Целлюлоза - β-1,4-гликозидтік байланыстармен байланысқан көптеген глюкоза бірліктерінен тұратын күрделі полисахарид. Ол өсімдік жасушасының қабырғаларының негізгі құрамдас бөлігі болып табылады және өсімдік жасушасының қабырғаларына күшті құрылымдық тірек пен беріктік береді. Целлюлозаның ұзын молекулалық тізбегі мен жоғары кристалдылығына байланысты ол күшті тұрақтылық пен ерімейтіндікке ие.
(1) Целлюлозаның қасиеттері және еріту қиындығы
Целлюлозаның ерітуді қиындататын келесі қасиеттері бар:
Жоғары кристалдылық: целлюлозаның молекулалық тізбектері сутегі байланыстары мен ван-дер-Ваальс күштері арқылы тығыз тор құрылымын құрайды.
Полимерленудің жоғары дәрежесі: Целлюлозаның полимерлену дәрежесі (яғни молекулалық тізбектің ұзындығы) жоғары, әдетте жүздеген глюкоза бірліктерінен мыңдаған бірлікке дейін ауытқиды, бұл молекуланың тұрақтылығын арттырады.
Сутегі байланысының желісі: Сутегі байланыстары целлюлозаның молекулалық тізбегі арасында және ішінде кеңінен болады, бұл жалпы еріткіштермен жойылуды және ерітуді қиындатады.
(2) Целлюлозаны ерітетін реагенттер
Қазіргі уақытта целлюлозаны тиімді ерітетін белгілі реагенттер негізінен келесі категорияларды қамтиды:
1. Иондық сұйықтықтар
Иондық сұйықтықтар – бұл органикалық катиондардан және органикалық немесе бейорганикалық аниондардан тұратын, әдетте төмен ұшқыштығы, жоғары термиялық тұрақтылығы және жоғары реттегіштігі бар сұйықтықтар. Кейбір иондық сұйықтықтар целлюлозаны еріте алады, ал негізгі механизм целлюлозаның молекулалық тізбектері арасындағы сутектік байланыстарды бұзу болып табылады. Целлюлозаны ерітетін қарапайым иондық сұйықтықтарға мыналар жатады:
1-бутил-3-метилимидазолий хлориді ([BMIM]Cl): Бұл иондық сұйықтық целлюлозадағы сутегі байланыстарымен сутегі байланысының акцепторлары арқылы әрекеттесу арқылы целлюлозаны ерітеді.
1-этил-3-метилимидазолий ацетаты ([EMIM][Ac]): Бұл иондық сұйықтық салыстырмалы түрде жұмсақ жағдайларда жоғары концентрациядағы целлюлозаны еріте алады.
2. Амин тотықтырғыш ерітіндісі
Диэтиламин (DEA) және мыс хлоридінің аралас ерітіндісі сияқты амин тотықтырғыш ерітіндісі [Cu(II)-аммоний ерітіндісі] деп аталады, ол целлюлозаны еріте алатын күшті еріткіш жүйе болып табылады. Ол тотығу және сутегі байланысы арқылы целлюлозаның кристалдық құрылымын бұзады, целлюлозаның молекулалық тізбегін жұмсақ және еритін етеді.
3. Литий хлориді-диметилацетамид (LiCl-DMAc) жүйесі
LiCl-DMAc (литий хлориді-диметилацетамид) жүйесі целлюлозаны ерітудің классикалық әдістерінің бірі болып табылады. LiCl сутегі байланыстары үшін бәсекелестік тудыруы мүмкін, осылайша целлюлоза молекулалары арасындағы сутегі байланысы желісін бұзады, ал DMAc еріткіш ретінде целлюлозаның молекулалық тізбегімен жақсы әрекеттесе алады.
4. Тұз қышқылы/мырыш хлориді ерітіндісі
Тұз қышқылы/мырыш хлориді ерітіндісі целлюлозаны еріте алатын ертерек табылған реагент болып табылады. Ол мырыш хлориді мен целлюлозаның молекулалық тізбегі арасында үйлестіру әсерін қалыптастыру және целлюлоза молекулалары арасындағы сутектік байланыстарды бұзатын тұз қышқылы арқылы целлюлозаны еріте алады. Дегенмен, бұл шешім жабдық үшін өте коррозияға ұшырайды және практикалық қолдануда шектеулі.
5. Фибринолитикалық ферменттер
Фибринолитикалық ферменттер (мысалы, целлюлозалар) целлюлозаның ұсақ олигосахаридтер мен моносахаридтерге ыдырауын катализдеу арқылы целлюлозаны ерітеді. Бұл әдіс биодеградация және биомассаны түрлендіру салаларында кең қолдану аясына ие, дегенмен оның еру процесі толық химиялық еріту емес, биокатализ арқылы қол жеткізіледі.
(3) Целлюлозаның еру механизмі
Әртүрлі реагенттерде целлюлозаны ерітудің әртүрлі механизмдері бар, бірақ жалпы оларды екі негізгі механизмге жатқызуға болады:
Сутегі байланыстарының бұзылуы: бәсекеге қабілетті сутегі байланысының түзілуі немесе иондық әрекеттесу арқылы целлюлозаның молекулалық тізбектері арасындағы сутегі байланыстарын бұзу, оны еритін ету.
Молекулярлық тізбектің релаксациясы: целлюлозаның молекулалық тізбектерінің жұмсақтығын арттыру және молекулалық тізбектердің кристалдылығын физикалық немесе химиялық әдістер арқылы азайту, оларды еріткіштерде еріту.
(4) Целлюлозаны ерітудің практикалық қолданылуы
Целлюлозаны еріту көптеген салаларда маңызды қолданбаларға ие:
Целлюлоза туындыларын дайындау: Целлюлозаны еріткеннен кейін оны әрі қарай химиялық түрлендіру арқылы целлюлоза эфирлерін, целлюлоза эфирлерін және тамақ, медицина, жабын және басқа салаларда кеңінен қолданылатын басқа туындыларды дайындауға болады.
Целлюлоза негізіндегі материалдар: ерітілген целлюлозаны, целлюлоза наноталшықтарын, целлюлоза мембраналарын және басқа материалдарды дайындауға болады. Бұл материалдар жақсы механикалық қасиеттерге және биоүйлесімділікке ие.
Биомасса энергиясы: Целлюлозаны еріту және ыдырату арқылы оны биоэтанол сияқты биоотын өндіру үшін ашытылатын қантқа айналдыруға болады, бұл жаңартылатын энергияны дамытуға және пайдалануға қол жеткізуге көмектеседі.
Целлюлозаның еруі - бұл көптеген химиялық және физикалық механизмдерді қамтитын күрделі процесс. Қазіргі уақытта целлюлозаны ерітетін тиімді агенттер ретінде иондық сұйықтықтар, амин тотықтырғыш ерітінділер, LiCl-DMAc жүйелері, тұз қышқылы/мырыш хлориді ерітінділері және целлолитикалық ферменттер белгілі. Әрбір агенттің өзінің бірегей еріту механизмі және қолдану өрісі бар. Целлюлозаны еріту механизмін терең зерттей отырып, целлюлозаны кәдеге жарату және дамыту үшін көбірек мүмкіндіктер беретін тиімді және экологиялық таза еріту әдістері әзірленеді деп саналады.
Жіберу уақыты: 09 шілде 2024 ж