Cellulose là một polysaccharide phức tạp bao gồm nhiều đơn vị glucose được liên kết với nhau bằng liên kết β-1,4-glycosidic. Nó là thành phần chính của thành tế bào thực vật và cung cấp cho thành tế bào thực vật sự hỗ trợ cấu trúc mạnh mẽ và độ bền. Do chuỗi phân tử cellulose dài và độ kết tinh cao, nó có độ ổn định và không hòa tan mạnh.
(1) Tính chất của xenlulozơ và khó hòa tan
Cellulose có những đặc tính sau đây khiến nó khó hòa tan:
Độ kết tinh cao: Các chuỗi phân tử xenlulo tạo thành cấu trúc mạng lưới 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 xenlulozơ 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 bên trong các chuỗi phân tử xenlulo, khiến nó khó bị phá hủy hoặc hòa tan bởi các dung môi thông thường.
(2) Thuốc thử hòa tan xenlulozơ
Hiện nay, các thuốc thử được biết đến có khả năng hòa tan xenlulo hiệu quả 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 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 chloride ([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 đồng clorua được gọi là [dung dịch Cu(II)-amoni], là 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 chloride-dimethylacetamide) là một trong những phương pháp cổ điển để hòa tan cellulose. LiCl có thể tạo ra sự 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 axit clohydric/kẽm clorua
Dung dịch axit clohydric/kẽm clorua là một thuốc thử được phát hiện sớm có thể hòa tan cellulose. Nó có thể hòa tan cellulose bằng cách tạo ra hiệu ứng phối hợp giữa kẽm clorua và chuỗi phân tử cellulose, và axit clohydric phá hủy các liên kết hydro giữa các phân tử cellulose. Tuy nhiên, dung dịch này có tính ăn mòn cao đối với thiết bị và bị hạn chế trong các ứng dụng thực tế.
5. Enzym tiêu fibrin
Enzym fibrinolytic (như cellulase) hòa tan cellulose bằng cách xúc tác quá trình phân hủy cellulose thành các oligosaccharide và monosaccharide 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 hoàn toàn là hòa tan hóa học, mà đạt được thông qua quá trình xúc tác sinh học.
(3) Cơ chế hòa tan xenluloza
Các thuốc thử khác nhau có cơ chế khác nhau để hòa tan xenluloza, nhưng nhìn chung chúng có thể được quy cho hai cơ chế chính:
Phá hủy liên kết hydro: Phá hủy các liên kết hydro giữa các chuỗi phân tử xenlulo thông qua sự hình thành liên kết hydro cạnh tranh hoặc tương tác ion, làm cho nó hòa tan.
Làm 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 xenluloza
Sự hòa tan cellulose có những ứng dụng quan trọng trong nhiều lĩnh vực:
Chuẩn bị các dẫn xuất cellulose: Sau khi hòa tan cellulose, có thể tiến hành biến đổi hóa học thêm để tạo ra 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 gốc cellulose: Có thể chế tạo bằng cellulose hòa tan, sợi nano cellulose, màng cellulose và các vật liệu khác. Những vật liệu này có tính chất cơ học và khả năng tương thích sinh học tốt.
Năng lượng sinh khối: Bằng cách hòa tan và phân hủy xenlulo, nó có thể được chuyển đổi thành đường có thể lên men để sản xuất nhiên liệu sinh học như bioethanol, giúp đạt được mục tiêu phát triển và sử dụng năng lượng tái tạo.
Quá trình hòa tan cellulose là một quá trình phức tạp liên quan đến nhiều cơ chế hóa học và vật lý. Các chất lỏng ion, dung dịch amino oxy hóa, hệ thống LiCl-DMAc, dung dịch axit clohydric/kẽm clorua và enzyme cellolytic hiện được biết đến là những tác nhân hiệu quả để hòa tan cellulose. Mỗi tác nhân có cơ chế hòa tan và lĩnh vực ứng dụng riêng. Với nghiên cứu sâu về cơ chế hòa tan cellulose, người ta tin rằng các phương pháp hòa tan hiệu quả hơn và thân thiện với môi trường hơn sẽ được phát triển, cung cấp nhiều khả năng hơn cho việc sử dụng và phát triển cellulose.
Thời gian đăng: 09-07-2024