Целюлоза – головний будівельний матеріал рослинного світу. Технічна целюлоза та її властивості
Бібліографічний опис:
Целюлоза, клітковина – головний будівельний матеріал рослинного світу, що утворює клітинні стінки дерев та інших вищих рослин. Вона входить до складу оболонки клітин, звідки й одержала свою назву (від латів. «Целюлоза» - клітина). У рослинах целюлоза становить від 50 до 95 % від загальної маси, особливо багаті на целюлозу волокна бавовни, льону, конопель, а також деревні волокна.
Утворення макромолекул целюлози клітинних стінок вищих рослин каталізує мультисубодиничний мембранний целюлозосинтазний комплекс, розташований на кінці мікрофібрил, що подовжуються. Повний комплекс целюлозосинтази складається з каталітичної, порової та кристалізаційної субодиниць. Каталітична субодиниця целюлозосинтази кодується мультигенним сімействомCesA(cellulose synthase A), яке входить у суперсімействоCsl(cellulose synthase-like), що включає також гениCslA,CslF,CslHтаCslCвідповідальні за синтез інших полісахаридів.
При вивченні поверхні плазмалеми рослинних клітин методом заморожування-сколювання в основі целюлозних мікрофібрил можна спостерігати так звані розетки або термінальні комплекси розміром близько 30 нм і що складаються з 6 субодиниць. Кожна така субодиниця розетки є, у свою чергу, суперкомплексом утвореним з 6 целюлозосинтаз. Таким чином, в результаті роботи подібної розетки формується мікрофібрил, що містить на поперечному зрізі близько 36 макромолекул целюлози. У деяких водоростей суперкомплекси синтезу целюлози організовані лінійно.
Цікаво, що роль затравки для початку синтезу целюлози грає глікозильований ситостерин. Безпосереднім субстратом для синтезу целюлози єUDP-глюкоза.
Напрямок синтезу микрофибрилл целюлози забезпечується рахунок руху целюлозосинтазных комплексів по микротрубочкам прилеглим із внутрішньої сторони до плазмалемме. У модельної рослини, резуховидка Таля, виявлено білок CSI1, що відповідає за закріплення та рух целюлозосинтазних комплексів по кортикальних мікротрубочках.
Будова целюлози подібна до будови крохмалю, але на відміну від крохмалю целюлоза складається з залишків β-глюкози.
Целюлоза була виявлена та описана французьким хіміком Ансельмом Пайєном у 1838 році.
Целюлозу та її ефіри використовують для отримання штучного волокна (віскозного, ацетатного, мідно-аміачного шовку, штучного хутра). Бавовна, що складається здебільшого з целюлози (до 99,5 %), йде на виготовлення тканин.
Деревна целюлоза використовується для виробництва паперу, пластмас, кіно- та фотоплівок, лаків, бездимного пороху і т.д.
Технічні целюлози на відміну від природної досить значно змінені і містять різні домішки, які впливають на процеси хімічної переробки та якість продуктів, що виходять.
Найбільш чисту і високоякісну целюлозу, що застосовується для хімічної переробки, отримують з бавовняного лінтера, тобто коротких (кілька міліметрів) волокон, що залишаються на насінні після знімання бавовняного волокна. Для очищення бавовняний лінтер спочатку варять з 2-3% розчином їдкого натру під тиском 0,3-0,5 МПа (3-5 кг/см 2 ) протягом 3-4 год, потім відбілюють розведеним розчином NaClO , після чого, піддають кислівці та промиванні.
Для хімічної переробки, крім бавовняної целюлози, широко застосовують і деревну целюлозу, головним чином сульфітну, а також передгідролізну сульфатну. Целюлоза для хімічної переробкиобов'язково піддається відбілюванню (хлором, гіпохлоритами, двоокисом хлору) та облагороджування, (видалення низькомолекулярних фракцій, і домішок геміцелюлоз за допомогою розчинів лугу).
Вимоги щодо показників якості технічних целюлоз різного призначення регламентуються державними стандартами (ГОСТ).
Целюлоза для виробництва паперу повинна мати високі показники механічної міцності та білизни.
Досліджують також хімічні та фізико-хімічні властивості целюлози, що визначаються її хімічною будовою, молекулярною масою, ступенем деструкції, молекулярною неоднорідністю та надмолекулярною структурою.
Як уже зазначалося, технічна целюлоза використовується для виробництва паперу та картону та, крім того, як найбільш доступний природний полімер піддається хімічній переробці.
Хімічна переробка целюлози дозволяє переводити її в розчинний стан і отримувати з неї речовини з абсолютно новими властивостями, наприклад волокна і плівки з похідних целюлози та з регенерованої целюлози, етроли (термопластичні формувальні матеріали на основі ефірів целюлози), бездимний порох, розчинні володіють властивостями, що клеять і загущають, і ін.
У зв'язку зі значним збільшенням виробництва різноманітних синтетичних полімерних матеріалів намітилися нові напрями у використанні хімічних перетворень целюлози з метою усунення деяких її негативних властивостей та створення нових штучних матеріалів, що зберігають цінні властивості природного полімеру та набувають нових. Для цього застосовуються різні методи структурної та хімічної модифікації целюлози, наприклад, одержання щеплених сополімерів целюлози з різними синтетичними полімерами.
Хімічні властивостіцелюлози визначаються будовою її молекули як полісахариду, що складається з ланок глюкози. Для целюлози характерні всі особливості хімічної поведінки, властиві ВМС.
Для целюлози як високомолекулярної сполуки можна виділити чотири основні типи реакцій: 1) деструкції; 2) функціональні групи; 3) зшивання ланцюгів; 4) внутрішньомолекулярних перегрупувань. Насправді дуже часто одночасно протікають реакції кількох типів. У хімії целюлози мають значення переважно реакції перших двох типів.
При інтенсивному механічному подрібненні, наприклад, при розмелюванні целюлози у виробництві паперу, целюлоза може зазнавати механічної деструкції. Припускають, що з механічної деструкції целюлози можливий розрив як глюкозидних зв'язків, а й вуглецевих.
p align="justify"> Велике значення для експлуатації різних виробів з целюлози та її похідних має фотохімічна деструкція, тобто процес деструкції під дією світла, особливо ультрафіолетового випромінювання. Під впливом іонізуючих випромінювань целюлоза зазнає радіаційної деструкції.
З процесів хімічної деструкції найбільш важливими є окислювальна та гідролітична деструкції. Окислювальна деструкція целюлози відбувається під впливом різних окислювачів, зокрема кисню повітря. Целюлоза як гетероцепной полімер з ацетальними зв'язками особливо легко піддається окисної деструкції. Окисна деструкція йде одночасно з окисленням спиртових гідроксильних груп целюлози, тобто з реакціями функціональних груп.
Гідроліз - це деструкція під дією води та водних розчинів кислот, лугів та солей, що супроводжується приєднанням води за місцем розриву зв'язку. Ацетальні зв'язки у гетероцепних полімерах найбільш чутливі до гідролізу.Глюкозидні зв'язки целюлози та її похідних, отже, легко піддаються гідролізу. Реакція гідролітичної деструкції небажана у процесі варіння целюлози та її подальшої переробки. Але це реакція целюлози є основою промислового гідролізу деревини. Можлива деструкція целюлози під дією органічних кислот — ацидоліз. Так, процес отримання ацетатів целюлози може супроводжуватись небажаною реакцією ацетолізу. Реакцію деструкції целюлози під дією спиртів, зокрема етаноліз, іноді застосовують на дослідження надмолекулярної структури целюлози.
Важливе практичне застосування мають реакції функціональних груп целюлози (полімер аналогічні перетворення). Внаслідок таких перетворень, що протікають за участю спиртових гідроксильних груп, одержують нові штучні полімери з цінними властивостями — різні складні та прості ефіри целюлози.
Похідні целюлози можна розділити на три основні класи: молекулярні (адитивні) сполуки, продукти заміщення та продукти окислення. Слід зауважити, що механізм багатьох реакцій целюлози остаточно ще вивчений, і тому не з'ясовано, якими сполуками є продукти — адитивними сполуками чи продуктами заміщення. Наприклад, більшість дослідників продукти взаємодії целюлози з лугами (лужну целюлозу) відносять до адитивних сполук, а деякі дослідники розглядають їх як продукти заміщення.
1. Бюлер До., Пірсон Д. «Органічні синтези». Видавництво "СВІТ", - Москва, - 1973.
2. Бартон Д., Олліса У. Д. «Загальна органічна хімія». - Москва, - 1981. - 736 с.
3. Гарібян І. І. «Органічна хімія». - 2010. - 317 с.
4. Травень У. Ф. «Органічна хімія». том-1, підручник для вишів."Академкнига", Москва, - 2004. - 727 с.