Celuloza jest złożonym polisacharydem składającym się z wielu jednostek glukozy połączonych wiązaniami β-1,4-glikozydowymi. Jest głównym składnikiem ścian komórkowych roślin i zapewnia ścianom komórkowym roślin silne wsparcie strukturalne i wytrzymałość. Ze względu na długi łańcuch cząsteczkowy celulozy i wysoką krystaliczność ma silną stabilność i nierozpuszczalność.
(1) Właściwości celulozy i trudności w rozpuszczaniu
Celuloza ma następujące właściwości, które utrudniają jej rozpuszczanie:
Wysoka krystaliczność: Łańcuchy cząsteczkowe celulozy tworzą ciasną strukturę sieciową dzięki wiązaniom wodorowym i siłom van der Waalsa.
Wysoki stopień polimeryzacji: Stopień polimeryzacji (tj. długość łańcucha cząsteczkowego) celulozy jest wysoki i zwykle wynosi od setek do tysięcy jednostek glukozy, co zwiększa stabilność cząsteczki.
Sieć wiązań wodorowych: Wiązania wodorowe występują powszechnie pomiędzy łańcuchami cząsteczkowymi celulozy oraz wewnątrz nich, co utrudnia ich rozpuszczenie lub zniszczenie przez powszechnie stosowane rozpuszczalniki.
(2) Odczynniki rozpuszczające celulozę
Obecnie znane odczynniki, które mogą skutecznie rozpuszczać celulozę, obejmują głównie poniższe kategorie:
1. Ciecze jonowe
Ciecze jonowe to ciecze składające się z kationów organicznych i anionów organicznych lub nieorganicznych, zazwyczaj o niskiej lotności, wysokiej stabilności termicznej i wysokiej możliwości regulacji. Niektóre ciecze jonowe mogą rozpuszczać celulozę, a głównym mechanizmem jest rozrywanie wiązań wodorowych między łańcuchami cząsteczkowymi celulozy. Typowe ciecze jonowe, które rozpuszczają celulozę, obejmują:
Chlorek 1-butylo-3-metyloimidazoliowy ([BMIM]Cl): Ta ciecz jonowa rozpuszcza celulozę poprzez interakcję z wiązaniami wodorowymi w celulozie za pośrednictwem akceptorów wiązań wodorowych.
Octan 1-etylo-3-metyloimidazoliowy ([EMIM][Ac]): Ta ciecz jonowa może rozpuszczać duże stężenia celulozy w stosunkowo łagodnych warunkach.
2. Roztwór utleniacza aminowego
Roztwór utleniacza aminowego, taki jak mieszany roztwór dietyloaminy (DEA) i chlorku miedzi, nazywa się [roztworem Cu(II)-amoniowym], który jest silnym układem rozpuszczalników, który może rozpuścić celulozę. Niszczy strukturę krystaliczną celulozy poprzez utlenianie i wiązanie wodorowe, sprawiając, że łańcuch cząsteczkowy celulozy staje się bardziej miękki i rozpuszczalny.
3. Układ chlorku litu-dimetyloacetamidu (LiCl-DMAc)
System LiCl-DMAc (chlorek litu-dimetyloacetamid) jest jedną z klasycznych metod rozpuszczania celulozy. LiCl może tworzyć konkurencję o wiązania wodorowe, niszcząc w ten sposób sieć wiązań wodorowych między cząsteczkami celulozy, podczas gdy DMAc jako rozpuszczalnik może dobrze oddziaływać z łańcuchem cząsteczkowym celulozy.
4. Roztwór kwasu solnego/chlorku cynku
Roztwór kwasu solnego/chlorku cynku to wcześnie odkryty odczynnik, który może rozpuszczać celulozę. Może rozpuszczać celulozę poprzez tworzenie efektu koordynacyjnego między chlorkiem cynku i łańcuchami cząsteczkowymi celulozy, a kwas solny niszczy wiązania wodorowe między cząsteczkami celulozy. Jednak ten roztwór jest wysoce żrący dla sprzętu i jest ograniczony w praktycznych zastosowaniach.
5. Enzymy fibrynolityczne
Enzymy fibrynolityczne (takie jak celulazy) rozpuszczają celulozę, katalizując rozkład celulozy na mniejsze oligosacharydy i monosacharydy. Ta metoda ma szeroki zakres zastosowań w dziedzinie biodegradacji i konwersji biomasy, chociaż jej proces rozpuszczania nie jest całkowicie chemicznym rozpuszczaniem, ale jest osiągany poprzez biokatalizę.
(3) Mechanizm rozpuszczania celulozy
Różne odczynniki wykorzystują różne mechanizmy rozpuszczania celulozy, ale ogólnie rzecz biorąc można je przypisać dwóm głównym mechanizmom:
Niszczenie wiązań wodorowych: Zniszczenie wiązań wodorowych pomiędzy łańcuchami cząsteczkowymi celulozy poprzez konkurencyjne tworzenie wiązań wodorowych lub oddziaływanie jonowe, czyniąc ją rozpuszczalną.
Relaksacja łańcucha molekularnego: Zwiększenie miękkości łańcuchów molekularnych celulozy i zmniejszenie krystaliczności łańcuchów molekularnych poprzez środki fizyczne lub chemiczne, tak aby można je było rozpuścić w rozpuszczalnikach.
(4) Praktyczne zastosowania rozpuszczania celulozy
Rozpuszczanie celulozy jest wykorzystywane w wielu dziedzinach:
Przygotowanie pochodnych celulozy: Po rozpuszczeniu celulozy można ją poddać dalszej modyfikacji chemicznej w celu przygotowania eterów celulozy, estrów celulozy i innych pochodnych, które są szeroko stosowane w żywności, medycynie, powłokach i innych dziedzinach.
Materiały na bazie celulozy: Przy użyciu rozpuszczonej celulozy można przygotować nanowłókna celulozowe, membrany celulozowe i inne materiały. Materiały te mają dobre właściwości mechaniczne i biokompatybilność.
Energia z biomasy: W wyniku rozpuszczenia i rozkładu celulozy można ją przekształcić w cukry fermentujące do produkcji biopaliw, np. bioetanolu, co przyczynia się do rozwoju i wykorzystania energii odnawialnej.
Rozpuszczanie celulozy to złożony proces obejmujący wiele mechanizmów chemicznych i fizycznych. Obecnie wiadomo, że ciecze jonowe, roztwory aminoutleniaczy, układy LiCl-DMAc, roztwory kwasu solnego/chlorku cynku i enzymy celolityczne są skutecznymi środkami rozpuszczającymi celulozę. Każdy środek ma swój własny, unikalny mechanizm rozpuszczania i pole zastosowania. Uważa się, że dzięki dogłębnemu badaniu mechanizmu rozpuszczania celulozy zostaną opracowane bardziej wydajne i przyjazne dla środowiska metody rozpuszczania, zapewniające więcej możliwości wykorzystania i rozwoju celulozy.
Czas publikacji: 09-07-2024