La cel·lulosa és un polisacàrid complex compost per moltes unitats de glucosa connectades per enllaços β-1,4-glicosídics. És el component principal de les parets cel·lulars de les plantes i proporciona a les parets cel·lulars un fort suport estructural i resistència. A causa de la llarga cadena molecular de cel·lulosa i l'alta cristal·linitat, té una forta estabilitat i insolubilitat.
(1) Propietats de la cel·lulosa i dificultat per dissoldre's
La cel·lulosa té les propietats següents que la fan difícil de dissoldre:
Alta cristal·linitat: les cadenes moleculars de cel·lulosa formen una estructura reticular compacta mitjançant enllaços d'hidrogen i forces de van der Waals.
Alt grau de polimerització: El grau de polimerització (és a dir, la longitud de la cadena molecular) de la cel·lulosa és alt, normalment oscil·lant entre centenars i milers d'unitats de glucosa, cosa que augmenta l'estabilitat de la molècula.
Xarxa d'enllaços d'hidrogen: Els enllaços d'hidrogen són àmpliament presents entre i dins de les cadenes moleculars de cel·lulosa, cosa que dificulta la seva destrucció i dissolució pels dissolvents generals.
(2) Reactius que dissolen la cel·lulosa
Actualment, els reactius coneguts que poden dissoldre eficaçment la cel·lulosa inclouen principalment les categories següents:
1. Líquids iònics
Els líquids iònics són líquids compostos de cations orgànics i anions orgànics o inorgànics, generalment amb baixa volatilitat, alta estabilitat tèrmica i alta adaptabilitat. Alguns líquids iònics poden dissoldre la cel·lulosa, i el mecanisme principal és trencar els enllaços d'hidrogen entre les cadenes moleculars de cel·lulosa. Els líquids iònics comuns que dissolen la cel·lulosa inclouen:
Clorur d'1-butil-3-metilimidazoli ([BMIM]Cl): aquest líquid iònic dissol la cel·lulosa interaccionant amb els enllaços d'hidrogen de la cel·lulosa a través d'acceptors d'enllaços d'hidrogen.
Acetat d'1-etil-3-metilimidazoli ([EMIM][Ac]): aquest líquid iònic pot dissoldre altes concentracions de cel·lulosa en condicions relativament suaus.
2. Solució d'oxidant d'amina
Una solució oxidant d'amina, com ara una solució mixta de dietilamina (DEA) i clorur de coure, s'anomena [solució de Cu(II)-amoni], que és un sistema de dissolvents fort que pot dissoldre la cel·lulosa. Destrueix l'estructura cristal·lina de la cel·lulosa mitjançant l'oxidació i l'enllaç d'hidrogen, fent que la cadena molecular de la cel·lulosa sigui més suau i soluble.
3. Sistema de clorur de liti-dimetilacetamida (LiCl-DMAc)
El sistema LiCl-DMAc (clorur de liti-dimetilacetamida) és un dels mètodes clàssics per dissoldre la cel·lulosa. El LiCl pot formar una competició pels enllaços d'hidrogen, destruint així la xarxa d'enllaços d'hidrogen entre les molècules de cel·lulosa, mentre que el DMAc com a dissolvent pot interactuar bé amb la cadena molecular de la cel·lulosa.
4. Solució d'àcid clorhídric/clorur de zinc
La solució d'àcid clorhídric/clorur de zinc és un reactiu descobert recentment que pot dissoldre la cel·lulosa. Pot dissoldre la cel·lulosa formant un efecte de coordinació entre el clorur de zinc i les cadenes moleculars de cel·lulosa, i l'àcid clorhídric destrueix els enllaços d'hidrogen entre les molècules de cel·lulosa. Tanmateix, aquesta solució és altament corrosiva per als equips i té aplicacions pràctiques limitades.
5. Enzims fibrinolítics
Els enzims fibrinolítics (com les cel·lulases) dissolen la cel·lulosa catalitzant la descomposició de la cel·lulosa en oligosacàrids i monosacàrids més petits. Aquest mètode té una àmplia gamma d'aplicacions en els camps de la biodegradació i la conversió de biomassa, tot i que el seu procés de dissolució no és completament químic, sinó que s'aconsegueix mitjançant la biocatàlisi.
(3) Mecanisme de dissolució de la cel·lulosa
Els diferents reactius tenen mecanismes diferents per dissoldre la cel·lulosa, però en general es poden atribuir a dos mecanismes principals:
Destrucció d'enllaços d'hidrogen: Destrucció dels enllaços d'hidrogen entre les cadenes moleculars de cel·lulosa mitjançant la formació competitiva d'enllaços d'hidrogen o la interacció iònica, fent-la soluble.
Relaxació de la cadena molecular: Augment de la suavitat de les cadenes moleculars de cel·lulosa i reducció de la cristal·linitat de les cadenes moleculars mitjançant mitjans físics o químics, de manera que es puguin dissoldre en dissolvents.
(4) Aplicacions pràctiques de la dissolució de cel·lulosa
La dissolució de cel·lulosa té aplicacions importants en molts camps:
Preparació de derivats de cel·lulosa: Després de dissoldre la cel·lulosa, es pot modificar químicament per preparar èters de cel·lulosa, èsters de cel·lulosa i altres derivats, que s'utilitzen àmpliament en aliments, medicines, recobriments i altres camps.
Materials a base de cel·lulosa: utilitzant cel·lulosa dissolta, es poden preparar nanofibres de cel·lulosa, membranes de cel·lulosa i altres materials. Aquests materials tenen bones propietats mecàniques i biocompatibilitat.
Energia de la biomassa: Mitjançant la dissolució i degradació de la cel·lulosa, aquesta es pot convertir en sucres fermentables per a la producció de biocombustibles com el bioetanol, cosa que ajuda a aconseguir el desenvolupament i la utilització de les energies renovables.
La dissolució de la cel·lulosa és un procés complex que implica múltiples mecanismes químics i físics. Actualment se sap que els líquids iònics, les solucions d'aminooxidants, els sistemes LiCl-DMAc, les solucions d'àcid clorhídric/clorur de zinc i els enzims cel·lolítics són agents eficaços per dissoldre la cel·lulosa. Cada agent té el seu propi mecanisme de dissolució i camp d'aplicació. Amb l'estudi en profunditat del mecanisme de dissolució de la cel·lulosa, es creu que es desenvoluparan mètodes de dissolució més eficients i respectuosos amb el medi ambient, que oferiran més possibilitats per a la utilització i el desenvolupament de la cel·lulosa.
Data de publicació: 09 de juliol de 2024