Cellulosa är en komplex polysackarid som består av många glukosenheter sammankopplade med β-1,4-glykosidbindningar. Det är huvudkomponenten i växtcellväggar och ger växtcellväggarna starkt strukturellt stöd och seghet. På grund av den långa cellulosamolekylkedjan och höga kristalliniteten har den stark stabilitet och är olöslig.
(1) Cellulosans egenskaper och svårighet att lösa upp
Cellulosa har följande egenskaper som gör den svår att lösa upp:
Hög kristallinitet: Cellulosamolekylkedjorna bildar en tät gitterstruktur genom vätebindningar och van der Waals-krafter.
Hög polymerisationsgrad: Polymerisationsgraden (dvs. molekylkedjans längd) hos cellulosa är hög, vanligtvis från hundratals till tusentals glukosenheter, vilket ökar molekylens stabilitet.
Vätebindningsnätverk: Vätebindningar finns i stor utsträckning mellan och inom cellulosamolekylkedjor, vilket gör det svårt att förstöra och lösa upp dem av allmänna lösningsmedel.
(2) Reagenser som löser upp cellulosa
För närvarande inkluderar de kända reagenserna som effektivt kan lösa upp cellulosa huvudsakligen följande kategorier:
1. Joniska vätskor
Joniska vätskor är vätskor som består av organiska katjoner och organiska eller oorganiska anjoner, vanligtvis med låg flyktighet, hög termisk stabilitet och hög justerbarhet. Vissa joniska vätskor kan lösa upp cellulosa, och den huvudsakliga mekanismen är att bryta vätebindningarna mellan cellulosans molekylkedjor. Vanliga joniska vätskor som löser upp cellulosa inkluderar:
1-Butyl-3-metylimidazoliumklorid ([BMIM]Cl): Denna joniska vätska löser upp cellulosa genom att interagera med vätebindningar i cellulosan via vätebindningsacceptorer.
1-etyl-3-metylimidazoliumacetat ([EMIM][Ac]): Denna joniska vätska kan lösa upp höga koncentrationer av cellulosa under relativt milda förhållanden.
2. Aminoxidantlösning
Aminoxidantlösningar, såsom en blandad lösning av dietylamin (DEA) och kopparklorid, kallas [Cu(II)-ammoniumlösning], vilket är ett starkt lösningsmedelssystem som kan lösa upp cellulosa. Det förstör cellulosans kristallstruktur genom oxidation och vätebindning, vilket gör cellulosans molekylkedja mjukare och mer löslig.
3. Litiumklorid-dimetylacetamid (LiCl-DMAc)-system
LiCl-DMAc-systemet (litiumklorid-dimetylacetamid) är en av de klassiska metoderna för att lösa upp cellulosa. LiCl kan skapa en konkurrens om vätebindningar och därigenom förstöra vätebindningsnätverket mellan cellulosamolekyler, medan DMAc som lösningsmedel kan interagera väl med cellulosans molekylkedja.
4. Saltsyra/zinkkloridlösning
Saltsyra/zinkkloridlösningen är ett tidigt upptäckt reagens som kan lösa upp cellulosa. Den kan lösa upp cellulosa genom att bilda en koordinationseffekt mellan zinkklorid och cellulosamolekylkedjor, och saltsyra förstör vätebindningarna mellan cellulosamolekylerna. Denna lösning är dock mycket korrosiv för utrustning och har begränsade praktiska tillämpningar.
5. Fibrinolytiska enzymer
Fibrinolytiska enzymer (såsom cellulaser) löser upp cellulosa genom att katalysera nedbrytningen av cellulosa till mindre oligosackarider och monosackarider. Denna metod har ett brett användningsområde inom områdena biologisk nedbrytning och biomassaomvandling, även om dess upplösningsprocess inte är fullständigt kemisk utan uppnås genom biokatalys.
(3) Mekanism för cellulosaupplösning
Olika reagens har olika mekanismer för att lösa upp cellulosa, men i allmänhet kan de hänföras till två huvudmekanismer:
Förstöring av vätebindningar: Förstöring av vätebindningarna mellan cellulosamolekylkedjor genom konkurrerande vätebindningsbildning eller jonisk interaktion, vilket gör den löslig.
Molekylkedjerelaxation: Ökning av mjukheten hos cellulosamolekylkedjor och minskning av kristalliniteten hos molekylkedjor genom fysikaliska eller kemiska metoder, så att de kan lösas upp i lösningsmedel.
(4) Praktiska tillämpningar av cellulosaupplösning
Cellulosaupplösning har viktiga tillämpningar inom många områden:
Framställning av cellulosaderivat: Efter upplösning av cellulosan kan den ytterligare kemiskt modifieras för att framställa cellulosaetrar, cellulosaestrar och andra derivat, vilka används i stor utsträckning inom livsmedel, medicin, beläggningar och andra områden.
Cellulosabaserade material: Med hjälp av upplöst cellulosa kan cellulosa-nanofibrer, cellulosamembran och andra material framställas. Dessa material har goda mekaniska egenskaper och biokompatibilitet.
Biomassaenergi: Genom att lösa upp och bryta ner cellulosa kan den omvandlas till fermenterbara sockerarter för produktion av biobränslen som bioetanol, vilket bidrar till utveckling och utnyttjande av förnybar energi.
Cellulosaupplösning är en komplex process som involverar flera kemiska och fysikaliska mekanismer. Joniska vätskor, aminooxidantlösningar, LiCl-DMAc-system, saltsyra/zinkkloridlösningar och cellolytiska enzymer är för närvarande kända för att vara effektiva medel för att lösa upp cellulosa. Varje medel har sin egen unika upplösningsmekanism och tillämpningsområde. Med en djupgående studie av cellulosans upplösningsmekanism tros det att mer effektiva och miljövänliga upplösningsmetoder kommer att utvecklas, vilket ger fler möjligheter för användning och utveckling av cellulosa.
Publiceringstid: 9 juli 2024