Cellulosa est polysaccharidum complexum, ex multis unitatibus glucosii, vinculis β-1,4-glycosidicis connexis, compositum. Est pars principalis parietum cellularum plantarum et eis firmamentum structurale firmum et duritiam praebet. Propter longam catenam molecularem cellulosae et magnam crystallinitatem, stabilitatem magnam et insolubilitatem habet.
(1) Proprietates cellulosae et difficultas dissolvendi
Cellulosa hae proprietates sunt quae eam difficilem dissolvi faciunt:
Alta crystallinitas: Catenae moleculares cellulosae structuram reticulatam arctam per vincula hydrogenii et vires van der Waals formant.
Gradus polymerizationis altus: Gradus polymerizationis (id est longitudo catenae molecularis) cellulosae altus est, plerumque a centenis ad milia unitatum glucosi variante, quod stabilitatem moleculae auget.
Rete vinculorum hydrogenii: Vincula hydrogenii late inter et intra catenas moleculares cellulosae praesentia sunt, ita ut difficile sit eas destruere et dissolvere a solventibus generalibus.
(2) Reagentia quae cellulosam dissolvunt
Reagentia hodie nota quae cellulosam efficaciter dissolvere possunt praecipue has categorias comprehendunt:
1. Liquores Ionici
Liquores ionici sunt liquores ex cationibus organicis et anionibus organicis vel inorganicis compositi, plerumque volatilitate humili, stabilitate thermali magna et adaptabilitate magna praediti. Nonnulli liquores ionici cellulosam dissolvere possunt, et mechanismus principalis est rumpere vincula hydrogenii inter catenas moleculares cellulosae. Liquores ionici communes qui cellulosam dissolvunt includunt:
1-Butyl-3-methylimidazolii chloridum ([BMIM]Cl): Hoc liquor ionicus cellulosam dissolvit per interactionem cum vinculis hydrogenii in cellulosa per acceptores vinculorum hydrogenii.
1-Ethyl-3-methylimidazolii acetas ([EMIM][Ac]): Hic liquor ionicus altas concentrationes cellulosae sub condicionibus relative mitibus dissolvere potest.
2. Solutio oxidantis amini
Solutio amini oxidantis, qualis est solutio mixta diethylamini (DEA) et cupri chloridi, [solutio Cu(II)-ammonii] appellatur, quae est systema solventis forte quod cellulosam dissolvere potest. Structuram crystallinam cellulosae per oxidationem et nexum hydrogenii destruit, ita ut catena molecularis cellulosae mollior et solubilior fiat.
3. Systema lithii chloridi-dimethylacetamidi (LiCl-DMAc)
Systema LiCl-DMAc (lithii chloridum-dimethylacetamidum) una ex methodis classicis ad cellulosam dissolvendam est. LiCl competitionem pro vinculis hydrogenii formare potest, ita reticulum vinculorum hydrogenii inter moleculas cellulosae destruens, dum DMAc, ut solvens, bene cum catena moleculari cellulosae interagere potest.
4. Solutio acidi hydrochlorici/zinci chloridi
Solutio acidi hydrochlorici et zinci chloridi est reagens primo inventum quod cellulosam dissolvere potest. Cellulosam dissolvere potest per effectum coordinationis inter zinci chloridum et catenas moleculares cellulosae formandum, et acidum hydrochloricum nexus hydrogenii inter moleculas cellulosae destruens. Attamen haec solutio apparatibus valde corrosiva est et in applicationibus practicis limitata est.
5. Enzyma fibrinolytica
Enzyma fibrinolytica (velut cellulasae) cellulosam dissolvunt decompositionem cellulosae in oligosaccharida et monosaccharida minora catalyzando. Haec methodus latam applicationum varietatem in campis biodegradationis et conversionis biomassae habet, quamquam processus dissolutionis eius non est omnino dissolutio chemica, sed per biocatalysim perficitur.
(3) Mechanismus dissolutionis cellulosae
Reagentia diversa cellulosam dissolvendi diversos modos habent, sed plerumque duobus modis principalibus attribui possunt:
Destructio vinculorum hydrogenii: Destructio vinculorum hydrogenii inter catenas moleculares cellulosae per formationem vinculorum hydrogenii competitivam vel interactionem ionicam, eam solubilem faciens.
Relaxatio catenae molecularis: Mollitiem catenarum molecularium cellulosae augendo et crystallinitatem catenarum molecularium per media physica vel chemica reducendo, ut in solventibus dissolvi possint.
(4) Usus practici dissolutionis cellulosae
Dissolutio cellulosae applicationes magni momenti in multis campis habet:
Praeparatio derivatorum cellulosae: Post dissolutionem cellulosae, ulterius chemice modificari potest ad aetheres cellulosae, esteres cellulosae et alia derivata praeparanda, quae late in cibo, medicina, tunicis aliisque campis adhibentur.
Materiae cellulosae fundatae: Cellulosa dissoluta, nanofibrae cellulosae, membranae cellulosae, aliaeque materiae praeparari possunt. Hae materiae bonas proprietates mechanicas et biocompatibilitatem habent.
Energia biomassae: Cellulosam dissolvendo et degradando, in saccharum fermentabile converti potest ad productionem biocombustibilium, ut bioethanoli, quod ad progressionem et usum energiae renovabilis perficiendum adiuvat.
Dissolutio cellulosae est processus complexus qui multiplices mechanismos chemicos et physicos implicat. Liquores ionici, solutiones aminooxidantes, systemata LiCl-DMAc, solutiones acidi hydrochlorici/zinci chloridi, et enzyma cellolytica nunc agentes efficaces ad cellulosam dissolvendam esse nota sunt. Quisque agens suum proprium mechanismum dissolutionis et campum applicationis habet. Cum studio profundo mechanismi dissolutionis cellulosae, creditur methodos dissolutionis efficaciores et magis amicas ambienti excogitatum iri, plures possibilitates ad usum et progressionem cellulosae praebentes.
Tempus publicationis: IX Iul. MMXXIV