Celuloza jest złożonym polisacharydem złożonym z wielu jednostek glukozy związanych wiązaniami β-1,4-glikozydowymi. Jest głównym składnikiem ścian komórkowych roślin i daje ściany komórkowe roślinne silne wsparcie strukturalne i wytrzymałość. Ze względu na długi łańcuch molekularny celulozy i wysoka krystaliczność ma silną stabilność i nierozpoziomowości.
(1) Właściwości celulozy i trudności w rozpuszczaniu się
Celuloza ma następujące właściwości, które utrudniają rozpuszczenie:
Wysoka krystaliczność: łańcuchy molekularne celulozy tworzą ścisłą strukturę sieci poprzez wiązania wodorowe i siły van der Waalsa.
Wysoki stopień polimeryzacji: stopień polimeryzacji (tj. Długość łańcucha molekularnego) celulozy jest wysoka, zwykle od setek do tysięcy jednostek glukozy, co zwiększa stabilność cząsteczki.
Sieć wiązań wodorowych: wiązania wodorowe są szeroko obecne między łańcuchami molekularnymi i wewnątrz celulozy, co utrudnia niszczenie i rozpuszczenie przez ogólne rozpuszczalniki.
(2) Odczynniki, które rozpuszczają celulozę
Obecnie znane odczynniki, które mogą skutecznie rozpuścić celulozę, obejmują głównie następujące kategorie:
1. Ciecze jonowe
Ciecze jonowe są cieczami złożonymi z kationów organicznych oraz anionów organicznych lub nieorganicznych, zwykle o niskiej zmienności, wysokiej stabilności termicznej i wysokiej regulacji. Niektóre cieczy jonowe mogą rozpuszczać celulozę, a głównym mechanizmem jest rozbicie wiązań wodorowych między łańcuchami molekularnymi celulozy. Wspólne ciecze jonowe, które rozpuszczają celulozę, obejmują:
1-butylo-3-metyloimidazoliowy chlorek ([BMIM] CL): Ta ciecz jonowa rozpuszcza celulozę poprzez interakcje z wiązaniami wodorowymi w celulozie za pomocą akceptorów wiązań wodorowych.
1-etylo-3-metyloimidazolu octan ([EMIM] [AC]): Ta ciecz jonowa może rozpuścić wysokie stężenie celulozy w stosunkowo łagodnych warunkach.
2. Roztwór utleniacza aminowy
Roztwór utleniacza aminowy, taki jak mieszany roztwór dietyloaminy (DEA) i chlorku miedzi, nazywa się [Cu (II) -monium roztwór], który jest silnym układem rozpuszczalnikiem, który może rozpuszczać celulozę. Niszczy strukturę krystaliczną celulozy poprzez utlenianie i wiązanie wodorowe, dzięki czemu łańcuch molekularny celulozy jest bardziej miękki i bardziej rozpuszczalny.
3. System litowego chlorku-dimetyloacetamidu (LICL-DMAC)
System LICL-DMAC (chlorek litowy-dimetyloacetamid) jest jedną z klasycznych metod rozpuszczenia celulozy. LICL może stanowić konkurencję o wiązania wodorowe, niszcząc w ten sposób sieć wiązań wodorowych między cząsteczkami celulozy, podczas gdy DMAC jako rozpuszczalnik może dobrze oddziaływać z łańcuchem molekularnym celulozy.
4. Roztwór kwasu chlorkowego/cynku
Roztwór chlorku kwasu chlorowodorowego/cynku jest wczesnym odkrytym odczynnikiem, który może rozpuszczać celulozę. Może rozpuścić celulozę poprzez utworzenie efektu koordynacyjnego między chlorkiem cynku a łańcuchami molekularnymi celulozy oraz kwasem solnym niszczącym wiązania wodorowe między cząsteczkami celulozy. Jednak to rozwiązanie jest wysoce żrący dla sprzętu i jest ograniczone w praktycznych zastosowaniach.
5. Enzymy fibrynolityczne
Enzymy fibrynolityczne (takie jak celulazy) rozpuszczają celulozę poprzez katalizowanie rozkładu celulozy na mniejsze oligosacharydy i monosacharydy. Ta metoda ma szeroki zakres zastosowań w dziedzinach biodegradacji i konwersji biomasy, chociaż jej proces rozpuszczania nie jest całkowicie chemiczny, ale osiąga się poprzez biokataliza.
(3) Mechanizm rozpuszczania celulozy
Różne odczynniki mają różne mechanizmy rozpuszczania celulozy, ale ogólnie można je przypisać dwóm głównym mechanizmom:
Zniszczenie wiązań wodorowych: niszczenie wiązań wodorowych między łańcuchami molekularnymi celulozy poprzez konkurencyjne tworzenie wiązań wodorowych lub interakcję jonową, co czyni je rozpuszczalnymi.
Rozluźnienie łańcucha molekularnego: zwiększenie miękkości łańcuchów molekularnych celulozy i zmniejszenie krystaliczności łańcuchów cząsteczkowych za pomocą środków fizycznych lub chemicznych, aby można je rozpuścić w rozpuszczalnikach.
(4) Praktyczne zastosowanie rozpuszczania celulozy
Rozpuszczenie celulozy ma ważne zastosowania w wielu dziedzinach:
Przygotowanie pochodnych celulozy: Po rozpuszczaniu celulozy można ją dalej chemicznie modyfikować w celu przygotowania eterów celulozy, estrów celulozy i innych pochodnych, które są szeroko stosowane w żywności, medycynie, powłokach i innych dziedzinach.
Można przygotować materiały na bazie celulozy: stosowanie rozpuszczonej celulozy, nanowłókien celulozy, błon celulozowych i innych materiałów. Materiały te mają dobre właściwości mechaniczne i biokompatybilność.
Energia biomasy: Rozpuszczając i degradując celulozę, można ją przekształcić w cukry fermentacyjne do produkcji biopaliw, takich jak bioetanol, co pomaga osiągnąć rozwój i wykorzystanie energii odnawialnej.
Rozpuszczanie celulozy jest złożonym procesem obejmującym wiele mechanizmów chemicznych i fizycznych. Ciecze jonowe, roztwory oksydacji aminowych, układy LICL-DMAC, roztwory kwasu solnego/chlorku cynku i enzymy komórkowe są obecnie znane jako skuteczne środki rozpuszczania celulozy. Każdy agent ma swój unikalny mechanizm rozpuszczania i pole aplikacji. Dzięki dogłębne badanie mechanizmu rozpuszczania celulozy uważa się, że zostaną opracowane bardziej wydajne i przyjazne dla środowiska metody rozpuszczania, zapewniając większe możliwości wykorzystania i rozwoju celulozy.
Czas po: 09-2024 lipca