Cellulose er et komplekst polysaccharid, der er sammensat af mange glucosenheder forbundet med β-1,4-glykosidbindinger. Det er hovedkomponenten i plantecellevægge og giver plantecellevægge stærk strukturel støtte og sejhed. På grund af den lange cellulosemolekylekæde og høj krystallinitet har den stærk stabilitet og uopløselighed.
(1) Celluloses egenskaber og vanskeligheder ved opløsning
Cellulose har følgende egenskaber, der gør det svært at opløse:
Høj krystallinitet: Cellulosemolekylekæderne danner en tæt gitterstruktur gennem hydrogenbindinger og van der Waals-kræfter.
Høj polymerisationsgrad: Polymerisationsgraden (dvs. længden af molekylkæden) af cellulose er høj, sædvanligvis fra hundreder til tusindvis af glukoseenheder, hvilket øger molekylets stabilitet.
Hydrogenbindingsnetværk: Hydrogenbindinger er bredt til stede mellem og inden for cellulosemolekylære kæder, hvilket gør det vanskeligt at blive ødelagt og opløst af generelle opløsningsmidler.
(2) Reagenser, der opløser cellulose
I øjeblikket omfatter de kendte reagenser, der effektivt kan opløse cellulose, hovedsageligt følgende kategorier:
1. Ioniske væsker
Ioniske væsker er væsker sammensat af organiske kationer og organiske eller uorganiske anioner, normalt med lav flygtighed, høj termisk stabilitet og høj justerbarhed. Nogle ioniske væsker kan opløse cellulose, og hovedmekanismen er at bryde brintbindingerne mellem cellulosemolekylære kæder. Almindelige ioniske væsker, der opløser cellulose, omfatter:
1-Butyl-3-methylimidazoliumchlorid ([BMIM]Cl): Denne ioniske væske opløser cellulose ved at interagere med hydrogenbindinger i cellulose gennem hydrogenbindingsacceptorer.
1-ethyl-3-methylimidazoliumacetat ([EMIM][Ac]): Denne ioniske væske kan opløse høje koncentrationer af cellulose under relativt milde forhold.
2. Aminoxidantopløsning
Aminoxidantopløsning såsom en blandet opløsning af diethylamin (DEA) og kobberchlorid kaldes [Cu(II)-ammoniumopløsning], som er et stærkt opløsningsmiddelsystem, der kan opløse cellulose. Det ødelægger krystalstrukturen af cellulose gennem oxidation og hydrogenbinding, hvilket gør cellulosemolekylekæden blødere og mere opløselig.
3. Lithiumchlorid-dimethylacetamid (LiCl-DMAc) system
LiCl-DMAc (lithiumchlorid-dimethylacetamid) systemet er en af de klassiske metoder til opløsning af cellulose. LiCl kan danne en konkurrence om hydrogenbindinger og derved ødelægge hydrogenbindingsnetværket mellem cellulosemolekyler, mens DMAc som opløsningsmiddel godt kan interagere med cellulosemolekylekæden.
4. Saltsyre/zinkchloridopløsning
Saltsyre/zinkchloridopløsningen er et tidligt opdaget reagens, der kan opløse cellulose. Det kan opløse cellulose ved at danne en koordinationseffekt mellem zinkchlorid og cellulosemolekylekæder, og saltsyre ødelægger hydrogenbindingerne mellem cellulosemolekyler. Denne løsning er dog stærkt ætsende for udstyr og er begrænset i praktiske applikationer.
5. Fibrinolytiske enzymer
Fibrinolytiske enzymer (såsom cellulaser) opløser cellulose ved at katalysere nedbrydningen af cellulose til mindre oligosaccharider og monosaccharider. Denne metode har en bred vifte af anvendelser inden for bionedbrydning og biomasseomdannelse, selvom opløsningsprocessen ikke er fuldstændig kemisk opløsning, men opnås gennem biokatalyse.
(3) Mekanisme for celluloseopløsning
Forskellige reagenser har forskellige mekanismer til opløsning af cellulose, men generelt kan de tilskrives to hovedmekanismer:
Destruktion af hydrogenbindinger: Ødelæggelse af hydrogenbindingerne mellem cellulosemolekylære kæder gennem konkurrerende hydrogenbindingsdannelse eller ionisk interaktion, hvilket gør det opløseligt.
Molekylær kæderelaksation: Forøgelse af blødheden af cellulosemolekylære kæder og reduktion af molekylære kæders krystallinitet gennem fysiske eller kemiske midler, så de kan opløses i opløsningsmidler.
(4) Praktiske anvendelser af celluloseopløsning
Celluloseopløsning har vigtige anvendelser på mange områder:
Fremstilling af cellulosederivater: Efter opløsning af cellulose kan den yderligere kemisk modificeres til fremstilling af celluloseethere, celluloseestere og andre derivater, som er meget udbredt i fødevarer, medicin, belægninger og andre områder.
Cellulosebaserede materialer: Ved hjælp af opløst cellulose kan cellulosenanofibre, cellulosemembraner og andre materialer fremstilles. Disse materialer har gode mekaniske egenskaber og biokompatibilitet.
Biomasseenergi: Ved at opløse og nedbryde cellulose kan den omdannes til fermenterbare sukkerarter til fremstilling af biobrændstoffer som bioethanol, hvilket er med til at opnå udvikling og udnyttelse af vedvarende energi.
Celluloseopløsning er en kompleks proces, der involverer flere kemiske og fysiske mekanismer. Ioniske væsker, aminooxidantopløsninger, LiCl-DMAc-systemer, saltsyre/zinkchloridopløsninger og cellolytiske enzymer er i øjeblikket kendt for at være effektive midler til opløsning af cellulose. Hver agent har sin egen unikke opløsningsmekanisme og anvendelsesområde. Med den dybdegående undersøgelse af celluloseopløsningsmekanismen menes det, at der vil blive udviklet mere effektive og miljøvenlige opløsningsmetoder, som giver flere muligheder for udnyttelse og udvikling af cellulose.
Indlægstid: Jul-09-2024