Cellulose er et komplekst polysakkarid sammensatt av mange glukoseenheter forbundet med β-1,4-glykosidiske bindinger. Det er hovedkomponenten i plantecellevegger og gir plantecellevegger sterk strukturell støtte og seighet. På grunn av den lange cellulosemolekylkjeden og høy krystallinitet, har den sterk stabilitet og insolubleness.
(1) Egenskaper ved cellulose og vanskeligheter med oppløsning
Cellulose har følgende egenskaper som gjør det vanskelig å oppløse:
Høy krystallinitet: Cellulosemolekylkjedene danner en tett gitterstruktur gjennom hydrogenbindinger og van der Waals -krefter.
Høy grad av polymerisasjon: graden av polymerisasjon (dvs. lengden på molekylkjeden) av cellulose er høy, vanligvis fra hundrevis til tusenvis av glukoseenheter, noe som øker molekylets stabilitet.
Hydrogenbindingsnettverk: Hydrogenbindinger er mye til stede mellom og innenfor cellulosemolekylkjeder, noe som gjør det vanskelig å bli ødelagt og oppløst av generelle løsningsmidler.
(2) Reagenser som løser opp cellulose
For øyeblikket inkluderer de kjente reagensene som effektivt kan oppløse cellulose hovedsakelig følgende kategorier:
1. Ioniske væsker
Ioniske væsker er væsker sammensatt av organiske kationer og organiske eller uorganiske anioner, vanligvis med lav volatilitet, høy termisk stabilitet og høy justerbarhet. Noen ioniske væsker kan oppløse cellulose, og hovedmekanismen er å bryte hydrogenbindingene mellom cellulosemolekylkjeder. Vanlige ioniske væsker som løser opp cellulose inkluderer:
1-butyl-3-metylimidazoliumklorid ([BMIM] CL): Denne ioniske væsken løser opp cellulose ved å samhandle med hydrogenbindinger i cellulose gjennom hydrogenbindingsakseptorer.
1-etyl-3-metylimidazoliumacetat ([EMIM] [AC]): Denne ioniske væsken kan oppløse høye konsentrasjoner av cellulose under relativt milde forhold.
2. Aminoksidantløsning
Aminoksidantoppløsning så som en blandet løsning av dietylamin (DEA) og kobberklorid kalles [Cu (II) -ammoniumløsning], som er et sterkt løsningsmiddelsystem som kan oppløse cellulose. Det ødelegger krystallstrukturen av cellulose gjennom oksidasjon og hydrogenbinding, noe som gjør cellulosemolekylkjeden mykere og mer oppløselig.
3. Litiumklorid-dimetylacetamid (LICL-DMAC) system
LICL-DMAC (litiumklorid-dimethylacetamid) -systemet er en av de klassiske metodene for å oppløse cellulose. LICL kan danne en konkurranse om hydrogenbindinger, og dermed ødelegge hydrogenbindingsnettverket mellom cellulosemolekyler, mens DMAC som et løsningsmiddel kan samhandle godt med cellulosemolekylkjeden.
4. Saltsyre/sinkkloridløsning
Saltsyre/sinkkloridløsning er et tidlig oppdaget reagens som kan oppløse cellulose. Det kan løse opp cellulose ved å danne en koordineringseffekt mellom sinkklorid og cellulosemolekylkjeder, og saltsyre som ødelegger hydrogenbindinger mellom cellulosemolekyler. Imidlertid er denne løsningen svært etsende for utstyr og er begrenset i praktiske anvendelser.
5. Fibrinolytiske enzymer
Fibrinolytiske enzymer (for eksempel cellulaser) oppløser cellulose ved å katalysere nedbrytningen av cellulose til mindre oligosakkarider og monosakkarider. Denne metoden har et bredt spekter av applikasjoner innen biologisk nedbrytning og omdannelse av biomasse, selv om dens oppløsningsprosess ikke er fullstendig kjemisk oppløsning, men oppnås gjennom biokatalyse.
(3) Mekanisme for celluloseoppløsning
Ulike reagenser har forskjellige mekanismer for å løse opp cellulose, men generelt kan de tilskrives to hovedmekanismer:
Ødeleggelse av hydrogenbindinger: Å ødelegge hydrogenbindinger mellom cellulosemolekylkjeder gjennom konkurrerende hydrogenbindingsdannelse eller ionisk interaksjon, noe som gjør det løselig.
Molekylkjedeavslapping: Å øke mykheten i cellulosemolekylkjeder og redusere krystalliniteten til molekylkjeder gjennom fysiske eller kjemiske midler, slik at de kan oppløses i løsningsmidler.
(4) Praktiske anvendelser av celluloseoppløsning
Celluloseoppløsning har viktige applikasjoner på mange felt:
Fremstilling av cellulosederivater: Etter å ha oppløst cellulose kan den bli ytterligere kjemisk modifisert for å fremstille celluloseetere, celluloseestere og andre derivater, som er mye brukt i mat, medisin, belegg og andre felt.
Cellulosebaserte materialer: Ved bruk av oppløste cellulose kan cellulose nanofibre, cellulosemembraner og andre materialer fremstilles. Disse materialene har gode mekaniske egenskaper og biokompatibilitet.
Biomasse energi: Ved å løse opp og nedbrytende cellulose kan den omdannes til gjærbare sukkerarter for produksjon av biodrivstoff som bioetanol, noe som hjelper til med å oppnå utvikling og utnyttelse av fornybar energi.
Celluloseoppløsning er en kompleks prosess som involverer flere kjemiske og fysiske mekanismer. Ioniske væsker, aminooksidantløsninger, LICL-DMAC-systemer, saltsyre/sinkkloridløsninger og cellolytiske enzymer er foreløpig kjent for å være effektive midler for oppløsende cellulose. Hver agent har sin egen unike oppløsningsmekanisme og applikasjonsfelt. Med den dyptgående studien av cellulosoppløsningsmekanismen antas det at mer effektive og miljøvennlige oppløsningsmetoder vil bli utviklet, noe som gir flere muligheter for bruk og utvikling av cellulose.
Post Time: Jul-09-2024