Cellulose is een complexe polysacharide die bestaat uit vele glucose-eenheden verbonden door β-1,4-glycosidische bindingen. Het is het hoofdbestanddeel van plantencelwanden en geeft ze sterke structurele ondersteuning en stevigheid. Dankzij de lange celluloseketen en hoge kristalliniteit is het zeer stabiel en onoplosbaar.
(1) Eigenschappen van cellulose en moeilijkheidsgraad bij oplosbaarheid
Cellulose heeft de volgende eigenschappen waardoor het moeilijk oplost:
Hoge kristalliniteit: De moleculaire ketens van cellulose vormen een strakke roosterstructuur door waterstofbruggen en vanderwaalskrachten.
Hoge polymerisatiegraad: De polymerisatiegraad (d.w.z. de lengte van de moleculaire keten) van cellulose is hoog en varieert gewoonlijk van honderden tot duizenden glucose-eenheden, wat de stabiliteit van het molecuul vergroot.
Waterstofbrugnetwerk: Waterstofbruggen zijn wijdverspreid aanwezig tussen en in de moleculaire ketens van cellulose. Hierdoor zijn ze moeilijk te vernietigen en op te lossen met gangbare oplosmiddelen.
(2) Reagentia die cellulose oplossen
Momenteel behoren de volgende categorieën tot de bekende reagentia die cellulose effectief kunnen oplossen:
1. Ionische vloeistoffen
Ionische vloeistoffen zijn vloeistoffen die bestaan uit organische kationen en organische of anorganische anionen, meestal met een lage vluchtigheid, hoge thermische stabiliteit en een hoge aanpasbaarheid. Sommige ionische vloeistoffen kunnen cellulose oplossen, en het belangrijkste mechanisme is het verbreken van de waterstofbruggen tussen de moleculaire ketens van cellulose. Veelvoorkomende ionische vloeistoffen die cellulose oplossen zijn onder andere:
1-Butyl-3-methylimidazoliumchloride ([BMIM]Cl): Deze ionische vloeistof lost cellulose op door interactie met waterstofbruggen in cellulose via waterstofbrugacceptoren.
1-Ethyl-3-methylimidazoliumacetaat ([EMIM][Ac]): Deze ionische vloeistof kan hoge concentraties cellulose oplossen onder relatief milde omstandigheden.
2. Amine-oxidatiemiddeloplossing
Een amine-oxidatiemiddeloplossing, zoals een gemengde oplossing van diethylamine (DEA) en koperchloride, wordt [Cu(II)-ammoniumoplossing] genoemd. Dit is een krachtig oplosmiddelsysteem dat cellulose kan oplossen. Het vernietigt de kristalstructuur van cellulose door oxidatie en waterstofbruggen, waardoor de moleculaire keten van cellulose zachter en beter oplosbaar wordt.
3. Lithiumchloride-dimethylacetamide (LiCl-DMAc) systeem
Het LiCl-DMAc (lithiumchloride-dimethylacetamide) systeem is een van de klassieke methoden voor het oplossen van cellulose. LiCl kan een competitie aangaan om waterstofbruggen, waardoor het waterstofbrugnetwerk tussen cellulosemoleculen wordt vernietigd, terwijl DMAc als oplosmiddel goed kan interageren met de cellulosemolecuulketen.
4. Zoutzuur/zinkchloride-oplossing
De zoutzuur/zinkchloride-oplossing is een vroeg ontdekt reagens dat cellulose kan oplossen. Het kan cellulose oplossen door een coördinatie-effect te creëren tussen zinkchloride en cellulosemolecuulketens, en zoutzuur door de waterstofbruggen tussen cellulosemoleculen te vernietigen. Deze oplossing is echter zeer corrosief voor apparatuur en heeft beperkte praktische toepassingen.
5. Fibrinolytische enzymen
Fibrinolytische enzymen (zoals cellulasen) lossen cellulose op door de afbraak van cellulose tot kleinere oligosachariden en monosachariden te katalyseren. Deze methode heeft een breed scala aan toepassingen op het gebied van biologische afbraak en biomassaconversie, hoewel het oplossingsproces niet volledig chemisch is, maar plaatsvindt via biokatalyse.
(3) Mechanisme van cellulose-oplossing
Verschillende reagentia hebben verschillende mechanismen voor het oplossen van cellulose, maar over het algemeen kunnen ze worden toegeschreven aan twee hoofdmechanismen:
Vernietiging van waterstofbruggen: Vernietiging van de waterstofbruggen tussen moleculaire ketens van cellulose door competitieve vorming van waterstofbruggen of ionische interactie, waardoor het oplosbaar wordt.
Moleculaire ketenrelaxatie: Het vergroten van de zachtheid van de moleculaire ketens van cellulose en het verminderen van de kristalliniteit van moleculaire ketens door middel van fysieke of chemische middelen, zodat ze kunnen worden opgelost in oplosmiddelen.
(4) Praktische toepassingen van cellulose-oplossing
Het oplossen van cellulose kent belangrijke toepassingen in veel vakgebieden:
Bereiding van cellulosederivaten: Nadat cellulose is opgelost, kan deze chemisch verder worden gemodificeerd om cellulose-ethers, cellulose-esters en andere derivaten te bereiden. Deze worden veelvuldig gebruikt op het gebied van voedingsmiddelen, medicijnen, coatings en andere gebieden.
Cellulosegebaseerde materialen: Met behulp van opgeloste cellulose kunnen cellulosenanovezels, cellulosemembranen en andere materialen worden vervaardigd. Deze materialen hebben goede mechanische eigenschappen en zijn biocompatibel.
Biomassa-energie: Door cellulose op te lossen en af te breken, kan het worden omgezet in fermenteerbare suikers voor de productie van biobrandstoffen zoals bio-ethanol, wat bijdraagt aan de ontwikkeling en het gebruik van hernieuwbare energie.
Het oplossen van cellulose is een complex proces waarbij meerdere chemische en fysische mechanismen betrokken zijn. Ionische vloeistoffen, amino-oxidatieoplossingen, LiCl-DMAc-systemen, zoutzuur/zinkchloride-oplossingen en cellolytische enzymen staan momenteel bekend als effectieve middelen voor het oplossen van cellulose. Elk middel heeft zijn eigen unieke oplossingsmechanisme en toepassingsgebied. Door de diepgaande studie van het oplossingsmechanisme van cellulose wordt verwacht dat er efficiëntere en milieuvriendelijkere oplossingsmethoden zullen worden ontwikkeld, wat meer mogelijkheden biedt voor het gebruik en de ontwikkeling van cellulose.
Plaatsingstijd: 09-07-2024