Целлюлоза — сложный полисахарид, состоящий из множества глюкозных единиц, 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 трудности ее растворения
Целлюлоза обладает следующими свойствами, которые затрудняют ее 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, обычно составляет от сотен до тысяч единиц глюкозы, что увеличивает стабильность молекулы.
Сеть водородных связей: Водородные связи широко распространены между молекулярными цепями целлюлозы и внутри них, что затрудняет ее 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 могут растворять целлюлозу, и основным механизмом является разрыв водородных связей между молекулярными цепями целлюлозы. Обычные ионные жидкости, растворяющие целлюлозу, включают:
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 способна растворять высокие концентрации целлюлозы в относительно мягких условиях.
2. Раствор аминооксиданта
Раствор амина-окислителя, такой как смешанный раствор диэтиламина (ДЭА) и хлорида меди, называется [раствор Cu(II)-аммония], который является сильной системой растворителей, способной растворять целлюлозу. Он разрушает кристаллическую структуру целлюлозы посредством окисления и водородных связей, делая молекулярную цепь целлюлозы более мягкой и более 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, в то время как DMAc как растворитель может хорошо взаимодействовать с молекулярной цепью целлюлозы.
4. Раствор соляной кислоты/хлорида цинка
Раствор соляной кислоты/хлорида цинка является одним из первых обнаруженных реагентов, способных растворять целлюлозу. Он может растворять целлюлозу, образуя координационный эффект между цепями молекул хлорида цинка и целлюлозы, а соляная кислота разрушает водородные связи между молекулами целлюлозы. Однако этот раствор очень едкий для оборудования и ограничен 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 областях биодеградации и преобразования биомассы, хотя его процесс растворения не является полностью химическим растворением, а достигается посредством биокатализа.
(3) Механизм растворения целлюлозы
Различные реагенты имеют разные механизмы растворения целлюлозы, но в целом их можно отнести к двум основным механизмам:
Разрушение водородных связей: разрушение водородных связей между молекулярными цепями целлюлозы посредством образования конкурентных водородных связей или ионного взаимодействия, что делает ее растворимой.
Релаксация молекулярной цепи: увеличение мягкости молекулярных цепей целлюлозы и снижение кристалличности молекулярных цепей физическими или химическими способами, чтобы их можно было растворить в растворителях.
(4) Практическое применение растворения целлюлозы
Растворение целлюлозы имеет важное применение во многих областях:
Получение производных целлюлозы: После растворения целлюлозу можно дополнительно химически модифицировать для получения простых эфиров целлюлозы, сложных эфиров целлюлозы и других производных, которые широко используются в пищевой промышленности, медицине, производстве покрытий и других областях.
Материалы на основе целлюлозы: Используя растворенную целлюлозу, можно приготовить целлюлозные нановолокна, целлюлозные мембраны и другие материалы. Эти материалы обладают хорошими механическими свойствами и биосовместимостью.
Энергия биомассы: путем растворения и разложения целлюлозы ее можно преобразовать в ферментируемые сахара для производства биотоплива, такого как биоэтанол, что способствует развитию и использованию возобновляемой энергии.
Растворение целлюлозы — сложный процесс, включающий множество химических и физических механизмов. В настоящее время известно, что ионные жидкости, растворы аминооксидантов, системы LiCl-DMAc, растворы соляной кислоты/хлорида цинка и целлолитические ферменты являются эффективными агентами для растворения целлюлозы. Каждый агент имеет свой собственный уникальный механизм растворения и область применения. С глубоким изучением механизма растворения целлюлозы, как полагают, будут разработаны более эффективные и экологически чистые методы растворения, предоставляющие больше возможностей для использования и разработки целлюлозы.
Время публикации: 09 июля 2024 г.