Celulóza je komplexní polysacharid složený z mnoha glukózových jednotek spojených β-1,4-glykosidickými vazbami. Je hlavní složkou buněčných stěn rostlin a poskytuje jim silnou strukturální oporu a pevnost. Díky dlouhému molekulárnímu řetězci celulózy a vysoké krystalinitě má silnou stabilitu a nerozpustnost.
(1) Vlastnosti celulózy a obtíže s jejím rozpouštěním
Celulóza má následující vlastnosti, které ztěžují její rozpustnost:
Vysoká krystalinita: Molekulární řetězce celulózy tvoří pevnou mřížkovou strukturu prostřednictvím vodíkových vazeb a van der Waalsových sil.
Vysoký stupeň polymerace: Stupeň polymerace (tj. délka molekulárního řetězce) celulózy je vysoký, obvykle se pohybuje v rozmezí stovek až tisíců glukózových jednotek, což zvyšuje stabilitu molekuly.
Síť vodíkových vazeb: Vodíkové vazby jsou široce přítomny mezi molekulárními řetězci celulózy a uvnitř nich, což ztěžuje jejich zničení a rozpuštění běžnými rozpouštědly.
(2) Činidla, která rozpouštějí celulózu
V současné době mezi známá činidla, která dokáží účinně rozpustit celulózu, patří hlavně následující kategorie:
1. Iontové kapaliny
Iontové kapaliny jsou kapaliny složené z organických kationtů a organických nebo anorganických aniontů, obvykle s nízkou těkavostí, vysokou tepelnou stabilitou a vysokou nastavitelností. Některé iontové kapaliny mohou rozpouštět celulózu a hlavním mechanismem je přerušení vodíkových vazeb mezi molekulárními řetězci celulózy. Mezi běžné iontové kapaliny, které rozpouštějí celulózu, patří:
1-Butyl-3-methylimidazoliumchlorid ([BMIM]Cl): Tato iontová kapalina rozpouští celulózu interakcí s vodíkovými vazbami v celulóze prostřednictvím akceptorů vodíkových vazeb.
1-Ethyl-3-methylimidazolium acetát ([EMIM][Ac]): Tato iontová kapalina dokáže rozpustit vysoké koncentrace celulózy za relativně mírných podmínek.
2. Roztok aminového oxidantu
Roztok aminového oxidantu, jako je směsný roztok diethylaminu (DEA) a chloridu měďnatého, se nazývá [roztok Cu(II)-amonia] a je to silný rozpouštědlový systém, který dokáže rozpustit celulózu. Ničí krystalovou strukturu celulózy oxidací a vodíkovými vazbami, čímž se molekulární řetězec celulózy stává měkčím a rozpustnějším.
3. Systém chlorid lithný-dimethylacetamid (LiCl-DMAc)
Systém LiCl-DMAc (chlorid lithný-dimethylacetamid) je jednou z klasických metod rozpouštění celulózy. LiCl může konkurovat o vodíkové vazby, čímž ničí síť vodíkových vazeb mezi molekulami celulózy, zatímco DMAc jako rozpouštědlo může dobře interagovat s molekulárním řetězcem celulózy.
4. Roztok kyseliny chlorovodíkové/chloridu zinečnatého
Roztok kyseliny chlorovodíkové a chloridu zinečnatého je dříve objevené činidlo, které dokáže rozpustit celulózu. Celulózu rozpouští vytvořením koordinačního efektu mezi chloridem zinečnatým a molekulárními řetězci celulózy a kyselina chlorovodíková ničí vodíkové vazby mezi molekulami celulózy. Tento roztok je však vysoce korozivní pro zařízení a jeho praktické použití je omezené.
5. Fibrinolytické enzymy
Fibrinolytické enzymy (jako jsou celulázy) rozpouštějí celulózu katalyzací rozkladu celulózy na menší oligosacharidy a monosacharidy. Tato metoda má široké uplatnění v oblasti biodegradace a přeměny biomasy, ačkoli její proces rozpouštění není zcela chemickým rozpouštěním, ale je dosaženo biokatalýzou.
(3) Mechanismus rozpouštění celulózy
Různá činidla mají různé mechanismy rozpouštění celulózy, ale obecně je lze připsat dvěma hlavním mechanismům:
Zničení vodíkových vazeb: Zničení vodíkových vazeb mezi molekulárními řetězci celulózy prostřednictvím kompetitivní tvorby vodíkových vazeb nebo iontové interakce, čímž se celulóza stává rozpustnou.
Relaxace molekulárních řetězců: Zvýšení měkkosti molekulárních řetězců celulózy a snížení krystalinity molekulárních řetězců fyzikálními nebo chemickými prostředky, aby mohly být rozpuštěny v rozpouštědlech.
(4) Praktické aplikace rozpouštění celulózy
Rozpouštění celulózy má důležité uplatnění v mnoha oblastech:
Příprava derivátů celulózy: Po rozpuštění celulózy ji lze dále chemicky modifikovat za účelem přípravy etherů celulózy, esterů celulózy a dalších derivátů, které se široce používají v potravinářství, medicíně, nátěrech a dalších oblastech.
Materiály na bázi celulózy: Z rozpuštěné celulózy lze připravit celulózová nanovlákna, celulózové membrány a další materiály. Tyto materiály mají dobré mechanické vlastnosti a biokompatibilitu.
Energie z biomasy: Rozpuštěním a degradací celulózy lze tuto biomasu přeměnit na fermentovatelné cukry pro výrobu biopaliv, jako je bioetanol, což pomáhá k rozvoji a využití obnovitelných zdrojů energie.
Rozpouštění celulózy je složitý proces zahrnující řadu chemických a fyzikálních mechanismů. Iontové kapaliny, roztoky aminooxidantů, systémy LiCl-DMAc, roztoky kyseliny chlorovodíkové/chloridu zinečnatého a celulolytické enzymy jsou v současné době známé jako účinné látky pro rozpouštění celulózy. Každé činidlo má svůj vlastní jedinečný mechanismus rozpouštění a oblast použití. S hloubkovým studiem mechanismu rozpouštění celulózy se předpokládá, že budou vyvinuty účinnější a ekologičtější metody rozpouštění, které poskytnou více možností pro využití a vývoj celulózy.
Čas zveřejnění: 9. července 2024