Cellulose is een complex polysacharide dat bestaat uit veel glucose-eenheden die met elkaar zijn verbonden door β-1,4-glycosidische bindingen. Het is het hoofdbestanddeel van plantencelwanden en geeft plantencelwanden een sterke structurele ondersteuning en taaiheid. Vanwege de lange moleculaire keten van cellulose en de hoge kristalliniteit heeft het een sterke stabiliteit en onoplosbaarheid.
(1) Eigenschappen van cellulose en moeilijkheid bij het oplossen
Cellulose heeft de volgende eigenschappen die het moeilijk maken om op te lossen:
Hoge kristalliniteit: De moleculaire ketens van cellulose vormen een strakke roosterstructuur door waterstofbruggen en van der Waals-krachten.
Hoge polymerisatiegraad: De polymerisatiegraad (dwz de lengte van de moleculaire keten) van cellulose is hoog, meestal variërend van honderden tot duizenden glucose-eenheden, wat de stabiliteit van het molecuul vergroot.
Waterstofbindingsnetwerk: Waterstofbindingen zijn wijdverspreid aanwezig tussen en binnen de moleculaire ketens van cellulose, waardoor het moeilijk is om te worden vernietigd en opgelost door algemene oplosmiddelen.
(2) Reagentia die cellulose oplossen
Momenteel omvatten de bekende reagentia die cellulose effectief kunnen oplossen, voornamelijk de volgende categorieën:
1. Ionische vloeistoffen
Ionische vloeistoffen zijn vloeistoffen die zijn samengesteld uit organische kationen en organische of anorganische anionen, meestal met een lage vluchtigheid, hoge thermische stabiliteit en hoge aanpasbaarheid. Sommige ionische vloeistoffen kunnen cellulose oplossen, en het belangrijkste mechanisme is het verbreken van de waterstofbruggen tussen de moleculaire ketens van cellulose. Veel voorkomende ionische vloeistoffen die cellulose oplossen zijn onder meer:
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 onder relatief milde omstandigheden hoge concentraties cellulose oplossen.
2. Amineoxidatiemiddeloplossing
Een amineoxidatiemiddeloplossing, zoals een gemengde oplossing van diethylamine (DEA) en koperchloride, wordt [Cu(II)-ammoniumoplossing] genoemd, een sterk oplosmiddelsysteem dat cellulose kan oplossen. Het vernietigt de kristalstructuur van cellulose door oxidatie en waterstofbinding, waardoor de moleculaire keten van cellulose zachter en beter oplosbaar wordt.
3. Lithiumchloride-dimethylaceetamide (LiCl-DMAc)-systeem
Het LiCl-DMAc-systeem (lithiumchloride-dimethylaceetamide) is een van de klassieke methoden voor het oplossen van cellulose. LiCl kan een competitie vormen om waterstofbruggen, waardoor het waterstofbrugnetwerk tussen cellulosemoleculen wordt vernietigd, terwijl DMAc als oplosmiddel goed kan interageren met de moleculaire keten van cellulose.
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 vormen tussen de moleculaire ketens van zinkchloride en cellulose, en zoutzuur dat de waterstofbruggen tussen cellulosemoleculen vernietigt. Deze oplossing is echter zeer corrosief voor apparatuur en is beperkt in praktische toepassingen.
5. Fibrinolytische enzymen
Fibrinolytische enzymen (zoals cellulasen) lossen cellulose op door de afbraak van cellulose in kleinere oligosachariden en monosachariden te katalyseren. Deze methode heeft een breed scala aan toepassingen op het gebied van biologische afbraak en biomassaconversie, hoewel het ontbindingsproces niet volledig chemisch is opgelost, maar wordt bereikt door middel van biokatalyse.
(3) Mechanisme van het oplossen van cellulose
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 middel van competitieve vorming van waterstofbruggen of ionische interactie, waardoor deze oplosbaar wordt.
Relaxatie van moleculaire ketens: het verhogen van de zachtheid van moleculaire ketens van cellulose en het verminderen van de kristalliniteit van moleculaire ketens door middel van fysische of chemische middelen, zodat ze kunnen worden opgelost in oplosmiddelen.
(4) Praktische toepassingen van het oplossen van cellulose
Het oplossen van cellulose heeft belangrijke toepassingen op veel gebieden:
Bereiding van cellulosederivaten: Na het oplossen van cellulose kan het verder chemisch worden gemodificeerd om cellulose-ethers, cellulose-esters en andere derivaten te bereiden, die veel worden gebruikt in de voeding, de geneeskunde, coatings en andere gebieden.
Materialen op cellulosebasis: Met behulp van opgeloste cellulose kunnen cellulose-nanovezels, cellulosemembranen en andere materialen worden bereid. Deze materialen hebben goede mechanische eigenschappen en biocompatibiliteit.
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. Van ionische vloeistoffen, aminooxidatieoplossingen, LiCl-DMAc-systemen, zoutzuur/zinkchloride-oplossingen en cellolytische enzymen is momenteel bekend dat ze effectieve middelen zijn voor het oplossen van cellulose. Elk middel heeft zijn eigen unieke oplossingsmechanisme en toepassingsgebied. Er wordt aangenomen dat met de diepgaande studie van het oplosmechanisme van cellulose efficiëntere en milieuvriendelijkere oplosmethoden zullen worden ontwikkeld, die meer mogelijkheden bieden voor het gebruik en de ontwikkeling van cellulose.
Posttijd: 09-07-2024