A celulose é um polissacarídeo complexo composto por diversas unidades de glicose conectadas por ligações β-1,4-glicosídicas. É o principal componente das paredes celulares vegetais e confere a elas forte suporte estrutural e tenacidade. Devido à longa cadeia molecular da celulose e à alta cristalinidade, apresenta forte estabilidade e insolúvelidade.
(1) Propriedades da celulose e dificuldade de dissolução
A celulose tem as seguintes propriedades que dificultam sua dissolução:
Alta cristalinidade: As cadeias moleculares da celulose formam uma estrutura reticular estreita por meio de ligações de hidrogênio e forças de van der Waals.
Alto grau de polimerização: O grau de polimerização (ou seja, o comprimento da cadeia molecular) da celulose é alto, geralmente variando de centenas a milhares de unidades de glicose, o que aumenta a estabilidade da molécula.
Rede de ligações de hidrogênio: As ligações de hidrogênio estão amplamente presentes entre e dentro das cadeias moleculares de celulose, dificultando sua destruição e dissolução por solventes gerais.
(2) Reagentes que dissolvem a celulose
Atualmente, os reagentes conhecidos que podem dissolver celulose de forma eficaz incluem principalmente as seguintes categorias:
1. Líquidos iônicos
Líquidos iônicos são líquidos compostos de cátions orgânicos e ânions orgânicos ou inorgânicos, geralmente com baixa volatilidade, alta estabilidade térmica e alta capacidade de ajuste. Alguns líquidos iônicos podem dissolver celulose, e o principal mecanismo é quebrar as ligações de hidrogênio entre as cadeias moleculares da celulose. Os líquidos iônicos comuns que dissolvem celulose incluem:
Cloreto de 1-butil-3-metilimidazólio ([BMIM]Cl): Este líquido iônico dissolve a celulose interagindo com ligações de hidrogênio na celulose por meio de aceitadores de ligações de hidrogênio.
Acetato de 1-etil-3-metilimidazólio ([EMIM][Ac]): Este líquido iônico pode dissolver altas concentrações de celulose sob condições relativamente suaves.
2. Solução oxidante de amina
Uma solução oxidante de amina, como uma solução mista de dietilamina (DEA) e cloreto de cobre, é chamada de [solução de Cu(II)-amônio], que é um sistema solvente forte capaz de dissolver a celulose. Ela destrói a estrutura cristalina da celulose por meio da oxidação e das ligações de hidrogênio, tornando a cadeia molecular da celulose mais macia e solúvel.
3. Sistema cloreto de lítio-dimetilacetamida (LiCl-DMAc)
O sistema LiCl-DMAc (cloreto de lítio-dimetilacetamida) é um dos métodos clássicos para dissolver celulose. O LiCl pode competir por ligações de hidrogênio, destruindo assim a rede de ligações de hidrogênio entre as moléculas de celulose, enquanto o DMAc, como solvente, pode interagir bem com a cadeia molecular da celulose.
4. Solução de ácido clorídrico/cloreto de zinco
A solução de ácido clorídrico/cloreto de zinco é um reagente descoberto há muito tempo que pode dissolver celulose. Ela pode dissolver a celulose formando um efeito de coordenação entre as cadeias moleculares de cloreto de zinco e celulose, enquanto o ácido clorídrico destrói as ligações de hidrogênio entre as moléculas de celulose. No entanto, essa solução é altamente corrosiva para equipamentos e tem aplicações práticas limitadas.
5. Enzimas fibrinolíticas
Enzimas fibrinolíticas (como as celulases) dissolvem a celulose catalisando a decomposição da celulose em oligossacarídeos e monossacarídeos menores. Esse método tem ampla gama de aplicações nas áreas de biodegradação e conversão de biomassa, embora seu processo de dissolução não seja totalmente químico, mas sim realizado por biocatálise.
(3) Mecanismo de dissolução da celulose
Diferentes reagentes têm diferentes mecanismos para dissolver celulose, mas em geral eles podem ser atribuídos a dois mecanismos principais:
Destruição de ligações de hidrogênio: Destruição das ligações de hidrogênio entre as cadeias moleculares da celulose por meio da formação de ligações de hidrogênio competitivas ou interação iônica, tornando-a solúvel.
Relaxamento da cadeia molecular: aumento da maciez das cadeias moleculares da celulose e redução da cristalinidade das cadeias moleculares por meios físicos ou químicos, para que possam ser dissolvidas em solventes.
(4) Aplicações práticas da dissolução da celulose
A dissolução de celulose tem aplicações importantes em muitos campos:
Preparação de derivados de celulose: Após a dissolução da celulose, ela pode ser quimicamente modificada para preparar éteres de celulose, ésteres de celulose e outros derivados, que são amplamente utilizados em alimentos, medicamentos, revestimentos e outros campos.
Materiais à base de celulose: Utilizando celulose dissolvida, podem ser preparadas nanofibras de celulose, membranas de celulose e outros materiais. Esses materiais apresentam boas propriedades mecânicas e biocompatibilidade.
Energia de biomassa: Ao dissolver e degradar a celulose, ela pode ser convertida em açúcares fermentáveis para a produção de biocombustíveis, como o bioetanol, o que ajuda a alcançar o desenvolvimento e a utilização de energia renovável.
A dissolução da celulose é um processo complexo que envolve múltiplos mecanismos químicos e físicos. Líquidos iônicos, soluções de aminooxidantes, sistemas LiCl-DMAc, soluções de ácido clorídrico/cloreto de zinco e enzimas celolíticas são atualmente conhecidos como agentes eficazes para a dissolução da celulose. Cada agente possui seu próprio mecanismo de dissolução e campo de aplicação. Com o estudo aprofundado do mecanismo de dissolução da celulose, acredita-se que métodos de dissolução mais eficientes e ecologicamente corretos serão desenvolvidos, proporcionando mais possibilidades para a utilização e o desenvolvimento da celulose.
Horário da postagem: 09/07/2024