Celuloza este o polizaharidă complexă compusă din multe unități de glucoză legate prin legături β-1,4-glicozidice. Este componenta principală a pereților celulari ai plantelor și oferă pereților celulelor plantelor un suport structural puternic și duritate. Datorită lanțului molecular lung de celuloză și cristalinității ridicate, are o stabilitate puternică și insolubilitate.
(1) Proprietățile celulozei și dificultatea de dizolvare
Celuloza are următoarele proprietăți care fac dificilă dizolvarea:
Cristalinitate ridicată: Lanțurile moleculare de celuloză formează o structură de rețea strânsă prin legături de hidrogen și forțe Van der Waals.
Grad ridicat de polimerizare: Gradul de polimerizare (adică lungimea lanțului molecular) al celulozei 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 interiorul lanțurilor moleculare de celuloză, ceea ce face dificilă distrugerea și dizolvarea de către 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 ajustabilitate ridicată. Unele lichide ionice pot dizolva celuloza, iar mecanismul principal este de a rupe legăturile de hidrogen dintre lanțurile moleculare de celuloză. Lichidele ionice comune care dizolvă celuloza includ:
Clorura de 1-butil-3-metilimidazoliu ([BMIM]Cl): Acest lichid ionic dizolvă celuloza prin interacțiunea cu legăturile de hidrogen din celuloză prin acceptori de legături de hidrogen.
Acetat de 1-etil-3-metilimidazoliu ([EMIM][Ac]): Acest lichid ionic poate dizolva concentrații mari de celuloză în condiții relativ blânde.
2. Soluție de oxidant amină
Soluția de oxidant amină, cum ar fi o soluție mixtă de dietilamină (DEA) și clorură de cupru, se numește [Soluție de Cu(II)-amoniu], care este un sistem puternic de solvenți care poate dizolva celuloza. Distruge structura cristalină a celulozei prin oxidare și legături de hidrogen, făcând lanțul molecular de celuloză mai moale și mai solubil.
3. Sistem clorură de litiu-dimetilacetamidă (LiCl-DMAc).
Sistemul LiCl-DMAc (clorura de litiu-dimetilacetamida) este una dintre metodele clasice de dizolvare a celulozei. LiCl poate forma o competiție pentru legăturile de hidrogen, distrugând astfel rețeaua de legături de hidrogen dintre moleculele de celuloză, în timp ce DMAc ca solvent poate interacționa bine cu lanțul molecular de celuloză.
4. Soluție de acid clorhidric/clorură de zinc
Soluția de acid clorhidric/clorură de zinc este un reactiv descoperit timpuriu care poate dizolva celuloza. Poate dizolva celuloza prin formarea unui efect de coordonare între lanțurile moleculare de clorură de zinc și celuloză, iar acidul clorhidric distrugând legăturile de hidrogen dintre moleculele de celuloză. Cu toate acestea, această soluție este foarte 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 monozaharide mai mici. Această metodă are o gamă largă de aplicații în domeniile biodegradării și conversiei biomasei, deși procesul ei de dizolvare nu este dizolvare complet chimică, ci se realizează prin biocataliză.
(3) Mecanismul de dizolvare a celulozei
Reactivi diferiți au mecanisme diferite de dizolvare a celulozei, dar în general pot fi atribuiți două mecanisme principale:
Distrugerea legăturilor de hidrogen: Distrugerea legăturilor de hidrogen dintre lanțurile moleculare de celuloză prin formarea legăturilor de hidrogen competitive sau interacțiunea ionică, făcându-l solubil.
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:
Prepararea derivaților de celuloză: După dizolvarea celulozei, aceasta poate fi modificată chimic în continuare pentru a prepara eteri de celuloză, esteri de celuloză și alți derivați, care sunt utilizați pe scară largă în alimentație, medicină, acoperiri și alte domenii.
Materiale pe bază de celuloză: Folosind celuloză dizolvată, pot fi preparate nanofibre de celuloză, membrane de celuloză și alte materiale. Aceste materiale au proprietăți mecanice bune și biocompatibilitate.
Energie din biomasă: Prin dizolvarea și degradarea celulozei, aceasta poate fi transformată în zaharuri fermentabile pentru producerea de biocombustibili precum bioetanolul, care ajută la dezvoltarea și utilizarea energiei regenerabile.
Dizolvarea celulozei este un proces complex care implică multiple mecanisme chimice și fizice. Lichidele ionice, soluțiile de amino oxidanți, sistemele LiCl-DMAc, soluțiile de acid clorhidric/clorură de zinc și enzimele celolitice sunt în prezent cunoscute a fi agenți eficienți pentru dizolvarea celulozei. Fiecare agent are propriul său mecanism de dizolvare și câmp de aplicare unic. Odată cu studiul aprofundat al mecanismului de dizolvare a celulozei, se crede că vor fi dezvoltate metode de dizolvare mai eficiente și mai ecologice, oferind mai multe posibilități de utilizare și dezvoltare a celulozei.
Ora postării: Iul-09-2024