La cellulosa è un polisaccaride complesso composto da numerose unità di glucosio connesse da legami β-1,4-glicosidici. È il componente principale delle pareti cellulari vegetali e conferisce loro un forte supporto strutturale e tenacità. Grazie alla lunga catena molecolare di cellulosa e all'elevata cristallinità, possiede un'elevata stabilità e insolubilità.
(1) Proprietà della cellulosa e difficoltà di scioglimento
La cellulosa ha le seguenti proprietà che la rendono difficile da sciogliere:
Elevata cristallinità: le catene molecolari di cellulosa formano una struttura reticolare stretta attraverso legami a idrogeno e forze di van der Waals.
Elevato grado di polimerizzazione: il grado di polimerizzazione (ovvero 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 a idrogeno: i legami a idrogeno sono ampiamente presenti tra e all'interno delle catene molecolari della cellulosa, rendendo difficile la loro distruzione e dissoluzione da parte dei solventi comuni.
(2) Reagenti che dissolvono la cellulosa
Attualmente, i reagenti noti in grado di sciogliere 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, solitamente con bassa volatilità, elevata stabilità termica e alta adattabilità. Alcuni liquidi ionici possono sciogliere la cellulosa e il meccanismo principale è la rottura dei legami a idrogeno tra le catene molecolari di cellulosa. I liquidi ionici più 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.
Acetato di 1-etil-3-metilimidazolio ([EMIM][Ac]): questo liquido ionico può sciogliere elevate concentrazioni di cellulosa in condizioni relativamente miti.
2. Soluzione ossidante di ammina
Una soluzione ossidante amminica, come una soluzione mista di dietilammina (DEA) e cloruro di rame, è chiamata [soluzione di Cu(II)-ammonio], un sistema solvente forte in grado di sciogliere la cellulosa. Distrugge la struttura cristallina della cellulosa attraverso l'ossidazione e la formazione di legami a idrogeno, rendendo la catena molecolare della cellulosa più morbida e solubile.
3. Sistema cloruro di litio-dimetilacetammide (LiCl-DMAc)
Il sistema LiCl-DMAc (cloruro di litio-dimetilacetammide) è uno dei metodi classici per la dissoluzione della cellulosa. LiCl può competere per i legami a idrogeno, distruggendo così la rete di legami a idrogeno tra le molecole di cellulosa, mentre il 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 uno dei primi reagenti scoperti in grado di sciogliere la cellulosa. Può dissolverla formando un effetto di coordinazione tra il cloruro di zinco e le catene molecolari di cellulosa, mentre l'acido cloridrico distrugge i legami a idrogeno tra le molecole di cellulosa. Tuttavia, questa soluzione è altamente corrosiva per le apparecchiature e ha applicazioni pratiche limitate.
5. Enzimi fibrinolitici
Gli enzimi fibrinolitici (come le cellulasi) dissolvono la cellulosa catalizzandone la decomposizione in oligosaccaridi e monosaccaridi più piccoli. Questo metodo ha un'ampia gamma di applicazioni nei campi della biodegradazione e della conversione della biomassa, sebbene il suo processo di dissoluzione non sia completamente chimico, ma sia ottenuto 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 competitiva di legami idrogeno o interazione ionica, rendendola solubile.
Rilassamento delle catene molecolari: aumento della morbidezza delle catene molecolari di cellulosa e riduzione della cristallinità delle catene molecolari attraverso mezzi fisici o chimici, in modo che possano essere disciolte nei solventi.
(4) Applicazioni pratiche della dissoluzione della cellulosa
La dissoluzione della cellulosa ha importanti applicazioni in molti campi:
Preparazione di derivati della cellulosa: dopo aver sciolto la cellulosa, questa può essere ulteriormente modificata chimicamente per preparare eteri di cellulosa, esteri di cellulosa e altri derivati, ampiamente utilizzati in campo alimentare, medico, nei rivestimenti e in altri settori.
Materiali a base di cellulosa: utilizzando cellulosa disciolta, nanofibre di cellulosa, membrane di cellulosa e altri materiali, è possibile preparare materiali che presentano buone proprietà meccaniche e biocompatibilità.
Energia da biomassa: sciogliendo e degradando la cellulosa, questa può essere convertita in zuccheri fermentabili per la produzione di biocarburanti come il bioetanolo, contribuendo allo sviluppo e all'utilizzo di energie rinnovabili.
La dissoluzione della cellulosa è un processo complesso che coinvolge molteplici meccanismi chimici e fisici. Liquidi ionici, soluzioni di amminoossidanti, sistemi LiCl-DMAc, soluzioni di acido cloridrico/cloruro di zinco ed enzimi cellolitici sono attualmente noti per essere agenti efficaci per la dissoluzione della cellulosa. Ogni agente ha un proprio meccanismo di dissoluzione e un proprio campo di applicazione. Con lo studio approfondito del meccanismo di dissoluzione della cellulosa, si ritiene che verranno sviluppati metodi di dissoluzione più efficienti ed ecocompatibili, offrendo maggiori possibilità per l'utilizzo e lo sviluppo della cellulosa.
Data di pubblicazione: 09/07/2024