Целулозата е сложен полизахарид, съставен от много глюкозни единици, свързани чрез β-1,4-гликозидни връзки. Тя е основният компонент на клетъчните стени на растенията и им придава силна структурна опора и здравина. Поради дългата целулозна молекулна верига и високата кристалност, тя има силна стабилност и неразтворимост.
(1) Свойства на целулозата и трудност при разтваряне
Целулозата има следните свойства, които я правят трудна за разтваряне:
Висока кристалност: Целулозните молекулни вериги образуват плътна решетъчна структура чрез водородни връзки и сили на ван дер Ваалс.
Висока степен на полимеризация: Степента на полимеризация (т.е. дължината на молекулната верига) на целулозата е висока, обикновено варираща от стотици до хиляди глюкозни единици, което повишава стабилността на молекулата.
Мрежа от водородни връзки: Водородните връзки са широко разпространени между и в целулозните молекулни вериги, което затруднява разрушаването и разтварянето им от общи разтворители.
(2) Реагенти, които разтварят целулозата
Понастоящем известните реагенти, които могат ефективно да разтварят целулозата, включват главно следните категории:
1. Йонни течности
Йонните течности са течности, съставени от органични катиони и органични или неорганични аниони, обикновено с ниска летливост, висока термична стабилност и висока регулируемост. Някои йонни течности могат да разтварят целулозата, като основният механизъм е да разкъсат водородните връзки между целулозните молекулни вериги. Често срещани йонни течности, които разтварят целулозата, включват:
1-Бутил-3-метилимидазолиев хлорид ([BMIM]Cl): Тази йонна течност разтваря целулозата чрез взаимодействие с водородни връзки в целулозата чрез акцептори на водородни връзки.
1-Етил-3-метилимидазолиев ацетат ([EMIM][Ac]): Тази йонна течност може да разтвори високи концентрации на целулоза при относително меки условия.
2. Разтвор на аминен окислител
Разтвор на аминен окислител, като например смесен разтвор на диетиламин (DEA) и меден хлорид, се нарича [Cu(II)-амониев разтвор] и е силна разтворителна система, която може да разтвори целулозата. Той разрушава кристалната структура на целулозата чрез окисление и водородни връзки, което прави целулозната молекулна верига по-мека и по-разтворима.
3. Система литиев хлорид-диметилацетамид (LiCl-DMAc)
Системата LiCl-DMAc (литиев хлорид-диметилацетамид) е един от класическите методи за разтваряне на целулоза. LiCl може да образува конкуренция за водородни връзки, като по този начин разрушава мрежата от водородни връзки между целулозните молекули, докато DMAc като разтворител може да взаимодейства добре с целулозната молекулна верига.
4. Разтвор на солна киселина/цинков хлорид
Разтворът на солна киселина/цинков хлорид е рано открит реагент, който може да разтваря целулозата. Той може да разтваря целулозата чрез образуване на координационен ефект между цинковия хлорид и целулозните молекулни вериги, а солната киселина разрушава водородните връзки между целулозните молекули. Този разтвор обаче е силно корозивен за оборудването и е ограничен в практическите приложения.
5. Фибринолитични ензими
Фибринолитичните ензими (като целулазите) разтварят целулозата, като катализират разграждането на целулозата на по-малки олигозахариди и монозахариди. Този метод има широк спектър от приложения в областта на биоразграждането и преобразуването на биомаса, въпреки че процесът на разтваряне не е изцяло химическо разтваряне, а се постига чрез биокатализа.
(3) Механизъм на разтваряне на целулозата
Различните реагенти имат различни механизми за разтваряне на целулозата, но като цяло те могат да бъдат приписани на два основни механизма:
Разрушаване на водородни връзки: Разрушаване на водородните връзки между целулозните молекулни вериги чрез конкурентно образуване на водородни връзки или йонно взаимодействие, което ги прави разтворими.
Релаксация на молекулярните вериги: Увеличаване на мекотата на целулозните молекулярни вериги и намаляване на кристалността на молекулярните вериги чрез физични или химични средства, така че те да могат да бъдат разтворени в разтворители.
(4) Практически приложения на разтварянето на целулоза
Разтварянето на целулоза има важни приложения в много области:
Приготвяне на целулозни производни: След разтваряне на целулозата, тя може да бъде допълнително химически модифицирана за получаване на целулозни етери, целулозни естери и други производни, които се използват широко в храните, медицината, покритията и други области.
Материали на основата на целулоза: С помощта на разтворена целулоза могат да се получат целулозни нановлакна, целулозни мембрани и други материали. Тези материали имат добри механични свойства и биосъвместимост.
Енергия от биомаса: Чрез разтваряне и разграждане на целулозата, тя може да се превърне във ферментируеми захари за производството на биогорива като биоетанол, което спомага за постигане на развитието и използването на възобновяема енергия.
Разтварянето на целулозата е сложен процес, включващ множество химични и физични механизми. Йонни течности, разтвори на аминооксиданти, LiCl-DMAc системи, разтвори на солна киселина/цинков хлорид и целолитични ензими са известни като ефективни агенти за разтваряне на целулоза. Всеки агент има свой собствен уникален механизъм на разтваряне и област на приложение. Смята се, че с задълбоченото проучване на механизма на разтваряне на целулозата ще бъдат разработени по-ефективни и екологични методи за разтваряне, предоставяйки повече възможности за използване и развитие на целулозата.
Време на публикуване: 09 юли 2024 г.