Целлюлоза - β-1,4-гликозидтік байланыстармен байланысқан көптеген глюкоза бірліктерінен тұратын күрделі полисахарид. Ол өсімдік жасуша қабырғаларының негізгі компоненті болып табылады және өсімдік жасуша қабырғаларына берік құрылымдық тірек пен беріктік береді. Ұзын целлюлоза молекулалық тізбегі мен жоғары кристалдылығына байланысты ол күшті тұрақтылыққа және ерімейтіндікке ие.
(1) Целлюлозаның қасиеттері және еру қиындығы
Целлюлозаның еруін қиындататын келесі қасиеттері бар:
Жоғары кристалдылық: Целлюлоза молекулалық тізбектері сутектік байланыстар мен ван-дер-Ваальс күштері арқылы тығыз торлы құрылым түзеді.
Полимерленудің жоғары дәрежесі: Целлюлозаның полимерлену дәрежесі (яғни молекулалық тізбектің ұзындығы) жоғары, әдетте жүздегеннен мыңдаған глюкоза бірлігіне дейін жетеді, бұл молекуланың тұрақтылығын арттырады.
Сутектік байланыс желісі: Сутектік байланыстар целлюлоза молекулалық тізбектерінің арасында және ішінде кең таралған, бұл олардың жалпы еріткіштермен жойылуын және еруін қиындатады.
(2) Целлюлозаны ерітетін реагенттер
Қазіргі уақытта целлюлозаны тиімді еріте алатын белгілі реагенттер негізінен келесі санаттарды қамтиды:
1. Иондық сұйықтықтар
Иондық сұйықтықтар - органикалық катиондардан және органикалық немесе бейорганикалық аниондардан тұратын, әдетте төмен құбылмалылыққа, жоғары термиялық тұрақтылыққа және жоғары реттелуге қабілетті сұйықтықтар. Кейбір иондық сұйықтықтар целлюлозаны еріте алады, ал негізгі механизмі - целлюлоза молекулалық тізбектері арасындағы сутектік байланыстарды үзу. Целлюлозаны ерітетін кең таралған иондық сұйықтықтарға мыналар жатады:
1-Бутил-3-метилимидазолий хлориді ([BMIM]Cl): Бұл иондық сұйықтық целлюлозадағы сутектік байланыстармен сутектік байланыс акцепторлары арқылы әрекеттесу арқылы целлюлозаны ерітеді.
1-Этил-3-метилимидазолий ацетаты ([EMIM][Ac]): Бұл иондық сұйықтық салыстырмалы түрде жұмсақ жағдайларда целлюлозаның жоғары концентрациясын еріте алады.
2. Амин тотықтырғыш ерітіндісі
Диэтиламин (DEA) мен мыс хлоридінің аралас ерітіндісі сияқты амин тотықтырғыш ерітіндісі [Cu(II)-аммоний ерітіндісі] деп аталады, ол целлюлозаны еріте алатын күшті еріткіш жүйе. Ол тотығу және сутектік байланыс арқылы целлюлозаның кристалдық құрылымын бұзады, бұл целлюлозаның молекулалық тізбегін жұмсартады және еритін етеді.
3. Литий хлориді-диметилацетамид (LiCl-DMAc) жүйесі
LiCl-DMAc (литий хлориді-диметилацетамид) жүйесі целлюлозаны ерітудің классикалық әдістерінің бірі болып табылады. LiCl сутектік байланыстар үшін бәсекелестік тудыруы мүмкін, осылайша целлюлоза молекулалары арасындағы сутектік байланыс желісін бұзады, ал DMAc еріткіш ретінде целлюлоза молекулалық тізбегімен жақсы әрекеттеседі.
4. Тұз қышқылы/мырыш хлориді ерітіндісі
Тұз қышқылы/мырыш хлориді ерітіндісі - целлюлозаны еріте алатын ерте ашылған реагент. Ол мырыш хлориді мен целлюлоза молекулалық тізбектері арасында координациялық әсер қалыптастыру арқылы целлюлозаны еріте алады, ал тұз қышқылы целлюлоза молекулалары арасындағы сутектік байланыстарды бұзады. Дегенмен, бұл ерітінді жабдық үшін өте коррозиялық және практикалық қолданылуы шектеулі.
5. Фибринолитикалық ферменттер
Фибринолитикалық ферменттер (мысалы, целлюлазалар) целлюлозаның ұсақ олигосахаридтер мен моносахаридтерге ыдырауын катализдеу арқылы целлюлозаны ерітеді. Бұл әдіс биоыдырау және биомасса түрлендіру салаларында кеңінен қолданылады, дегенмен оның еру процесі толығымен химиялық еріту емес, биокатализ арқылы жүзеге асырылады.
(3) Целлюлозаның еру механизмі
Әртүрлі реагенттердің целлюлозаны еріту механизмдері әртүрлі, бірақ жалпы алғанда оларды екі негізгі механизмге жатқызуға болады:
Сутектік байланыстардың бұзылуы: Целлюлоза молекулалық тізбектері арасындағы сутектік байланыстарды бәсекеге қабілетті сутектік байланыс түзілуі немесе иондық өзара әрекеттесу арқылы бұзып, оны еритін етеді.
Молекулалық тізбектің релаксациясы: Целлюлоза молекулалық тізбектерінің жұмсақтығын арттыру және молекулалық тізбектердің кристалдылығын физикалық немесе химиялық жолдармен төмендету, осылайша оларды еріткіштерде ерітуге болады.
(4) Целлюлоза ерітудің практикалық қолданылуы
Целлюлозаның еруі көптеген салаларда маңызды қолданысқа ие:
Целлюлоза туындыларын дайындау: Целлюлоза ерігеннен кейін, оны целлюлоза эфирлерін, целлюлоза эфирлерін және басқа да туындыларды дайындау үшін химиялық түрде модификациялауға болады, олар тамақ, медицина, жабындар және басқа да салаларда кеңінен қолданылады.
Целлюлоза негізіндегі материалдар: Еріген целлюлозаны, целлюлоза наноқұрылымдарын, целлюлоза мембраналарын және басқа материалдарды дайындауға болады. Бұл материалдар жақсы механикалық қасиеттерге және биоүйлесімділікке ие.
Биомасса энергиясы: Целлюлозаны еріту және ыдырату арқылы оны биоэтанол сияқты биоотын өндіру үшін ашытылатын қантқа айналдыруға болады, бұл жаңартылатын энергияны дамытуға және пайдалануға көмектеседі.
Целлюлозаның еруі - көптеген химиялық және физикалық механизмдерді қамтитын күрделі процесс. Иондық сұйықтықтар, аминоксидант ерітінділері, LiCl-DMAc жүйелері, тұз қышқылы/мырыш хлориді ерітінділері және целлюлозаны ерітуге арналған тиімді агенттер қазіргі уақытта белгілі. Әрбір агенттің өзіндік ерекше еру механизмі және қолдану саласы бар. Целлюлозаның еру механизмін терең зерттеу арқылы целлюлозаны пайдалану және дамыту үшін көбірек мүмкіндіктер беретін тиімдірек және экологиялық таза еру әдістері жасалады деп есептеледі.
Жарияланған уақыты: 2024 жылғы 9 шілде