A celulosa é un polisacárido complexo composto por moitas unidades de glicosa conectadas por enlaces β-1,4-glicosídicos. É o compoñente principal das paredes celulares das plantas e lles proporciona un forte soporte estrutural e dureza. Debido á longa cadea molecular de celulosa e á alta cristalinidade, ten unha forte estabilidade e insolubilidade.
(1) Propiedades da celulosa e dificultade para disolverse
A celulosa ten as seguintes propiedades que a fan difícil de disolver:
Alta cristalinidade: as cadeas moleculares de celulosa forman unha estrutura reticular compacta mediante pontes de hidróxeno e forzas de van der Waals.
Alto grao de polimerización: o grao de polimerización (é dicir, a lonxitude da cadea molecular) da celulosa é alto, normalmente oscilando entre centos e miles de unidades de glicosa, o que aumenta a estabilidade da molécula.
Rede de pontes de hidróxeno: as pontes de hidróxeno están amplamente presentes entre e dentro das cadeas moleculares de celulosa, o que dificulta a súa destrución e disolución por solventes xerais.
(2) Reactivos que disolven a celulosa
Actualmente, os reactivos coñecidos que poden disolver eficazmente a celulosa inclúen principalmente as seguintes categorías:
1. Líquidos iónicos
Os líquidos iónicos son líquidos compostos de catións orgánicos e anións orgánicos ou inorgánicos, xeralmente con baixa volatilidade, alta estabilidade térmica e alta axustabilidade. Algúns líquidos iónicos poden disolver a celulosa, e o mecanismo principal é romper as pontes de hidróxeno entre as cadeas moleculares da celulosa. Entre os líquidos iónicos comúns que disolven a celulosa inclúense:
Cloruro de 1-butil-3-metilimidazolio ([BMIM]Cl): este líquido iónico disolve a celulosa ao interaccionar con pontes de hidróxeno na celulosa a través de aceptores de pontes de hidróxeno.
Acetato de 1-etil-3-metilimidazolio ([EMIM][Ac]): este líquido iónico pode disolver altas concentracións de celulosa en condicións relativamente suaves.
2. Solución de oxidante de amina
Unha solución oxidante de amina, como unha solución mixta de dietilamina (DEA) e cloruro de cobre, chámase [solución de Cu(II)-amonio], que é un sistema solvente forte que pode disolver a celulosa. Destrúe a estrutura cristalina da celulosa mediante a oxidación e as pontes de hidróxeno, facendo que a cadea molecular da celulosa sexa máis branda e soluble.
3. Sistema de cloruro de litio-dimetilacetamida (LiCl-DMAc)
O sistema LiCl-DMAc (cloruro de litio-dimetilacetamida) é un dos métodos clásicos para disolver a celulosa. O LiCl pode formar unha competencia polas pontes de hidróxeno, destruíndo así a rede de pontes de hidróxeno entre as moléculas de celulosa, mentres que o DMAc como solvente pode interactuar ben coa cadea molecular da celulosa.
4. Solución de ácido clorhídrico/cloruro de cinc
A solución de ácido clorhídrico/cloruro de zinc é un reactivo descuberto cedo que pode disolver a celulosa. Pode disolver a celulosa formando un efecto de coordinación entre o cloruro de zinc e as cadeas moleculares de celulosa, e o ácido clorhídrico destruíndo as pontes de hidróxeno entre as moléculas de celulosa. Non obstante, esta solución é altamente corrosiva para os equipos e ten aplicacións prácticas limitadas.
5. Enzimas fibrinolíticas
As encimas fibrinolíticas (como as celulases) disolven a celulosa catalizando a descomposición desta en oligosacáridos e monosacáridos máis pequenos. Este método ten unha ampla gama de aplicacións nos campos da biodegradación e a conversión de biomasa, aínda que o seu proceso de disolución non é completamente químico, senón que se consegue mediante biocatálise.
(3) Mecanismo de disolución da celulosa
Os diferentes reactivos teñen diferentes mecanismos para disolver a celulosa, pero en xeral pódense atribuír a dous mecanismos principais:
Destrución das pontes de hidróxeno: destrución das pontes de hidróxeno entre as cadeas moleculares da celulosa mediante a formación competitiva de pontes de hidróxeno ou a interacción iónica, facéndoa soluble.
Relaxación da cadea molecular: aumento da brandura das cadeas moleculares de celulosa e redución da cristalinidade das cadeas moleculares por medios físicos ou químicos, de xeito que poidan disolverse en solventes.
(4) Aplicacións prácticas da disolución de celulosa
A disolución de celulosa ten aplicacións importantes en moitos campos:
Preparación de derivados da celulosa: Despois de disolver a celulosa, pódese modificar quimicamente para preparar éteres de celulosa, ésteres de celulosa e outros derivados, que se usan amplamente en alimentos, medicamentos, revestimentos e outros campos.
Materiais a base de celulosa: Usando celulosa disolta, pódense preparar nanofibras de celulosa, membranas de celulosa e outros materiais. Estes materiais teñen boas propiedades mecánicas e biocompatibilidade.
Enerxía da biomasa: Ao disolver e degradar a celulosa, esta pode converterse en azucres fermentábeis para a produción de biocombustibles como o bioetanol, o que axuda a lograr o desenvolvemento e a utilización das enerxías renovables.
A disolución da celulosa é un proceso complexo que implica múltiples mecanismos químicos e físicos. Os líquidos iónicos, as solucións de aminooxidantes, os sistemas LiCl-DMAc, as solucións de ácido clorhídrico/cloruro de zinc e os encimas celolíticos son coñecidos actualmente por ser axentes eficaces para disolver a celulosa. Cada axente ten o seu propio mecanismo de disolución e campo de aplicación únicos. Co estudo en profundidade do mecanismo de disolución da celulosa, crese que se desenvolverán métodos de disolución máis eficientes e respectuosos co medio ambiente, o que ofrecerá máis posibilidades para a utilización e o desenvolvemento da celulosa.
Data de publicación: 09-07-2024