Celuloza je složen polisaharid sastavljen od mnogih jedinica glukoze povezanih β-1,4-glikozidičnim vezama. To je glavna komponenta zidova biljnih stanica i daje biljnim staničnim zidovima snažnu strukturnu potporu i žilavost. Zbog dugog molekularnog lanca celuloze i visoke kristalnosti, on ima snažnu stabilnost i sulonost.
(1) Svojstva celuloze i poteškoće u otapanju
Celuloza ima sljedeća svojstva koja otežavaju otapanje:
Visoka kristalnost: Molekularni lanci celuloze tvore usku strukturu rešetke kroz vodikove veze i van der Waalsove sile.
Visok stupanj polimerizacije: stupanj polimerizacije (tj. Duljina molekularnog lanca) celuloze je visok, obično se kreće od stotina do tisuća jedinica glukoze, što povećava stabilnost molekule.
Mreža vodikove veze: vodikove veze su široko prisutne između i unutar molekularnih lanaca celuloze, što otežava uništavanje i otopljenje općim otapalima.
(2) reagensi koji otapaju celulozu
Trenutno poznati reagensi koji mogu učinkovito otopiti celulozu uglavnom uključuju sljedeće kategorije:
1. ionske tekućine
Ionske tekućine su tekućine sačinjene od organskih kationa i organskih ili anorganskih aniona, obično s niskom isparljivošću, visokom toplinskom stabilnošću i velikom prilagodljivošću. Neke ionske tekućine mogu otopiti celulozu, a glavni mehanizam je razbijanje vodikovih veza između molekularnih lanaca celuloze. 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 kroz akceptore vodikovih veza.
1-etil-3-metilimidazolij acetat ([EMIM] [AC]): Ova ionska tekućina može otopiti visoke koncentracije celuloze u relativno blagim uvjetima.
2. Otopina oksidansa amina
Otopina oksidansa amina, kao što su miješana otopina dietilamina (DEA) i bakrenog klorida, naziva se [Cu (II) -monijev otopina], što je jak sustav otapala koji može otopiti celulozu. Uništava kristalnu strukturu celuloze oksidacijom i vezivanjem vodika, čineći molekularni lanac celuloze mekšim i topljivijim.
3. Sustav litij-klorid-dimetilacetamida (LiCl-DMAC)
LiCL-DMAC (litij-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 molekularnim lancem celuloze.
4. otopina klorovodične kiseline/cink klorida
Otopina klorovodične kiseline/cink klorida je rano otkriveni reagens koji može otopiti celulozu. Može otopiti celulozu formirajući učinak koordinacije između molekularnih lanaca cink klorida i celuloze i klorovodične kiseline koja uništava vodikove veze između molekula celuloze. Međutim, ovo je rješenje vrlo korozivno za opremu i ograničeno je u praktičnim primjenama.
5. fibrinolitički enzimi
Fibrinolitički enzimi (poput celulaza) otapaju celulozu kataliziranjem razgradnje celuloze u manje oligosaharide i monosaharide. Ova metoda ima širok raspon primjena u područjima biorazgradnje i pretvorbe biomase, iako njegov postupak otapanja nije u potpunosti 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 molekularnih lanaca celuloze konkurentnom stvaranjem vodikove veze ili ionskom interakcijom, što je topiva.
Opuštanje molekularnog lanca: Povećavanje mekoće molekularnih lanaca celuloze i smanjenje kristalnosti molekularnih lanaca fizičkim ili kemijskim sredstvima, tako da se mogu otopiti u otapalima.
(4) Praktične primjene otapanja celuloze
Raspuštanje celuloze ima važne primjene u mnogim poljima:
Priprema derivata celuloze: Nakon otapanja celuloze, može se dodatno kemijski modificirati za pripremu etera celuloze, estera celuloze i drugih derivata, koji se široko koriste u hrani, lijekovima, premazima i drugim poljima.
Materijali na bazi celuloze: Korištenje otopljene celuloze, nano vlaknasti celuloze, celuloznih membrana i drugih materijala mogu se pripremiti. Ovi materijali imaju dobra mehanička svojstva i biokompatibilnost.
Energija biomase: otapanjem i razgradnjom celuloze, ona se može pretvoriti u fermentirajuće šećere za proizvodnju biogoriva poput bioetanola, što pomaže u postizanju razvoja i korištenja obnovljivih izvora energije.
Raspuštanje celuloze složen je proces koji uključuje više kemijskih i fizičkih mehanizama. Ionske tekućine, otopine amino oksidanata, licl-DMAC sustavi, otopine klorovodične kiseline/cink klorida i celolitički enzimi trenutno se znaju da su učinkoviti agensi za otapanje celuloze. Svaki agent ima svoj jedinstveni mehanizam raspuštanja i polje primjene. S dubinskom studijom mehanizma otapanja celuloze, vjeruje se da će se razviti učinkovitije i ekološki prihvatljive metode otapanja, pružajući više mogućnosti za korištenje i razvoj celuloze.
Post Vrijeme: srpanj-09-2024