Kateri je reagent, ki raztopi celulozo?

Celuloza je kompleksen polisaharid, sestavljen iz številnih glukoznih enot, povezanih z β-1,4-glikozidnimi vezmi. Je glavna sestavina celičnih sten rastlin in jim daje močno strukturno podporo in žilavost. Zaradi dolge celulozne molekularne verige in visoke kristaliničnosti ima močno stabilnost in netopnost.

(1) Lastnosti celuloze in težave pri raztapljanju

Celuloza ima naslednje lastnosti, zaradi katerih se težko raztopi:

Visoka kristaliničnost: celulozne molekularne verige tvorijo tesno mrežno strukturo prek vodikovih vezi in van der Waalsovih sil.

Visoka stopnja polimerizacije: Stopnja polimerizacije (tj. dolžina molekularne verige) celuloze je visoka in se običajno giblje od sto do tisoč enot glukoze, kar poveča stabilnost molekule.

Mreža vodikovih vezi: vodikove vezi so široko prisotne med celuloznimi molekularnimi verigami in znotraj njih, zaradi česar jih običajna topila težko uničijo in raztopijo.

(2) Reagenti, ki topijo 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 hlapnostjo, visoko toplotno stabilnostjo in visoko prilagodljivostjo. Nekatere ionske tekočine lahko raztopijo celulozo, glavni mehanizem pa je prekinitev vodikovih vezi med celuloznimi molekulskimi verigami. Običajne ionske tekočine, ki raztapljajo celulozo, vključujejo:

1-butil-3-metilimidazolijev klorid ([BMIM]Cl): ta ionska tekočina raztaplja celulozo z interakcijo z vodikovimi vezmi v celulozi prek akceptorjev vodikovih vezi.

1-etil-3-metilimidazolijev acetat ([EMIM][Ac]): Ta ionska tekočina lahko raztopi visoke koncentracije celuloze v razmeroma blagih pogojih.

2. Raztopina aminskega oksidanta
Raztopina aminskega oksidanta, kot je mešana raztopina dietilamina (DEA) in bakrovega klorida, se imenuje [raztopina Cu(II)-amonija], ki je močan sistem topil, ki lahko raztopi celulozo. Uničuje kristalno strukturo celuloze z oksidacijo in vodikovimi vezmi, zaradi česar je celulozna molekularna veriga mehkejša in bolj topna.

3. Sistem litijev klorid-dimetilacetamid (LiCl-DMAc).
Sistem LiCl-DMAc (litijev klorid-dimetilacetamid) je ena izmed klasičnih metod za raztapljanje celuloze. LiCl lahko tvori tekmovanje za vodikove vezi in s tem uniči mrežo vodikovih vezi med celuloznimi molekulami, medtem ko lahko DMAc kot topilo dobro sodeluje z molekularno verigo celuloze.

4. Raztopina klorovodikove kisline/cinkovega klorida
Raztopina klorovodikove kisline/cinkovega klorida je zgodaj odkrit reagent, ki lahko raztopi celulozo. Lahko raztopi celulozo tako, da ustvari koordinacijski učinek med molekularnimi verigami cinkovega klorida in celuloze, klorovodikova kislina pa uniči vodikove vezi med celuloznimi molekulami. Vendar je ta rešitev zelo jedka za opremo in je omejena v praktični uporabi.

5. Fibrinolitični encimi
Fibrinolitični encimi (kot so celulaze) raztapljajo celulozo tako, da katalizirajo razgradnjo celuloze v manjše oligosaharide in monosaharide. Ta metoda ima širok spekter uporabe na področju biorazgradnje in pretvorbe biomase, čeprav njen proces raztapljanja ni popolnoma kemično raztapljanje, ampak se doseže z biokatalizo.

(3) Mehanizem raztapljanja celuloze

Različni reagenti imajo različne mehanizme za raztapljanje celuloze, vendar jih na splošno lahko pripišemo dvema glavnima mehanizmoma:
Uničenje vodikovih vezi: Uničenje vodikovih vezi med celuloznimi molekulskimi verigami s kompetitivno tvorbo vodikove vezi ali ionsko interakcijo, zaradi česar je topna.
Relaksacija molekularne verige: Povečanje mehkobe celuloznih molekularnih verig in zmanjšanje kristaliničnosti molekularnih 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 jo je mogoče nadalje kemično modificirati za pripravo celuloznih etrov, celuloznih estrov in drugih derivatov, ki se pogosto uporabljajo v hrani, medicini, premazih in na drugih področjih.
Materiali na osnovi celuloze: z uporabo raztopljene celuloze je mogoče pripraviti celulozna nanovlakna, celulozne membrane in druge materiale. Ti materiali imajo dobre mehanske lastnosti in biokompatibilnost.
Energija iz biomase: z raztapljanjem in razgradnjo celuloze jo je mogoče pretvoriti v fermentirane sladkorje za proizvodnjo biogoriv, ​​kot je bioetanol, kar pomaga doseči razvoj in uporabo obnovljive energije.

Raztapljanje celuloze je kompleksen proces, ki vključuje številne kemične in fizikalne mehanizme. Ionske tekočine, raztopine aminooksidantov, sistemi LiCl-DMAc, raztopine klorovodikove kisline/cinkovega klorida in celulitični encimi so trenutno znani kot učinkovita sredstva za raztapljanje celuloze. Vsako sredstvo ima svoj edinstven mehanizem raztapljanja in področje uporabe. S poglobljenim preučevanjem mehanizma raztapljanja celuloze se domneva, da bodo razvite učinkovitejše in okolju prijaznejše metode raztapljanja, ki bodo nudile več možnosti za izrabo in razvoj celuloze.


Čas objave: 9. julij 2024