Цэлюлоза — гэта складаны поліцукрыд, які складаецца з мноства глюкозных адзінак, злучаных β-1,4-гліказіднымі сувязямі. Ён з'яўляецца асноўным кампанентам клеткавых сценак раслін і надае ім моцную структурную падтрымку і трываласць. Дзякуючы доўгаму малекулярнаму ланцугу цэлюлозы і высокай крышталічнасці, ён мае высокую стабільнасць і нерастваральнасць.
(1) Уласцівасці цэлюлозы і цяжкасці яе растварэння
Цэлюлоза мае наступныя ўласцівасці, якія абцяжарваюць яе растварэнне:
Высокая крышталічнасць: малекулярныя ланцугі цэлюлозы ўтвараюць шчыльную рашотчатую структуру праз вадародныя сувязі і сілы Ван-дэр-Ваальса.
Высокая ступень палімерызацыі: Ступень палімерызацыі (г.зн. даўжыня малекулярнага ланцуга) цэлюлозы высокая, звычайна вагаецца ад сотняў да тысяч адзінак глюкозы, што павышае стабільнасць малекулы.
Сетка вадародных сувязей: вадародныя сувязі шырока прысутнічаюць паміж малекулярнымі ланцугамі цэлюлозы і ўнутры іх, што абцяжарвае іх разбурэнне і растварэнне звычайнымі растваральнікамі.
(2) Рэагенты, якія раствараюць цэлюлозу
У цяперашні час вядомыя рэагенты, якія могуць эфектыўна раствараць цэлюлозу, у асноўным ўключаюць наступныя катэгорыі:
1. Іённыя вадкасці
Іённыя вадкасці — гэта вадкасці, якія складаюцца з арганічных катыёнаў і арганічных або неарганічных аніёнаў, звычайна з нізкай лятучасцю, высокай тэрмічнай стабільнасцю і высокай рэгуляванасцю. Некаторыя іённыя вадкасці могуць раствараць цэлюлозу, і асноўным механізмам з'яўляецца разрыў вадародных сувязей паміж малекулярнымі ланцугамі цэлюлозы. Да распаўсюджаных іённых вадкасцей, якія раствараюць цэлюлозу, адносяцца:
1-Бутыл-3-метылімідазолій хларыд ([BMIM]Cl): гэтая іённая вадкасць растварае цэлюлозу, узаемадзейнічаючы з вадароднымі сувязямі ў цэлюлозе праз акцэптары вадародных сувязяў.
1-Этыл-3-метылімідазоліевы ацэтат ([EMIM][Ac]): гэтая іённая вадкасць можа раствараць высокія канцэнтрацыі цэлюлозы ў адносна мяккіх умовах.
2. Раствор амінавага акісляльніка
Раствор амінавага акісляльніка, напрыклад, змяшаны раствор дыэтыламіну (DEA) і хларыду медзі, называецца [раствор Cu(II)-амонія] і ўяўляе сабой моцную сістэму растваральнікаў, якая можа раствараць цэлюлозу. Ён разбурае крышталічную структуру цэлюлозы праз акісленне і ўтварэнне вадародных сувязей, робячы малекулярны ланцуг цэлюлозы мякчэйшым і больш растваральным.
3. Сістэма хларыд літыя-дыметылацэтамід (LiCl-DMAc)
Сістэма LiCl-DMAc (хларыд літыя-дыметылацэтамід) з'яўляецца адным з класічных метадаў растварэння цэлюлозы. LiCl можа канкураваць за вадародныя сувязі, тым самым разбураючы сетку вадародных сувязяў паміж малекуламі цэлюлозы, у той час як DMAc як растваральнік можа добра ўзаемадзейнічаць з малекулярным ланцугом цэлюлозы.
4. Раствор салянай кіслаты/хларыду цынку
Раствор салянай кіслаты/хларыду цынку — гэта адзін з першых адкрытых рэагентаў, які можа раствараць цэлюлозу. Ён можа раствараць цэлюлозу, утвараючы каардынацыйны эфект паміж хларыдам цынку і малекулярнымі ланцугамі цэлюлозы, а саляная кіслата разбурае вадародныя сувязі паміж малекуламі цэлюлозы. Аднак гэты раствор вельмі агрэсіўны для абсталявання і мае абмежаванае практычнае прымяненне.
5. Фібрыналітычныя ферменты
Фібрыналітычныя ферменты (напрыклад, цэлюлазы) раствараюць цэлюлозу, каталізуючы раскладанне цэлюлозы на меншыя алігацукрыды і монацукрыды. Гэты метад мае шырокі спектр прымянення ў галіне біядэградацыі і пераўтварэння біямасы, хоць працэс яго растварэння не з'яўляецца цалкам хімічным, а дасягаецца шляхам біякаталізу.
(3) Механізм растварэння цэлюлозы
Розныя рэагенты маюць розныя механізмы растварэння цэлюлозы, але ў цэлым іх можна аднесці да двух асноўных механізмаў:
Разбурэнне вадародных сувязей: разбурэнне вадародных сувязей паміж малекулярнымі ланцугамі цэлюлозы шляхам канкурэнтнага ўтварэння вадародных сувязей або іённага ўзаемадзеяння, што робіць яе растваральнай.
Рэлаксацыя малекулярных ланцугоў: павелічэнне мяккасці малекулярных ланцугоў цэлюлозы і зніжэнне крышталічнасці малекулярных ланцугоў фізічнымі або хімічнымі метадамі, каб яны маглі растварацца ў растваральніках.
(4) Практычнае прымяненне растварэння цэлюлозы
Растварэнне цэлюлозы мае важнае прымяненне ў многіх галінах:
Атрыманне вытворных цэлюлозы: пасля растварэння цэлюлозы яе можна дадаткова хімічна мадыфікаваць для атрымання эфіраў цэлюлозы, складаных эфіраў цэлюлозы і іншых вытворных, якія шырока выкарыстоўваюцца ў харчовай прамысловасці, медыцыне, пакрыццях і іншых галінах.
Матэрыялы на аснове цэлюлозы: з дапамогай растворанай цэлюлозы можна атрымаць цэлюлозныя нанавалакна, цэлюлозныя мембраны і іншыя матэрыялы. Гэтыя матэрыялы валодаюць добрымі механічнымі ўласцівасцямі і біясумяшчальнасцю.
Энергія біямасы: шляхам растварэння і дэградацыі цэлюлозы яе можна пераўтварыць у ферментуемыя цукры для вытворчасці біяпаліва, такога як біяэтанол, што спрыяе развіццю і выкарыстанню аднаўляльных крыніц энергіі.
Растварэнне цэлюлозы — гэта складаны працэс, які ўключае мноства хімічных і фізічных механізмаў. Іённыя вадкасці, растворы амінааксідантаў, сістэмы LiCl-DMAc, растворы салянай кіслаты/хларыду цынку і цэлалітычныя ферменты ў цяперашні час вядомыя як эфектыўныя агенты для растварэння цэлюлозы. Кожны агент мае свой унікальны механізм растварэння і вобласць прымянення. Мяркуецца, што пры паглыбленым вывучэнні механізму растварэння цэлюлозы будуць распрацаваны больш эфектыўныя і экалагічна чыстыя метады растварэння, якія адкрыюць больш магчымасцей для выкарыстання і развіцця цэлюлозы.
Час публікацыі: 09 ліпеня 2024 г.