Какой реагент растворяет целлюлозу?

Целлюлоза представляет собой сложный полисахарид, состоящий из множества единиц глюкозы, соединенных β-1,4-гликозидными связями. Это основной компонент стенок растительных клеток, который придает стенкам растительных клеток прочную структурную поддержку и прочность. Благодаря длинной молекулярной цепи целлюлозы и высокой кристалличности она обладает высокой стабильностью и нерастворимостью.

(1) Свойства целлюлозы и сложность растворения

Целлюлоза обладает следующими свойствами, которые затрудняют растворение:

Высокая кристалличность: молекулярные цепи целлюлозы образуют плотную решетчатую структуру за счет водородных связей и сил Ван-дер-Ваальса.

Высокая степень полимеризации. Степень полимеризации (т.е. длина молекулярной цепи) целлюлозы высока и обычно составляет от сотен до тысяч единиц глюкозы, что повышает стабильность молекулы.

Сеть водородных связей: Водородные связи широко присутствуют между молекулярными цепями целлюлозы и внутри них, что затрудняет их разрушение и растворение обычными растворителями.

(2) Реагенты, растворяющие целлюлозу

В настоящее время известные реагенты, способные эффективно растворять целлюлозу, в основном включают следующие категории:

1. Ионные жидкости

Ионные жидкости — это жидкости, состоящие из органических катионов и органических или неорганических анионов, обычно с низкой летучестью, высокой термической стабильностью и высокой регулируемостью. Некоторые ионные жидкости способны растворять целлюлозу, и основной механизм заключается в разрыве водородных связей между молекулярными цепями целлюлозы. К распространенным ионным жидкостям, растворяющим целлюлозу, относятся:

Хлорид 1-бутил-3-метилимидазолия ([BMIM]Cl): эта ионная жидкость растворяет целлюлозу, взаимодействуя с водородными связями в целлюлозе через акцепторы водородных связей.

Ацетат 1-этил-3-метилимидазолия ([EMIM][Ac]): эта ионная жидкость может растворять высокие концентрации целлюлозы в относительно мягких условиях.

2. Раствор аминного окислителя.
Раствор аминного окислителя, такой как смешанный раствор диэтиламина (ДЭА) и хлорида меди, называется [раствором Cu(II)-аммония], который представляет собой сильную систему растворителей, способную растворять целлюлозу. Он разрушает кристаллическую структуру целлюлозы посредством окисления и образования водородных связей, делая молекулярную цепь целлюлозы более мягкой и растворимой.

3. Система хлорид лития-диметилацетамид (LiCl-DMAc).
Система LiCl-DMAc (хлорид лития-диметилацетамид) является одним из классических методов растворения целлюлозы. LiCl может конкурировать за водородные связи, тем самым разрушая сеть водородных связей между молекулами целлюлозы, тогда как DMAc как растворитель может хорошо взаимодействовать с молекулярной цепью целлюлозы.

4. Раствор соляной кислоты/хлорида цинка.
Раствор соляной кислоты и хлорида цинка — это рано открытый реагент, способный растворять целлюлозу. Он может растворять целлюлозу, создавая координационный эффект между хлоридом цинка и молекулярными цепями целлюлозы, а соляная кислота разрушает водородные связи между молекулами целлюлозы. Однако это решение вызывает сильную коррозию оборудования и ограничено в практическом применении.

5. Фибринолитические ферменты.
Фибринолитические ферменты (такие как целлюлазы) растворяют целлюлозу, катализируя разложение целлюлозы на более мелкие олигосахариды и моносахариды. Этот метод имеет широкий спектр применения в области биоразложения и преобразования биомассы, хотя процесс его растворения не является полностью химическим растворением, а достигается посредством биокатализа.

(3) Механизм растворения целлюлозы

Разные реагенты имеют разные механизмы растворения целлюлозы, но в целом к ​​ним можно отнести два основных механизма:
Разрушение водородных связей: Разрушение водородных связей между молекулярными цепями целлюлозы посредством конкурентного образования водородных связей или ионного взаимодействия, что делает ее растворимой.
Релаксация молекулярной цепи: увеличение мягкости молекулярных цепей целлюлозы и уменьшение кристалличности молекулярных цепей физическими или химическими средствами, чтобы их можно было растворить в растворителях.

(4) Практическое применение растворения целлюлозы

Растворение целлюлозы имеет важные применения во многих областях:
Получение производных целлюлозы: после растворения целлюлозы ее можно дополнительно химически модифицировать для получения простых эфиров целлюлозы, сложных эфиров целлюлозы и других производных, которые широко используются в продуктах питания, медицине, покрытиях и других областях.
Материалы на основе целлюлозы. Используя растворенную целлюлозу, можно получить целлюлозные нановолокна, целлюлозные мембраны и другие материалы. Эти материалы обладают хорошими механическими свойствами и биосовместимостью.
Энергия биомассы: растворяя и разлагая целлюлозу, ее можно превратить в сбраживаемые сахара для производства биотоплива, такого как биоэтанол, что помогает добиться развития и использования возобновляемых источников энергии.

Растворение целлюлозы — сложный процесс, включающий множество химических и физических механизмов. В настоящее время известно, что ионные жидкости, растворы аминооксидантов, системы LiCl-DMAc, растворы соляная кислота/хлорид цинка и целлолитические ферменты являются эффективными агентами для растворения целлюлозы. Каждый агент имеет свой уникальный механизм растворения и область применения. Считается, что при углубленном изучении механизма растворения целлюлозы будут разработаны более эффективные и экологически чистые методы растворения, предоставляющие больше возможностей для использования и развития целлюлозы.


Время публикации: 9 июля 2024 г.