Cellulose là một polysacarit phức tạp bao gồm nhiều đơn vị glucose được kết nối bởi các liên kết β-1,4-glycosid. Nó là thành phần chính của thành tế bào thực vật và cung cấp cho thành tế bào thực vật hỗ trợ cấu trúc và độ dẻo dai mạnh mẽ. Do chuỗi phân tử cellulose dài và độ kết tinh cao, nó có sự ổn định và xấc xược mạnh mẽ.
(1) Tính chất của cellulose và khó khăn trong việc hòa tan
Cellulose có các thuộc tính sau khiến việc hòa tan khó khăn:
Tinh thể cao: Các chuỗi phân tử cellulose tạo thành một cấu trúc mạng lưới chặt chẽ thông qua các liên kết hydro và lực van der Waals.
Mức độ trùng hợp cao: mức độ trùng hợp (tức là chiều dài của chuỗi phân tử) của cellulose cao, thường từ hàng trăm đến hàng ngàn đơn vị glucose, làm tăng tính ổn định của phân tử.
Mạng liên kết hydro: Liên kết hydro hiện diện rộng rãi giữa và trong các chuỗi phân tử cellulose, gây khó khăn cho việc bị phá hủy và hòa tan bởi các dung môi chung.
(2) thuốc thử hòa tan cellulose
Hiện tại, các thuốc thử đã biết có thể hòa tan hiệu quả cellulose chủ yếu bao gồm các loại sau:
1. Chất lỏng ion
Chất lỏng ion là chất lỏng bao gồm các cation hữu cơ và các anion hữu cơ hoặc vô cơ, thường là biến động thấp, ổn định nhiệt cao và khả năng điều chỉnh cao. Một số chất lỏng ion có thể hòa tan cellulose, và cơ chế chính là phá vỡ các liên kết hydro giữa các chuỗi phân tử cellulose. Các chất lỏng ion phổ biến hòa tan cellulose bao gồm:
1-butyl-3-methylimidazolium clorua ([BMIM] CL): Chất lỏng ion này hòa tan cellulose bằng cách tương tác với liên kết hydro trong cellulose thông qua các chất nhận liên kết hydro.
1-ethyl-3-methylimidazolium acetate ([EMIM] [AC]): Chất lỏng ion này có thể hòa tan nồng độ cellulose cao trong điều kiện tương đối nhẹ.
2. Dung dịch oxy hóa amin
Dung dịch oxy hóa amin như dung dịch diethylamine (DEA) và clorua đồng được gọi là [Cu (II) -ammonium dung dịch], là một hệ dung môi mạnh có thể hòa tan cellulose. Nó phá hủy cấu trúc tinh thể của cellulose thông qua quá trình oxy hóa và liên kết hydro, làm cho chuỗi phân tử cellulose mềm hơn và hòa tan hơn.
3. Hệ thống lithium clorua-dimethylacetamide (LICL-DMAC)
Hệ thống LICL-DMAC (lithium clorua-dimethylacetamide) là một trong những phương pháp cổ điển để hòa tan cellulose. LICL có thể tạo thành một cuộc cạnh tranh cho các liên kết hydro, do đó phá hủy mạng lưới liên kết hydro giữa các phân tử cellulose, trong khi DMAC như một dung môi có thể tương tác tốt với chuỗi phân tử cellulose.
4. Dung dịch clorua axit/kẽm clorua
Dung dịch clorua axit/kẽm clorua là một thuốc thử được phát hiện sớm có thể hòa tan cellulose. Nó có thể hòa tan cellulose bằng cách hình thành hiệu ứng phối hợp giữa các chuỗi phân tử kẽm và cellulose và axit clohydric phá hủy các liên kết hydro giữa các phân tử cellulose. Tuy nhiên, giải pháp này có tính ăn mòn cao đối với thiết bị và bị giới hạn trong các ứng dụng thực tế.
5. Các enzyme fibrinolytic
Các enzyme fibrinolytic (như cellulase) hòa tan cellulose bằng cách xúc tác sự phân hủy cellulose thành oligosacarit và monosacarit nhỏ hơn. Phương pháp này có một loạt các ứng dụng trong các lĩnh vực phân hủy sinh học và chuyển đổi sinh khối, mặc dù quá trình hòa tan của nó không hoàn toàn hòa tan hóa học, nhưng đạt được thông qua phân tích sinh học.
(3) Cơ chế hòa tan cellulose
Các thuốc thử khác nhau có các cơ chế khác nhau để hòa tan cellulose, nhưng nói chung chúng có thể được quy cho hai cơ chế chính:
Phá hủy các liên kết hydro: phá hủy các liên kết hydro giữa các chuỗi phân tử cellulose thông qua sự hình thành liên kết hydro cạnh tranh hoặc tương tác ion, làm cho nó hòa tan.
Thư giãn chuỗi phân tử: Tăng độ mềm của chuỗi phân tử cellulose và giảm độ tinh thể của chuỗi phân tử thông qua các phương tiện vật lý hoặc hóa học, để chúng có thể được hòa tan trong dung môi.
(4) Các ứng dụng thực tế của sự hòa tan cellulose
Giải thể cellulose có các ứng dụng quan trọng trong nhiều lĩnh vực:
Chuẩn bị các dẫn xuất cellulose: Sau khi hòa tan cellulose, nó có thể được sửa đổi thêm về mặt hóa học để chuẩn bị ete cellulose, este cellulose và các dẫn xuất khác, được sử dụng rộng rãi trong thực phẩm, thuốc, lớp phủ và các lĩnh vực khác.
Vật liệu dựa trên cellulose: Sử dụng cellulose hòa tan, sợi nano cellulose, màng cellulose và các vật liệu khác có thể được điều chế. Những vật liệu này có tính chất cơ học tốt và khả năng tương thích sinh học.
Năng lượng sinh khối: Bằng cách hòa tan và làm giảm cellulose, nó có thể được chuyển đổi thành đường lên men để sản xuất nhiên liệu sinh học như Bioethanol, giúp đạt được sự phát triển và sử dụng năng lượng tái tạo.
Hòa tan cellulose là một quá trình phức tạp liên quan đến nhiều cơ chế hóa học và vật lý. Chất lỏng ion, dung dịch oxy hóa amin, hệ thống LICL-DMAC, dung dịch clorua axit/kẽm clorua và enzyme cellolytic hiện đang là tác nhân hiệu quả để hòa tan cellulose. Mỗi tác nhân có cơ chế hòa tan duy nhất và trường ứng dụng. Với nghiên cứu chuyên sâu về cơ chế hòa tan cellulose, người ta tin rằng các phương pháp hòa tan hiệu quả và thân thiện với môi trường sẽ được phát triển, cung cấp nhiều khả năng hơn cho việc sử dụng và phát triển cellulose.
Thời gian đăng: Tháng 7-09-2024