Целулоза је сложен полисахарид састављен од многих јединица глукозе повезаних β-1,4-гликозидним везама. То је главна компонента зидова биљних ћелија и даје зидовима биљних ћелија снажну структурну подршку и чврстину. Због дугог молекулског ланца целулозе и високе кристалности, има јаку стабилност и нерастворљивост.
(1) Својства целулозе и тешкоће у растварању
Целулоза има следећа својства која отежавају растварање:
Висока кристалност: молекуларни ланци целулозе формирају чврсту структуру решетке кроз водоничне везе и ван дер Валсове силе.
Висок степен полимеризације: Степен полимеризације (тј. дужина молекулског ланца) целулозе је висок, обично се креће од стотина до хиљада јединица глукозе, што повећава стабилност молекула.
Мрежа водоничних веза: водоничне везе су широко присутне између и унутар молекулских ланаца целулозе, што отежава уништавање и растварање општим растварачима.
(2) Реагенси који растварају целулозу
Тренутно познати реагенси који могу ефикасно растворити целулозу углавном укључују следеће категорије:
1. Јонске течности
Јонске течности су течности састављене од органских катјона и органских или неорганских ањона, обично ниске испарљивости, високе термичке стабилности и велике прилагодљивости. Неке јонске течности могу да растворе целулозу, а главни механизам је разбијање водоничних веза између молекулских ланаца целулозе. Уобичајене јонске течности које растварају целулозу укључују:
1-Бутил-3-метилимидазолијум хлорид ([БМИМ]Цл): Ова јонска течност раствара целулозу интеракцијом са водоничним везама у целулози преко акцептора водоничне везе.
1-етил-3-метилимидазолијум ацетат ([ЕМИМ][Ац]): Ова јонска течност може да раствори високе концентрације целулозе под релативно благим условима.
2. Раствор оксиданса амина
Раствор оксиданса амина као што је мешани раствор диетиламина (ДЕА) и бакар хлорида назива се [Цу(ИИ)-амонијум раствор], што је јак систем растварача који може да раствори целулозу. Уништава кристалну структуру целулозе кроз оксидацију и водоничну везу, чинећи молекуларни ланац целулозе мекшим и растворљивијим.
3. Систем литијум хлорид-диметилацетамид (ЛиЦл-ДМАц).
ЛиЦл-ДМАц (литијум хлорид-диметилацетамид) систем је једна од класичних метода за растварање целулозе. ЛиЦл може да формира конкуренцију за водоничне везе, чиме уништава мрежу водоничних веза између молекула целулозе, док ДМАц као растварач може добро да интерагује са молекулским ланцем целулозе.
4. Раствор хлороводоничне киселине/цинк хлорида
Раствор хлороводоничне киселине/цинк хлорида је рано откривен реагенс који може да раствори целулозу. Може да раствори целулозу формирањем ефекта координације између молекулских ланаца цинк хлорида и целулозе и хлороводоничне киселине која уништава водоничне везе између молекула целулозе. Међутим, ово решење је веома корозивно за опрему и ограничено је у практичним применама.
5. Фибринолитички ензими
Фибринолитички ензими (као што су целулазе) растварају целулозу катализујући разградњу целулозе на мање олигосахариде и моносахариде. Ова метода има широк спектар примена у областима биоразградње и конверзије биомасе, иако њен процес растварања није потпуно хемијско растварање, већ се постиже биокатализом.
(3) Механизам растварања целулозе
Различити реагенси имају различите механизме за растварање целулозе, али генерално се могу приписати два главна механизма:
Уништавање водоничних веза: Уништавање водоничних веза између молекулских ланаца целулозе кроз конкурентно формирање водоничне везе или јонске интеракције, чинећи га растворљивим.
Релаксација молекуларних ланаца: Повећање мекоће молекулских ланаца целулозе и смањење кристалности молекуларних ланаца физичким или хемијским средствима, тако да се могу растворити у растварачима.
(4) Практичне примене растварања целулозе
Растварање целулозе има важну примену у многим областима:
Припрема деривата целулозе: Након растварања целулозе, може се даље хемијски модификовати да би се припремили етри целулозе, естри целулозе и други деривати, који се широко користе у храни, медицини, премазима и другим пољима.
Материјали на бази целулозе: Користећи растворену целулозу, могу се припремити целулозна нановлакна, целулозне мембране и други материјали. Ови материјали имају добре механичке особине и биокомпатибилност.
Енергија биомасе: Растварањем и разградњом целулозе, она се може претворити у ферментабилне шећере за производњу биогорива као што је биоетанол, што помаже да се постигне развој и коришћење обновљиве енергије.
Растварање целулозе је сложен процес који укључује више хемијских и физичких механизама. Тренутно је познато да су јонске течности, раствори амино оксиданата, ЛиЦл-ДМАц системи, раствори хлороводоничне киселине/цинк хлорида и целолитички ензими ефикасни агенси за растварање целулозе. Сваки агенс има свој јединствени механизам растварања и поље примене. Уз дубинско проучавање механизма растварања целулозе, верује се да ће се развити ефикасније и еколошки прихватљивије методе растварања, пружајући више могућности за коришћење и развој целулозе.
Време поста: Јул-09-2024