Cellulosa är en komplex polysackarid som består av många glukosenheter sammankopplade med β-1,4-glykosidbindningar. Det är huvudkomponenten i växtcellväggar och ger växtcellväggar starkt strukturellt stöd och seghet. På grund av den långa cellulosamolekylkedjan och hög kristallinitet har den stark stabilitet och olöslighet.
(1) Cellulosas egenskaper och svårighet att lösa upp
Cellulosa har följande egenskaper som gör det svårt att lösa upp:
Hög kristallinitet: Cellulosamolekylkedjorna bildar en tät gitterstruktur genom vätebindningar och van der Waals-krafter.
Hög polymerisationsgrad: Graden av polymerisation (dvs. längden på molekylkedjan) av cellulosa är hög, vanligtvis från hundratals till tusentals glukosenheter, vilket ökar molekylens stabilitet.
Vätebindningsnätverk: Vätebindningar finns i stor utsträckning mellan och inom cellulosamolekylkedjor, vilket gör det svårt att förstöras och lösas upp av allmänna lösningsmedel.
(2) Reagens som löser upp cellulosa
För närvarande inkluderar de kända reagensen som effektivt kan lösa cellulosa huvudsakligen följande kategorier:
1. Joniska vätskor
Joniska vätskor är vätskor som består av organiska katjoner och organiska eller oorganiska anjoner, vanligtvis med låg flyktighet, hög termisk stabilitet och hög justerbarhet. Vissa joniska vätskor kan lösa upp cellulosa, och huvudmekanismen är att bryta vätebindningarna mellan cellulosamolekylära kedjor. Vanliga joniska vätskor som löser upp cellulosa inkluderar:
1-Butyl-3-metylimidazoliumklorid ([BMIM]Cl): Denna joniska vätska löser cellulosa genom att interagera med vätebindningar i cellulosa genom vätebindningsacceptorer.
1-etyl-3-metylimidazoliumacetat ([EMIM][Ac]): Denna joniska vätska kan lösa höga koncentrationer av cellulosa under relativt milda förhållanden.
2. Aminoxidantlösning
Aminoxidantlösning såsom en blandad lösning av dietylamin (DEA) och kopparklorid kallas [Cu(II)-ammoniumlösning], vilket är ett starkt lösningsmedelssystem som kan lösa upp cellulosa. Det förstör cellulosans kristallstruktur genom oxidation och vätebindning, vilket gör cellulosamolekylkedjan mjukare och mer löslig.
3. Litiumklorid-dimetylacetamid (LiCl-DMAc)-system
LiCl-DMAc (litiumklorid-dimetylacetamid)-systemet är en av de klassiska metoderna för att lösa upp cellulosa. LiCl kan bilda en konkurrens om vätebindningar och därigenom förstöra vätebindningsnätverket mellan cellulosamolekyler, medan DMAc som lösningsmedel kan interagera bra med cellulosamolekylkedjan.
4. Saltsyra/zinkkloridlösning
Saltsyra/zinkkloridlösningen är ett tidigt upptäckt reagens som kan lösa upp cellulosa. Det kan lösa upp cellulosa genom att bilda en koordinationseffekt mellan zinkklorid och cellulosamolekylkedjor, och saltsyra förstör vätebindningarna mellan cellulosamolekyler. Denna lösning är dock mycket frätande för utrustning och är begränsad i praktiska tillämpningar.
5. Fibrinolytiska enzymer
Fibrinolytiska enzymer (som cellulaser) löser upp cellulosa genom att katalysera nedbrytningen av cellulosa till mindre oligosackarider och monosackarider. Denna metod har ett brett spektrum av tillämpningar inom områdena biologisk nedbrytning och biomassaomvandling, även om dess upplösningsprocess inte är helt kemisk upplösning, utan uppnås genom biokatalys.
(3) Mekanism för cellulosaupplösning
Olika reagens har olika mekanismer för att lösa upp cellulosa, men i allmänhet kan de tillskrivas två huvudmekanismer:
Förstörelse av vätebindningar: Förstörelse av vätebindningarna mellan cellulosamolekylära kedjor genom kompetitiv vätebindningsbildning eller joninteraktion, vilket gör det lösligt.
Molekylkedjeavslappning: Ökar mjukheten hos cellulosamolekylkedjor och reducerar kristalliniteten hos molekylkedjor genom fysikaliska eller kemiska metoder, så att de kan lösas i lösningsmedel.
(4) Praktiska tillämpningar av cellulosaupplösning
Cellulosaupplösning har viktiga tillämpningar inom många områden:
Beredning av cellulosaderivat: Efter upplösning av cellulosa kan den modifieras ytterligare kemiskt för att framställa cellulosaetrar, cellulosaestrar och andra derivat, som används i stor utsträckning inom livsmedel, medicin, beläggningar och andra områden.
Cellulosabaserade material: Med hjälp av löst cellulosa kan cellulosananofibrer, cellulosamembran och andra material framställas. Dessa material har goda mekaniska egenskaper och biokompatibilitet.
Biomassaenergi: Genom att lösa upp och bryta ner cellulosa kan den omvandlas till fermenterbara sockerarter för framställning av biobränslen som bioetanol, vilket hjälper till att uppnå utveckling och utnyttjande av förnybar energi.
Cellulosaupplösning är en komplex process som involverar flera kemiska och fysikaliska mekanismer. Joniska vätskor, aminooxidantlösningar, LiCl-DMAc-system, saltsyra/zinkkloridlösningar och cellolytiska enzymer är för närvarande kända för att vara effektiva medel för att lösa upp cellulosa. Varje agent har sin egen unika upplösningsmekanism och användningsområde. Med den fördjupade studien av cellulosaupplösningsmekanismen tror man att mer effektiva och miljövänliga upplösningsmetoder kommer att utvecklas, vilket ger fler möjligheter för utnyttjande och utveckling av cellulosa.
Posttid: 2024-09-09