सेल्यूलोज़ को घोलने वाला अभिकर्मक कौन सा है?

सेल्यूलोज एक जटिल पॉलीसैकेराइड है जो β-1,4-ग्लाइकोसिडिक बॉन्ड द्वारा जुड़ी कई ग्लूकोज इकाइयों से बना है। यह पौधों की कोशिका भित्ति का मुख्य घटक है और पौधों की कोशिका भित्ति को मजबूत संरचनात्मक समर्थन और कठोरता देता है। लंबी सेल्यूलोज आणविक श्रृंखला और उच्च क्रिस्टलीयता के कारण, इसमें मजबूत स्थिरता और अघुलनशीलता होती है।

(1) सेल्यूलोज़ के गुण और घुलने में कठिनाई

सेल्यूलोज़ में निम्नलिखित गुण होते हैं जिनके कारण इसे घुलना कठिन हो जाता है:

उच्च क्रिस्टलीयता: सेल्यूलोज़ आण्विक श्रृंखलाएं हाइड्रोजन बंधों और वैन डेर वाल्स बलों के माध्यम से एक सघन जाली संरचना बनाती हैं।

बहुलकीकरण की उच्च डिग्री: सेल्यूलोज की बहुलकीकरण की डिग्री (अर्थात् आणविक श्रृंखला की लंबाई) उच्च होती है, जो आमतौर पर सैकड़ों से हजारों ग्लूकोज इकाइयों तक होती है, जो अणु की स्थिरता को बढ़ाती है।

हाइड्रोजन बंध नेटवर्क: हाइड्रोजन बंध सेल्यूलोज आण्विक श्रृंखलाओं के बीच और भीतर व्यापक रूप से मौजूद होते हैं, जिससे इन्हें सामान्य विलायकों द्वारा नष्ट करना और घुलाना कठिन हो जाता है।

(2) अभिकर्मक जो सेल्यूलोज़ को घोलते हैं

वर्तमान में, ज्ञात अभिकर्मक जो सेल्यूलोज़ को प्रभावी रूप से घोल सकते हैं, उनमें मुख्य रूप से निम्नलिखित श्रेणियां शामिल हैं:

1. आयनिक तरल पदार्थ

आयनिक द्रव कार्बनिक धनायनों और कार्बनिक या अकार्बनिक ऋणायनों से बने द्रव होते हैं, जिनमें आमतौर पर कम अस्थिरता, उच्च तापीय स्थिरता और उच्च समायोजन क्षमता होती है। कुछ आयनिक द्रव सेल्यूलोज को घोल सकते हैं, और मुख्य तंत्र सेल्यूलोज आणविक श्रृंखलाओं के बीच हाइड्रोजन बंधों को तोड़ना है। सेल्यूलोज को घोलने वाले सामान्य आयनिक द्रवों में शामिल हैं:

1-ब्यूटाइल-3-मेथिलइमिडाजोलियम क्लोराइड ([बीएमआईएम]सीएल): यह आयनिक तरल हाइड्रोजन बांड स्वीकर्ताओं के माध्यम से सेल्यूलोज में हाइड्रोजन बांड के साथ बातचीत करके सेल्यूलोज को घोलता है।

1-एथिल-3-मेथिलइमिडाजोलियम एसीटेट ([ईएमआईएम][एसी]): यह आयनिक तरल अपेक्षाकृत हल्की परिस्थितियों में सेल्यूलोज की उच्च सांद्रता को घोल सकता है।

2. अमीन ऑक्सीडेंट समाधान
डायथाइलमाइन (डीईए) और कॉपर क्लोराइड के मिश्रित घोल जैसे अमीन ऑक्सीडेंट घोल को [Cu(II)-अमोनियम घोल] कहा जाता है, जो एक मजबूत विलायक प्रणाली है जो सेल्यूलोज को घोल सकता है। यह ऑक्सीकरण और हाइड्रोजन बॉन्डिंग के माध्यम से सेल्यूलोज की क्रिस्टल संरचना को नष्ट कर देता है, जिससे सेल्यूलोज आणविक श्रृंखला नरम और अधिक घुलनशील हो जाती है।

3. लिथियम क्लोराइड-डाइमिथाइलएसिटामाइड (LiCl-DMAc) प्रणाली
LiCl-DMAc (लिथियम क्लोराइड-डाइमेथिलैसिटामाइड) प्रणाली सेल्यूलोज को घोलने के लिए क्लासिक तरीकों में से एक है। LiCl हाइड्रोजन बॉन्ड के लिए प्रतिस्पर्धा बना सकता है, जिससे सेल्यूलोज अणुओं के बीच हाइड्रोजन बॉन्ड नेटवर्क नष्ट हो जाता है, जबकि विलायक के रूप में DMAc सेल्यूलोज आणविक श्रृंखला के साथ अच्छी तरह से बातचीत कर सकता है।

4. हाइड्रोक्लोरिक एसिड/जिंक क्लोराइड घोल
हाइड्रोक्लोरिक एसिड/जिंक क्लोराइड घोल एक प्रारंभिक खोजा गया अभिकर्मक है जो सेल्यूलोज को घोल सकता है। यह जिंक क्लोराइड और सेल्यूलोज आणविक श्रृंखलाओं के बीच समन्वय प्रभाव बनाकर सेल्यूलोज को घोल सकता है, और हाइड्रोक्लोरिक एसिड सेल्यूलोज अणुओं के बीच हाइड्रोजन बॉन्ड को नष्ट कर देता है। हालाँकि, यह घोल उपकरणों के लिए अत्यधिक संक्षारक है और व्यावहारिक अनुप्रयोगों में सीमित है।

5. फाइब्रिनोलिटिक एंजाइम
फाइब्रिनोलिटिक एंजाइम (जैसे सेल्युलेस) सेलुलोज को छोटे ऑलिगोसेकेराइड और मोनोसेकेराइड में विघटित करके सेलुलोज को घोलते हैं। इस विधि में बायोडिग्रेडेशन और बायोमास रूपांतरण के क्षेत्रों में अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला है, हालांकि इसकी विघटन प्रक्रिया पूरी तरह से रासायनिक विघटन नहीं है, बल्कि बायोकैटेलिसिस के माध्यम से प्राप्त की जाती है।

(3) सेल्यूलोज विघटन की क्रियाविधि

विभिन्न अभिकर्मकों में सेल्यूलोज़ को घोलने के लिए अलग-अलग तंत्र होते हैं, लेकिन सामान्य तौर पर उन्हें दो मुख्य तंत्रों के लिए जिम्मेदार ठहराया जा सकता है:
हाइड्रोजन बांड का विनाश: प्रतिस्पर्धी हाइड्रोजन बांड निर्माण या आयनिक अंतःक्रिया के माध्यम से सेल्यूलोज आणविक श्रृंखलाओं के बीच हाइड्रोजन बांड को नष्ट करना, जिससे यह घुलनशील हो जाता है।
आणविक श्रृंखला शिथिलन: भौतिक या रासायनिक माध्यम से सेल्यूलोज आणविक श्रृंखलाओं की कोमलता बढ़ाना और आणविक श्रृंखलाओं की क्रिस्टलीयता को कम करना, ताकि उन्हें विलायकों में घोला जा सके।

(4) सेल्यूलोज़ विघटन के व्यावहारिक अनुप्रयोग

सेल्यूलोज़ विघटन के कई क्षेत्रों में महत्वपूर्ण अनुप्रयोग हैं:
सेल्यूलोज व्युत्पन्न की तैयारी: सेल्यूलोज को भंग करने के बाद, इसे सेल्यूलोज ईथर, सेल्यूलोज एस्टर और अन्य व्युत्पन्न तैयार करने के लिए रासायनिक रूप से संशोधित किया जा सकता है, जिनका व्यापक रूप से भोजन, दवा, कोटिंग्स और अन्य क्षेत्रों में उपयोग किया जाता है।
सेल्यूलोज-आधारित सामग्री: घुले हुए सेल्यूलोज का उपयोग करके, सेल्यूलोज नैनोफाइबर, सेल्यूलोज झिल्ली और अन्य सामग्री तैयार की जा सकती है। इन सामग्रियों में अच्छे यांत्रिक गुण और जैव-संगतता होती है।
बायोमास ऊर्जा: सेल्यूलोज को घोलकर और विघटित करके, इसे जैव ईंधन जैसे बायोएथेनॉल के उत्पादन के लिए किण्वनीय शर्करा में परिवर्तित किया जा सकता है, जो नवीकरणीय ऊर्जा के विकास और उपयोग को प्राप्त करने में मदद करता है।

सेल्यूलोज विघटन एक जटिल प्रक्रिया है जिसमें कई रासायनिक और भौतिक तंत्र शामिल होते हैं। आयनिक तरल पदार्थ, अमीनो ऑक्सीडेंट समाधान, LiCl-DMAc सिस्टम, हाइड्रोक्लोरिक एसिड/जिंक क्लोराइड समाधान और सेलोलिटिक एंजाइम वर्तमान में सेल्यूलोज को भंग करने के लिए प्रभावी एजेंट के रूप में जाने जाते हैं। प्रत्येक एजेंट का अपना अनूठा विघटन तंत्र और अनुप्रयोग क्षेत्र होता है। सेल्यूलोज विघटन तंत्र के गहन अध्ययन के साथ, यह माना जाता है कि अधिक कुशल और पर्यावरण के अनुकूल विघटन विधियाँ विकसित की जाएंगी, जो सेल्यूलोज के उपयोग और विकास के लिए अधिक संभावनाएँ प्रदान करेंगी।