Celuloza je složeni polisaharid sastavljen od mnogih glukoznih jedinica povezanih β-1,4-glikozidnim vezama. Glavna je komponenta ćelijskih zidova biljaka i daje im snažnu strukturnu podršku i čvrstoću. Zbog dugog molekularnog lanca celuloze i visoke kristalnosti, ima snažnu stabilnost i nerastvorljivost.
(1) Svojstva celuloze i teškoća njenog rastvaranja
Celuloza ima sljedeća svojstva koja je otežavaju rastvaranje:
Visoka kristalnost: Molekularni lanci celuloze formiraju čvrstu rešetkastu strukturu putem vodikovih veza i van der Waalsovih sila.
Visok stepen polimerizacije: Stepen polimerizacije (tj. dužina molekularnog lanca) celuloze je visok, obično u rasponu od stotina do hiljada glukoznih jedinica, što povećava stabilnost molekula.
Mreža vodikovih veza: Vodikove veze su široko prisutne između i unutar molekularnih lanaca celuloze, što otežava njihovo uništavanje i otapanje uobičajenim rastvaračima.
(2) Reagensi koji rastvaraju celulozu
Trenutno, poznati reagensi koji mogu efikasno rastvarati celulozu uglavnom uključuju sljedeće kategorije:
1. Jonske tečnosti
Jonske tekućine su tekućine sastavljene od organskih kationa i organskih ili neorganskih aniona, obično s niskom isparljivošću, visokom termičkom stabilnošću i visokom prilagodljivošću. Neke jonske tekućine mogu otopiti celulozu, a glavni mehanizam je prekid vodikovih veza između molekularnih lanaca celuloze. Uobičajene jonske tekućine koje rastvaraju celulozu uključuju:
1-Butil-3-metilimidazolijum hlorid ([BMIM]Cl): Ova jonska tečnost rastvara celulozu interakcijom sa vodoničnim vezama u celulozi putem akceptora vodoničnih veza.
1-Etil-3-metilimidazolijum acetat ([EMIM][Ac]): Ova jonska tečnost može rastvoriti visoke koncentracije celuloze pod relativno blagim uslovima.
2. Rastvor aminooksidansa
Rastvor aminskog oksidansa, kao što je mješoviti rastvor dietilamina (DEA) i bakar-hlorida, naziva se [Cu(II)-amonijev rastvor], što je jak sistem rastvarača koji može rastvoriti celulozu. Uništava kristalnu strukturu celuloze putem oksidacije i vodoničnih veza, čineći molekularni lanac celuloze mekšim i rastvorljivijim.
3. Sistem litijum hlorid-dimetilacetamid (LiCl-DMAc)
Sistem LiCl-DMAc (litijum hlorid-dimetilacetamid) je jedna od klasičnih metoda za rastvaranje celuloze. LiCl može formirati konkurenciju za vodonične veze, čime uništava mrežu vodoničnih veza između molekula celuloze, dok DMAc kao rastvarač može dobro interagovati sa molekularnim lancem celuloze.
4. Rastvor hlorovodonične kiseline/cinkov hlorida
Otopina hlorovodonične kiseline/cinkovog hlorida je rano otkriveni reagens koji može rastvarati celulozu. Može rastvarati celulozu stvaranjem koordinacijskog efekta između cink hlorida i molekularnih lanaca celuloze, a hlorovodonična kiselina uništava vodikove veze između molekula celuloze. Međutim, ova otopina je vrlo korozivna za opremu i ograničena je u praktičnoj primjeni.
5. Fibrinolitički enzimi
Fibrinolitički enzimi (kao što su celulaze) rastvaraju celulozu katalizirajući razgradnju celuloze na manje oligosaharide i monosaharide. Ova metoda ima širok spektar primjene u oblastima biodegradacije i konverzije biomase, iako njen proces rastvaranja nije u potpunosti hemijsko rastvaranje, već se postiže biokatalizom.
(3) Mehanizam rastvaranja celuloze
Različiti reagensi imaju različite mehanizme za otapanje celuloze, ali općenito se mogu pripisati dvama glavnim mehanizmima:
Uništavanje vodikovih veza: Uništavanje vodikovih veza između molekularnih lanaca celuloze putem kompetitivnog formiranja vodikovih veza ili ionske interakcije, što je čini rastvorljivom.
Relaksacija molekularnih lanaca: Povećanje mekoće celuloznih molekularnih lanaca i smanjenje kristalnosti molekularnih lanaca fizičkim ili hemijskim sredstvima, tako da se mogu rastvoriti u rastvaračima.
(4) Praktična primjena rastvaranja celuloze
Rastvaranje celuloze ima važnu primjenu u mnogim oblastima:
Priprema derivata celuloze: Nakon rastvaranja celuloze, ona se može dalje hemijski modificirati kako bi se pripremili celulozni eteri, celulozni esteri i drugi derivati, koji se široko koriste u hrani, medicini, premazima i drugim oblastima.
Materijali na bazi celuloze: Korištenjem rastvorene celuloze mogu se pripremiti celulozna nanovlakna, celulozne membrane i drugi materijali. Ovi materijali imaju dobra mehanička svojstva i biokompatibilnost.
Energija biomase: Rastvaranjem i razgradnjom celuloze, ona se može pretvoriti u fermentabilne šećere za proizvodnju biogoriva poput bioetanola, što pomaže u razvoju i korištenju obnovljive energije.
Rastvaranje celuloze je složen proces koji uključuje više hemijskih i fizičkih mehanizama. Jonske tečnosti, rastvori aminooksidanata, LiCl-DMAc sistemi, rastvori hlorovodonične kiseline/cinkov hlorida i celolitički enzimi trenutno su poznati kao efikasni agensi za rastvaranje celuloze. Svaki agens ima svoj jedinstveni mehanizam rastvaranja i područje primjene. Uz dubinsko proučavanje mehanizma rastvaranja celuloze, vjeruje se da će se razviti efikasnije i ekološki prihvatljivije metode rastvaranja, pružajući više mogućnosti za korištenje i razvoj celuloze.
Vrijeme objave: 09.07.2024.