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 offre alle pareti cellulari vegetali un forte supporto strutturale e tenacità. A causa della lunga catena molecolare della cellulosa e dell'elevata cristallinità, ha una forte stabilità e insoluzza.
(1) Proprietà della cellulosa e difficoltà a dissolvere
La cellulosa ha le seguenti proprietà che rendono difficile dissolvere:
Alta cristallinità: le catene molecolari di cellulosa formano una struttura reticolare stretta attraverso legami idrogeno e forze di van der Waals.
Alto grado di polimerizzazione: il grado di polimerizzazione (cioè la lunghezza della catena molecolare) è elevato, di solito va da centinaia a migliaia di unità di glucosio, che aumenta la stabilità della molecola.
Network di legame idrogeno: i legami idrogeno sono ampiamente presenti tra e all'interno delle catene molecolari di cellulosa, rendendo difficile essere distrutti e sciolti da solventi generali.
(2) reagenti che dissolvono la cellulosa
Attualmente, i reagenti noti che possono dissolvere efficacemente la cellulosa includono principalmente le seguenti categorie:
1. Liquidi ionici
I liquidi ionici sono liquidi composti da cationi organici e anioni organici o inorganici, di solito con bassa volatilità, elevata stabilità termica e 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:
1-butil-3-metilimidazolio cloruro ([BMIM] CL): questo liquido ionico dissolve la cellulosa interagendo con legami idrogeno nella cellulosa attraverso accettatori di legame idrogeno.
1-etil-3-metilimidazolio acetato ([EMIM] [AC]): questo liquido ionico può dissolvere elevate concentrazioni di cellulosa in condizioni relativamente lievi.
2. Soluzione ossidante dell'ammina
La soluzione ossidante di ammina come una soluzione mista di dietilammina (DEA) e cloruro di rame è chiamata soluzione [Cu (II)-Ammonio], che è un forte sistema di solvente che può 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 di cloruro-dimetilacetamide (LICL-DMAC) di litio
Il sistema LICL-DMAC (litio cloruro-dimetilacetamide) è uno dei metodi classici per dissolvere la cellulosa. LICL può formare una competizione per i legami idrogeno, distruggendo così la rete di legami idrogeno tra molecole di cellulosa, mentre DMAC come solvente può interagire bene con la catena molecolare della cellulosa.
4. Soluzione di cloruro di acido cloridrico/zinco
La soluzione di cloruro di acido cloridrico/zolco è un reagente scoperto precoce che può dissolvere la cellulosa. Può dissolvere la cellulosa formando un effetto di coordinazione tra cloruro di zinco e catene molecolari di cellulosa e l'acido cloridrico che distrugge i legami idrogeno tra molecole di cellulosa. Tuttavia, questa soluzione è altamente corrosiva per le attrezzature ed è limitata in 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 di biodegradazione e conversione della biomassa, sebbene il suo processo di dissoluzione non sia completamente dissoluzione chimica, ma si ottiene attraverso la biocatalisi.
(3) Meccanismo di dissoluzione della cellulosa
Reagenti diversi hanno meccanismi diversi per dissolvere la cellulosa, ma in generale possono essere attribuiti a due meccanismi principali:
Distruzione di legami idrogeno: distruggere i legami idrogeno tra le catene molecolari della cellulosa attraverso la formazione competitiva di legame idrogeno o l'interazione ionica, rendendolo solubile.
Rilassamento della catena molecolare: aumento della morbidezza delle catene molecolari di cellulosa e riducendo la cristallinità delle catene molecolari attraverso mezzi fisici o chimici, in modo che possano essere sciolti in solventi.
(4) applicazioni pratiche di dissoluzione della cellulosa
La dissoluzione della cellulosa ha importanti applicazioni in molti campi:
Preparazione dei derivati della cellulosa: dopo aver dissoluto la cellulosa, può essere ulteriormente modificata chimicamente per preparare eteri di cellulosa, esteri di cellulosa e altri derivati, che sono ampiamente utilizzati in cibo, medicina, rivestimenti e altri campi.
Materiali a base di cellulosa: utilizzando cellulosa disciolta, nanofibre di cellulosa, membrane di cellulosa e altri materiali possono essere preparati. Questi materiali hanno buone proprietà meccaniche e biocompatibilità.
Energia della biomassa: dissolvendo 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 delle energie rinnovabili.
La dissoluzione della cellulosa è un processo complesso che coinvolge più meccanismi chimici e fisici. I liquidi ionici, le soluzioni ossidanti di amino, i sistemi di LICL-DMAC, le soluzioni di cloruro di acido cloridrico/zinco e gli enzimi cellolitici sono attualmente noti per essere agenti efficaci per dissolvere la cellulosa. Ogni agente ha il proprio meccanismo di dissoluzione unica e il campo dell'applicazione. Con lo studio approfondito del meccanismo di dissoluzione della cellulosa, si ritiene che saranno sviluppati metodi di dissoluzione più efficienti ed ecologici, fornendo maggiori possibilità per l'utilizzo e lo sviluppo della cellulosa.
Tempo post: JUL-09-2024