Целюлоза — складний полісахарид, що складається з багатьох ланок глюкози, з’єднаних β-1,4-глікозидними зв’язками. Він є основним компонентом клітинних стінок рослин і надає їм міцну структурну опору та міцність. Завдяки довгому молекулярному ланцюгу целюлози та високій кристалічності він має сильну стабільність і нерозчинність.
(1) Властивості целюлози та складність її розчинення
Целюлоза має такі властивості, які ускладнюють її розчинення:
Висока кристалічність: молекулярні ланцюги целюлози утворюють щільну решітку через водневі зв’язки та сили Ван-дер-Ваальса.
Високий ступінь полімеризації: Ступінь полімеризації (тобто довжина молекулярного ланцюга) целюлози є високим і зазвичай коливається від сотень до тисяч одиниць глюкози, що підвищує стабільність молекули.
Мережа водневих зв’язків: водневі зв’язки широко присутні між і всередині молекулярних ланцюгів целюлози, що ускладнює їх руйнування та розчинення звичайними розчинниками.
(2) Реагенти, що розчиняють целюлозу
В даний час відомі реагенти, здатні ефективно розчиняти целюлозу, в основному включають наступні категорії:
1. Іонні рідини
Іонні рідини - це рідини, що складаються з органічних катіонів і органічних або неорганічних аніонів, як правило, з низькою летючістю, високою термічною стабільністю та високою регулюваністю. Деякі іонні рідини можуть розчиняти целюлозу, і основний механізм полягає в розриві водневих зв’язків між молекулярними ланцюгами целюлози. Звичайні іонні рідини, які розчиняють целюлозу, включають:
Хлорид 1-бутил-3-метилімідазолію ([BMIM]Cl): ця іонна рідина розчиняє целюлозу, взаємодіючи з водневими зв’язками в целюлозі через акцептори водневих зв’язків.
1-Етил-3-метилімідазолію ацетат ([EMIM][Ac]): ця іонна рідина може розчиняти високі концентрації целюлози за відносно м’яких умов.
2. Розчин амінокислювача
Розчин амінного окислювача, такий як змішаний розчин діетиламіну (DEA) і хлориду міді, називається [розчин Cu(II)-амонію], який є сильною системою розчинників, яка може розчиняти целюлозу. Він руйнує кристалічну структуру целюлози шляхом окислення та утворення водневих зв’язків, роблячи молекулярний ланцюг целюлози м’якшим і більш розчинним.
3. Система хлорид літію-диметилацетамід (LiCl-DMAc).
Система LiCl-DMAc (хлорид літію-диметилацетамід) є одним із класичних методів розчинення целюлози. LiCl може утворювати конкуренцію за водневі зв’язки, тим самим руйнуючи мережу водневих зв’язків між молекулами целюлози, тоді як DMAc як розчинник може добре взаємодіяти з молекулярним ланцюгом целюлози.
4. Розчин соляної кислоти/цинку хлориду
Розчин соляної кислоти/хлориду цинку є рано відкритим реагентом, який може розчиняти целюлозу. Він може розчиняти целюлозу, створюючи координаційний ефект між молекулярними ланцюгами хлориду цинку та целюлози, а соляна кислота руйнує водневі зв’язки між молекулами целюлози. Однак цей розчин є сильно корозійним для обладнання та обмежений у практичному застосуванні.
5. Фібринолітичні ферменти
Фібринолітичні ферменти (такі як целюлази) розчиняють целюлозу, каталізуючи розкладання целюлози на менші олігосахариди та моносахариди. Цей метод має широкий спектр застосувань у сферах біодеградації та перетворення біомаси, хоча процес його розчинення не є повністю хімічним розчиненням, а досягається за допомогою біокаталізу.
(3) Механізм розчинення целюлози
Різні реагенти мають різні механізми розчинення целюлози, але в цілому їх можна віднести до двох основних механізмів:
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 молекулярного ланцюга: підвищення м’якості молекулярних ланцюгів целюлози та зменшення кристалічності молекулярних ланцюгів за допомогою фізичних або хімічних засобів, щоб їх можна було розчинити в розчинниках.
(4) Практичне застосування розчинення целюлози
Розчинення целюлози має важливе застосування в багатьох сферах:
Приготування похідних целюлози: після розчинення целюлози її можна додатково хімічно модифікувати для отримання ефірів целюлози, складних ефірів целюлози та інших похідних, які широко використовуються в харчових продуктах, медицині, покриттях та інших галузях.
Матеріали на основі целюлози: з використанням розчиненої целюлози можна приготувати целюлозні нановолокна, целюлозні мембрани та інші матеріали. Ці матеріали мають хороші механічні властивості та біосумісність.
Енергія біомаси: розчиняючи та розкладаючи целюлозу, її можна перетворити на зброджуваний цукор для виробництва біопалива, такого як біоетанол, що сприяє розвитку та використанню відновлюваної енергії.
Розчинення целюлози є складним процесом, що включає багато хімічних і фізичних механізмів. Наразі відомо, що іонні рідини, розчини аміноокислювачів, системи LiCl-DMAc, розчини соляної кислоти/хлориду цинку та целолітичні ферменти є ефективними агентами для розчинення целюлози. Кожен агент має свій унікальний механізм розчинення та область застосування. Вважається, що завдяки поглибленому вивченню механізму розчинення целюлози будуть розроблені більш ефективні та екологічно безпечні методи розчинення, які нададуть більше можливостей для використання та розвитку целюлози.
Час публікації: 09 липня 2024 р