Celulóza je komplexný polysacharid zložený z mnohých glukózových jednotiek spojených s p-1,4-glykozidickými väzbami. Je to hlavná zložka steny rastlinných buniek a poskytuje steny rastlinných buniek silnú štrukturálnu podporu a húževnatosť. V dôsledku dlhého molekulárneho reťazca celulózy a vysokej kryštalinity má silnú stabilitu a pestrosť.
(1) Vlastnosti celulózy a ťažkosti pri rozpustení
Celulóza má nasledujúce vlastnosti, ktoré sťažujú rozpustenie:
Vysoká kryštalinita: Celulózové molekulárne reťazce tvoria pevnú mriežkovú štruktúru cez vodíkové väzby a van der Waals síl.
Vysoký stupeň polymerizácie: Stupeň polymerizácie (tj dĺžka molekulárneho reťazca) celulózy je vysoký, zvyčajne v rozmedzí od stoviek do tisícov glukózových jednotiek, čo zvyšuje stabilitu molekuly.
Sieť vodíkových väzieb: Vodíkové väzby sú široko prítomné medzi molekulárnymi reťazcami celulózy av rámci v rámci v rámci celých reťazcov, čo sťažuje zničenie a rozpustenie všeobecnými rozpúšťadlami.
(2) Reagenty, ktoré rozpúšťajú celulózu
V súčasnosti známe činidlá, ktoré môžu účinne rozpustiť celulózu, obsahujú hlavne nasledujúce kategórie:
1. Iónové kvapaliny
Iónové kvapaliny sú kvapaliny zložené z organických katiónov a organických alebo anorganických aniónov, zvyčajne s nízkou volatilitou, vysokou tepelnou stabilitou a vysokou nastaviteľnosťou. Niektoré iónové kvapaliny môžu rozpustiť celulózu a hlavným mechanizmom je prelomenie vodíkových väzieb medzi molekulárnymi reťazcami celulózy. Bežné iónové kvapaliny, ktoré rozpúšťajú celulózu, zahŕňajú:
1-butyl-3-metylimidazolium chlorid ([BMIM] CL): Táto iónová kvapalina rozpúšťa celulózu interakciou s vodíkovými väzbami v celulóze prostredníctvom akceptorov vodíkovej väzby.
1-etyl-3-metylimidazolium acetát ([EMIM] [AC]): Táto iónová kvapalina môže rozpustiť vysoké koncentrácie celulózy za relatívne miernych podmienok.
2. Roztok oxidantu amínu
Roztok oxidantu amínu, ako je zmiešaný roztok dietylamínu (DEA) a chlorid meďnatého, sa nazýva [Cu (II) -ammonium roztok], čo je silný systém rozpúšťadla, ktorý môže rozpustiť celulózu. Ničí kryštálovú štruktúru celulózy oxidáciou a vodíkovou väzbou, vďaka čomu je celulóza molekulárneho reťazca jemnejšia a rozpustnejšia.
3.
Systém LICL-DMAC (litium chlorid-dimetylacetamid) je jednou z klasických metód rozpustenia celulózy. LICL môže tvoriť konkurenciu o vodíkové väzby, čím ničí sieť vodíkovej väzby medzi molekulami celulózy, zatiaľ čo DMAC ako rozpúšťadlo môže dobre interagovať s molekulárnym reťazcom celulózy.
4. Roztok kyseliny chlorovodíkovej/chloridu zinočnatého
Roztok kyseliny chlorovodíkovej/zinočnatého chloridu je včasné objavené činidlo, ktoré môže rozpustiť celulózu. Môže rozpustiť celulózu vytvorením koordinačného účinku medzi chloridom zinočnatého a celulózovými molekulárnymi reťazcami a kyselina hydrochlorová ničia vodíkové väzby medzi molekulami celulózy. Toto riešenie je však veľmi korozívne pre vybavenie a je obmedzené v praktických aplikáciách.
5. Fibrinolytické enzýmy
Fibrinolytické enzýmy (ako napríklad celulázy) rozpúšťajú celulózu katalyzovaním rozkladu celulózy na menšie oligosacharidy a monosacharidy. Táto metóda má širokú škálu aplikácií v oblastiach biodegradácie a konverzie biomasy, hoci jej proces rozpúšťania nie je úplne chemické rozpustenie, ale dosahuje sa biokatalýza.
(3) Mechanizmus rozpustenia celulózy
Rôzne činidlá majú rôzne mechanizmy rozpustenia celulózy, ale vo všeobecnosti ich možno pripísať dvom hlavným mechanizmom:
Zničenie vodíkových väzieb: ničenie vodíkových väzieb medzi molekulárnymi reťazcami celulózy prostredníctvom konkurenčnej tvorby vodíkových väzieb alebo iónovej interakcie, vďaka čomu je rozpustná.
Relaxácia molekulárneho reťazca: Zvýšenie mäkkosti molekulárnych reťazcov celulózy a znižovanie kryštality molekulárnych reťazcov fyzikálnymi alebo chemickými prostriedkami, aby sa mohli rozpustiť v rozpúšťadlách.
(4) Praktické aplikácie rozpustenia celulózy
Rozpúšťanie celulózy má dôležité aplikácie v mnohých oblastiach:
Príprava derivátov celulózy: Po rozpustení celulózy sa môže ďalej chemicky modifikovať, aby sa pripravili celulózové étery, estery celulózy a iné deriváty, ktoré sa široko používajú v potravinách, liekoch, povlakoch a iných oblastiach.
Materiály na báze celulózy: Je možné pripraviť sa pomocou rozpustenej celulózy, celulózové nanovlákna, celulózové membrány a ďalšie materiály. Tieto materiály majú dobré mechanické vlastnosti a biokompatibilitu.
Energia biomasy: Rozpustením a degradovaním celulózy sa môže previesť na fermentovateľné cukry na výrobu biopalív, ako je bioetanol, čo pomáha dosiahnuť vývoj a využívanie obnoviteľnej energie.
Rozpúšťanie celulózy je komplexný proces zahŕňajúci viac chemických a fyzikálnych mechanizmov. V súčasnosti je známe, že iónové kvapaliny, roztoky aminoxidačných roztokov, systémy LICL-DMAC, roztoky chloridu chloridu hydrochlorovodíkovej/chloridu zinočnatého a bunkové enzýmy sú účinnými činidlami na rozpustenie celulózy. Každý agent má svoj vlastný jedinečný mechanizmus rozpustenia a pole aplikácií. Pri hĺbkovej štúdii mechanizmu rozpúšťania celulózy sa predpokladá, že sa vyvinú efektívnejšie a environmentálne metódy rozpúšťania, čo poskytne viac možností na využitie a vývoj celulózy.
Čas príspevku: júl-09-2024