Ի՞նչ ռեակտիվ է լուծվում ցելյուլոզը։

Ցելյուլոզը բարդ պոլիսախարիդ է, որը կազմված է բազմաթիվ գլյուկոզային միավորներից, որոնք միացված են β-1,4-գլիկոզիդային կապերով: Այն բույսերի բջջային պատերի հիմնական բաղադրիչն է և բույսերի բջջային պատերին հաղորդում է ամուր կառուցվածքային հենարան և ամրություն: Երկար ցելյուլոզային մոլեկուլային շղթայի և բարձր բյուրեղացման շնորհիվ այն ունի ուժեղ կայունություն և անլուծելիություն:

(1) Ցելյուլոզի հատկությունները և լուծարման դժվարությունը

Ցելյուլոզը ունի հետևյալ հատկությունները, որոնք դժվարացնում են դրա լուծարումը.

Բարձր բյուրեղացում. ցելյուլոզայի մոլեկուլային շղթաները ձևավորում են ամուր ցանցային կառուցվածք՝ ջրածնային կապերի և վան դեր Վալսի ուժերի միջոցով։

Բարձր պոլիմերացման աստիճան. ցելյուլոզի պոլիմերացման աստիճանը (այսինքն՝ մոլեկուլային շղթայի երկարությունը) բարձր է, սովորաբար տատանվում է հարյուրավորից մինչև հազարավոր գլյուկոզային միավորներ, ինչը մեծացնում է մոլեկուլի կայունությունը։

Ջրածնային կապերի ցանց. Ջրածնային կապերը լայնորեն առկա են ցելյուլոզայի մոլեկուլային շղթաների միջև և ներսում, ինչը դժվարացնում է դրա քայքայումը և լուծարումը ընդհանուր լուծիչներով։

(2) Ռեակտիվներ, որոնք լուծարում են ցելյուլոզը

Ներկայումս հայտնի ռեակտիվները, որոնք կարող են արդյունավետորեն լուծել ցելյուլոզը, հիմնականում ներառում են հետևյալ կատեգորիաները.

1. Իոնային հեղուկներ

Իոնային հեղուկները հեղուկներ են, որոնք կազմված են օրգանական կատիոններից և օրգանական կամ անօրգանական անիոններից, որոնք սովորաբար ունեն ցածր ցնդողականություն, բարձր ջերմային կայունություն և բարձր կարգավորելիություն: Որոշ իոնային հեղուկներ կարող են լուծել ցելյուլոզը, և հիմնական մեխանիզմը ցելյուլոզայի մոլեկուլային շղթաների միջև ջրածնային կապերի խզումն է: Ցելյուլոզը լուծող տարածված իոնային հեղուկներն են՝

1-բուտիլ-3-մեթիլիմիդազոլիումի քլորիդ ([BMIM]Cl): Այս իոնային հեղուկը լուծում է ցելյուլոզը՝ փոխազդելով ցելյուլոզի ջրածնային կապերի հետ՝ ջրածնային կապերի ակցեպտորների միջոցով։

1-էթիլ-3-մեթիլիմիդազոլիումի ացետատ ([EMIM][Ac]): Այս իոնային հեղուկը կարող է լուծել ցելյուլոզի բարձր կոնցենտրացիաներ համեմատաբար մեղմ պայմաններում:

2. Ամին օքսիդանտի լուծույթ
Ամին օքսիդանտի լուծույթը, ինչպիսին է դիէթիլամինի (DEA) և պղնձի քլորիդի խառը լուծույթը, կոչվում է [Cu(II)-ամոնիումի լուծույթ], որը ուժեղ լուծիչ համակարգ է, որը կարող է լուծել ցելյուլոզը: Այն քայքայում է ցելյուլոզի բյուրեղային կառուցվածքը օքսիդացման և ջրածնային կապերի միջոցով, դարձնելով ցելյուլոզի մոլեկուլային շղթան ավելի մեղմ և լուծելի:

3. Լիթիումի քլորիդ-դիմեթիլացետամիդ (LiCl-DMAc) համակարգ
LiCl-DMAc (լիթիումի քլորիդ-դիմեթիլացետամիդ) համակարգը ցելյուլոզը լուծելու դասական մեթոդներից մեկն է: LiCl-ը կարող է մրցակցություն առաջացնել ջրածնային կապերի համար՝ այդպիսով ոչնչացնելով ցելյուլոզայի մոլեկուլների միջև ջրածնային կապերի ցանցը, մինչդեռ DMAc-ը որպես լուծիչ կարող է լավ փոխազդել ցելյուլոզայի մոլեկուլային շղթայի հետ:

4. Աղաթթվի/ցինկի քլորիդի լուծույթ
Աղաթթվի/ցինկի քլորիդի լուծույթը վաղ հայտնաբերված ռեակտիվ է, որը կարող է լուծել ցելյուլոզը: Այն կարող է լուծել ցելյուլոզը՝ առաջացնելով կոորդինացիոն էֆեկտ ցինկի քլորիդի և ցելյուլոզայի մոլեկուլային շղթաների միջև, իսկ աղաթթվը՝ քայքայելով ցելյուլոզայի մոլեկուլների միջև ջրածնային կապերը: Այնուամենայնիվ, այս լուծույթը խիստ կոռոզիոն է սարքավորումների համար և սահմանափակ է գործնական կիրառություններում:

5. Ֆիբրինոլիտիկ ֆերմենտներ
Ֆիբրինոլիտիկ ֆերմենտները (օրինակ՝ ցելյուլազները) լուծարում են ցելյուլոզը՝ կատալիզելով ցելյուլոզի քայքայումը ավելի փոքր օլիգոսախարիդների և մոնոսախարիդների: Այս մեթոդը լայն կիրառություն ունի կենսաքայքայման և կենսազանգվածի փոխակերպման ոլորտներում, չնայած դրա լուծարման գործընթացը լիովին քիմիական լուծարում չէ, այլ իրականացվում է կենսակատալիզի միջոցով:

(3) Ցելյուլոզի լուծարման մեխանիզմ

Տարբեր ռեակտիվները ցելյուլոզը լուծելու տարբեր մեխանիզմներ ունեն, բայց ընդհանուր առմամբ դրանք կարելի է վերագրել երկու հիմնական մեխանիզմի՝
Ջրածնային կապերի քայքայում. ցելյուլոզայի մոլեկուլային շղթաների միջև ջրածնային կապերի քայքայում՝ մրցակցային ջրածնային կապերի առաջացման կամ իոնային փոխազդեցության միջոցով, ինչը այն դարձնում է լուծելի։
Մոլեկուլային շղթայի թուլացում. ցելյուլոզային մոլեկուլային շղթաների փափկության բարձրացում և մոլեկուլային շղթաների բյուրեղացման նվազեցում ֆիզիկական կամ քիմիական միջոցներով, որպեսզի դրանք կարողանան լուծվել լուծիչներում։

(4) Ցելյուլոզի լուծույթի գործնական կիրառությունները

Ցելյուլոզի լուծույթը կարևոր կիրառություն ունի բազմաթիվ ոլորտներում՝
Ցելյուլոզայի ածանցյալների պատրաստում. Ցելյուլոզը լուծարելուց հետո այն կարող է հետագայում քիմիապես մոդիֆիկացվել՝ ցելյուլոզայի եթերներ, ցելյուլոզայի էսթերներ և այլ ածանցյալներ պատրաստելու համար, որոնք լայնորեն կիրառվում են սննդի, բժշկության, ծածկույթների և այլ ոլորտներում:
Ցելյուլոզային հիմքով նյութեր. լուծված ցելյուլոզ օգտագործելով՝ կարելի է պատրաստել ցելյուլոզային նանոմանրաթելեր, ցելյուլոզային թաղանթներ և այլ նյութեր: Այս նյութերն ունեն լավ մեխանիկական հատկություններ և կենսահամատեղելիություն:
Կենսազանգվածի էներգիա. ցելյուլոզը լուծելով և քայքայելով՝ այն կարող է վերածվել խմորվող շաքարների՝ կենսաէթանոլի նման կենսավառելիքի արտադրության համար, ինչը նպաստում է վերականգնվող էներգիայի զարգացմանը և օգտագործմանը։

Ցելյուլոզի լուծարումը բարդ գործընթաց է, որը ներառում է բազմաթիվ քիմիական և ֆիզիկական մեխանիզմներ: Իոնային հեղուկները, ամինոօքսիդանտների լուծույթները, LiCl-DMAc համակարգերը, աղաթթվի/ցինկի քլորիդի լուծույթները և ցելյուլոզի ֆերմենտները ներկայումս հայտնի են որպես ցելյուլոզի լուծարման արդյունավետ միջոցներ: Յուրաքանչյուր միջոց ունի իր յուրահատուկ լուծարման մեխանիզմը և կիրառման ոլորտը: Ցելյուլոզի լուծարման մեխանիզմի խորը ուսումնասիրության շնորհիվ, ենթադրվում է, որ կմշակվեն ավելի արդյունավետ և էկոլոգիապես մաքուր լուծարման մեթոդներ, որոնք ավելի շատ հնարավորություններ կընձեռեն ցելյուլոզի օգտագործման և զարգացման համար: