Celuloze ir sarežģīts polisaharīds, kas sastāv no daudzām glikozes vienībām, kas savienotas ar β-1,4-glikozīdu saitēm. Tā ir galvenā augu šūnu sieniņu sastāvdaļa un nodrošina augu šūnu sienām spēcīgu strukturālu atbalstu un stingrību. Pateicoties garajai celulozes molekulārajai ķēdei un augstajai kristalitātei, tai ir spēcīga stabilitāte un nešķīstība.
(1) Celulozes īpašības un grūtības šķīst
Celulozei ir šādas īpašības, kas apgrūtina šķīdināšanu:
Augsta kristāliskums: celulozes molekulārās ķēdes veido ciešu režģa struktūru, izmantojot ūdeņraža saites un van der Vālsa spēkus.
Augsta polimerizācijas pakāpe: celulozes polimerizācijas pakāpe (ti, molekulārās ķēdes garums) ir augsta, parasti svārstās no simtiem līdz tūkstošiem glikozes vienību, kas palielina molekulas stabilitāti.
Ūdeņraža saišu tīkls: Ūdeņraža saites ir plaši sastopamas starp celulozes molekulārajām ķēdēm un to iekšienē, tādēļ tās ir grūti iznīcināt un izšķīdināt ar vispārējiem šķīdinātājiem.
(2) Reaģenti, kas izšķīdina celulozi
Pašlaik zināmie reaģenti, kas var efektīvi izšķīdināt celulozi, galvenokārt ietver šādas kategorijas:
1. Jonu šķidrumi
Jonu šķidrumi ir šķidrumi, kas sastāv no organiskiem katjoniem un organiskiem vai neorganiskiem anjoniem, parasti ar zemu gaistamību, augstu termisko stabilitāti un augstu regulējamību. Daži jonu šķidrumi var izšķīdināt celulozi, un galvenais mehānisms ir saraut ūdeņraža saites starp celulozes molekulārajām ķēdēm. Parastie jonu šķidrumi, kas izšķīdina celulozi, ir:
1-butil-3-metilimidazolija hlorīds ([BMIM]Cl): šis jonu šķidrums izšķīdina celulozi, mijiedarbojoties ar ūdeņraža saitēm celulozē, izmantojot ūdeņraža saišu akceptorus.
1-Etil-3-metilimidazolija acetāts ([EMIM][Ac]): šis jonu šķidrums var izšķīdināt augstu celulozes koncentrāciju salīdzinoši vieglos apstākļos.
2. Amīna oksidētāja šķīdums
Amīna oksidantu šķīdumu, piemēram, jauktu dietilamīna (DEA) un vara hlorīda šķīdumu, sauc par [Cu(II)-amonija šķīdumu], kas ir spēcīga šķīdinātāju sistēma, kas var izšķīdināt celulozi. Tas iznīcina celulozes kristālisko struktūru oksidācijas un ūdeņraža saites rezultātā, padarot celulozes molekulāro ķēdi mīkstāku un šķīstošāku.
3. Litija hlorīda-dimetilacetamīda (LiCl-DMAc) sistēma
LiCl-DMAc (litija hlorīda-dimetilacetamīda) sistēma ir viena no klasiskajām celulozes šķīdināšanas metodēm. LiCl var veidot konkurenci par ūdeņraža saitēm, tādējādi iznīcinot ūdeņraža saišu tīklu starp celulozes molekulām, savukārt DMAc kā šķīdinātājs var labi mijiedarboties ar celulozes molekulāro ķēdi.
4. Sālsskābes/cinka hlorīda šķīdums
Sālsskābes/cinka hlorīda šķīdums ir agri atklāts reaģents, kas var izšķīdināt celulozi. Tas var izšķīdināt celulozi, veidojot koordinācijas efektu starp cinka hlorīda un celulozes molekulu ķēdēm, un sālsskābe iznīcina ūdeņraža saites starp celulozes molekulām. Tomēr šis risinājums ir ļoti kodīgs iekārtām un ir ierobežots praktiskā pielietojumā.
5. Fibrinolītiskie enzīmi
Fibrinolītiskie enzīmi (piemēram, celulāzes) izšķīdina celulozi, katalizējot celulozes sadalīšanos mazākos oligosaharīdos un monosaharīdos. Šai metodei ir plašs pielietojums bioloģiskās noārdīšanās un biomasas konversijas jomās, lai gan tās šķīdināšanas process nav pilnīga ķīmiska šķīdināšana, bet tiek panākta ar biokatalīzes palīdzību.
(3) Celulozes šķīdināšanas mehānisms
Dažādiem reaģentiem ir dažādi celulozes šķīdināšanas mehānismi, taču kopumā tos var attiecināt uz diviem galvenajiem mehānismiem:
Ūdeņraža saišu iznīcināšana: ūdeņraža saišu iznīcināšana starp celulozes molekulārajām ķēdēm, veidojot konkurētspējīgu ūdeņraža saiti vai jonu mijiedarbību, padarot to šķīstošu.
Molekulāro ķēžu relaksācija: celulozes molekulāro ķēžu maiguma palielināšana un molekulāro ķēžu kristāliskuma samazināšana ar fizikāliem vai ķīmiskiem līdzekļiem, lai tās varētu izšķīdināt šķīdinātājos.
(4) Celulozes šķīdināšanas praktiskie pielietojumi
Celulozes šķīdināšanai ir svarīgi pielietojumi daudzās jomās:
Celulozes atvasinājumu sagatavošana: Pēc celulozes izšķīdināšanas to var tālāk ķīmiski modificēt, lai iegūtu celulozes ēterus, celulozes esterus un citus atvasinājumus, kurus plaši izmanto pārtikā, medicīnā, pārklājumos un citās jomās.
Materiāli uz celulozes bāzes: izmantojot izšķīdinātu celulozi, var sagatavot celulozes nanošķiedras, celulozes membrānas un citus materiālus. Šiem materiāliem ir labas mehāniskās īpašības un bioloģiskā saderība.
Biomasas enerģija: Izšķīdinot un sadalot celulozi, to var pārvērst fermentējamos cukuros, lai ražotu biodegvielu, piemēram, bioetanolu, kas palīdz sasniegt atjaunojamās enerģijas attīstību un izmantošanu.
Celulozes šķīdināšana ir sarežģīts process, kas ietver vairākus ķīmiskus un fizikālus mehānismus. Pašlaik ir zināms, ka jonu šķidrumi, aminooksidantu šķīdumi, LiCl-DMAc sistēmas, sālsskābes/cinka hlorīda šķīdumi un celolītiskie enzīmi ir efektīvi līdzekļi celulozes šķīdināšanai. Katram aģentam ir savs unikāls izšķīdināšanas mehānisms un lietošanas lauks. Padziļināti izpētot celulozes šķīdināšanas mehānismu, tiek uzskatīts, ka tiks izstrādātas efektīvākas un videi draudzīgākas šķīdināšanas metodes, kas sniedz plašākas iespējas celulozes izmantošanai un attīstībai.
Izlikšanas laiks: 09.07.2024