Целулоза је сложени полисахарид састављен од многих глукозних јединица повезаних β-1,4-гликозидним везама. Она је главна компонента ћелијских зидова биљака и даје им снажну структурну потпору и жилавост. Због дугог молекуларног ланца целулозе и високе кристалности, поседује јаку стабилност и нерастворљивост.
(1) Особине целулозе и тешкоћа растварања
Целулоза има следећа својства која отежавају њено растварање:
Висока кристалност: Молекуларни ланци целулозе формирају чврсту решеткасту структуру путем водоничних веза и ван дер Валсових сила.
Висок степен полимеризације: Степен полимеризације (тј. дужина молекуларног ланца) целулозе је висок, обично се креће од стотина до хиљада јединица глукозе, што повећава стабилност молекула.
Мрежа водоничних веза: Водоничне везе су широко присутне између и унутар молекуларних ланаца целулозе, што отежава њихово уништавање и растварање општим растварачима.
(2) Реагенси који растварају целулозу
Тренутно, познати реагенси који могу ефикасно растворити целулозу углавном укључују следеће категорије:
1. Јонске течности
Јонске течности су течности састављене од органских катјона и органских или неорганских ањона, обично са ниском испарљивошћу, високом термичком стабилношћу и великом подесивошћу. Неке јонске течности могу растворити целулозу, а главни механизам је кидање водоничних веза између молекуларних ланаца целулозе. Уобичајене јонске течности које растварају целулозу укључују:
1-Бутил-3-метилимидазолијум хлорид ([BMIM]Cl): Ова јонска течност раствара целулозу интеракцијом са водоничним везама у целулози преко акцептора водоничних веза.
1-Етил-3-метилимидазолијум ацетат ([EMIM][Ac]): Ова јонска течност може да раствори високе концентрације целулозе под релативно благим условима.
2. Раствор аминског оксиданса
Раствор аминског оксиданса, као што је мешани раствор диетиламина (DEA) и бакар хлорида, назива се [Cu(II)-амонијум раствор], што је јак систем растварача који може да раствори целулозу. Он уништава кристалну структуру целулозе кроз оксидацију и водоничне везе, чинећи молекуларни ланац целулозе мекшим и растворљивијим.
3. Систем литијум хлорид-диметилацетамид (LiCl-DMAc)
Систем LiCl-DMAc (литијум хлорид-диметилацетамид) је једна од класичних метода за растварање целулозе. LiCl може да формира конкуренцију за водоничне везе, чиме уништава мрежу водоничних веза између молекула целулозе, док DMAc као растварач може добро да интерагује са молекуларним ланцем целулозе.
4. Раствор хлороводоничне киселине/цинк хлорида
Раствор хлороводоничне киселине/цинк хлорида је рано откривени реагенс који може да раствори целулозу. Може да раствори целулозу стварањем координационог ефекта између цинк хлорида и молекуларних ланаца целулозе, а хлороводонична киселина уништава водоничне везе између молекула целулозе. Међутим, овај раствор је веома корозиван за опрему и ограничен је у практичној примени.
5. Фибринолитички ензими
Фибринолитички ензими (као што су целулазе) растварају целулозу катализујући разградњу целулозе на мање олигосахариде и моносахариде. Ова метода има широк спектар примене у областима биоразградње и конверзије биомасе, иако њен процес растварања није потпуно хемијско растварање, већ се постиже биокатализом.
(3) Механизам растварања целулозе
Различити реагенси имају различите механизме за растварање целулозе, али генерално се могу приписати два главна механизма:
Уништавање водоничних веза: Уништавање водоничних веза између молекуларних ланаца целулозе путем конкурентног формирања водоничних веза или јонске интеракције, чинећи је растворљивом.
Релаксација молекуларних ланаца: Повећање мекоће целулозних молекуларних ланаца и смањење кристалности молекуларних ланаца физичким или хемијским средствима, тако да се могу растворити у растварачима.
(4) Практична примена растварања целулозе
Растварање целулозе има важне примене у многим областима:
Припрема деривата целулозе: Након растварања целулозе, она се може даље хемијски модификовати да би се добили етри целулозе, естри целулозе и други деривати, који се широко користе у храни, медицини, премазима и другим областима.
Материјали на бази целулозе: Коришћењем растворене целулозе могу се припремити целулозна нановлакна, целулозне мембране и други материјали. Ови материјали имају добра механичка својства и биокомпатибилност.
Енергија биомасе: Растварањем и разградњом целулозе, она се може претворити у ферментабилне шећере за производњу биогорива као што је биоетанол, што помаже у постизању развоја и коришћења обновљиве енергије.
Растварање целулозе је сложен процес који укључује вишеструке хемијске и физичке механизме. Јонске течности, раствори аминооксиданата, LiCl-DMAc системи, раствори хлороводоничне киселине/цинк хлорида и целолитички ензими су тренутно познати као ефикасна средства за растварање целулозе. Свако средство има свој јединствени механизам растварања и област примене. Са детаљним проучавањем механизма растварања целулозе, верује се да ће се развити ефикасније и еколошки прихватљивије методе растварања, пружајући више могућности за коришћење и развој целулозе.
Време објаве: 09.07.2024.