รีเอเจนต์ที่ละลายเซลลูโลสคืออะไร?

เซลลูโลสเป็น polysaccharide ที่ซับซ้อนซึ่งประกอบด้วยหน่วยกลูโคสจำนวนมากที่เชื่อมต่อกันด้วยพันธะβ-1,4-glycosidic มันเป็นองค์ประกอบหลักของผนังเซลล์พืชและให้ผนังเซลล์พืชการสนับสนุนโครงสร้างที่แข็งแกร่งและความทนทาน เนื่องจากโซ่โมเลกุลเซลลูโลสยาวและผลึกสูงจึงมีความเสถียรและการตีพิมพ์ที่แข็งแกร่ง

(1) คุณสมบัติของเซลลูโลสและความยากลำบากในการละลาย

เซลลูโลสมีคุณสมบัติดังต่อไปนี้ที่ทำให้ยากต่อการละลาย:

ความเป็นผลึกสูง: โซ่โมเลกุลเซลลูโลสสร้างโครงสร้างตาข่ายที่แน่นผ่านพันธะไฮโดรเจนและกองกำลังแวนเดอร์ไวลส์

พอลิเมอไรเซชันระดับสูง: ระดับของการเกิดพอลิเมอไรเซชัน (เช่นความยาวของห่วงโซ่โมเลกุล) ของเซลลูโลสสูงมักจะมีตั้งแต่หลายร้อยถึงหลายพันหน่วยกลูโคสซึ่งเพิ่มความเสถียรของโมเลกุล

เครือข่ายพันธะไฮโดรเจน: พันธะไฮโดรเจนมีอยู่อย่างกว้างขวางระหว่างและภายในโซ่โมเลกุลเซลลูโลสทำให้ยากที่จะถูกทำลายและละลายโดยตัวทำละลายทั่วไป

(2) รีเอเจนต์ที่ละลายเซลลูโลส

ปัจจุบันรีเอเจนต์ที่รู้จักซึ่งสามารถละลายเซลลูโลสได้อย่างมีประสิทธิภาพส่วนใหญ่รวมถึงหมวดหมู่ต่อไปนี้:

1. ของเหลวไอออนิก

ของเหลวไอออนิกเป็นของเหลวที่ประกอบด้วยไอออนอินทรีย์และแอนไอออนอินทรีย์หรืออนินทรีย์มักจะมีความผันผวนต่ำความเสถียรทางความร้อนสูงและการปรับได้สูง ของเหลวไอออนิกบางชนิดสามารถละลายเซลลูโลสและกลไกหลักคือการทำลายพันธะไฮโดรเจนระหว่างโซ่โมเลกุลเซลลูโลส ของเหลวไอออนิกทั่วไปที่ละลายเซลลูโลส ได้แก่ :

1-butyl-3-methylimidazolium chloride ([BMIM] CL): ของเหลวไอออนิกนี้ละลายเซลลูโลสโดยการโต้ตอบกับพันธะไฮโดรเจนในเซลลูโลสผ่านตัวรับพันธะไฮโดรเจน

1-ethyl-3-methylimidazolium acetate ([EMIM] [AC]): ของเหลวไอออนิกนี้สามารถละลายความเข้มข้นของเซลลูโลสสูงภายใต้สภาวะที่ค่อนข้างอ่อน

2. สารละลายเอมีนออกซิแดนท์
สารละลายออกซิแดนท์เอมีนเช่นสารละลายผสมของไดเอทิลมีน (DEA) และคอปเปอร์คลอไรด์เรียกว่า [Cu (II)-สารละลายอมมอนเนียม] ซึ่งเป็นระบบตัวทำละลายที่แข็งแกร่งที่สามารถละลายเซลลูโลส มันทำลายโครงสร้างผลึกของเซลลูโลสผ่านการออกซิเดชั่นและพันธะไฮโดรเจนทำให้โซ่โมเลกุลของเซลลูโลสนุ่มนวลและละลายได้มากขึ้น

3. ระบบลิเธียมคลอไรด์-มิเอทิลัสตาไมด์ (LICL-DMAC)
ระบบ LICL-DMAC (ลิเธียมคลอไรด์-ไดเมทิลลาไมด์) เป็นหนึ่งในวิธีการคลาสสิกสำหรับการละลายเซลลูโลส LICL สามารถสร้างการแข่งขันสำหรับพันธะไฮโดรเจนซึ่งจะทำลายเครือข่ายพันธะไฮโดรเจนระหว่างโมเลกุลเซลลูโลสในขณะที่ DMAC เป็นตัวทำละลายสามารถโต้ตอบได้ดีกับโซ่โมเลกุลเซลลูโลส

4. สารละลายกรดไฮโดรคลอริก/ซิงค์คลอไรด์
สารละลายกรดไฮโดรคลอริก/ซิงค์คลอไรด์เป็นรีเอเจนต์ที่ค้นพบก่อนที่สามารถละลายเซลลูโลส มันสามารถละลายเซลลูโลสโดยการสร้างผลการประสานงานระหว่างสังกะสีคลอไรด์และโซ่โมเลกุลเซลลูโลสและกรดไฮโดรคลอริกที่ทำลายพันธะไฮโดรเจนระหว่างโมเลกุลเซลลูโลส อย่างไรก็ตามโซลูชันนี้มีการกัดกร่อนอย่างมากต่ออุปกรณ์และมีข้อ จำกัด ในการใช้งานจริง

5. เอนไซม์ fibrinolytic
เอนไซม์ Fibrinolytic (เช่นเซลลูโลส) ละลายเซลลูโลสโดยการเร่งการสลายตัวของเซลลูโลสเป็น oligosaccharides ขนาดเล็กและ monosaccharides วิธีนี้มีแอพพลิเคชั่นที่หลากหลายในด้านการย่อยสลายทางชีวภาพและการแปลงชีวมวลแม้ว่ากระบวนการสลายตัวของมันจะไม่สลายตัวทางเคมีอย่างสมบูรณ์ แต่ทำได้ผ่านทางชีวภาพ

(3) กลไกการสลายตัวของเซลลูโลส

รีเอเจนต์ที่แตกต่างกันมีกลไกที่แตกต่างกันสำหรับการละลายเซลลูโลส แต่โดยทั่วไปแล้วพวกเขาสามารถนำมาประกอบกับกลไกหลักสองประการ:
การทำลายพันธะไฮโดรเจน: การทำลายพันธะไฮโดรเจนระหว่างโซ่โมเลกุลเซลลูโลสผ่านการก่อตัวของพันธะไฮโดรเจนที่แข่งขันได้หรือการมีปฏิสัมพันธ์ของไอออนิกทำให้ละลายได้
การผ่อนคลายโซ่โมเลกุล: การเพิ่มความนุ่มของโซ่โมเลกุลเซลลูโลสและลดความเป็นผลึกของโซ่โมเลกุลผ่านทางกายภาพหรือทางเคมีเพื่อให้สามารถละลายในตัวทำละลาย

(4) การใช้งานจริงของการสลายตัวของเซลลูโลส

การสลายตัวของเซลลูโลสมีการใช้งานที่สำคัญในหลายสาขา:
การเตรียมอนุพันธ์ของเซลลูโลส: หลังจากละลายเซลลูโลสแล้วมันสามารถปรับเปลี่ยนทางเคมีต่อไปเพื่อเตรียมอีเทอร์เซลลูโลส, เซลลูโลสเอสเทอร์และอนุพันธ์อื่น ๆ ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในอาหารการแพทย์การเคลือบและสาขาอื่น ๆ
วัสดุที่ทำจากเซลลูโลส: การใช้เซลลูโลสที่ละลาย, เซลลูโลสนาโนฟาเรส, เยื่อหุ้มเซลล์เซลลูโลสและวัสดุอื่น ๆ สามารถเตรียมได้ วัสดุเหล่านี้มีคุณสมบัติเชิงกลที่ดีและความเข้ากันได้ทางชีวภาพ
พลังงานชีวมวล: โดยการละลายและการย่อยสลายเซลลูโลสสามารถแปลงเป็นน้ำตาลที่สามารถหมักได้สำหรับการผลิตเชื้อเพลิงชีวภาพเช่นไบโอเอทานอลซึ่งช่วยให้บรรลุการพัฒนาและการใช้พลังงานหมุนเวียน

การสลายตัวของเซลลูโลสเป็นกระบวนการที่ซับซ้อนที่เกี่ยวข้องกับกลไกทางเคมีและทางกายภาพหลายอย่าง ของเหลวไอออนิก, สารละลายออกซิแดนท์อะมิโน, ระบบ LICL-DMAC, กรดไฮโดรคลอริก/ซิงค์คลอไรด์คลอไรด์และเอนไซม์เซลลิรนเป็นที่รู้จักกันว่าเป็นตัวแทนที่มีประสิทธิภาพสำหรับการละลายเซลลูโลส ตัวแทนแต่ละคนมีกลไกการละลายที่เป็นเอกลักษณ์และฟิลด์แอปพลิเคชัน ด้วยการศึกษาเชิงลึกของกลไกการละลายของเซลลูโลสทำให้เชื่อว่าจะมีการพัฒนาวิธีการสลายตัวที่มีประสิทธิภาพและเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมมากขึ้นซึ่งจะช่วยให้การใช้ประโยชน์และการพัฒนาเซลลูโลสมากขึ้น