چه واکنشگری سلولز را در خود حل می‌کند؟

سلولز یک پلی‌ساکارید پیچیده است که از واحدهای گلوکز زیادی تشکیل شده است که توسط پیوندهای β-1،4-گلیکوزیدی به هم متصل شده‌اند. این ماده جزء اصلی دیواره‌های سلولی گیاهان است و به دیواره‌های سلولی گیاهان پشتیبانی ساختاری قوی و استحکام می‌بخشد. به دلیل زنجیره مولکولی طولانی سلولز و بلورینگی بالا، از پایداری و نامحلول بودن بالایی برخوردار است.

(1) خواص سلولز و مشکل در حل شدن

سلولز دارای خواص زیر است که حل شدن آن را دشوار می‌کند:

بلورینگی بالا: زنجیره‌های مولکولی سلولز از طریق پیوندهای هیدروژنی و نیروهای واندروالسی، یک ساختار شبکه‌ای محکم تشکیل می‌دهند.

درجه پلیمریزاسیون بالا: درجه پلیمریزاسیون (یعنی طول زنجیره مولکولی) سلولز بالا است، معمولاً از صدها تا هزاران واحد گلوکز متغیر است که باعث افزایش پایداری مولکول می‌شود.

شبکه پیوند هیدروژنی: پیوندهای هیدروژنی به طور گسترده بین و درون زنجیره‌های مولکولی سلولز وجود دارند و باعث می‌شوند که تخریب و حل شدن آن توسط حلال‌های عمومی دشوار باشد.

(2) واکنشگرهایی که سلولز را حل می‌کنند

در حال حاضر، واکنشگرهای شناخته شده‌ای که می‌توانند سلولز را به طور موثر حل کنند، عمدتاً شامل دسته‌های زیر هستند:

۱. مایعات یونی

مایعات یونی مایعاتی هستند که از کاتیون‌های آلی و آنیون‌های آلی یا معدنی تشکیل شده‌اند و معمولاً دارای فراریت کم، پایداری حرارتی بالا و قابلیت تنظیم بالا می‌باشند. برخی از مایعات یونی می‌توانند سلولز را در خود حل کنند و مکانیسم اصلی آن شکستن پیوندهای هیدروژنی بین زنجیره‌های مولکولی سلولز است. مایعات یونی رایج که سلولز را در خود حل می‌کنند عبارتند از:

۱-بوتیل-۳-متیل ایمیدازولیوم کلرید ([BMIM]Cl): این مایع یونی با برهمکنش با پیوندهای هیدروژنی در سلولز از طریق پذیرنده‌های پیوند هیدروژنی، سلولز را در خود حل می‌کند.

۱-اتیل-۳-متیل ایمیدازولیوم استات ([EMIM][Ac]): این مایع یونی می‌تواند غلظت‌های بالایی از سلولز را در شرایط نسبتاً ملایم حل کند.

۲. محلول اکسیدان آمین
محلول اکسیدکننده آمین مانند محلول مخلوط دی اتیل آمین (DEA) و کلرید مس، [محلول Cu(II)-آمونیوم] نامیده می‌شود که یک سیستم حلال قوی است که می‌تواند سلولز را در خود حل کند. این محلول از طریق اکسیداسیون و پیوند هیدروژنی، ساختار بلوری سلولز را از بین می‌برد و زنجیره مولکولی سلولز را نرم‌تر و محلول‌تر می‌کند.

۳. سیستم کلرید لیتیم-دی‌متیل‌استامید (LiCl-DMAc)
سیستم LiCl-DMAc (لیتیوم کلرید-دی متیل استامید) یکی از روش‌های کلاسیک برای حل کردن سلولز است. LiCl می‌تواند رقابتی برای پیوندهای هیدروژنی ایجاد کند و در نتیجه شبکه پیوند هیدروژنی بین مولکول‌های سلولز را از بین ببرد، در حالی که DMAc به عنوان یک حلال می‌تواند به خوبی با زنجیره مولکولی سلولز برهمکنش کند.

۴. محلول اسید هیدروکلریک/کلرید روی
محلول اسید هیدروکلریک/کلرید روی یک واکنشگر کشف‌شده‌ی اولیه است که می‌تواند سلولز را حل کند. این محلول می‌تواند با ایجاد یک اثر کئوردیناسیونی بین زنجیره‌های مولکولی کلرید روی و سلولز، سلولز را حل کند و اسید هیدروکلریک پیوندهای هیدروژنی بین مولکول‌های سلولز را از بین می‌برد. با این حال، این محلول برای تجهیزات بسیار خورنده است و کاربردهای عملی محدودی دارد.

۵. آنزیم‌های فیبرینولیتیک
آنزیم‌های فیبرینولیتیک (مانند سلولازها) با کاتالیز تجزیه سلولز به الیگوساکاریدها و مونوساکاریدها کوچکتر، سلولز را حل می‌کنند. این روش کاربردهای گسترده‌ای در زمینه‌های تجزیه زیستی و تبدیل زیست‌توده دارد، اگرچه فرآیند انحلال آن کاملاً انحلال شیمیایی نیست، اما از طریق بیوکاتالیز حاصل می‌شود.

(3) مکانیسم انحلال سلولز

واکنشگرهای مختلف مکانیسم‌های متفاوتی برای حل کردن سلولز دارند، اما به طور کلی می‌توان آنها را به دو مکانیسم اصلی نسبت داد:
تخریب پیوندهای هیدروژنی: تخریب پیوندهای هیدروژنی بین زنجیره‌های مولکولی سلولز از طریق تشکیل پیوند هیدروژنی رقابتی یا برهمکنش یونی، و در نتیجه انحلال‌پذیری آن.
شل شدن زنجیره مولکولی: افزایش نرمی زنجیره‌های مولکولی سلولز و کاهش بلورینگی زنجیره‌های مولکولی از طریق روش‌های فیزیکی یا شیمیایی، به طوری که بتوان آنها را در حلال‌ها حل کرد.

(4) کاربردهای عملی انحلال سلولز

انحلال سلولز کاربردهای مهمی در بسیاری از زمینه‌ها دارد:
تهیه مشتقات سلولز: پس از حل کردن سلولز، می‌توان آن را از نظر شیمیایی بیشتر اصلاح کرد تا اترهای سلولز، استرهای سلولز و سایر مشتقات تهیه شوند که به طور گسترده در مواد غذایی، دارویی، پوشش‌ها و سایر زمینه‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند.
مواد مبتنی بر سلولز: با استفاده از سلولز حل شده، می‌توان نانوفیبرهای سلولزی، غشاهای سلولزی و سایر مواد را تهیه کرد. این مواد خواص مکانیکی و زیست‌سازگاری خوبی دارند.
انرژی زیست‌توده: با حل کردن و تجزیه سلولز، می‌توان آن را به قندهای قابل تخمیر برای تولید سوخت‌های زیستی مانند بیواتانول تبدیل کرد که به دستیابی به توسعه و بهره‌برداری از انرژی‌های تجدیدپذیر کمک می‌کند.

انحلال سلولز فرآیندی پیچیده است که شامل مکانیسم‌های شیمیایی و فیزیکی متعددی می‌شود. مایعات یونی، محلول‌های آمینواکسیدان، سیستم‌های LiCl-DMAc، محلول‌های اسید هیدروکلریک/کلرید روی و آنزیم‌های سلولولیتیک در حال حاضر به عنوان عوامل مؤثر برای حل سلولز شناخته می‌شوند. هر عامل مکانیسم انحلال منحصر به فرد و زمینه کاربرد خود را دارد. با مطالعه عمیق مکانیسم انحلال سلولز، اعتقاد بر این است که روش‌های انحلال کارآمدتر و سازگار با محیط زیست توسعه خواهند یافت و امکانات بیشتری برای استفاده و توسعه سلولز فراهم می‌کنند.