Celuloza je kompleksen polisaharid, sestavljen iz številnih glukoznih enot, povezanih z β-1,4-glikozidnimi vezmi. Je glavni sestavni del rastlinskih celičnih sten in daje rastlinske celične stene močno strukturno podporo in žilavost. Zaradi dolge molekularne verige celuloze in visoke kristalnosti ima močno stabilnost in nesobljivost.
(1) Lastnosti celuloze in težave pri raztapljanju
Celuloza ima naslednje lastnosti, ki otežujejo raztopitev:
Visoka kristalnost: Molekularne verige celuloze tvorijo tesno strukturo rešetke skozi vodikove vezi in sile van der Waals.
Visoka stopnja polimerizacije: Stopnja polimerizacije (tj. Dolžina molekularne verige) je visoka, ponavadi od sto do tisoč glukoznih enot, kar poveča stabilnost molekule.
Omrežje vodikove vezi: Vodikove vezi so široko prisotne med molekularnimi verigami in znotraj celuloze, zaradi česar je težko uničiti in raztopiti splošna topila.
(2) reagenti, ki raztopijo celulozo
Trenutno znani reagenti, ki lahko učinkovito raztopijo celulozo, vključujejo predvsem naslednje kategorije:
1. Ionske tekočine
Ionske tekočine so tekočine, sestavljene iz organskih kationov in organskih ali anorganskih anionov, običajno z nizko nestanovitnostjo, visoko toplotno stabilnostjo in visoko nastavljivostjo. Nekatere ionske tekočine lahko raztopijo celulozo, glavni mehanizem pa je razbijanje vodikovih vezi med celulozno molekularno verigo. Skupne ionske tekočine, ki raztapljajo celulozo, vključujejo:
1-butil-3-metilimidazolijev klorid ([BMIM] Cl): Ta ionska tekočina raztopi celulozo z interakcijo z vodikovo vezjo v celulozi prek sprejemanja vodikove vezi.
1-etil-3-metilimidazolijev acetat ([EMIM] [AC]): Ta ionska tekočina lahko raztopi visoke koncentracije celuloze v razmeroma blagih pogojih.
2. raztopina oksidanta amina
Raztopina amina oksidanta, kot sta mešana raztopina dietilamina (DEA) in bakrenega klorida, se imenuje [Cu (II) -amonium raztopina], ki je močan sistem topila, ki lahko raztopi celulozo. Uničuje kristalno strukturo celuloze z oksidacijo in vezanjem vodika, zaradi česar je celulozna molekularna veriga mehkejša in bolj topna.
3. Litijev klorid-dimetilacetamid (LICL-DMAC)
Sistem LICL-DMAC (litijev klorid-dimetilacetamid) je ena od klasičnih metod za raztapljanje celuloze. LICL lahko tvori konkurenco za vodikove vezi in s tem uniči mrežo vodikove vezi med molekulami celuloze, medtem ko DMAC kot topilo lahko dobro komunicira z molekularno verigo celuloze.
4. Raztopina klorovodikove kisline/cinkovega klorida
Raztopina klorovodikove kisline/cinkovega klorida je zgodnje odkrit reagent, ki lahko raztopi celulozo. Celulozo lahko raztopi tako, da tvori koordinacijski učinek med cinkovim kloridom in celuloznimi molekularnimi verigami ter klorovodikovo kislino, ki uničuje vodikove vezi med celuloznimi molekulami. Vendar je ta rešitev zelo jedla za opremo in je v praktičnih aplikacijah omejena.
5. Fibrinolitični encimi
Fibrinolitični encimi (kot so celulaze) raztopijo celulozo s kataliziranjem razgradnje celuloze na manjše oligosaharide in monosaharide. Ta metoda ima široko paleto aplikacij na področjih biološke razgradnje in pretvorbe biomase, čeprav njegov postopek raztapljanja ni povsem kemično raztapljanje, vendar se doseže z biokatalizo.
(3) Mehanizem raztapljanja celuloze
Različni reagenti imajo različne mehanizme za raztapljanje celuloze, na splošno pa jih lahko pripišemo dvema glavnima mehanizmama:
Uničenje vodikovih vezi: uničenje vodikovih vezi med celuloznimi molekularnimi verigami s konkurenčno tvorbo vodikove vezi ali ionsko interakcijo, zaradi česar je topna.
Molekularna veriga sprostitev: Povečanje mehkobe celuloznih molekulskih verig in zmanjšanje kristalnosti molekulskih verig s fizikalnimi ali kemičnimi sredstvi, tako da jih je mogoče raztopiti v topilih.
(4) Praktične uporabe raztapljanja celuloze
Raztapljanje celuloze ima pomembne aplikacije na številnih področjih:
Priprava celuloznih derivatov: Po raztapljanju celuloze je mogoče še kemično spremeniti, da pripravi celulozne etre, celulozne estre in druge derivate, ki se pogosto uporabljajo v hrani, medicini, premazih in drugih poljih.
Materiali na osnovi celuloze: Z uporabo raztopljene celuloze, celuloznih nano vlakna, celuloznih membran in drugih materialov se lahko pripravimo. Ti materiali imajo dobre mehanske lastnosti in biokompatibilnost.
Energija biomase: Z raztapljanjem in razgradnjo celuloze se lahko pretvori v fermentalne sladkorje za proizvodnjo biogoriv, kot je bioetanol, ki pomaga doseči razvoj in izkoriščenost obnovljive energije.
Raztapljanje celuloze je kompleksen postopek, ki vključuje več kemijskih in fizikalnih mehanizmov. Ionske tekočine, amino oksidantne raztopine, sistemi LICL-DMAC, raztopine klorovodikove kisline/cinkovega klorida in celolitni encimi so trenutno znani kot učinkovita sredstva za raztapljanje celuloze. Vsak agent ima svoj edinstven mehanizem raztapljanja in polje za uporabo. S poglobljeno študijo mehanizma za raztapljanje celuloze velja, da bodo razvite učinkovitejše in okolju prijazne metode raztapljanja, ki zagotavljajo več možnosti za uporabo in razvoj celuloze.
Čas objave: julij-09-2024