Целулозата е комплексен полисахарид составен од многу гликозни единици поврзани со β-1,4-гликозидни врски. Таа е главна компонента на клеточните ѕидови на растенијата и им дава на клеточните ѕидови силна структурна потпора и цврстина. Поради долгиот молекуларен ланец на целулозата и високата кристалност, таа има силна стабилност и нерастворливост.
(1) Својства на целулозата и тешкотии при растворање
Целулозата има следниве својства што го отежнуваат нејзиното растворање:
Висока кристаличност: Молекуларните синџири на целулоза формираат цврста решеткаста структура преку водородни врски и ван дер Валсови сили.
Висок степен на полимеризација: Степенот на полимеризација (т.е. должината на молекуларниот ланец) на целулозата е висок, обично се движи од стотици до илјадници единици на гликоза, што ја зголемува стабилноста на молекулата.
Мрежа на водородни врски: Водородните врски се широко присутни помеѓу и во рамките на молекуларните синџири на целулозата, што го отежнува нејзиното уништување и растворање со општи растворувачи.
(2) Реагенси што раствораат целулоза
Во моментов, познатите реагенси што можат ефикасно да растворат целулоза главно ги вклучуваат следниве категории:
1. Јонски течности
Јонските течности се течности составени од органски катјони и органски или неоргански анјони, обично со ниска испарливост, висока термичка стабилност и висока прилагодливост. Некои јонски течности можат да растворат целулоза, а главниот механизам е да ги раскинат водородните врски помеѓу молекуларните синџири на целулозата. Вообичаени јонски течности што раствораат целулоза вклучуваат:
1-бутил-3-метилимидазолиум хлорид ([BMIM]Cl): Оваа јонска течност ја раствора целулозата преку интеракција со водородните врски во целулозата преку акцептори на водородните врски.
1-етил-3-метилимидазолиум ацетат ([EMIM][Ac]): Оваа јонска течност може да раствори високи концентрации на целулоза под релативно благи услови.
2. Раствор на амин оксиданс
Раствор на амино оксиданс, како што е мешан раствор од диетиламин (DEA) и бакар хлорид, се нарекува [раствор на Cu(II)-амониум], кој е силен растворувачки систем кој може да раствори целулоза. Тој ја уништува кристалната структура на целулозата преку оксидација и водородни врски, правејќи го молекуларниот ланец на целулозата помек и порастворлив.
3. Систем на литиум хлорид-диметилацетамид (LiCl-DMAc)
Системот LiCl-DMAc (литиум хлорид-диметилацетамид) е еден од класичните методи за растворање на целулоза. LiCl може да формира конкуренција за водородни врски, со што ја уништува мрежата на водородни врски помеѓу молекулите на целулозата, додека DMAc како растворувач може добро да комуницира со молекуларниот ланец на целулозата.
4. Раствор од хлороводородна киселина/цинк хлорид
Растворот од хлороводородна киселина/цинк хлорид е рано откриен реагенс кој може да раствори целулоза. Тој може да раствори целулоза со формирање координативен ефект помеѓу цинк хлоридот и молекуларните ланци на целулозата, а хлороводородната киселина ги уништува водородните врски помеѓу молекулите на целулозата. Сепак, овој раствор е многу корозивен за опремата и е ограничен во практичните примени.
5. Фибринолитички ензими
Фибринолитичките ензими (како што се целулазите) ја раствораат целулозата со катализирање на распаѓањето на целулозата во помали олигосахариди и моносахариди. Овој метод има широк спектар на примена во областите на биоразградување и конверзија на биомаса, иако неговиот процес на растворање не е целосно хемиско растворање, туку се постигнува преку биокатализа.
(3) Механизам на растворање на целулоза
Различните реагенси имаат различни механизми за растворање на целулозата, но генерално тие можат да се припишат на два главни механизма:
Уништување на водородни врски: Уништување на водородните врски помеѓу молекуларните синџири на целулозата преку формирање на конкурентни водородни врски или јонска интеракција, со што таа станува растворлива.
Релаксација на молекуларниот ланец: Зголемување на мекоста на молекуларните ланци на целулозата и намалување на кристалноста на молекуларните ланци преку физички или хемиски средства, така што тие можат да се растворат во растворувачи.
(4) Практични примени на растворање на целулоза
Растворувањето на целулоза има важна примена во многу области:
Подготовка на деривати на целулоза: По растворањето на целулозата, таа може понатаму да биде хемиски модифицирана за да се подготват целулозни етери, целулозни естри и други деривати, кои се широко користени во храната, медицината, премазите и други области.
Материјали на база на целулоза: Со растворена целулоза може да се подготват целулозни нановлакна, целулозни мембрани и други материјали. Овие материјали имаат добри механички својства и биокомпатибилност.
Енергија од биомаса: Со растворање и разградување на целулозата, таа може да се претвори во ферментирачки шеќери за производство на биогорива како што е биоетанол, што помага да се постигне развој и искористување на обновливата енергија.
Растворањето на целулозата е сложен процес што вклучува повеќе хемиски и физички механизми. Јонските течности, растворите на аминооксиданси, LiCl-DMAc системите, растворите на хлороводородна киселина/цинк хлорид и целулитските ензими во моментов се познати како ефикасни агенси за растворање на целулоза. Секој агенс има свој уникатен механизам на растворање и поле на примена. Со длабинско проучување на механизмот на растворање на целулозата, се верува дека ќе се развијат поефикасни и еколошки методи на растворање, што ќе обезбеди повеќе можности за искористување и развој на целулозата.
Време на објавување: 09 јули 2024