La cellulosa è un polisaccaride complesso composto da molte unità di glucosio collegate da legami β-1,4-glicosidici. È il componente principale delle pareti cellulari vegetali e conferisce alle pareti cellulari vegetali forte supporto strutturale e tenacità. A causa della lunga catena molecolare della cellulosa e dell'elevata cristallinità, ha una forte stabilità e insolubilità.
(1) Proprietà della cellulosa e difficoltà di dissoluzione
La cellulosa ha le seguenti proprietà che ne rendono difficile la dissoluzione:
Elevata cristallinità: le catene molecolari della cellulosa formano una stretta struttura reticolare attraverso legami idrogeno e forze di van der Waals.
Alto grado di polimerizzazione: il grado di polimerizzazione (cioè la lunghezza della catena molecolare) della cellulosa è elevato, solitamente compreso tra centinaia e migliaia di unità di glucosio, il che aumenta la stabilità della molecola.
Rete di legami idrogeno: i legami idrogeno sono ampiamente presenti tra e all'interno delle catene molecolari della cellulosa, rendendone difficile la distruzione e la dissoluzione da parte dei solventi generali.
(2) Reagenti che dissolvono la cellulosa
Attualmente, i reagenti noti in grado di sciogliere efficacemente la cellulosa comprendono principalmente le seguenti categorie:
1. Liquidi ionici
I liquidi ionici sono liquidi composti da cationi organici e anioni organici o inorganici, solitamente con bassa volatilità, elevata stabilità termica ed elevata regolabilità. Alcuni liquidi ionici possono dissolvere la cellulosa e il meccanismo principale è quello di rompere i legami idrogeno tra le catene molecolari della cellulosa. I liquidi ionici comuni che dissolvono la cellulosa includono:
Cloruro di 1-butil-3-metilimidazolio ([BMIM]Cl): questo liquido ionico dissolve la cellulosa interagendo con i legami idrogeno nella cellulosa attraverso accettori di legami idrogeno.
1-etil-3-metilimidazolio acetato ([EMIM] [Ac]): questo liquido ionico può dissolvere elevate concentrazioni di cellulosa in condizioni relativamente blande.
2. Soluzione ossidante amminica
La soluzione ossidante amminica come una soluzione mista di dietilammina (DEA) e cloruro di rame è chiamata [soluzione Cu(II)-ammonio], che è un forte sistema solvente in grado di dissolvere la cellulosa. Distrugge la struttura cristallina della cellulosa attraverso l'ossidazione e il legame idrogeno, rendendo la catena molecolare della cellulosa più morbida e più solubile.
3. Sistema litio cloruro-dimetilacetammide (LiCl-DMAc).
Il sistema LiCl-DMAc (litio cloruro-dimetilacetammide) è uno dei metodi classici per sciogliere la cellulosa. LiCl può formare una competizione per i legami idrogeno, distruggendo così la rete di legami idrogeno tra le molecole di cellulosa, mentre DMAc come solvente può interagire bene con la catena molecolare della cellulosa.
4. Soluzione di acido cloridrico/cloruro di zinco
La soluzione di acido cloridrico/cloruro di zinco è un reagente scoperto precocemente in grado di dissolvere la cellulosa. Può dissolvere la cellulosa formando un effetto di coordinazione tra il cloruro di zinco e le catene molecolari della cellulosa e l'acido cloridrico distruggendo i legami idrogeno tra le molecole di cellulosa. Tuttavia, questa soluzione è altamente corrosiva per le apparecchiature ed è limitata nelle applicazioni pratiche.
5. Enzimi fibrinolitici
Gli enzimi fibrinolitici (come le cellulasi) dissolvono la cellulosa catalizzando la decomposizione della cellulosa in oligosaccaridi e monosaccaridi più piccoli. Questo metodo ha una vasta gamma di applicazioni nei campi della biodegradazione e della conversione della biomassa, sebbene il suo processo di dissoluzione non sia completamente chimico, ma si ottenga attraverso la biocatalisi.
(3) Meccanismo di dissoluzione della cellulosa
Diversi reagenti hanno meccanismi diversi per sciogliere la cellulosa, ma in generale possono essere attribuiti a due meccanismi principali:
Distruzione dei legami idrogeno: distruzione dei legami idrogeno tra le catene molecolari della cellulosa attraverso la formazione di legami idrogeno competitivi o l'interazione ionica, rendendola solubile.
Rilassamento della catena molecolare: aumento della morbidezza delle catene molecolari della cellulosa e riduzione della cristallinità delle catene molecolari attraverso mezzi fisici o chimici, in modo che possano essere dissolte in solventi.
(4) Applicazioni pratiche della dissoluzione della cellulosa
La dissoluzione della cellulosa ha importanti applicazioni in molti campi:
Preparazione dei derivati della cellulosa: dopo aver sciolto la cellulosa, può essere ulteriormente modificata chimicamente per preparare eteri di cellulosa, esteri di cellulosa e altri derivati, ampiamente utilizzati negli alimenti, nella medicina, nei rivestimenti e in altri campi.
Materiali a base di cellulosa: utilizzando cellulosa disciolta, è possibile preparare nanofibre di cellulosa, membrane di cellulosa e altri materiali. Questi materiali hanno buone proprietà meccaniche e biocompatibilità.
Energia da biomassa: sciogliendo e degradando la cellulosa, può essere convertita in zuccheri fermentabili per la produzione di biocarburanti come il bioetanolo, che aiuta a raggiungere lo sviluppo e l'utilizzo di energia rinnovabile.
La dissoluzione della cellulosa è un processo complesso che coinvolge molteplici meccanismi chimici e fisici. È attualmente noto che i liquidi ionici, le soluzioni amminoossidanti, i sistemi LiCl-DMAc, le soluzioni di acido cloridrico/cloruro di zinco e gli enzimi cellolitici sono agenti efficaci per sciogliere la cellulosa. Ogni agente ha il proprio meccanismo di scioglimento e campo di applicazione unici. Con lo studio approfondito del meccanismo di dissoluzione della cellulosa, si ritiene che verranno sviluppati metodi di dissoluzione più efficienti e rispettosi dell'ambiente, offrendo maggiori possibilità per l'utilizzo e lo sviluppo della cellulosa.
Orario di pubblicazione: 09-lug-2024