Celuloza jest złożonym polisacharydem złożonym 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 molekularny celulozy i wysoką krystaliczność ma dużą stabilność i nierozpuszczalność.
(1) Właściwości celulozy i trudność rozpuszczania
Celuloza ma następujące właściwości, które utrudniają jej rozpuszczenie:
Wysoka krystaliczność: Łańcuchy molekularne celulozy tworzą zwartą strukturę sieciową poprzez wiązania wodorowe i siły van der Waalsa.
Wysoki stopień polimeryzacji: Stopień polimeryzacji (tj. długość łańcucha molekularnego) celulozy jest wysoki i zwykle waha się od setek do tysięcy jednostek glukozy, co zwiększa stabilność cząsteczki.
Sieć wiązań wodorowych: Wiązania wodorowe są szeroko obecne pomiędzy łańcuchami molekularnymi celulozy i w ich obrębie, co utrudnia ich zniszczenie i rozpuszczenie przez ogólne rozpuszczalniki.
(2) Odczynniki rozpuszczające celulozę
Obecnie znane odczynniki, które mogą skutecznie rozpuszczać celulozę, obejmują głównie następujące kategorie:
1. Ciecze jonowe
Ciecze jonowe to ciecze złożone z kationów organicznych i anionów organicznych lub nieorganicznych, zwykle o małej lotności, wysokiej stabilności termicznej i dużych możliwościach regulacji. Niektóre ciecze jonowe mogą rozpuszczać celulozę, a głównym mechanizmem jest rozrywanie wiązań wodorowych pomiędzy łańcuchami molekularnymi celulozy. Typowe ciecze jonowe rozpuszczające celulozę obejmują:
Chlorek 1-butylo-3-metyloimidazoliowy ([BMIM]Cl): Ta ciecz jonowa rozpuszcza celulozę poprzez oddziaływanie z wiązaniami wodorowymi w celulozie poprzez akceptory wiązań wodorowych.
Octan 1-etylo-3-metyloimidazoliowy ([EMIM][Ac]): Ta ciecz jonowa może rozpuszczać celulozę w dużych stężeniach w stosunkowo łagodnych warunkach.
2. Roztwór utleniacza aminowego
Roztwór utleniacza aminowego, taki jak mieszany roztwór dietyloaminy (DEA) i chlorku miedzi, nazywany jest [roztworem Cu(II)-amonowym] i jest silnym układem rozpuszczalników, który może rozpuszczać celulozę. Niszczy strukturę krystaliczną celulozy poprzez utlenianie i wiązania wodorowe, dzięki czemu łańcuch molekularny celulozy jest bardziej miękki i bardziej rozpuszczalny.
3. Układ chlorek litu-dimetyloacetamid (LiCl-DMAc).
Układ LiCl-DMAc (chlorek litu-dimetyloacetamid) to jedna z klasycznych metod rozpuszczania celulozy. LiCl może stanowić konkurencję dla wiązań wodorowych, 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 solnego/chlorku cynku
Roztwór kwasu solnego i chlorku cynku jest wcześnie odkrytym odczynnikiem, który może rozpuszczać celulozę. Może rozpuszczać celulozę, tworząc efekt koordynacji między łańcuchami molekularnymi chlorku cynku i celulozy, a kwas solny niszczy wiązania wodorowe między cząsteczkami celulozy. Jednakże rozwiązanie to jest silnie korozyjne dla sprzętu i ma ograniczone zastosowania praktyczne.
5. Enzymy fibrynolityczne
Enzymy fibrynolityczne (takie jak celulazy) rozpuszczają celulozę, katalizując rozkład celulozy na mniejsze oligosacharydy i monosacharydy. Metoda ta ma szerokie zastosowanie w dziedzinie biodegradacji i konwersji biomasy, chociaż proces jej rozpuszczania nie jest całkowicie rozpuszczaniem chemicznym, ale osiąga się go poprzez biokatalizę.
(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 pomiędzy łańcuchami molekularnymi celulozy poprzez konkurencyjne tworzenie wiązań wodorowych lub oddziaływanie jonowe, czyniąc je rozpuszczalnymi.
Relaksacja łańcucha molekularnego: zwiększenie miękkości łańcuchów molekularnych celulozy i zmniejszenie krystaliczności łańcuchów molekularnych za pomocą środków fizycznych lub chemicznych, tak aby można je było rozpuścić w rozpuszczalnikach.
(4) Praktyczne zastosowania rozpuszczania celulozy
Rozpuszczanie celulozy ma ważne zastosowania w wielu dziedzinach:
Wytwarzanie pochodnych celulozy: Po rozpuszczeniu celulozy można ją dalej modyfikować chemicznie w celu wytworzenia eterów celulozy, estrów celulozy i innych pochodnych, które są szeroko stosowane w żywności, medycynie, powłokach i innych dziedzinach.
Materiały na bazie celulozy: Za pomocą rozpuszczonej celulozy można przygotować nanowłókna celulozy, membrany celulozowe i inne materiały. Materiały te charakteryzują się dobrymi właściwościami mechanicznymi i biokompatybilnością.
Energia z biomasy: rozpuszczając i degradując celulozę, można ją przekształcić w cukry podlegające fermentacji do produkcji biopaliw, takich jak bioetanol, co pomaga w rozwoju i wykorzystaniu energii odnawialnej.
Rozpuszczanie celulozy jest złożonym procesem obejmującym 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 agent ma swój własny, unikalny mechanizm rozpuszczania i obszar zastosowania. Uważa się, że dzięki dogłębnym badaniom mechanizmu rozpuszczania celulozy zostaną opracowane bardziej wydajne i przyjazne dla środowiska metody rozpuszczania, zapewniające większe możliwości wykorzystania i rozwoju celulozy.
Czas publikacji: 09 lipca 2024 r