Tselluloos on keeruline polüsahhariid, mis koosneb paljudest glükoosiühikutest, mis on omavahel ühendatud β-1,4-glükosiidsidemetega. See on taimerakkude seinte peamine komponent ja annab taimerakkude seintele tugeva struktuurilise toe ja tugevuse. Pika tselluloosi molekulaarahela ja kõrge kristallilisuse tõttu on sellel tugev stabiilsus ja lahustumatus.
(1) Tselluloosi omadused ja lahustuvus
Tselluloosil on järgmised omadused, mis raskendavad selle lahustumist:
Kõrge kristallisus: tselluloosi molekulaarsed ahelad moodustavad vesiniksidemete ja van der Waalsi jõudude kaudu tiheda võrestruktuuri.
Kõrge polümerisatsiooniaste: Tselluloosi polümerisatsiooniaste (st molekulaarahela pikkus) on kõrge, tavaliselt sadadest kuni tuhandete glükoosiühikuteni, mis suurendab molekuli stabiilsust.
Vesiniksidemete võrgustik: Vesiniksidemed esinevad laialdaselt tselluloosi molekulaarsete ahelate vahel ja sees, mistõttu on neid tavaliste lahustitega raske hävitada ja lahustada.
(2) Tselluloosi lahustavad reagendid
Praegu teadaolevad reagendid, mis suudavad tselluloosi tõhusalt lahustada, hõlmavad peamiselt järgmisi kategooriaid:
1. Ioonsed vedelikud
Ioonvedelikud on vedelikud, mis koosnevad orgaanilistest katioonidest ja orgaanilistest või anorgaanilistest anioonidest, millel on tavaliselt madal lenduvus, kõrge termiline stabiilsus ja hea reguleeritavus. Mõned ioonvedelikud võivad lahustada tselluloosi ja peamine mehhanism on vesiniksidemete purustamine tselluloosi molekulaarsete ahelate vahel. Levinud ioonvedelikud, mis lahustavad tselluloosi, on järgmised:
1-butüül-3-metüülimidasooliumkloriid ([BMIM]Cl): See ioonne vedelik lahustab tselluloosi, suheldes tselluloosis vesiniksidemetega vesiniksideme aktseptorite kaudu.
1-etüül-3-metüülimidasooliumatsetaat ([EMIM][Ac]): See ioonne vedelik suudab suhteliselt leebetes tingimustes lahustada suures kontsentratsioonis tselluloosi.
2. Amiini oksüdeerija lahus
Amiini oksüdeerija lahust, näiteks dietüülamiini (DEA) ja vaskkloriidi segalahust, nimetatakse [Cu(II)-ammooniumlahuseks] ning see on tugev lahustisüsteem, mis suudab tselluloosi lahustada. See hävitab tselluloosi kristallstruktuuri oksüdeerimise ja vesiniksidemete kaudu, muutes tselluloosi molekulaarahela pehmemaks ja lahustuvamaks.
3. Liitiumkloriidi-dimetüülatseetamiidi (LiCl-DMAc) süsteem
LiCl-DMAc (liitiumkloriidi-dimetüülatseetamiid) süsteem on üks klassikalisi meetodeid tselluloosi lahustamiseks. LiCl võib moodustada vesiniksidemete pärast konkurentsi, hävitades seeläbi tselluloosi molekulide vahelise vesiniksidemete võrgustiku, samas kui DMAc kui lahusti suudab tselluloosi molekulaarahelaga hästi suhelda.
4. Vesinikkloriidhappe/tsinkkloriidi lahus
Vesinikkloriidhappe/tsinkkloriidi lahus on varakult avastatud reagent, mis suudab tselluloosi lahustada. See võib tselluloosi lahustada, tekitades tsinkkloriidi ja tselluloosi molekulaarsete ahelate vahel koordinatsiooniefekti ning vesinikkloriidhape lagundab tselluloosi molekulide vahelisi vesiniksidemeid. See lahus on aga seadmetele väga söövitav ja selle praktilised rakendused on piiratud.
5. Fibrinolüütilised ensüümid
Fibrinolüütilised ensüümid (näiteks tsellulaasid) lahustavad tselluloosi, katalüüsides selle lagunemist väiksemateks oligosahhariidideks ja monosahhariidideks. Sellel meetodil on lai valik rakendusi biolagundamise ja biomassi muundamise valdkonnas, kuigi selle lahustumisprotsess ei ole täielikult keemiline lahustumine, vaid saavutatakse biokatalüüsi teel.
(3) Tselluloosi lahustumise mehhanism
Erinevatel reagentidel on tselluloosi lahustamiseks erinevad mehhanismid, kuid üldiselt saab neid omistada kahele peamisele mehhanismile:
Vesiniksidemete hävitamine: Tselluloosi molekulaarsete ahelate vaheliste vesiniksidemete hävitamine konkureeriva vesiniksideme moodustumise või ioonse interaktsiooni kaudu, muutes selle lahustuvaks.
Molekulaarse ahela lõdvestamine: tselluloosi molekulaarsete ahelate pehmuse suurendamine ja molekulaarsete ahelate kristallilisuse vähendamine füüsikaliste või keemiliste vahendite abil, et neid saaks lahustites lahustada.
(4) Tselluloosi lahustamise praktilised rakendused
Tselluloosi lahustamisel on olulisi rakendusi paljudes valdkondades:
Tselluloosi derivaatide valmistamine: Pärast tselluloosi lahustamist saab seda keemiliselt edasi modifitseerida, et valmistada tsellulooseetreid, tselluloosestreid ja muid derivaate, mida kasutatakse laialdaselt toidus, meditsiinis, katetes ja muudes valdkondades.
Tselluloosipõhised materjalid: Lahustatud tselluloosi abil saab valmistada tselluloosnanokiude, tselluloosmembraane ja muid materjale. Neil materjalidel on head mehaanilised omadused ja biosobivus.
Biomassi energia: Tselluloosi lahustamise ja lagundamisega saab seda muuta kääritatavateks suhkruteks biokütuste, näiteks bioetanooli tootmiseks, mis aitab kaasa taastuvenergia arendamisele ja kasutamisele.
Tselluloosi lahustumine on keeruline protsess, mis hõlmab mitmeid keemilisi ja füüsikalisi mehhanisme. Ioonvedelikud, aminooksüdantide lahused, LiCl-DMAc süsteemid, vesinikkloriidhappe/tsinkkloriidi lahused ja tsellolüütilised ensüümid on praegu teadaolevalt tõhusad ained tselluloosi lahustamiseks. Igal ainel on oma ainulaadne lahustumismehhanism ja rakendusala. Tselluloosi lahustumismehhanismi põhjaliku uurimisega arvatakse, et töötatakse välja tõhusamaid ja keskkonnasõbralikumaid lahustumismeetodeid, mis pakuvad rohkem võimalusi tselluloosi kasutamiseks ja arendamiseks.
Postituse aeg: 09.07.2024