Celuloza este o polizaharidă complexă compusă din multe unități de glucoză conectate prin legături β-1,4-glicozidice. Este componenta principală a pereților celulelor vegetale și oferă pereților celulelor vegetale un sprijin structural puternic și duritate. Datorită lanțului molecular de celuloză lungă și a cristalinității ridicate, are o stabilitate puternică și o insoliență.
(1) Proprietățile celulozei și dificultăților în dizolvare
Celuloza are următoarele proprietăți care îngreunează dizolvarea:
Cristalinitate ridicată: lanțurile moleculare de celuloză formează o structură strânsă de zăbrele prin legături de hidrogen și forțele van der Waals.
Gradul ridicat de polimerizare: Gradul de polimerizare (adică lungimea lanțului molecular) de celuloză este mare, de obicei variind de la sute la mii de unități de glucoză, ceea ce crește stabilitatea moleculei.
Rețeaua de legături de hidrogen: Legăturile de hidrogen sunt prezente pe scară largă între și în lanțuri moleculare de celuloză, ceea ce face dificilă distrusă și dizolvată de solvenți generali.
(2) reactivi care dizolvă celuloza
În prezent, reactivii cunoscuți care pot dizolva eficient celuloza includ în principal următoarele categorii:
1. lichide ionice
Lichidele ionice sunt lichide compuse din cationi organici și anioni organici sau anorganici, de obicei cu volatilitate scăzută, stabilitate termică ridicată și reglabilitate ridicată. Unele lichide ionice pot dizolva celuloza, iar mecanismul principal este de a rupe legăturile de hidrogen între lanțurile moleculare de celuloză. Lichidele ionice comune care dizolvă celuloza includ:
Clorură de 1-butil-3-metilimidazolium ([BMIM] CL): Acest lichid ionic se dizolvă celuloza prin interacțiunea cu legăturile de hidrogen în celuloză prin acceptoarele de legături de hidrogen.
1-etil-3-metilimidazolium acetat ([EMIM] [AC]): Acest lichid ionic poate dizolva concentrații mari de celuloză în condiții relativ ușoare.
2. Soluție de oxidant amină
Soluția de oxidant de amină, cum ar fi o soluție mixtă de dietilamină (DEA) și clorură de cupru se numește [Cu (II) -monium soluție], care este un sistem puternic de solvent care poate dizolva celuloza. Distruge structura cristalină a celulozei prin oxidarea și legarea hidrogenului, ceea ce face ca lanțul molecular celuloză să fie mai moale și mai solubil.
3. Sistemul de clorură de litiu-dimetilacetamidă (LICL-DMAC)
Sistemul Licl-DMAC (clorură de litiu-dimetilacetamidă) este una dintre metodele clasice pentru dizolvarea celulozei. LICL poate forma o concurență pentru legăturile de hidrogen, distrugând astfel rețeaua de legături de hidrogen între moleculele de celuloză, în timp ce DMAC ca solvent poate interacționa bine cu lanțul molecular de celuloză.
4. Soluție de clorură de acid clorhidric/de zinc
Soluția de clorură de acid clorhidric/de zinc este un reactiv descoperit timpuriu care poate dizolva celuloza. Poate dizolva celuloza formând un efect de coordonare între clorura de zinc și lanțurile moleculare de celuloză și acidul clorhidric care distrug legăturile de hidrogen între moleculele de celuloză. Cu toate acestea, această soluție este extrem de corozivă pentru echipamente și este limitată în aplicații practice.
5. Enzime fibrinolitice
Enzimele fibrinolitice (cum ar fi celulazele) dizolvă celuloza prin catalizarea descompunerii celulozei în oligozaharide și monosacharide mai mici. Această metodă are o gamă largă de aplicații în domeniile biodegradării și conversiei biomasei, deși procesul său de dizolvare nu este complet dizolvare chimică, ci este obținut prin biocataliză.
(3) Mecanismul dizolvării celulozei
Reactivi diferiți au mecanisme diferite pentru dizolvarea celulozei, dar, în general, pot fi atribuite două mecanisme principale:
Distrugerea legăturilor de hidrogen: distrugerea legăturilor de hidrogen între lanțurile moleculare de celuloză prin formarea de legături competitive de hidrogen sau interacțiunea ionică, ceea ce o face solubilă.
Relaxarea lanțului molecular: creșterea moliciunii lanțurilor moleculare de celuloză și reducerea cristalinității lanțurilor moleculare prin mijloace fizice sau chimice, astfel încât acestea să poată fi dizolvate în solvenți.
(4) Aplicații practice ale dizolvării celulozei
Dizolvarea celulozei are aplicații importante în multe domenii:
Pregătirea derivatelor de celuloză: După dizolvarea celulozei, poate fi modificat în continuare chimic pentru a pregăti eteri de celuloză, esteri de celuloză și alți derivați, care sunt utilizate pe scară largă în alimente, medicamente, acoperiri și alte câmpuri.
Materiale pe bază de celuloză: utilizarea celulozei dizolvate, nanofibrelor de celuloză, membranelor de celuloză și alte materiale pot fi preparate. Aceste materiale au proprietăți mecanice bune și biocompatibilitate.
Energia biomasei: prin dizolvarea și degradarea celulozei, poate fi transformată în zaharuri fermentabile pentru producerea de biocombustibili, cum ar fi bioetanolul, care ajută la realizarea dezvoltării și utilizării energiei regenerabile.
Dizolvarea celulozei este un proces complex care implică mai multe mecanisme chimice și fizice. Lichidele ionice, soluțiile de oxidant amino, sistemele LICL-DMAC, soluțiile de clorură de acid clorhidric/zinc și enzimele cellolitice sunt cunoscute în prezent ca agenți eficienți pentru dizolvarea celulozei. Fiecare agent are propriul său mecanism unic de dizolvare și câmp de aplicare. Odată cu studiul aprofundat al mecanismului de dizolvare a celulozei, se crede că vor fi dezvoltate metode de dizolvare mai eficiente și ecologice, oferind mai multe posibilități pentru utilizarea și dezvoltarea celulozei.
Timpul post: 09-2024 iulie