รีเอเจนต์ที่ละลายเซลลูโลสคืออะไร?

เซลลูโลสเป็นโพลีแซ็กคาไรด์เชิงซ้อนที่ประกอบด้วยหน่วยกลูโคสจำนวนมากเชื่อมต่อกันด้วยพันธะ β-1,4-ไกลโคซิดิก เป็นส่วนประกอบหลักของผนังเซลล์พืช และช่วยให้ผนังเซลล์พืชรองรับโครงสร้างและความเหนียวที่แข็งแกร่ง เนื่องจากสายโซ่โมเลกุลเซลลูโลสยาวและมีความเป็นผลึกสูง จึงมีเสถียรภาพสูงและไม่ละลายน้ำ

(1) คุณสมบัติของเซลลูโลสและความยากในการละลาย

เซลลูโลสมีคุณสมบัติที่ทำให้ละลายได้ยากดังต่อไปนี้:

ความตกผลึกสูง: สายโซ่โมเลกุลของเซลลูโลสสร้างโครงสร้างขัดแตะที่แน่นหนาผ่านพันธะไฮโดรเจนและแรงแวนเดอร์วาลส์

การเกิดพอลิเมอไรเซชันในระดับสูง: ระดับของการเกิดพอลิเมอไรเซชัน (เช่น ความยาวของสายโซ่โมเลกุล) ของเซลลูโลสนั้นอยู่ในระดับสูง โดยทั่วไปจะมีตั้งแต่หลายร้อยถึงหลายพันหน่วยกลูโคส ซึ่งจะเพิ่มความเสถียรของโมเลกุล

เครือข่ายพันธะไฮโดรเจน: พันธะไฮโดรเจนมีอยู่อย่างกว้างขวางระหว่างและภายในสายโซ่โมเลกุลของเซลลูโลส ทำให้ยากต่อการถูกทำลายและละลายด้วยตัวทำละลายทั่วไป

(2) รีเอเจนต์ที่ละลายเซลลูโลส

ในปัจจุบัน รีเอเจนต์ที่รู้จักซึ่งสามารถละลายเซลลูโลสได้อย่างมีประสิทธิภาพส่วนใหญ่มีประเภทต่อไปนี้:

1. ของเหลวไอออนิก

ของเหลวไอออนิกเป็นของเหลวที่ประกอบด้วยแคตไอออนอินทรีย์และแอนไอออนอินทรีย์หรืออนินทรีย์ โดยปกติจะมีความผันผวนต่ำ มีเสถียรภาพทางความร้อนสูง และสามารถปรับค่าได้สูง ของเหลวไอออนิกบางชนิดสามารถละลายเซลลูโลสได้ และกลไกหลักคือทำลายพันธะไฮโดรเจนระหว่างสายโซ่โมเลกุลของเซลลูโลส ของเหลวไอออนิกทั่วไปที่ละลายเซลลูโลส ได้แก่ :

1-Butyl-3-methylimidazolium chloride ([BMIM]Cl): ของเหลวไอออนิกนี้จะละลายเซลลูโลสโดยการทำปฏิกิริยากับพันธะไฮโดรเจนในเซลลูโลสผ่านตัวรับพันธะไฮโดรเจน

1-Ethyl-3-methylimidazolium acetate ([EMIM][Ac]): ของเหลวไอออนิกนี้สามารถละลายเซลลูโลสที่มีความเข้มข้นสูงภายใต้สภาวะที่ค่อนข้างไม่รุนแรง

2. สารละลายเอมีนออกซิแดนท์
สารละลายเอมีนออกซิแดนท์ เช่น สารละลายผสมไดเอทิลเอมีน (DEA) และคอปเปอร์คลอไรด์ เรียกว่า [สารละลาย Cu(II)-แอมโมเนียม] ซึ่งเป็นระบบตัวทำละลายชนิดเข้มข้นที่สามารถละลายเซลลูโลสได้ มันทำลายโครงสร้างผลึกของเซลลูโลสโดยการออกซิเดชั่นและพันธะไฮโดรเจน ทำให้สายโซ่โมเลกุลของเซลลูโลสนิ่มลงและละลายน้ำได้มากขึ้น

3. ระบบลิเธียมคลอไรด์-ไดเมทิลอะเซทาไมด์ (LiCl-DMAc)
ระบบ LiCl-DMAc (ลิเธียมคลอไรด์-ไดเมทิลอะเซทาไมด์) เป็นหนึ่งในวิธีการดั้งเดิมในการละลายเซลลูโลส LiCl สามารถสร้างการแข่งขันสำหรับพันธะไฮโดรเจนได้ ซึ่งจะทำลายโครงข่ายพันธะไฮโดรเจนระหว่างโมเลกุลเซลลูโลส ในขณะที่ DMAc ซึ่งเป็นตัวทำละลายสามารถโต้ตอบได้ดีกับสายโซ่โมเลกุลของเซลลูโลส

4. กรดไฮโดรคลอริก/สารละลายซิงค์คลอไรด์
สารละลายกรดไฮโดรคลอริก/สังกะสีคลอไรด์เป็นสารทำปฏิกิริยาที่ค้นพบตั้งแต่เริ่มแรกซึ่งสามารถละลายเซลลูโลสได้ มันสามารถละลายเซลลูโลสโดยสร้างผลการทำงานร่วมกันระหว่างซิงค์คลอไรด์และสายโซ่โมเลกุลของเซลลูโลส และกรดไฮโดรคลอริกจะทำลายพันธะไฮโดรเจนระหว่างโมเลกุลเซลลูโลส อย่างไรก็ตาม สารละลายนี้มีฤทธิ์กัดกร่อนสูงต่ออุปกรณ์และมีข้อจำกัดในการใช้งานจริง

5. เอนไซม์ละลายลิ่มเลือด
เอนไซม์ละลายลิ่มเลือด (เช่น เซลลูเลส) ละลายเซลลูโลสโดยเร่งปฏิกิริยาการสลายตัวของเซลลูโลสให้เป็นโอลิโกแซ็กคาไรด์และโมโนแซ็กคาไรด์ที่มีขนาดเล็กลง วิธีนี้มีการใช้งานที่หลากหลายในด้านการย่อยสลายทางชีวภาพและการแปลงมวลชีวมวล แม้ว่ากระบวนการละลายจะไม่ใช่การละลายทางเคมีทั้งหมด แต่ทำได้โดยการเร่งปฏิกิริยาทางชีวภาพ

(3) กลไกการละลายเซลลูโลส

รีเอเจนต์ที่แตกต่างกันมีกลไกในการละลายเซลลูโลสที่แตกต่างกัน แต่โดยทั่วไปสามารถเกิดจากกลไกหลักสองประการ:
การทำลายพันธะไฮโดรเจน: การทำลายพันธะไฮโดรเจนระหว่างสายโซ่โมเลกุลของเซลลูโลสผ่านการสร้างพันธะไฮโดรเจนที่แข่งขันกันหรือปฏิกิริยาไอออนิก ทำให้ละลายได้
การคลายตัวของสายโมเลกุล: การเพิ่มความนุ่มนวลของสายโซ่โมเลกุลของเซลลูโลสและลดการตกผลึกของสายโซ่โมเลกุลด้วยวิธีทางกายภาพหรือทางเคมี เพื่อให้สามารถละลายในตัวทำละลายได้

(4) การใช้งานจริงของการละลายเซลลูโลส

การละลายเซลลูโลสมีการใช้งานที่สำคัญในหลายสาขา:
การเตรียมอนุพันธ์ของเซลลูโลส: หลังจากการละลายเซลลูโลสแล้ว สามารถดัดแปลงทางเคมีเพิ่มเติมเพื่อเตรียมเซลลูโลสอีเทอร์ เซลลูโลสเอสเทอร์ และอนุพันธ์อื่นๆ ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในอาหาร ยา สารเคลือบ และสาขาอื่นๆ
วัสดุที่ทำจากเซลลูโลส: สามารถเตรียมโดยใช้เซลลูโลสละลาย เส้นใยนาโนเซลลูโลส เยื่อเซลลูโลส และวัสดุอื่นๆ ได้ วัสดุเหล่านี้มีคุณสมบัติทางกลที่ดีและมีความเข้ากันได้ทางชีวภาพ
พลังงานชีวมวล: โดยการละลายและการย่อยสลายเซลลูโลส ก็สามารถแปลงเป็นน้ำตาลหมักสำหรับการผลิตเชื้อเพลิงชีวภาพ เช่น เอทานอล ซึ่งช่วยให้บรรลุการพัฒนาและการใช้พลังงานหมุนเวียน

การละลายเซลลูโลสเป็นกระบวนการที่ซับซ้อนซึ่งเกี่ยวข้องกับกลไกทางเคมีและกายภาพหลายประการ ของเหลวไอออนิก สารละลายอะมิโนออกซิแดนท์ ระบบ LiCl-DMAc กรดไฮโดรคลอริก/สารละลายซิงค์คลอไรด์ และเอนไซม์เซลโลไลติก เป็นที่รู้กันว่าในปัจจุบันเป็นสารที่มีประสิทธิภาพในการละลายเซลลูโลส ตัวแทนแต่ละรายมีกลไกการละลายและขอบเขตการใช้งานเฉพาะของตัวเอง จากการศึกษาเชิงลึกเกี่ยวกับกลไกการละลายเซลลูโลส เชื่อว่าจะมีการพัฒนาวิธีการละลายเซลลูโลสที่มีประสิทธิภาพและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากขึ้น ทำให้มีความเป็นไปได้มากขึ้นในการใช้ประโยชน์และการพัฒนาเซลลูโลส