Celuloza je složeni polisaharid sastavljen od mnogih glukoznih jedinica povezanih β-1,4-glikozidnim vezama. Glavna je komponenta staničnih stijenki biljaka i daje im snažnu strukturnu potporu i čvrstoću. Zbog dugog molekularnog lanca celuloze i visoke kristalnosti, ima snažnu stabilnost i netopljivost.
(1) Svojstva celuloze i teškoća otapanja
Celuloza ima sljedeća svojstva koja je otežavaju otapanje:
Visoka kristalnost: Molekularni lanci celuloze tvore čvrstu rešetkastu strukturu putem vodikovih veza i van der Waalsovih sila.
Visok stupanj polimerizacije: Stupanj polimerizacije (tj. duljina molekularnog lanca) celuloze je visok, obično u rasponu od stotina do tisuća glukoznih jedinica, što povećava stabilnost molekule.
Mreža vodikovih veza: Vodikove veze su široko prisutne između i unutar celuloznih molekularnih lanaca, što otežava njihovo uništavanje i otapanje općim otapalima.
(2) Reagensi koji otapaju celulozu
Trenutno, poznati reagensi koji mogu učinkovito otopiti celulozu uglavnom uključuju sljedeće kategorije:
1. Ionske tekućine
Ionske tekućine su tekućine sastavljene od organskih kationa i organskih ili anorganskih aniona, obično s niskom hlapljivošću, visokom toplinskom stabilnošću i visokom prilagodljivošću. Neke ionske tekućine mogu otopiti celulozu, a glavni mehanizam je prekidanje vodikovih veza između molekularnih lanaca celuloze. Uobičajene ionske tekućine koje otapaju celulozu uključuju:
1-Butil-3-metilimidazolijev klorid ([BMIM]Cl): Ova ionska tekućina otapa celulozu interakcijom s vodikovim vezama u celulozi putem akceptora vodikovih veza.
1-Etil-3-metilimidazolijev acetat ([EMIM][Ac]): Ova ionska tekućina može otopiti visoke koncentracije celuloze u relativno blagim uvjetima.
2. Otopina aminooksidansa
Otopina aminskog oksidansa, kao što je mješovita otopina dietilamina (DEA) i bakrovog klorida, naziva se [Cu(II)-amonijeva otopina], što je jak sustav otapala koji može otopiti celulozu. Uništava kristalnu strukturu celuloze oksidacijom i vodikovim vezama, čineći molekularni lanac celuloze mekšim i topljivijim.
3. Sustav litijevog klorida i dimetilacetamida (LiCl-DMAc)
Sustav LiCl-DMAc (litijev klorid-dimetilacetamid) jedna je od klasičnih metoda za otapanje celuloze. LiCl može stvarati konkurenciju za vodikove veze, čime uništava mrežu vodikovih veza između molekula celuloze, dok DMAc kao otapalo može dobro interagirati s molekularnim lancem celuloze.
4. Otopina klorovodične kiseline/cinkovog klorida
Otopina klorovodične kiseline/cinkovog klorida je rano otkriveni reagens koji može otopiti celulozu. Može otopiti celulozu stvaranjem koordinacijskog efekta između cinkovog klorida i molekularnih lanaca celuloze, a klorovodična kiselina uništava vodikove veze između molekula celuloze. Međutim, ova otopina je vrlo korozivna za opremu i ograničena je u praktičnoj primjeni.
5. Fibrinolitički enzimi
Fibrinolitički enzimi (poput celulaza) otapaju celulozu katalizirajući razgradnju celuloze na manje oligosaharide i monosaharide. Ova metoda ima širok raspon primjene u područjima biodegradacije i pretvorbe biomase, iako njezin proces otapanja nije u potpunosti kemijsko otapanje, već se postiže biokatalizom.
(3) Mehanizam otapanja celuloze
Različiti reagensi imaju različite mehanizme za otapanje celuloze, ali općenito se mogu pripisati dvama glavnim mehanizmima:
Uništavanje vodikovih veza: Uništavanje vodikovih veza između molekularnih lanaca celuloze kompetitivnim stvaranjem vodikovih veza ili ionskom interakcijom, što je čini topljivom.
Relaksacija molekularnih lanaca: Povećanje mekoće celuloznih molekularnih lanaca i smanjenje kristalnosti molekularnih lanaca fizičkim ili kemijskim sredstvima, tako da se mogu otopiti u otapalima.
(4) Praktična primjena otapanja celuloze
Otapanje celuloze ima važnu primjenu u mnogim područjima:
Priprema derivata celuloze: Nakon otapanja celuloze, ona se može dalje kemijski modificirati kako bi se pripremili celulozni eteri, celulozni esteri i drugi derivati, koji se široko koriste u hrani, medicini, premazima i drugim područjima.
Materijali na bazi celuloze: Korištenjem otopljene celuloze mogu se pripremiti celulozna nanovlakna, celulozne membrane i drugi materijali. Ovi materijali imaju dobra mehanička svojstva i biokompatibilnost.
Energija biomase: Otapanjem i razgradnjom celuloze, ona se može pretvoriti u fermentabilne šećere za proizvodnju biogoriva poput bioetanola, što pomaže u razvoju i korištenju obnovljive energije.
Otapanje celuloze složen je proces koji uključuje više kemijskih i fizičkih mehanizama. Ionske tekućine, otopine aminooksidansa, LiCl-DMAc sustavi, otopine klorovodične kiseline/cinkovog klorida i celolitički enzimi trenutno su poznati kao učinkovita sredstva za otapanje celuloze. Svako sredstvo ima svoj jedinstveni mehanizam otapanja i područje primjene. Dubinskim proučavanjem mehanizma otapanja celuloze vjeruje se da će se razviti učinkovitije i ekološki prihvatljivije metode otapanja, pružajući više mogućnosti za korištenje i razvoj celuloze.
Vrijeme objave: 09.07.2024.