सेल्युलोज ईथरहरूको संरचना र प्रकारहरू के हुन्?

१. सेल्युलोज ईथरको संरचना र तयारी सिद्धान्त

चित्र १ ले सेल्युलोज ईथरहरूको विशिष्ट संरचना देखाउँछ। प्रत्येक bD-एनहाइड्रोग्लुकोज एकाइ (सेलुलोजको दोहोरिने एकाइ) ले C (2), C (3) र C (6) स्थितिहरूमा एउटा समूहलाई प्रतिस्थापन गर्दछ, अर्थात्, त्यहाँ तीनवटा ईथर समूहहरू हुन सक्छन्। को इन्ट्रा-चेन र इन्टर-चेन हाइड्रोजन बन्धनको कारणले गर्दासेल्युलोज म्याक्रोमोलेक्युलहरू, यो पानी र लगभग सबै जैविक विलायकहरूमा घुलनशील हुन गाह्रो छ। इथरिफिकेशन मार्फत ईथर समूहहरूको परिचयले इन्ट्रामोलेकुलर र इन्टरमोलेकुलर हाइड्रोजन बन्धनहरूलाई नष्ट गर्छ, यसको हाइड्रोफिलिसिटी सुधार गर्छ, र पानीको माध्यममा यसको घुलनशीलतामा धेरै सुधार गर्छ।

विशिष्ट इथरिफाइड प्रतिस्थापनहरू कम आणविक तौल अल्कोक्सी समूहहरू (१ देखि ४ कार्बन परमाणुहरू) वा हाइड्रोक्सियाल्काइल समूहहरू हुन्, जुन त्यसपछि कार्बोक्सिल, हाइड्रोक्सिल वा एमिनो समूहहरू जस्ता अन्य कार्यात्मक समूहहरूद्वारा प्रतिस्थापन गर्न सकिन्छ। प्रतिस्थापनहरू एक, दुई वा बढी फरक प्रकारका हुन सक्छन्। सेल्युलोज म्याक्रोमोलेकुलर चेनको साथ, प्रत्येक ग्लुकोज एकाइको C(2), C(3) र C(6) स्थितिहरूमा हाइड्रोक्सिल समूहहरू फरक अनुपातमा प्रतिस्थापन गरिन्छन्। कडा शब्दमा भन्नुपर्दा, सेल्युलोज ईथरमा सामान्यतया निश्चित रासायनिक संरचना हुँदैन, ती उत्पादनहरू बाहेक जुन पूर्ण रूपमा एक प्रकारको समूहद्वारा प्रतिस्थापन गरिन्छ (सबै तीन हाइड्रोक्सिल समूहहरू प्रतिस्थापन गरिन्छ)। यी उत्पादनहरू प्रयोगशाला विश्लेषण र अनुसन्धानको लागि मात्र प्रयोग गर्न सकिन्छ, र यसको कुनै व्यावसायिक मूल्य हुँदैन।

(क) सेल्युलोज ईथर आणविक श्रृंखला, R1~R6=H, वा जैविक प्रतिस्थापनका दुई एनहाइड्रोग्लुकोज एकाइहरूको सामान्य संरचना;

(b) कार्बोक्सिमिथाइलको आणविक श्रृंखलाको अंशहाइड्रोक्साइथाइल सेलुलोज, कार्बोक्सिमिथाइलको प्रतिस्थापनको डिग्री ०.५ छ, हाइड्रोक्सिथिलको प्रतिस्थापनको डिग्री २.० छ, र मोलरको प्रतिस्थापनको डिग्री ३.० छ। यो संरचनाले इथरिफाइड समूहहरूको औसत प्रतिस्थापन स्तरलाई प्रतिनिधित्व गर्दछ, तर प्रतिस्थापनहरू वास्तवमा अनियमित छन्।

प्रत्येक प्रतिस्थापनको लागि, इथरिफिकेशनको कुल मात्रा प्रतिस्थापन DS मानको डिग्रीद्वारा व्यक्त गरिन्छ। DS को दायरा ०~३ हो, जुन प्रत्येक एनहाइड्रोग्लुकोज एकाइमा इथरिफिकेशन समूहहरूद्वारा प्रतिस्थापन गरिएका हाइड्रोक्सिल समूहहरूको औसत संख्या बराबर हो।

हाइड्रोक्सियाल्काइल सेल्युलोज ईथरहरूको लागि, प्रतिस्थापन प्रतिक्रियाले नयाँ मुक्त हाइड्रोक्सिल समूहहरूबाट ईथरिफिकेशन सुरु गर्नेछ, र प्रतिस्थापनको डिग्री MS मान, अर्थात्, प्रतिस्थापनको मोलर डिग्री द्वारा परिमाण गर्न सकिन्छ। यसले प्रत्येक एनहाइड्रोग्लुकोज एकाइमा थपिएको ईथरिफाइङ एजेन्ट रिएक्टेन्टको मोलहरूको औसत संख्यालाई प्रतिनिधित्व गर्दछ। एक विशिष्ट रिएक्टेन्ट इथिलीन अक्साइड हो र उत्पादनमा हाइड्रोक्साइथाइल प्रतिस्थापन हुन्छ। चित्र १ मा, उत्पादनको MS मान 3.0 छ।

सैद्धान्तिक रूपमा, MS मानको लागि कुनै माथिल्लो सीमा छैन। यदि प्रत्येक ग्लुकोज रिंग समूहमा प्रतिस्थापनको डिग्रीको DS मान थाहा छ भने, ईथर साइड चेनको औसत चेन लम्बाइ केही निर्माताहरूले प्रायः DS र MS मानहरूको सट्टा प्रतिस्थापन स्तर र डिग्री प्रतिनिधित्व गर्न विभिन्न ईथरीकरण समूहहरू (जस्तै -OCH3 वा -OC2H4OH) को द्रव्यमान अंश (wt%) पनि प्रयोग गर्छन्। प्रत्येक समूहको द्रव्यमान अंश र यसको DS वा MS मानलाई सरल गणनाद्वारा रूपान्तरण गर्न सकिन्छ।

धेरैजसो सेल्युलोज ईथरहरू पानीमा घुलनशील पोलिमरहरू हुन्, र केही जैविक विलायकहरूमा आंशिक रूपमा घुलनशील पनि हुन्छन्। सेल्युलोज ईथरमा उच्च दक्षता, कम मूल्य, सजिलो प्रशोधन, कम विषाक्तता र विस्तृत विविधताको विशेषताहरू छन्, र माग र प्रयोग क्षेत्रहरू अझै विस्तार भइरहेका छन्। सहायक एजेन्टको रूपमा, सेल्युलोज ईथरको उद्योगका विभिन्न क्षेत्रहरूमा ठूलो प्रयोग क्षमता छ। MS/DS द्वारा प्राप्त गर्न सकिन्छ।

सेल्युलोज ईथरहरूलाई प्रतिस्थापनको रासायनिक संरचना अनुसार एनियोनिक, क्याशनिक र नॉनियोनिक ईथरमा वर्गीकृत गरिन्छ। नॉनियोनिक ईथरहरूलाई पानीमा घुलनशील र तेलमा घुलनशील उत्पादनहरूमा विभाजन गर्न सकिन्छ।

औद्योगिकीकरण गरिएका उत्पादनहरू तालिका १ को माथिल्लो भागमा सूचीबद्ध छन्। तालिका १ को तल्लो भागले केही ज्ञात इथरिफिकेशन समूहहरूलाई सूचीबद्ध गर्दछ, जुन अझै महत्त्वपूर्ण व्यावसायिक उत्पादनहरू बनेका छैनन्।

मिश्रित ईथर प्रतिस्थापनहरूको संक्षिप्त क्रम वर्णमाला क्रम वा सम्बन्धित DS (MS) को स्तर अनुसार नामकरण गर्न सकिन्छ, उदाहरणका लागि, २-हाइड्रोक्साइथाइल मिथाइलसेलुलोजको लागि, संक्षिप्त रूप HEMC हो, र मिथाइल प्रतिस्थापनलाई हाइलाइट गर्न यसलाई MHEC को रूपमा पनि लेख्न सकिन्छ।

सेल्युलोजमा भएका हाइड्रोक्सिल समूहहरू इथरिफिकेशन एजेन्टहरूद्वारा सजिलै पहुँचयोग्य हुँदैनन्, र इथरिफिकेशन प्रक्रिया सामान्यतया क्षारीय अवस्थाहरूमा गरिन्छ, सामान्यतया NaOH जलीय घोलको निश्चित सांद्रता प्रयोग गरेर। सेल्युलोज पहिले NaOH जलीय घोलको साथ सुन्निएको क्षारीय सेल्युलोजमा बनाइन्छ, र त्यसपछि इथरिफिकेशन एजेन्टसँग इथरिफिकेशन प्रतिक्रियाबाट गुज्रिन्छ। मिश्रित इथरहरूको उत्पादन र तयारीको क्रममा, एकै समयमा विभिन्न प्रकारका इथरिफिकेशन एजेन्टहरू प्रयोग गर्नुपर्छ, वा इथरिफिकेशनलाई चरणबद्ध रूपमा खुवाएर (आवश्यक भएमा) चरणबद्ध रूपमा गरिनुपर्छ। सेल्युलोजको इथरिफिकेशनमा चार प्रतिक्रिया प्रकारहरू छन्, जसलाई प्रतिक्रिया सूत्र (सेल्युलोसिकलाई सेल-OH द्वारा प्रतिस्थापन गरिएको छ) द्वारा संक्षेप गरिएको छ:

समीकरण (१) ले विलियमसन इथरिफिकेशन प्रतिक्रियाको वर्णन गर्दछ। RX एक अजैविक एसिड एस्टर हो, र X हलोजन Br, Cl वा सल्फ्यूरिक एसिड एस्टर हो। क्लोराइड R-Cl सामान्यतया उद्योगमा प्रयोग गरिन्छ, उदाहरणका लागि, मिथाइल क्लोराइड, इथाइल क्लोराइड वा क्लोरोएसेटिक एसिड। त्यस्ता प्रतिक्रियाहरूमा आधारको स्टोइचियोमेट्रिक मात्रा खपत हुन्छ। औद्योगिक सेल्युलोज ईथर उत्पादनहरू मिथाइल सेलुलोज, इथाइल सेलुलोज र कार्बोक्सिमिथाइल सेलुलोज विलियमसन इथरिफिकेशन प्रतिक्रियाका उत्पादनहरू हुन्।

प्रतिक्रिया सूत्र (२) भनेको आधार-उत्प्रेरित इपोक्साइडहरू (जस्तै R=H, CH3, वा C2H5) र सेल्युलोज अणुहरूमा हाइड्रोक्सिल समूहहरूको आधार उपभोग नगरी थप प्रतिक्रिया हो। यो प्रतिक्रिया जारी रहने सम्भावना छ किनकि प्रतिक्रियाको क्रममा नयाँ हाइड्रोक्सिल समूहहरू उत्पन्न हुन्छन्, जसले गर्दा ओलिगोआल्किलेथिलिन अक्साइड साइड चेनहरू बन्छन्: १-अजिरिडिन (अजिरिडिन) सँगको समान प्रतिक्रियाले एमिनोइथाइल ईथर बनाउनेछ: सेल-ओ-CH2-CH2-NH2। हाइड्रोक्साइथाइल सेलुलोज, हाइड्रोक्साइप्रोपाइल सेलुलोज र हाइड्रोक्सिब्यूटिल सेलुलोज जस्ता उत्पादनहरू सबै आधार-उत्प्रेरित इपोक्सिडेशनका उत्पादनहरू हुन्।

प्रतिक्रिया सूत्र (३) भनेको क्षारीय माध्यममा सक्रिय दोहोरो बन्धन भएको कोष-OH र जैविक यौगिकहरू बीचको प्रतिक्रिया हो, Y भनेको CN, CONH2, वा SO3-Na+ जस्ता इलेक्ट्रोन-निकासी समूह हो। आज यस प्रकारको प्रतिक्रिया औद्योगिक रूपमा विरलै प्रयोग गरिन्छ।

प्रतिक्रिया सूत्र (४), डायजोआल्केनसँग इथरिफिकेशन अझै औद्योगिकीकरण भएको छैन।

1. सेल्युलोज ईथरका प्रकारहरू

सेल्युलोज ईथर मोनोइथर वा मिश्रित ईथर हुन सक्छ, र यसको गुणहरू फरक हुन्छन्। सेल्युलोज म्याक्रोमोलेक्युलमा कम-प्रतिस्थापन हाइड्रोफिलिक समूहहरू हुन्छन्, जस्तै हाइड्रोक्साइथाइल समूहहरू, जसले उत्पादनलाई निश्चित डिग्री पानीमा घुलनशीलता प्रदान गर्न सक्छ, जबकि मिथाइल, इथाइल, आदि जस्ता हाइड्रोफोबिक समूहहरूको लागि, केवल मध्यम प्रतिस्थापन उच्च डिग्रीले उत्पादनलाई निश्चित डिग्री पानीमा घुलनशीलता दिन सक्छ, र कम-प्रतिस्थापन उत्पादन पानीमा मात्र फुल्छ वा पातलो क्षार घोलमा घुलनशील हुन सक्छ। सेल्युलोज ईथरहरूको गुणहरूमा गहन अनुसन्धानको साथ, नयाँ सेल्युलोज ईथरहरू र तिनीहरूको अनुप्रयोग क्षेत्रहरू निरन्तर विकास र उत्पादन गरिनेछ, र सबैभन्दा ठूलो चालक शक्ति फराकिलो र निरन्तर परिष्कृत अनुप्रयोग बजार हो।

घुलनशीलता गुणहरूमा मिश्रित इथरहरूमा समूहहरूको प्रभावको सामान्य नियम हो:

१) ईथरको हाइड्रोफोबिसिटी बढाउन र जेल बिन्दु कम गर्न उत्पादनमा हाइड्रोफोबिक समूहहरूको सामग्री बढाउनुहोस्;

२) यसको जेल बिन्दु बढाउन हाइड्रोफिलिक समूहहरू (जस्तै हाइड्रोक्साइथाइल समूहहरू) को सामग्री बढाउनुहोस्;

३) हाइड्रोक्साइप्रोपाइल समूह विशेष हो, र उचित हाइड्रोक्साइप्रोपाइलेसनले उत्पादनको जेल तापक्रम घटाउन सक्छ, र मध्यम हाइड्रोक्साइप्रोपाइलेटेड उत्पादनको जेल तापक्रम फेरि बढ्नेछ, तर उच्च स्तरको प्रतिस्थापनले यसको जेल बिन्दु घटाउनेछ; कारण हाइड्रोक्साइप्रोपाइल समूहको विशेष कार्बन चेन लम्बाइ संरचना, कम-स्तरको हाइड्रोक्साइप्रोपाइलेसन, सेलुलोज म्याक्रोमोलेक्युलमा अणुहरू भित्र र बीच कमजोर हाइड्रोजन बन्धनहरू, र शाखा चेनहरूमा हाइड्रोफिलिक हाइड्रोक्सिल समूहहरू हुन्। पानी प्रमुख छ। अर्कोतर्फ, यदि प्रतिस्थापन उच्च छ भने, साइड समूहमा पोलिमराइजेशन हुनेछ, हाइड्रोक्सिल समूहको सापेक्षिक सामग्री घट्नेछ, हाइड्रोफोबिसिटी बढ्नेछ, र यसको सट्टा घुलनशीलता कम हुनेछ।

उत्पादन र अनुसन्धानसेल्युलोज ईथरयसको लामो इतिहास छ। १९०५ मा, सुइडाले पहिलो पटक सेल्युलोजको इथरिफिकेशनको रिपोर्ट गर्‍यो, जुन डाइमिथाइल सल्फेटसँग मिथाइलेटेड थियो। पानीमा घुलनशील वा तेलमा घुलनशील सेल्युलोज इथरहरूको लागि क्रमशः लिलियनफेल्ड (१९१२), ड्रेफस (१९१४) र ल्यूच्स (१९२०) द्वारा ननियोनिक एल्काइल इथरहरू पेटेन्ट गरिएको थियो। बुचलर र गोम्बर्गले १९२१ मा बेन्जिल सेलुलोज उत्पादन गरे, कार्बोक्सिमिथाइल सेलुलोज पहिलो पटक १९१८ मा जानसेनद्वारा उत्पादन गरिएको थियो, र ह्युबर्टले १९२० मा हाइड्रोक्सिमिथाइल सेलुलोज उत्पादन गरे। १९२० को दशकको सुरुमा, जर्मनीमा कार्बोक्सिमिथाइल सेलुलोजको व्यावसायीकरण गरिएको थियो। १९३७ देखि १९३८ सम्म, संयुक्त राज्य अमेरिकामा MC र HEC को औद्योगिक उत्पादन साकार भयो। स्वीडेनले १९४५ मा पानीमा घुलनशील EHEC को उत्पादन सुरु गर्यो। १९४५ पछि, सेल्युलोज इथरको उत्पादन पश्चिमी युरोप, संयुक्त राज्य अमेरिका र जापानमा द्रुत गतिमा विस्तार भयो। १९५७ को अन्त्यमा, चीनको CMC पहिलो पटक सांघाई सेलुलोइड कारखानामा उत्पादनमा लगिएको थियो। २००४ सम्ममा, मेरो देशको उत्पादन क्षमता ३०,००० टन आयनिक ईथर र १०,००० टन गैर-आयनिक ईथर हुनेछ। २००७ सम्ममा, यो १००,००० टन आयनिक ईथर र ४०,००० टन गैर-आयनिक ईथर पुग्नेछ। स्वदेश र विदेशमा संयुक्त प्रविधि कम्पनीहरू पनि निरन्तर उदय भइरहेका छन्, र चीनको सेलुलोज ईथर उत्पादन क्षमता र प्राविधिक स्तर निरन्तर सुधार भइरहेको छ।

हालैका वर्षहरूमा, विभिन्न DS मानहरू, चिपचिपापन, शुद्धता र rheological गुणहरू भएका धेरै सेलुलोज मोनोइथरहरू र मिश्रित ईथरहरू निरन्तर विकास गरिएका छन्। हाल, सेलुलोज ईथरको क्षेत्रमा विकासको केन्द्रबिन्दु उन्नत उत्पादन प्रविधि, नयाँ तयारी प्रविधि, नयाँ उपकरणहरू, नयाँ उत्पादनहरू, उच्च-गुणस्तरका उत्पादनहरू, र व्यवस्थित उत्पादनहरूको प्राविधिक रूपमा अनुसन्धान गरिनुपर्छ।