Cellulose er et komplekst polysakkarid sammensatt av mange glukoseenheter forbundet med β-1,4-glykosidbindinger. 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 uløselighet.
(1) Egenskaper til cellulose og vanskeligheter med å oppløses
Cellulose har følgende egenskaper som gjør det vanskelig å løse opp:
Høy krystallinitet: Cellulosemolekylkjedene danner en tett gitterstruktur gjennom hydrogenbindinger og van der Waals-krefter.
Høy polymerisasjonsgrad: Polymerisasjonsgraden (dvs. lengden på molekylkjeden) av cellulose er høy, vanligvis fra hundrevis til tusenvis av glukoseenheter, noe som øker stabiliteten til molekylet.
Hydrogenbindingsnettverk: Hydrogenbindinger er mye tilstede mellom og innenfor cellulosemolekylkjeder, noe som gjør det vanskelig å bli ødelagt og oppløst av generelle løsningsmidler.
(2) Reagenser som løser opp cellulose
For tiden 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 flyktighet, høy termisk stabilitet og høy justerbarhet. Noen ioniske væsker kan løse opp 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 interagere med hydrogenbindinger i cellulose gjennom hydrogenbindingsakseptorer.
1-etyl-3-metylimidazoliumacetat ([EMIM][Ac]): Denne ioniske væsken kan løse opp høye konsentrasjoner av cellulose under relativt milde forhold.
2. Aminoksidantløsning
Aminoksidantløsning som en blandet løsning av dietylamin (DEA) og kobberklorid kalles [Cu(II)-ammoniumløsning], som er et sterkt løsemiddelsystem som kan løse opp cellulose. Det ødelegger krystallstrukturen til cellulose gjennom oksidasjon og hydrogenbinding, noe som gjør cellulosemolekylkjeden mykere og mer løselig.
3. Litiumklorid-dimetylacetamid (LiCl-DMAc)-system
LiCl-DMAc (litiumklorid-dimetylacetamid) systemet er en av de klassiske metodene for å løse opp cellulose. LiCl kan danne en konkurranse om hydrogenbindinger, og dermed ødelegge hydrogenbindingsnettverket mellom cellulosemolekyler, mens DMAc som løsningsmiddel kan samhandle godt med cellulosemolekylkjeden.
4. Saltsyre/sinkkloridløsning
Saltsyre/sinkkloridløsningen er et tidlig oppdaget reagens som kan løse opp cellulose. Det kan løse opp cellulose ved å danne en koordineringseffekt mellom sinkklorid og cellulosemolekylkjeder, og saltsyre ødelegger hydrogenbindingene mellom cellulosemolekyler. Imidlertid er denne løsningen svært etsende for utstyr og er begrenset i praktiske applikasjoner.
5. Fibrinolytiske enzymer
Fibrinolytiske enzymer (som cellulaser) løser opp cellulose ved å katalysere nedbrytningen av cellulose til mindre oligosakkarider og monosakkarider. Denne metoden har et bredt spekter av bruksområder innen bionedbrytning og biomassekonvertering, selv om oppløsningsprosessen 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: Ødelegge hydrogenbindingene mellom cellulosemolekylkjeder gjennom konkurrerende hydrogenbindingsdannelse eller ionisk interaksjon, noe som gjør det løselig.
Molekylær kjedeavslapning: Øke mykheten til cellulosemolekylkjeder og redusere krystalliniteten til molekylkjeder gjennom fysiske eller kjemiske midler, slik at de kan løses opp i løsemidler.
(4) Praktiske anvendelser av celluloseoppløsning
Celluloseoppløsning har viktige anvendelser på mange felt:
Fremstilling av cellulosederivater: Etter oppløsning av cellulose kan den modifiseres ytterligere kjemisk for å fremstille celluloseetere, celluloseestere og andre derivater, som er mye brukt i mat, medisin, belegg og andre felt.
Cellulosebaserte materialer: Ved å bruke oppløst cellulose kan cellulosenanofibre, cellulosemembraner og andre materialer tilberedes. Disse materialene har gode mekaniske egenskaper og biokompatibilitet.
Biomasseenergi: Ved å løse opp og bryte ned cellulose kan den omdannes til fermenterbare sukkerarter for produksjon av biodrivstoff som bioetanol, noe som bidrar til 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 for tiden kjent for å være effektive midler for å løse opp cellulose. Hver agent har sin egen unike oppløsningsmekanisme og bruksområde. Med dybdestudiet av celluloseoppløsningsmekanismen antas det at det vil utvikles mer effektive og miljøvennlige oppløsningsmetoder som gir flere muligheter for utnyttelse og utvikling av cellulose.
Innleggstid: Jul-09-2024