สารเคมีที่สามารถละลายเซลลูโลสคืออะไร?

เซลลูโลสเป็นโพลีแซ็กคาไรด์เชิงซ้อนที่ประกอบด้วยหน่วยกลูโคสจำนวนมากที่เชื่อมต่อกันด้วยพันธะไกลโคซิดิก β-1,4 เซลลูโลสเป็นองค์ประกอบหลักของผนังเซลล์พืชและช่วยให้ผนังเซลล์พืชมีโครงสร้างที่แข็งแรงและมีความเหนียว เซลลูโลสมีโซ่โมเลกุลยาวและมีผลึกสูง จึงมีเสถียรภาพสูงและไม่ละลายน้ำ

(1) คุณสมบัติของเซลลูโลสและการละลายยาก

เซลลูโลสมีคุณสมบัติที่ทำให้ละลายได้ยากดังนี้:

ความเป็นผลึกสูง: โซ่โมเลกุลเซลลูโลสสร้างโครงสร้างตาข่ายแน่นหนาโดยพันธะไฮโดรเจนและแรงแวนเดอร์วาลส์

ระดับการเกิดพอลิเมอไรเซชันสูง: ระดับการเกิดพอลิเมอไรเซชัน (เช่น ความยาวของโซ่โมเลกุล) ของเซลลูโลสจะสูง โดยปกติจะอยู่ระหว่างหลายร้อยถึงหลายพันหน่วยกลูโคส ซึ่งจะเพิ่มความเสถียรของโมเลกุล

เครือข่ายพันธะไฮโดรเจน: พันธะไฮโดรเจนมักปรากฏอยู่ระหว่างและภายในโซ่โมเลกุลเซลลูโลส ทำให้ยากต่อการทำลายและละลายด้วยตัวทำละลายทั่วไป

(2) สารที่ละลายเซลลูโลส

ในปัจจุบัน สารตั้งต้นที่สามารถละลายเซลลูโลสได้อย่างมีประสิทธิภาพที่ทราบกันดี ได้แก่

1. ของเหลวไอออนิก

ของเหลวไอออนิกคือของเหลวที่ประกอบด้วยไอออนบวกอินทรีย์และไอออนลบอินทรีย์หรืออนินทรีย์ โดยปกติจะมีความผันผวนต่ำ มีเสถียรภาพทางความร้อนสูง และปรับได้สูง ของเหลวไอออนิกบางชนิดสามารถละลายเซลลูโลสได้ และกลไกหลักคือการทำลายพันธะไฮโดรเจนระหว่างโซ่โมเลกุลเซลลูโลส ของเหลวไอออนิกทั่วไปที่สามารถละลายเซลลูโลสได้ ได้แก่:

1-Butyl-3-methylimidazolium chloride ([BMIM]Cl): ของเหลวไอออนิกนี้จะละลายเซลลูโลสโดยทำปฏิกิริยากับพันธะไฮโดรเจนในเซลลูโลสผ่านตัวรับพันธะไฮโดรเจน

1-เอทิล-3-เมทิลอิมิดาโซเลียมอะซิเตท ([EMIM][Ac]): ของเหลวไอออนิกนี้สามารถละลายเซลลูโลสที่มีความเข้มข้นสูงภายใต้สภาวะที่ค่อนข้างอ่อนโยน

2. สารละลายอะมีนออกซิแดนท์
สารละลายออกซิแดนท์อะมีน เช่น สารละลายผสมของไดเอทิลอะมีน (DEA) และคอปเปอร์คลอไรด์ เรียกว่า [สารละลาย Cu(II)-แอมโมเนียม] ซึ่งเป็นระบบตัวทำละลายที่มีฤทธิ์แรงที่สามารถละลายเซลลูโลสได้ โดยจะทำลายโครงสร้างผลึกของเซลลูโลสผ่านกระบวนการออกซิเดชันและพันธะไฮโดรเจน ทำให้โซ่โมเลกุลของเซลลูโลสอ่อนตัวลงและละลายน้ำได้มากขึ้น

3. ระบบลิเธียมคลอไรด์-ไดเมทิลอะเซตามิด (LiCl-DMAc)
ระบบ LiCl-DMAc (ลิเธียมคลอไรด์-ไดเมทิลเอซิตาไมด์) เป็นหนึ่งในวิธีคลาสสิกในการละลายเซลลูโลส LiCl สามารถแข่งขันกับพันธะไฮโดรเจนได้ จึงทำลายเครือข่ายพันธะไฮโดรเจนระหว่างโมเลกุลเซลลูโลสได้ ในขณะที่ DMAc ในฐานะตัวทำละลายสามารถโต้ตอบกับโซ่โมเลกุลเซลลูโลสได้ดี

4. สารละลายกรดไฮโดรคลอริก/สังกะสีคลอไรด์
สารละลายกรดไฮโดรคลอริก/สังกะสีคลอไรด์เป็นสารตั้งต้นที่ถูกค้นพบว่าสามารถละลายเซลลูโลสได้ สารตั้งต้นสามารถละลายเซลลูโลสได้โดยสร้างเอฟเฟกต์การประสานงานระหว่างโซ่โมเลกุลของสังกะสีคลอไรด์และเซลลูโลส และกรดไฮโดรคลอริกทำลายพันธะไฮโดรเจนระหว่างโมเลกุลของเซลลูโลส อย่างไรก็ตาม สารละลายนี้กัดกร่อนอุปกรณ์ได้มากและมีข้อจำกัดในการใช้งานจริง

5. เอนไซม์ไฟบริโนไลติก
เอนไซม์ไฟบรินไลติก (เช่น เซลลูเลส) ละลายเซลลูโลสโดยเร่งปฏิกิริยาการย่อยสลายเซลลูโลสให้เป็นโอลิโกแซ็กคาไรด์และโมโนแซ็กคาไรด์ที่มีขนาดเล็กกว่า วิธีการนี้มีการประยุกต์ใช้ในสาขาการย่อยสลายทางชีวภาพและการแปลงชีวมวลได้หลากหลาย แม้ว่ากระบวนการละลายจะไม่ใช่การละลายทางเคมีทั้งหมด แต่ทำได้โดยการเร่งปฏิกิริยาทางชีวภาพ

(3) กลไกการละลายเซลลูโลส

สารเคมีต่างชนิดมีกลไกในการละลายเซลลูโลสต่างกัน แต่โดยทั่วไปสารเคมีเหล่านี้สามารถแบ่งได้เป็น 2 กลไกหลัก ได้แก่
การทำลายพันธะไฮโดรเจน: การทำลายพันธะไฮโดรเจนระหว่างโซ่โมเลกุลเซลลูโลสผ่านการสร้างพันธะไฮโดรเจนแบบแข่งขันหรือปฏิสัมพันธ์ไอออนิก ทำให้ละลายได้
การคลายตัวของโซ่โมเลกุล: การเพิ่มความนุ่มของโซ่โมเลกุลเซลลูโลสและลดความเป็นผลึกของโซ่โมเลกุลผ่านวิธีการทางกายภาพหรือเคมี เพื่อให้สามารถละลายในตัวทำละลายได้

(4) การประยุกต์ใช้ในทางปฏิบัติของการละลายเซลลูโลส

การละลายเซลลูโลสมีการประยุกต์ใช้ที่สำคัญในหลายสาขา:
การเตรียมอนุพันธ์ของเซลลูโลส: หลังจากละลายเซลลูโลสแล้ว สามารถดัดแปลงทางเคมีเพิ่มเติมเพื่อเตรียมเซลลูโลสอีเธอร์ เซลลูโลสเอสเทอร์ และอนุพันธ์อื่นๆ ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในอาหาร ยา สารเคลือบ และสาขาอื่นๆ
วัสดุที่มีส่วนประกอบเป็นเซลลูโลส: สามารถเตรียมวัสดุได้โดยใช้เซลลูโลสที่ละลายน้ำแล้ว เส้นใยเซลลูโลส เมมเบรนเซลลูโลส และวัสดุอื่นๆ วัสดุเหล่านี้มีคุณสมบัติทางกลที่ดีและเข้ากันได้ทางชีวภาพ
พลังงานชีวมวล: โดยการละลายและย่อยสลายเซลลูโลส สามารถแปลงเป็นน้ำตาลหมักได้สำหรับการผลิตเชื้อเพลิงชีวภาพ เช่น ไบโอเอธานอล ซึ่งช่วยให้บรรลุการพัฒนาและการใช้พลังงานหมุนเวียน

การละลายเซลลูโลสเป็นกระบวนการที่ซับซ้อนซึ่งเกี่ยวข้องกับกลไกทางเคมีและฟิสิกส์หลายประการ ของเหลวไอออนิก สารละลายอะมิโนออกซิแดนท์ ระบบ LiCl-DMAc สารละลายกรดไฮโดรคลอริก/สังกะสีคลอไรด์ และเอนไซม์เซลลูโลสเป็นที่ทราบกันดีในปัจจุบันว่าเป็นตัวแทนที่มีประสิทธิภาพในการละลายเซลลูโลส ตัวแทนแต่ละชนิดมีกลไกการละลายและขอบเขตการใช้งานเฉพาะของตัวเอง จากการศึกษาเชิงลึกเกี่ยวกับกลไกการละลายเซลลูโลส เชื่อกันว่าจะมีการพัฒนาวิธีการละลายที่มีประสิทธิภาพและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากขึ้น ซึ่งจะช่วยเพิ่มความเป็นไปได้ในการใช้ประโยชน์และพัฒนาเซลลูโลส