Целлюлоза представляет собой сложный полисахарид, состоящий из многих единиц глюкозы, связанных с β-1,4-гликозидными связями. Это основной компонент клеточных стенок растительных клеток и дает сильную структурную поддержку и прочность растительных клеток. Из -за длинной целлюлозной молекулярной цепи и высокой кристалличности он обладает сильной стабильностью и неразвиткой.
(1) свойства целлюлозы и трудности в растворении
Целлюлоза обладает следующими свойствами, которые затрудняют растворение:
Высокая кристалличность: молекулярные целлюлозы образуют плотную структуру решетки через водородные связи и силы ван -дер -ваальса.
Высокая степень полимеризации: степень полимеризации (то есть длина молекулярной цепи) целлюлозы высока, обычно от сотен до тысяч единиц глюкозы, что повышает стабильность молекулы.
Сеть водородных связей: водородные связи широко присутствуют между молекулярными цепями и внутри и внутри и внутри и внутри и внутри и внутри и внутри и внутри и внутри и внутри и внутри и внутри и внутри и внутри и внутри и внутри и внутри и внутри и внутри и внутри и внутри целлюлозных молекулярных цепей, что затрудняет разрушение и растворение общими растворителями.
(2) Реагенты, которые растворяют целлюлозу
В настоящее время известные реагенты, которые могут эффективно растворить целлюлозу в основном, включают следующие категории:
1. Ионные жидкости
Ионные жидкости представляют собой жидкости, состоящие из органических катионов и органических или неорганических анионов, обычно с низкой волатильностью, высокой тепловой стабильностью и высокой регулировкой. Некоторые ионные жидкости могут растворять целлюлозу, а основной механизм состоит в том, чтобы разбить водородные связи между целлюлозными молекулярными цепями. Общие ионные жидкости, которые растворяют целлюлозу, включают:
1-бутил-3-метилмидазолий хлорид ([BMIM] CL): эта ионная жидкость растворяет целлюлозу путем взаимодействия с водородными связями в целлюлозе через акцепторы водородных связей.
1-этил-3-метилимидазолий ацетат ([EMIM] [AC]): эта ионная жидкость может растворять высокие концентрации целлюлозы в относительно мягких условиях.
2. Окислительный раствор амин
Окислительный раствор амина, такой как смешанный раствор диэтиламина (DEA) и хлорида меди, называется раствором [Cu (II) -Ammonium], которая представляет собой сильную систему растворителя, которая может растворять целлюлозу. Он разрушает кристаллическую структуру целлюлозы посредством окисления и водородной связи, делая целлюлозу молекулярной цепи более мягкой и растворимой.
3. Система лития хлорида-диметиламида (LICL-DMAC)
Система LICL-DMAC (литий-хлорид-диметиламид) является одним из классических методов растворения целлюлозы. LICL может сформировать конкуренцию за водородные связи, тем самым разрушая сеть водородных связей между молекулами целлюлозы, в то время как DMAC в качестве растворителя может хорошо взаимодействовать с целлюлозой молекулярной цепью.
4. Раствор соляной кислоты/хлорида цинка/цинка
Раствор соляной кислоты/хлорида цинка является ранним обнаруженным реагентом, который может растворять целлюлозу. Он может растворять целлюлозу, образуя координационный эффект между хлоридом цинка и молекулярными цепями целлюлозы, а также соляной кислоты разрушает водородные связи между молекулами целлюлозы. Тем не менее, это решение очень коррозии для оборудования и ограничено практическим применением.
5. Фибринолитические ферменты
Фибринолитические ферменты (такие как целлюлазы) растворяют целлюлозу, катализируя разложение целлюлозы на меньшие олигосахариды и моносахариды. Этот метод имеет широкий спектр применений в областях биодеградации и преобразования биомассы, хотя его процесс растворения не является полностью химическим растворением, но достигается с помощью биокатализа.
(3) Механизм растворения целлюлозы
Различные реагенты имеют разные механизмы для растворения целлюлозы, но в целом они могут быть связаны с двумя основными механизмами:
Разрушение водородных связей: уничтожение водородных связей между молекулярными цепями целлюлозы посредством конкурентного образования водородных связей или ионного взаимодействия, что делает его растворимым.
Релаксация молекулярной цепи: увеличение мягкости целлюлозных молекулярных цепей и снижение кристалличности молекулярных цепей с помощью физических или химических средств, чтобы их можно было растворить в растворителях.
(4) Практическое применение растворения целлюлозы
Растворение целлюлозы имеет важные применения во многих областях:
Приготовление производных целлюлозы: после растворения целлюлозы она может быть дополнительно химически модифицирована для приготовления эфиров целлюлозы, эфиров целлюлозы и других производных, которые широко используются в пищевых продуктах, лекарствах, покрытиях и других полях.
Материалы на основе целлюлозы: могут быть приготовлены использование растворенной целлюлозы, нановолокна целлюлозы, целлюлозных мембран и других материалов. Эти материалы обладают хорошими механическими свойствами и биосовместимостью.
Энергия биомассы: растворяя и разлагая целлюлозу, она может быть преобразована в ферментируемые сахары для производства биотоплива, таких как биоэтанол, что помогает достичь развития и использования возобновляемых источников энергии.
Растворение целлюлозы является сложным процессом, включающим множественные химические и физические механизмы. Ионные жидкости, растворы амино окислителей, системы LICL-DMAC, растворы соляной кислоты/хлорида цинка и целолитические ферменты, как известно, являются эффективными агентами для растворения целлюлозы. Каждый агент имеет свой собственный уникальный механизм растворения и поле применения. С учетом углубленного исследования механизма растворения целлюлозы считается, что будут разработаны более эффективные и экологически чистые методы растворения, предоставляя больше возможностей для использования и развития целлюлозы.
Время сообщения: июль-09-2024