Cellulose là một polysaccharide phức tạp bao gồm nhiều đơn vị glucose được nối với nhau bằng liên kết β-1,4-glycosid. Nó là thành phần chính của thành tế bào thực vật và giúp thành tế bào thực vật có cấu trúc vững chắc và độ dẻo dai. Do chuỗi phân tử cellulose dài và độ kết tinh cao nên nó có tính ổn định cao và không hòa tan.
(1) Tính chất của cellulose và độ khó hòa tan
Cellulose có những đặc tính khó hòa tan sau:
Độ kết tinh cao: Các chuỗi phân tử cellulose tạo thành cấu trúc mạng tinh thể chặt chẽ thông qua liên kết hydro và lực van der Waals.
Mức độ trùng hợp cao: Mức độ trùng hợp (tức là độ dài của chuỗi phân tử) của cellulose cao, thường dao động từ hàng trăm đến hàng nghìn đơn vị glucose, làm tăng tính ổn định của phân tử.
Mạng lưới liên kết hydro: Liên kết hydro hiện diện rộng rãi giữa và trong chuỗi phân tử cellulose, khiến chúng khó bị phá hủy và hòa tan bởi các dung môi thông thường.
(2) Thuốc thử hòa tan cellulose
Hiện nay, các thuốc thử có khả năng hòa tan cellulose hiệu quả được biết đến chủ yếu bao gồm các loại sau:
1. Chất lỏng ion
Chất lỏng ion là chất lỏng bao gồm các cation hữu cơ và anion hữu cơ hoặc vô cơ, thường có độ bay hơi thấp, độ 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 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 các 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 hỗn hợp diethylamine (DEA) và clorua đồng được gọi là [dung dịch Cu(II)-amoni], 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 dễ 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 hình thành sự cạnh tranh liên kết hydro, từ đó phá hủy mạng lưới liên kết hydro giữa các phân tử cellulose, trong khi DMAc với vai trò dung môi có thể tương tác tốt với chuỗi phân tử cellulose.
4. Dung dịch axit clohydric/kẽm clorua
Dung dịch axit clohydric/kẽm clorua là thuốc thử được phát hiện sớm có thể hòa tan xenlulo. Nó có thể hòa tan cellulose bằng cách hình thành hiệu ứng phối hợp giữa chuỗi phân tử kẽm clorua và cellulose, đồng thời axit clohydric phá hủy liên kết hydro giữa các phân tử cellulose. Tuy nhiên, giải pháp này có tính ăn mòn cao đối với thiết bị và bị hạn chế trong ứng dụng thực tế.
5. Enzym tiêu sợi huyết
Các enzyme tiêu sợi huyết (như cellulase) hòa tan cellulose bằng cách xúc tác quá trình phân hủy cellulose thành các oligosacarit và monosacarit nhỏ hơn. Phương pháp này có nhiều ứng dụng trong lĩnh vực phân hủy sinh học và chuyển đổi sinh khối, mặc dù quá trình hòa tan của nó không phải là hòa tan hoàn toàn về mặt hóa học mà đạt được thông qua xúc tác sinh học.
(3) Cơ chế hòa tan cellulose
Các thuốc thử khác nhau có cơ chế hòa tan cellulose khác nhau, nhưng nhìn chung chúng có thể được quy cho hai cơ chế chính:
Phá hủy liên kết hydro: Phá hủy 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 kết tinh của chuỗi phân tử thông qua các biện pháp vật lý hoặc hóa học để chúng có thể hòa tan trong dung môi.
(4) Ứng dụng thực tế của quá trình hòa tan cellulose
Sự hòa tan cellulose có ứng dụng quan trọng trong nhiều lĩnh vực:
Chuẩn bị các dẫn xuất cellulose: Sau khi hòa tan cellulose, nó có thể được biến đổi hóa học hơn nữa để điều chế ete cellulose, este cellulose và các dẫn xuất khác, được sử dụng rộng rãi trong thực phẩm, y học, sơn và các lĩnh vực khác.
Vật liệu dựa trên xenlulo: Sử dụng xenlulo hòa tan, sợi nano xenlulo, màng xenlulo 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 phân hủy cellulose, nó có thể được chuyển đổi thành đường có thể lên men để sản xuất nhiên liệu sinh học như ethanol sinh học, giúp đạt được sự phát triển và sử dụng năng lượng tái tạo.
Sự 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 amino, hệ thống LiCl-DMAc, dung dịch axit clohydric/kẽm clorua và enzyme phân giải tế bào hiện được biết đến là tác nhân hiệu quả để hòa tan cellulose. Mỗi tác nhân có cơ chế giải thể và lĩnh vực ứng dụng riêng. Với nghiên cứu chuyên sâu về cơ chế hòa tan cellulose, người ta tin rằng các phương pháp hòa tan cellulose hiệu quả và thân thiện với môi trường hơn sẽ được phát triển, mang lại nhiều khả năng hơn cho việc sử dụng và phát triển cellulose.
Thời gian đăng: Jul-09-2024