Celulóza je komplexný polysacharid zložený z mnohých glukózových jednotiek spojených β-1,4-glykozidovými väzbami. Je hlavnou zložkou bunkových stien rastlín a dáva stenám rastlinných buniek silnú štrukturálnu oporu a pevnosť. Vďaka dlhému molekulárnemu reťazcu celulózy a vysokej kryštalinite má silnú stabilitu a nerozpustnosť.
(1) Vlastnosti celulózy a ťažkosti pri rozpúšťaní
Celulóza má nasledujúce vlastnosti, ktoré sťažujú jej rozpúšťanie:
Vysoká kryštalinita: Molekulárne reťazce celulózy tvoria pevnú mriežkovú štruktúru prostredníctvom vodíkových väzieb a van der Waalsových síl.
Vysoký stupeň polymerizácie: Stupeň polymerizácie (tj dĺžka molekulového reťazca) celulózy je vysoký, zvyčajne sa pohybuje od stoviek až po tisíce jednotiek glukózy, čo zvyšuje stabilitu molekuly.
Sieť vodíkových väzieb: Vodíkové väzby sú široko prítomné medzi molekulovými reťazcami celulózy a v nich, čo sťažuje ich zničenie a rozpustenie všeobecnými rozpúšťadlami.
(2) Činidlá, ktoré rozpúšťajú celulózu
V súčasnosti známe činidlá, ktoré môžu účinne rozpúšťať celulózu, zahŕňajú najmä tieto kategórie:
1. Iónové kvapaliny
Iónové kvapaliny sú kvapaliny zložené z organických katiónov a organických alebo anorganických aniónov, zvyčajne s nízkou prchavosťou, vysokou tepelnou stabilitou a vysokou nastaviteľnosťou. Niektoré iónové kvapaliny môžu rozpúšťať celulózu a hlavným mechanizmom je prerušenie vodíkových väzieb medzi molekulovými reťazcami celulózy. Bežné iónové kvapaliny, ktoré rozpúšťajú celulózu, zahŕňajú:
1-Butyl-3-metylimidazoliumchlorid ([BMIM]Cl): Táto iónová kvapalina rozpúšťa celulózu interakciou s vodíkovými väzbami v celulóze prostredníctvom akceptorov vodíkových väzieb.
1-Etyl-3-metylimidazoliumacetát ([EMIM][Ac]): Táto iónová kvapalina môže rozpúšťať vysoké koncentrácie celulózy za relatívne miernych podmienok.
2. Roztok amínového oxidantu
Roztok amínového oxidantu, ako je zmiešaný roztok dietylamínu (DEA) a chloridu meďnatého, sa nazýva [roztok Cu(II)-amónia], čo je silný rozpúšťadlový systém, ktorý dokáže rozpustiť celulózu. Oxidáciou a vodíkovými väzbami ničí kryštálovú štruktúru celulózy, čím sa molekulárny reťazec celulózy stáva mäkším a rozpustnejším.
3. Systém chlorid lítny-dimetylacetamid (LiCl-DMAc).
Systém LiCl-DMAc (chlorid lítny-dimetylacetamid) je jednou z klasických metód rozpúšťania celulózy. LiCl môže tvoriť súťaž o vodíkové väzby, čím sa zničí sieť vodíkových väzieb medzi molekulami celulózy, zatiaľ čo DMAc ako rozpúšťadlo môže dobre interagovať s molekulárnym reťazcom celulózy.
4. Roztok kyseliny chlorovodíkovej/chloridu zinočnatého
Roztok kyseliny chlorovodíkovej/chloridu zinočnatého je skorým objaveným činidlom, ktoré dokáže rozpustiť celulózu. Dokáže rozpustiť celulózu vytvorením koordinačného účinku medzi chloridom zinočnatým a molekulárnymi reťazcami celulózy a kyselinou chlorovodíkovou, ktorá ničí vodíkové väzby medzi molekulami celulózy. Toto riešenie je však vysoko korozívne pre zariadenia a je obmedzené v praktických aplikáciách.
5. Fibrinolytické enzýmy
Fibrinolytické enzýmy (ako sú celulázy) rozpúšťajú celulózu tým, že katalyzujú rozklad celulózy na menšie oligosacharidy a monosacharidy. Táto metóda má širokú škálu aplikácií v oblasti biodegradácie a konverzie biomasy, hoci jej proces rozpúšťania nie je úplne chemickým rozpúšťaním, ale dosahuje sa biokatalýzou.
(3) Mechanizmus rozpúšťania celulózy
Rôzne činidlá majú rôzne mechanizmy na rozpúšťanie celulózy, ale vo všeobecnosti ich možno pripísať dvom hlavným mechanizmom:
Deštrukcia vodíkových väzieb: Zničenie vodíkových väzieb medzi molekulovými reťazcami celulózy kompetitívnou tvorbou vodíkových väzieb alebo iónovou interakciou, čím sa stáva rozpustným.
Relaxácia molekulárneho reťazca: Zvýšenie mäkkosti molekulárnych reťazcov celulózy a zníženie kryštalinity molekulárnych reťazcov fyzikálnymi alebo chemickými prostriedkami, aby sa mohli rozpustiť v rozpúšťadlách.
(4) Praktické aplikácie rozpúšťania celulózy
Rozpúšťanie celulózy má dôležité využitie v mnohých oblastiach:
Príprava derivátov celulózy: Po rozpustení celulózy je možné ju ďalej chemicky upravovať na prípravu éterov celulózy, esterov celulózy a iných derivátov, ktoré majú široké využitie v potravinárstve, medicíne, náteroch a iných oblastiach.
Materiály na báze celulózy: Pomocou rozpustenej celulózy je možné pripraviť celulózové nanovlákna, celulózové membrány a ďalšie materiály. Tieto materiály majú dobré mechanické vlastnosti a biokompatibilitu.
Energia biomasy: Rozpúšťaním a degradáciou celulózy sa môže premeniť na skvasiteľné cukry na výrobu biopalív, ako je bioetanol, čo pomáha dosiahnuť rozvoj a využitie obnoviteľnej energie.
Rozpúšťanie celulózy je zložitý proces zahŕňajúci viaceré chemické a fyzikálne mechanizmy. Iónové kvapaliny, roztoky aminooxidantov, systémy LiCl-DMAc, roztoky kyseliny chlorovodíkovej/chloridu zinočnatého a celolytické enzýmy sú v súčasnosti známe ako účinné činidlá na rozpúšťanie celulózy. Každý prostriedok má svoj vlastný jedinečný mechanizmus rozpúšťania a oblasť použitia. S hĺbkovým štúdiom mechanizmu rozpúšťania celulózy sa predpokladá, že budú vyvinuté účinnejšie a ekologickejšie metódy rozpúšťania, ktoré poskytnú viac možností na využitie a vývoj celulózy.
Čas odoslania: júl-09-2024