14,7: Целюлоза

Last updated
Save as PDF

Page ID: 18281

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Найбільш поширеним природним матеріалом, що виробляється організмами, є целюлоза, синтезована біологічно шляхом приєднання молекул глюкози з втратою 1 молекули Н ₂ О для кожного утвореного зв'язку (див. Рис. Це робить хімічну формулу целюлози (C ₆ H ₁₀ O ₅) _n, де n коливається приблизно від 1500 до 6000 і більше. Більшість целюлози виробляється заводами, загальна кількість яких перевищує 500 мільярдів метричних тонн на рік у всьому світі. Целюлоза становить міцні клітинні стінки рослин. Деревина становить близько 40% целюлози, листових волокон близько 70%, а бавовна, одне з найчистіших джерел целюлози, близько 95%. Целюлоза зустрічається в різних формах і, як правило, асоціюється з геміцелюлозою (матеріалом, що також складається з вуглеводних полімерів) та лігніном, біополімером різноманітного складу та зв'язку, що складається в основному з ароматичної одиниці.

Малюнок 14.4. Синтез диметилфурана, органо-кисневої сполуки з багатьма бажаними властивостями нафтових вуглеводнів, з фруктози, вуглеводу, виробленого в достатку рослинами.

Малюнок 14.5. Сегмент молекули целюлози, в якому від 1500 до декількох тисяч одиниць гідроглюкози (молекули глюкози менше Н ₂ О) пов'язані між собою.

Перший важливий крок утилізації целюлози, такий як екстракція целюлозних волокон для виготовлення паперу, полягає у відділенні целюлози від її матриці лігноцелюлози (геміцелюлози та лігніну). Цей крок був причиною багатьох проблем у використанні целюлози через сувору хімічну обробку, яка була використана. Залишки лігніну надають колір целюлозі, тому деревну масу, яка використовується при виготовленні паперу, повинна бути відбілена окислювачами, які змінюють структуру барвників. Відбілювання раніше проводилося практично повністю елементарним хлором, Cl ₂, і солями іона гіпохлориту, ClO ^-. Однак при відбілюванні біомаси цими матеріалами на основі хлору утворюються хлоровані органічні домішки та забруднювачі. Тому озон і перекис водню є кращими відбілюючими засобами.

Тонкодисперсна форма целюлози під назвою мікрокристалічна целюлоза отримують шляхом відповідної фізико-хімічної обробки целюлози. Цей матеріал має багато застосувань у харчових продуктах, в яких він надає гладкість, стабільність та якість товщини. Мікрокристалічна целюлоза також використовується в фармацевтичних препаратах і косметиці. Додана в їжу, неперетравлювана целюлоза сприяє об'ємності і утримує вологу.

Хімічно модифікована целюлоза використовується для виготовлення найрізноманітніших матеріалів. Як і глюкоза, яка її включає, клітковина має велику кількість груп -OH, до яких можуть бути пов'язані різні інші групи для надання різноманітних властивостей. Одна з найстаріших синтетичних тканин, віскоза, виготовляється шляхом обробки целюлози основою та сірковуглецю, CS ₂, а потім екструдуванням продукту через дрібні отвори для виготовлення нитки. У подібному процесі хімічно оброблена целюлоза видавлюється через довгу вузьку щілину з утворенням аркуша прозорої плівки під назвою целофан.

Як видно з структурної формули на малюнку 14.5, кожна одиниця целюлозного полімеру має три групи OH, які легко приєднуються до інших функціональних груп, що призводять до хімічно модифікованої целюлози. Одним з найбільш поширених таких продуктів є ацетат целюлози, складний ефір (див. Розділ 6.4і Реакція 6.4.1), що використовується переважно для тканин одягу та предметів інтер'єру, в яких більшість груп -ОН на целюлозі замінені ацетатними групами реакцією з оцтовим ангідридом (див. Нижче):

Хоча целюлозна сировина для синтезу ацетату целюлози, безумовно, є «зеленим» матеріалом, оцтовий ангідрид, який використовується для виготовлення ацетату, є корозійним, токсичним хімічним речовиною, яке виробляє погано загоюються рани на відкритій плоті. Крім того, потенційно небезпечні розчинники, такі як дихлорметан, використовуються в деяких процесах виготовлення ацетату целюлози.

Інший ефір целюлози, який був широко виготовлений, - це нітрат целюлози, в якому групи - ОН на целюлозі замінюються на групи - ONO ₂ шляхом обробки целюлози сумішшю азотної кислоти (HNO ₃) та сірчаної кислоти (H ₂ SO ₄). Нітрат целюлози робить прозору плівку і використовувався в перші дні рухомих знімків для кінофільму. Однак одним з інших основних видів використання цього матеріалу є вибухонебезпечною речовиною, тому нітрат целюлози може сильно горіти, виділяючи високотоксичні пари газу NO ₂. У минулі роки ця характеристика призвела до кількох трагічних пожеж, пов'язаних з людськими жертвами. Його використання зараз значною мірою обмежується лаковими покриттями, вибуховими речовинами та паливними речовинами. Хоча целюлозна сировина зеленого кольору, ні процес виготовлення нітрату целюлози за участю сильних кислот, ні легкозаймистий продукт не кваліфікується як зелений.

З обговорення вище видно, що целюлоза є важливою сировиною для приготування ряду матеріалів. Реагенти та умови, що використовуються для перетворення целюлози в інші продукти, в деяких випадках досить важкі. Можна очікувати, що досягнення науки про трансгенні організми призведуть до альтернативних біологічних технологій, які дозволять перетворити целюлозу в різні продукти у відносно м'яких умовах.