Celuloze ir sarežģīts polisaharīds, kas sastāv no daudzām glikozes vienībām, kas savienotas ar β-1,4-glikozīdu saitēm. Tā ir augu šūnu sieniņu galvenā sastāvdaļa un nodrošina augu šūnu sieniņām spēcīgu strukturālu atbalstu un izturību. Pateicoties garajai celulozes molekulārajai ķēdei un augstajai kristalinitātei, tai ir spēcīga stabilitāte un nešķīstība.
(1) Celulozes īpašības un grūtības šķīdināt
Celulozei piemīt šādas īpašības, kas apgrūtina tās šķīšanu:
Augsta kristalinitāte: celulozes molekulu ķēdes veido ciešu režģa struktūru, izmantojot ūdeņraža saites un van der Valsa spēkus.
Augsta polimerizācijas pakāpe: celulozes polimerizācijas pakāpe (t. i., molekulārās ķēdes garums) ir augsta, parasti svārstās no simtiem līdz tūkstošiem glikozes vienību, kas palielina molekulas stabilitāti.
Ūdeņraža saišu tīkls: Ūdeņraža saites ir plaši sastopamas starp celulozes molekulu ķēdēm un to iekšienē, apgrūtinot to iznīcināšanu un izšķīdināšanu ar vispārējiem šķīdinātājiem.
(2) Reaģenti, kas šķīdina celulozi
Pašlaik zināmie reaģenti, kas var efektīvi izšķīdināt celulozi, galvenokārt ietver šādas kategorijas:
1. Jonu šķidrumi
Jonu šķidrumi ir šķidrumi, kas sastāv no organiskiem katjoniem un organiskiem vai neorganiskiem anjoniem, parasti ar zemu gaistamību, augstu termisko stabilitāti un augstu regulējamību. Daži jonu šķidrumi var šķīdināt celulozi, un galvenais mehānisms ir ūdeņraža saišu pārraušana starp celulozes molekulu ķēdēm. Bieži sastopamie jonu šķidrumi, kas šķīdina celulozi, ir:
1-butil-3-metilimidazolija hlorīds ([BMIM]Cl): Šis jonu šķidrums šķīdina celulozi, mijiedarbojoties ar ūdeņraža saitēm celulozē caur ūdeņraža saišu akceptoriem.
1-etil-3-metilimidazolija acetāts ([EMIM][Ac]): Šis jonu šķidrums relatīvi maigos apstākļos var izšķīdināt augstas celulozes koncentrācijas.
2. Amīna oksidētāja šķīdums
Amīna oksidētāja šķīdumu, piemēram, dietilamīna (DEA) un vara hlorīda maisījumu, sauc par [Cu(II)-amonija šķīdumu], un tā ir spēcīga šķīdinātāju sistēma, kas var izšķīdināt celulozi. Tā iznīcina celulozes kristālisko struktūru, oksidējoties un veidojot ūdeņraža saites, padarot celulozes molekulāro ķēdi mīkstāku un labāk šķīstošu.
3. Litija hlorīda-dimetilacetamīda (LiCl-DMAc) sistēma
LiCl-DMAc (litija hlorīda-dimetilacetamīda) sistēma ir viena no klasiskajām celulozes šķīdināšanas metodēm. LiCl var veidot konkurenci par ūdeņraža saitēm, tādējādi iznīcinot ūdeņraža saišu tīklu starp celulozes molekulām, savukārt DMAc kā šķīdinātājs var labi mijiedarboties ar celulozes molekulāro ķēdi.
4. Sālsskābes/cinka hlorīda šķīdums
Sālsskābes/cinka hlorīda šķīdums ir viens no pirmajiem atklātajiem reaģentiem, kas var šķīdināt celulozi. Tas var šķīdināt celulozi, veidojot koordinācijas efektu starp cinka hlorīdu un celulozes molekulu ķēdēm, un sālsskābe iznīcina ūdeņraža saites starp celulozes molekulām. Tomēr šis šķīdums ir ļoti kodīgs iekārtām un tā praktiskā pielietošana ir ierobežota.
5. Fibrinolītiskie enzīmi
Fibrinolītiskie enzīmi (piemēram, celulāzes) šķīdina celulozi, katalizējot celulozes sadalīšanos mazākos oligosaharīdos un monosaharīdos. Šai metodei ir plašs pielietojumu klāsts biodegradācijas un biomasas pārveidošanas jomās, lai gan tās šķīdināšanas process nav pilnībā ķīmiska šķīdināšana, bet gan tiek panākts ar biokatalīzes palīdzību.
(3) Celulozes šķīšanas mehānisms
Dažādiem reaģentiem ir atšķirīgi celulozes šķīdināšanas mehānismi, bet kopumā tos var attiecināt uz diviem galvenajiem mehānismiem:
Ūdeņraža saišu iznīcināšana: ūdeņraža saišu iznīcināšana starp celulozes molekulu ķēdēm, izmantojot konkurējošu ūdeņraža saišu veidošanos vai jonu mijiedarbību, padarot to šķīstošu.
Molekulārās ķēdes relaksācija: celulozes molekulāro ķēžu mīkstuma palielināšana un molekulāro ķēžu kristāliskuma samazināšana, izmantojot fizikālus vai ķīmiskus līdzekļus, lai tās varētu izšķīdināt šķīdinātājos.
(4) Celulozes šķīdināšanas praktiskie pielietojumi
Celulozes šķīdināšanai ir svarīgs pielietojums daudzās jomās:
Celulozes atvasinājumu sagatavošana: Pēc celulozes izšķīdināšanas to var tālāk ķīmiski modificēt, lai iegūtu celulozes ēterus, celulozes esterus un citus atvasinājumus, ko plaši izmanto pārtikā, medicīnā, pārklājumos un citās jomās.
Celulozes materiāli: Izmantojot izšķīdinātu celulozi, var izgatavot celulozes nanofibrus, celulozes membrānas un citus materiālus. Šiem materiāliem ir labas mehāniskās īpašības un bioloģiskā saderība.
Biomasas enerģija: izšķīdinot un noārdot celulozi, to var pārvērst fermentējamos cukuros biodegvielu, piemēram, bioetanola, ražošanai, kas palīdz sasniegt atjaunojamās enerģijas attīstību un izmantošanu.
Celulozes šķīdināšana ir sarežģīts process, kurā iesaistīti vairāki ķīmiski un fizikāli mehānismi. Pašlaik ir zināms, ka jonu šķidrumi, aminoskābju oksidantu šķīdumi, LiCl-DMAc sistēmas, sālsskābes/cinka hlorīda šķīdumi un celolītiskie enzīmi ir efektīvi līdzekļi celulozes šķīdināšanai. Katram līdzeklim ir savs unikāls šķīdināšanas mehānisms un pielietojuma joma. Padziļināti izpētot celulozes šķīdināšanas mehānismu, tiek uzskatīts, ka tiks izstrādātas efektīvākas un videi draudzīgākas šķīdināšanas metodes, kas sniegs plašākas iespējas celulozes izmantošanai un attīstībai.
Publicēšanas laiks: 2024. gada 9. jūlijs