Целюлоза — це складний полісахарид, що складається з багатьох глюкозних одиниць, з'єднаних β-1,4-глікозидними зв'язками. Вона є основним компонентом клітинних стінок рослин і забезпечує їм міцну структурну підтримку та міцність. Завдяки довгому молекулярному ланцюжку целюлози та високій кристалічністі, вона має високу стабільність та нерозчинність.
(1) Властивості целюлози та труднощі її розчинення
Целюлоза має такі властивості, які ускладнюють її розчинення:
Висока кристалічність: Молекулярні ланцюги целюлози утворюють щільну ґратчасту структуру завдяки водневим зв'язкам та силам Ван-дер-Ваальса.
Високий ступінь полімеризації: Ступінь полімеризації (тобто довжина молекулярного ланцюга) целюлози високий, зазвичай коливається від сотень до тисяч одиниць глюкози, що підвищує стабільність молекули.
Мережа водневих зв'язків: водневі зв'язки широко присутні між та всередині молекулярних ланцюгів целюлози, що ускладнює їх руйнування та розчинення звичайними розчинниками.
(2) Реагенти, що розчиняють целюлозу
Наразі відомі реагенти, які можуть ефективно розчиняти целюлозу, включають переважно такі категорії:
1. Іонні рідини
Іонні рідини – це рідини, що складаються з органічних катіонів та органічних або неорганічних аніонів, зазвичай з низькою леткістю, високою термостабільністю та високою регульованістю. Деякі іонні рідини можуть розчиняти целюлозу, і основним механізмом є розрив водневих зв'язків між молекулярними ланцюгами целюлози. До поширених іонних рідин, що розчиняють целюлозу, належать:
1-Бутил-3-метилімідазолій хлорид ([BMIM]Cl): Ця іонна рідина розчиняє целюлозу, взаємодіючи з водневими зв'язками в целюлозі через акцептори водневих зв'язків.
1-Етил-3-метилімідазолій ацетат ([EMIM][Ac]): Ця іонна рідина може розчиняти високі концентрації целюлози за відносно м'яких умов.
2. Розчин амінного окислювача
Розчин амінного окислювача, такий як змішаний розчин діетиламіну (DEA) та хлориду міді, називається [розчин Cu(II)-амонію], це сильна система розчинників, здатна розчиняти целюлозу. Він руйнує кристалічну структуру целюлози шляхом окислення та утворення водневих зв'язків, роблячи молекулярний ланцюг целюлози м'якшим та більш розчинним.
3. Система хлорид літію-диметилацетамід (LiCl-DMAc)
Система LiCl-DMAc (хлорид літію-диметилацетамід) є одним із класичних методів розчинення целюлози. LiCl може конкурувати за водневі зв'язки, руйнуючи мережу водневих зв'язків між молекулами целюлози, тоді як DMAc як розчинник може добре взаємодіяти з молекулярним ланцюгом целюлози.
4. Розчин соляної кислоти/хлориду цинку
Розчин хлоридної кислоти/хлориду цинку – це один з перших відкритих реагентів, який може розчиняти целюлозу. Він може розчиняти целюлозу, утворюючи координаційний ефект між хлоридом цинку та молекулярними ланцюгами целюлози, а хлоридна кислота руйнує водневі зв'язки між молекулами целюлози. Однак цей розчин є дуже корозійним для обладнання та має обмежене практичне застосування.
5. Фібринолітичні ферменти
Фібринолітичні ферменти (такі як целюлази) розчиняють целюлозу, каталізуючи розкладання целюлози на менші олігосахариди та моносахариди. Цей метод має широкий спектр застосування в галузі біодеградації та перетворення біомаси, хоча його процес розчинення не є повністю хімічним, а досягається за допомогою біокаталізу.
(3) Механізм розчинення целюлози
Різні реагенти мають різні механізми розчинення целюлози, але загалом їх можна пояснити двома основними механізмами:
Руйнування водневих зв'язків: руйнування водневих зв'язків між молекулярними ланцюгами целюлози шляхом конкурентного утворення водневих зв'язків або іонної взаємодії, що робить її розчинною.
Релаксація молекулярних ланцюгів: збільшення м'якості молекулярних ланцюгів целюлози та зменшення кристалічності молекулярних ланцюгів фізичними або хімічними засобами, щоб їх можна було розчиняти в розчинниках.
(4) Практичне застосування розчинення целюлози
Розчинення целюлози має важливе застосування в багатьох галузях:
Отримання похідних целюлози: Після розчинення целюлози її можна додатково хімічно модифікувати для отримання ефірів целюлози, естерів целюлози та інших похідних, які широко використовуються в харчовій промисловості, медицині, покриттях та інших галузях.
Матеріали на основі целюлози: Використовуючи розчинену целюлозу, можна виготовити целюлозні нановолокна, целюлозні мембрани та інші матеріали. Ці матеріали мають добрі механічні властивості та біосумісність.
Енергія біомаси: шляхом розчинення та деградації целюлози її можна перетворити на ферментовані цукри для виробництва біопалива, такого як біоетанол, що сприяє розвитку та використанню відновлюваної енергії.
Розчинення целюлози – це складний процес, що включає численні хімічні та фізичні механізми. Іонні рідини, розчини амінооксидантів, системи LiCl-DMAc, розчини соляної кислоти/хлориду цинку та целолітичні ферменти наразі відомі як ефективні агенти для розчинення целюлози. Кожен агент має свій унікальний механізм розчинення та галузь застосування. Вважається, що завдяки поглибленому вивченню механізму розчинення целюлози будуть розроблені більш ефективні та екологічно чисті методи розчинення, що забезпечить більше можливостей для використання та розвитку целюлози.
Час публікації: 09 липня 2024 р.