otopina klorovodične kiseline/cinkovog klorida
Otopina klorovodične kiseline/cink klorida rano je otkriveni reagens koji može otopiti celulozu. Može otopiti celulozu stvaranjem koordinacijskog učinka između molekularnih lanaca cinkovog klorida i celuloze, a klorovodična kiselina uništava vodikove veze između molekula celuloze. Međutim, ovo rješenje je vrlo korozivno za opremu i ograničeno je u praktičnim primjenama.
5. Fibrinolitički enzimi
Fibrinolitički enzimi (kao što su celulaze) otapaju celulozu katalizirajući razgradnju celuloze u manje oligosaharide i monosaharide. Ova metoda ima širok raspon primjena u područjima biorazgradnje i pretvorbe biomase, iako njezin proces otapanja nije potpuno kemijsko otapanje, već se postiže biokatalizom.
(3) Mehanizam otapanja celuloze
Različiti reagensi imaju različite mehanizme za otapanje celuloze, ali općenito se mogu pripisati dva glavna mehanizma:
Uništavanje vodikovih veza: uništavanje vodikovih veza između celuloznih molekularnih lanaca kompetitivnim stvaranjem vodikovih veza ili ionskom interakcijom, čineći je topljivom.
Relaksacija molekularnog lanca: Povećanje mekoće celuloznih molekularnih lanaca i smanjenje kristalnosti molekularnih lanaca fizičkim ili kemijskim sredstvima, tako da se mogu otopiti u otapalima.
(4) Praktične primjene otapanja celuloze
Otapanje celuloze ima važne primjene u mnogim područjima:
Priprema celuloznih derivata: Nakon otapanja celuloze, ona se može dalje kemijski modificirati za pripremu celuloznih etera, celuloznih estera i drugih derivata, koji se široko koriste u hrani, medicini, premazima i drugim poljima.
Materijali na bazi celuloze: korištenjem otopljene celuloze mogu se pripremiti celulozna nanovlakna, celulozne membrane i drugi materijali. Ovi materijali imaju dobra mehanička svojstva i biokompatibilnost.
Energija iz biomase: otapanjem i razgradnjom celuloze ona se može pretvoriti u fermentabilne šećere za proizvodnju biogoriva kao što je bioetanol, što pomaže u postizanju razvoja i korištenja obnovljive energije.
Otapanje celuloze složen je proces koji uključuje više kemijskih i fizikalnih mehanizama. Trenutno se zna da su ionske tekućine, otopine aminooksidansa, LiCl-DMAc sustavi, otopine klorovodične kiseline/cink klorida i celulitički enzimi učinkovita sredstva za otapanje celuloze. Svako sredstvo ima svoj jedinstveni mehanizam otapanja i područje primjene. Uz produbljeno proučavanje mehanizma otapanja celuloze, vjeruje se da će se razviti učinkovitije i ekološki prihvatljivije metode otapanja koje će pružiti više mogućnosti za iskorištavanje i razvoj celuloze.
Vrijeme objave: 09. srpnja 2024