Химическая формула целлюлозы: Целлюлоза – формула, строение молекул

Содержание

Целлюлоза | Химия онлайн

Целлюлоза (клетчатка) — растительный полисахарид, являющийся самым распространенным органическим веществом на Земле.

Этот биополимер обладает большой механической прочностью и выполняет роль опорного материала растений, образуя стенку растительных клеток.

Состав целлюлозы, так же как и крахмала, выражается формулой (C6H10O5)n.

Строение целлюлозы

Макромолекулы целлюлозы – это длинные цепи, состоящие из большого числа  остатков β–глюкозы, связанных β-1,4-гликозидными связями.

Иллюстрация. Фрагмент молекулы целлюлозы

Молекулярная масса целлюлозы — от 400 000 до 2 млн.

Молекулы целлюлозы, в отличие от крахмала, имеют линейное (неразветвленное) строение, вследствие чего целлюлоза легко образует волокна.

Иллюстрация. Строение целлюлозы

Нахождение в природе

Целлюлоза была обнаружена и описана французским химиком Ансельмом Пайеном в 1838 году.

В большом количестве целлюлоза содержится в тканях древесины (40-60%), в волокнах льна (60-85%) и хлопка (95-98%), в вате и фильтрованной бумаге – до 90%. Основная составная часть оболочки растительных клеток. Образуется в растениях в процессе фотосинтеза.

Иллюстрация. Бумага

Иллюстрация. Древесина

Иллюстрация. Картон

Древесина состоит на 50% из целлюлозы, а хлопок и лён, конопля практически чистая целлюлоза.

Хитин (аналог целлюлозы) – основной компонент наружного скелета членистоногих и других беспозвоночных, а также в составе клеточных стенок грибов и бактерий.

Физические свойства целлюлозы

Целлюлоза – твердое волокнистое вещество белого цвета, без вкуса и запаха, нерастворимое в воде и органических растворителях, но хорошо растворимое в аммиачном растворе гидрокисда меди (II) (реактив Швейцера). Из этого раствора кислоты осаждают целлюлозу в виде волокон (гидратцеллюлоза).

Волокна целлюлозы обладают высокой механической прочностью, так как она является основной составной частью стенок и клеток растений.

В отличие от крахмала она не может служить человеку пищей, поскольку не расщепляется в его организме под действием ферментов.

Видеоопыт «Растворение целлюлозы в аммиачном растворе гидроксида меди (II)»

Химические свойства целлюлозы

1. Гидролиз целлюлозы

Подобно крахмалу, целлюлоза при нагревании с разбавленными кислотами подвергается гидролизу. Гидролиз целлюлозы происходит при нагревании в кислой среде. Конечным продуктом гидролиза является глюкоза.

При длительном нагревании с минеральными кислотами или под действием ферментов (у жвачных животных) идет ступенчатый гидролиз целлюлозы:

Видеоопыт «Кислотный гидролиз целлюлозы»

Гидролиз целлюлозы, иначе называемый осахариванием, — очень важное свойство целлюлозы, он позволяет получить из древесных опилок и стружек глюкозу, а сбраживанием последней – этиловый спирт. Этиловый спирт, полученный из древесины, называется гидролизным.

2. Образование сложных эфиров (реакция этерификации)

Целлюлоза также не дает реакцию «серебряного зеркала» (нет альдегидной группы), но для нее характерны реакции образования сложных эфиров.

Каждое структурное звено целлюлозы содержит три свободных гидроксила.

Следовательно, целлюлоза может вступать в реакции, характерные для многоатомных спиртов.

Наибольшее практическое значение имеют реакции с азотной кислотой и уксусным ангидридом.

а) Нитрование

При обычной температуре целлюлоза взаимодействует лишь с концентрированными кислотами.

При взаимодействии целлюлозы с концентрированной азотной кислотой в присутствии концентрированной серной кислоты в качестве водоотнимающего средства образуется сложный эфир -тринитрат целлюлозы:

Видеоопыт «Получение и свойства нитроцеллюлозы»

Полностью этерифицированная клетчатка – это тринитрат целлюлозы (пироксилин) – взрывчатое вещество, на его основе изготавливают бездымный порох.

В зависимости от условий нитрования можно получить динитрат целлюлозы, который в технике называется коллоксилином. Он так же используется при изготовлении пороха и твердых ракетных топлив. Кроме того, на основе коллоксилина изготавливают целлулоид.

в) Взаимодействие с уксусным ангидридом

При взаимодействии целлюлозы с уксусным ангидридом в присутствии уксусной и серной кислот образуется триацетилцеллюлоза:

Из триацетата целлюлозы изготавливают лаки, кинопленку и ацетатное волокно.

3. Горениеполное окисление

4. Термическое разложение целлюлозы без доступа воздуха

Получение целлюлозы

Промышленным методом целлюлозу получают методом варки щепы на целлюлозных заводах, входящих в промышленные комплексы (комбинаты). По типу применяемых реагентов различают следующие способы варки целлюлозы:

  • Кислые:
    • Сульфитный. Варочный раствор содержит сернистую кислоту и её соль, например гидросульфит натрия. Этот метод применяется для получения целлюлозы из малосмолистых пород древесины: ели, пихты.
  • Щелочные:
    • Натронный.Используется раствор гидроксида натрия. Натронным способом можно получать целлюлозу из лиственных пород древесины и однолетних растений. Преимущество данного метода — отсутствие неприятного запаха соединений серы, недостатки — высокая стоимость получаемой целлюлозы. Метод практически не используется.
    • Сульфатный.Наиболее распространенный метод на сегодняшний день. В качестве реагента используют раствор, содержащий гидроксид и сульфид натрия, и называемый белым щелоком. Свое название метод получил от сульфата натрия, из которого на целлюлозных комбинатах получают сульфид для белого щёлока. Метод пригоден для получения целлюлозы из любого вида растительного сырья. Недостатком его является выделения большого количества дурно пахнущих сернистых соединений: метилмеркаптана, диметилсульфида и др. в результате побочных реакций.

Получаемая после варки техническая целлюлоза содержит различные примеси: лигнин, гемицеллюлозы. Если целлюлоза предназначена для химической переработки (например, для получения искусственных волокон), то она подвергается облагораживанию — обработке холодным или горячим раствором щелочи для удаления гемицеллюлоз.

Для удаления остаточного лигнина и придания целлюлозе белизны проводится её отбелка. Традиционная для 20 века хлорная отбелка включала в себя две ступени:

  • обработка хлором — для разрушения макромолекул лигнина;
  • обработка щелочью — для экстракции образовавшихся продуктов разрушения лигнина.

Применение целлюлозы

Целлюлоза используется в производстве бумаги и картона, искусственных волокон, пленок, пластмасс, лакокрасочных материалов, бездымного пороха, взрывчатки, твердого ракетного топлива, для получения гидролизного спирта и многое другое.

  • Изготовление нитей, канатов, бумаги.
  • Получение глюкозы, этилового спирта (для получения каучука).
  • Получение ацетатного шёлка – искусственное волокно, оргстекла, негорючей плёнки из ацетилцеллюлозы.
  • Получение бездымного пороха из триацетилцеллюлозы (пироксилин).
  • Получение коллодия (плотная плёнка для медицины) и целлулоида   (изготовление киноленты, игрушек) из диацетилцеллюлозы.

Иллюстрация. Применение природных волокон, содержащих целлюлозу

Иллюстрация. Применение сложных эфиров целлюлозы

Производные целлюлозы

К важнейшим производным целлюлозы относятся искусственные полимеры/

Метилцеллюлоза (простые метиловые эфиры целлюлозы) общей формулы

6Н7

О2(ОН)3-х(ОСН3)х]n (х=1, 2 или  3)

Ацетилцеллюлоза (триацетат целлюлозы) – сложный эфир целлюлозы и уксусной кислоты

6Н7О2(ОСОСН3)3]n

Нитроцеллюлоза (нитраты целлюлозы) – сложные азотнокислые эфиры целлюлозы

6Н7О2(ОН)3-х(ОNO2)х]n (х=1, 2 или  3)

Вискозное волокно. Целлофан

Эти полимерные материалы состоят из практически чистой целлюлозы, но для их получения исходную целлюлозу путем химической модификации сначала превращают в растворимую форму, а затем в процессе формования восстанавливают.

Углеводы

Полисахариды

Целлюлоза, структурная формула, химические свойства

1

H

1,008

1s1

2,2

Бесцветный газ

пл=-259°C

кип=-253°C

2

He

4,0026

1s2

Бесцветный газ

кип=-269°C

3

Li

6,941

2s1

0,99

Мягкий серебристо-белый металл

пл=180°C

кип=1317°C

4

Be

9,0122

2s2

1,57

Светло-серый металл

пл=1278°C

кип=2970°C

5

B

10,811

2s2 2p1

2,04

Темно-коричневое аморфное вещество

пл=2300°C

кип=2550°C

6

C

12,011

2s2 2p2

2,55

Прозрачный (алмаз) / черный (графит) минерал

пл=3550°C

кип=4830°C

7

N

14,007

2s2

2p3

3,04

Бесцветный газ

пл=-210°C

кип=-196°C

8

O

15,999

2s2 2p4

3,44

Бесцветный газ

пл=-218°C

кип=-183°C

9

F

18,998

2s2 2p5

4,0

Бледно-желтый газ

пл=-220°C

кип=-188°C

10

Ne

20,180

2s2 2p6

Бесцветный газ

пл=-249°C

кип=-246°C

11

Na

22,990

3s1

0,93

Мягкий серебристо-белый металл

пл=98°C

кип=892°C

12

Mg

24,305

3s2

1,31

Серебристо-белый металл

пл=649°C

кип=1107°C

13

Al

26,982

3s2 3p1

1,61

Серебристо-белый металл

пл=660°C

кип=2467°C

14

Si

28,086

3s2 3p2

1,9

Коричневый порошок / минерал

пл=1410°C

кип=2355°C

15

P

30,974

3s2 3p3

2,2

Белый минерал / красный порошок

пл=44°C

кип=280°C

16

S

32,065

3s2 3p4

2,58

Светло-желтый порошок

пл=113°C

кип=445°C

17

Cl

35,453

3s2 3p5

3,16

Желтовато-зеленый газ

пл=-101°C

кип=-35°C

18

Ar

39,948

3s2 3p6

Бесцветный газ

пл=-189°C

кип=-186°C

19

K

39,098

4s1

0,82

Мягкий серебристо-белый металл

пл=64°C

кип=774°C

20

Ca

40,078

4s2

1,0

Серебристо-белый металл

пл=839°C

кип=1487°C

21

Sc

44,956

3d1 4s2

1,36

Серебристый металл с желтым отливом

пл=1539°C

кип=2832°C

22

Ti

47,867

3d2 4s2

1,54

Серебристо-белый металл

пл=1660°C

кип=3260°C

23

V

50,942

3d3 4s2

1,63

Серебристо-белый металл

пл=1890°C

кип=3380°C

24

Cr

51,996

3d5 4s1

1,66

Голубовато-белый металл

пл=1857°C

кип=2482°C

25

Mn

54,938

3d5 4s2

1,55

Хрупкий серебристо-белый металл

пл=1244°C

кип=2097°C

26

Fe

55,845

3d6 4s2

1,83

Серебристо-белый металл

пл=1535°C

кип=2750°C

27

Co

58,933

3d7 4s2

1,88

Серебристо-белый металл

пл=1495°C

кип=2870°C

28

Ni

58,693

3d8 4s2

1,91

Серебристо-белый металл

пл=1453°C

кип=2732°C

29

Cu

63,546

3d10 4s1

1,9

Золотисто-розовый металл

пл=1084°C

кип=2595°C

30

Zn

65,409

3d10 4s2

1,65

Голубовато-белый металл

пл=420°C

кип=907°C

31

Ga

69,723

4s2 4p1

1,81

Белый металл с голубоватым оттенком

пл=30°C

кип=2403°C

32

Ge

72,64

4s2 4p2

2,0

Светло-серый полуметалл

пл=937°C

кип=2830°C

33

As

74,922

4s2 4p3

2,18

Зеленоватый полуметалл

субл=613°C

(сублимация)

34

Se

78,96

4s2 4p4

2,55

Хрупкий черный минерал

пл=217°C

кип=685°C

35

Br

79,904

4s2 4p5

2,96

Красно-бурая едкая жидкость

пл=-7°C

кип=59°C

36

Kr

83,798

4s2 4p6

3,0

Бесцветный газ

пл=-157°C

кип=-152°C

37

Rb

85,468

5s1

0,82

Серебристо-белый металл

пл=39°C

кип=688°C

38

Sr

87,62

5s2

0,95

Серебристо-белый металл

пл=769°C

кип=1384°C

39

Y

88,906

4d1 5s2

1,22

Серебристо-белый металл

пл=1523°C

кип=3337°C

40

Zr

91,224

4d2 5s2

1,33

Серебристо-белый металл

пл=1852°C

кип=4377°C

41

Nb

92,906

4d4 5s1

1,6

Блестящий серебристый металл

пл=2468°C

кип=4927°C

42

Mo

95,94

4d5 5s1

2,16

Блестящий серебристый металл

пл=2617°C

кип=5560°C

43

Tc

98,906

4d6 5s1

1,9

Синтетический радиоактивный металл

пл=2172°C

кип=5030°C

44

Ru

101,07

4d7 5s1

2,2

Серебристо-белый металл

пл=2310°C

кип=3900°C

45

Rh

102,91

4d8 5s1

2,28

Серебристо-белый металл

пл=1966°C

кип=3727°C

46

Pd

106,42

4d10

2,2

Мягкий серебристо-белый металл

пл=1552°C

кип=3140°C

47

Ag

107,87

4d10 5s1

1,93

Серебристо-белый металл

пл=962°C

кип=2212°C

48

Cd

112,41

4d10 5s2

1,69

Серебристо-серый металл

пл=321°C

кип=765°C

49

In

114,82

5s2 5p1

1,78

Мягкий серебристо-белый металл

пл=156°C

кип=2080°C

50

Sn

118,71

5s2 5p2

1,96

Мягкий серебристо-белый металл

пл=232°C

кип=2270°C

51

Sb

121,76

5s2 5p3

2,05

Серебристо-белый полуметалл

пл=631°C

кип=1750°C

52

Te

127,60

5s2 5p4

2,1

Серебристый блестящий полуметалл

пл=450°C

кип=990°C

53

I

126,90

5s2 5p5

2,66

Черно-серые кристаллы

пл=114°C

кип=184°C

54

Xe

131,29

5s2 5p6

2,6

Бесцветный газ

пл=-112°C

кип=-107°C

55

Cs

132,91

6s1

0,79

Мягкий серебристо-желтый металл

пл=28°C

кип=690°C

56

Ba

137,33

6s2

0,89

Серебристо-белый металл

пл=725°C

кип=1640°C

57

La

138,91

5d1 6s2

1,1

Серебристый металл

пл=920°C

кип=3454°C

58

Ce

140,12

f-элемент

Серебристый металл

пл=798°C

кип=3257°C

59

Pr

140,91

f-элемент

Серебристый металл

пл=931°C

кип=3212°C

60

Nd

144,24

f-элемент

Серебристый металл

пл=1010°C

кип=3127°C

61

Pm

146,92

f-элемент

Светло-серый радиоактивный металл

пл=1080°C

кип=2730°C

62

Sm

150,36

f-элемент

Серебристый металл

пл=1072°C

кип=1778°C

63

Eu

151,96

f-элемент

Серебристый металл

пл=822°C

кип=1597°C

64

Gd

157,25

f-элемент

Серебристый металл

пл=1311°C

кип=3233°C

65

Tb

158,93

f-элемент

Серебристый металл

пл=1360°C

кип=3041°C

66

Dy

162,50

f-элемент

Серебристый металл

пл=1409°C

кип=2335°C

67

Ho

164,93

f-элемент

Серебристый металл

пл=1470°C

кип=2720°C

68

Er

167,26

f-элемент

Серебристый металл

пл=1522°C

кип=2510°C

69

Tm

168,93

f-элемент

Серебристый металл

пл=1545°C

кип=1727°C

70

Yb

173,04

f-элемент

Серебристый металл

пл=824°C

кип=1193°C

71

Lu

174,96

f-элемент

Серебристый металл

пл=1656°C

кип=3315°C

72

Hf

178,49

5d2 6s2

Серебристый металл

пл=2150°C

кип=5400°C

73

Ta

180,95

5d3 6s2

Серый металл

пл=2996°C

кип=5425°C

74

W

183,84

5d4 6s2

2,36

Серый металл

пл=3407°C

кип=5927°C

75

Re

186,21

5d5 6s2

Серебристо-белый металл

пл=3180°C

кип=5873°C

76

Os

190,23

5d6 6s2

Серебристый металл с голубоватым оттенком

пл=3045°C

кип=5027°C

77

Ir

192,22

5d7 6s2

Серебристый металл

пл=2410°C

кип=4130°C

78

Pt

195,08

5d9 6s1

2,28

Мягкий серебристо-белый металл

пл=1772°C

кип=3827°C

79

Au

196,97

5d10 6s1

2,54

Мягкий блестящий желтый металл

пл=1064°C

кип=2940°C

80

Hg

200,59

5d10 6s2

2,0

Жидкий серебристо-белый металл

пл=-39°C

кип=357°C

81

Tl

204,38

6s2 6p1

Серебристый металл

пл=304°C

кип=1457°C

82

Pb

207,2

6s2 6p2

2,33

Серый металл с синеватым оттенком

пл=328°C

кип=1740°C

83

Bi

208,98

6s2 6p3

Блестящий серебристый металл

пл=271°C

кип=1560°C

84

Po

208,98

6s2 6p4

Мягкий серебристо-белый металл

пл=254°C

кип=962°C

85

At

209,98

6s2 6p5

2,2

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

пл=302°C

кип=337°C

86

Rn

222,02

6s2 6p6

2,2

Радиоактивный газ

пл=-71°C

кип=-62°C

87

Fr

223,02

7s1

0,7

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

пл=27°C

кип=677°C

88

Ra

226,03

7s2

0,9

Серебристо-белый радиоактивный металл

пл=700°C

кип=1140°C

89

Ac

227,03

6d1 7s2

1,1

Серебристо-белый радиоактивный металл

пл=1047°C

кип=3197°C

90

Th

232,04

f-элемент

Серый мягкий металл

91

Pa

231,04

f-элемент

Серебристо-белый радиоактивный металл

92

U

238,03

f-элемент

1,38

Серебристо-белый металл

пл=1132°C

кип=3818°C

93

Np

237,05

f-элемент

Серебристо-белый радиоактивный металл

94

Pu

244,06

f-элемент

Серебристо-белый радиоактивный металл

95

Am

243,06

f-элемент

Серебристо-белый радиоактивный металл

96

Cm

247,07

f-элемент

Серебристо-белый радиоактивный металл

97

Bk

247,07

f-элемент

Серебристо-белый радиоактивный металл

98

Cf

251,08

f-элемент

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

99

Es

252,08

f-элемент

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

100

Fm

257,10

f-элемент

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

101

Md

258,10

f-элемент

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

102

No

259,10

f-элемент

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

103

Lr

266

f-элемент

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

104

Rf

267

6d2 7s2

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

105

Db

268

6d3 7s2

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

106

Sg

269

6d4 7s2

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

107

Bh

270

6d5 7s2

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

108

Hs

277

6d6 7s2

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

109

Mt

278

6d7 7s2

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

110

Ds

281

6d9 7s1

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

Металлы

Неметаллы

Щелочные

Щелоч-зем

Благородные

Галогены

Халькогены

Полуметаллы

s-элементы

p-элементы

d-элементы

f-элементы

Наведите курсор на ячейку элемента, чтобы получить его краткое описание.

Чтобы получить подробное описание элемента, кликните по его названию.

ХиМиК.ru — Химические свойства

Целлюлоза почти не обладает восстановительными свойствами и не дает других реакций карбонильной группы, характерных для моносахаридов. Например, она восстанавливает фелингову жидкость в сотни раз слабее, чем глюкоза, что обусловлено наличием лишь одного глюкозного остатка со свободным полуацетальным гидроксилом на сотни глюкозных остатков, не имеющих свободных полуацетальных гидроксилов.

Как и глюкозе, целлюлозе свойственны реакции многоатомного спирта, так как каждый элементарный остаток С6Н10О5 содержит три спиртовых гидроксила. В связи с этим формулу целлюлозы часто сокращенно пишут в виде [С6Н7О2(ОН)3]n(вследствие большой величины п концевые остатки глюкозы, содержащие по 4 свободных гидроксила, практически не влияют на ее свойства и могут не учитываться).

При нагревании целлюлоза разлагается, не плавясь. В присутствии кислорода заметное разложение наступает уже при температуре около 100° С. Без доступа кислорода чрезвычайно медленное разложение начинается, по-видимому, лишь при 140—150° С, незначительно ускоряясь при повышении температуры до 250—260° С. Выше 260° С, однако, происходит бурное разложение целлюлозы с выделением сложной смеси летучих органических соединений и воды.

Все важнейшие реакции целлюлозы связаны либо с расщеплением ее макромолекулы при действии гидролизующих агентов или окислителей, либо с получением производных целлюлозы как многоатомного спирта. В последнем случае скелет макромолекулы (полимерная цепь) может не затрагиваться, а изменению подвергаются лишь функциональные группы (спиртовые гидроксилы).

Гидролиз целлюлозы происходит под влиянием кислых катализаторов, которые сильно ускоряют гидролиз гликозидных связей, весьма стойких к действию щелочей. Этот процесс имеет важное значение в технике, он служит основой производства этилового спирта гидролизом древесины с последующим сбраживанием образовавшейся при гидролизе глюкозы.

При действии окислителей (озон, перекись водорода, хлорноватистая кислота и ее соли, разбавленная азотная кислота, перманганат и т. п.) получаются сложные смеси продуктов окисления, носящие собирательное название оксицеллюлоз.

При окислении механическая прочность целлюлозных материалов падает. Характерные химические изменения состоят в повышении содержания карбонильных групп, появлении карбоксильных групп и в более или менее интенсивном разрыве полимерных цепей. Процессы окисления целлюлозы играют большую роль в технике, особенно при белении тканей; здесь чрезмерная интенсивность окислительного процесса может привести к уменьшению прочности и даже к разрушению ткани.

Главными реакциями целлюлозы как многоатомного спирта являются реакции образования алкоголятов и эфиров целлюлозы. В отличие от низших спиртов целлюлоза при обработке концентрированными растворами едких щелочей (так называемой «мерсеризации») образует прочное соединение — щелочную цел-

люлозу, или алкалицеллюлозу, содержащую в среднем один атом натрия на два остатка глюкозы:

По-видимому, натрий замещает водород преимущественно в гидроксиле у второго углеродного атома глюкозных остатков (Сугихара и Уолфром).

Алкоголяты целлюлозы получаются также при действии на целлюлозу растворов щелочных металлов в жидком аммиаке (П. П. Шорыгин, Н. Н. Макарова-Землянская):

В зависимости от продолжительности реакции и количества щелочного металла могут быть замещены на металл все водородные атомы спиртовых гидроксилов или только часть их.

Щелочная целлюлоза при действии воды отщепляет едкую щелочь

Регенерированная целлюлоза имеет физическую структуру гидратцеллюлозы.

Мерсеризация хлопчатобумажных тканей широко применяется для придания им лучшей накрашиваемости и более красивого внешнего вида. Щелочная целлюлоза имеет также большое значение в технике как промежуточный продукт в производстве вискозного волокна и эфиров целлюлозы.

Целлюлоза, как и любой другой спирт, образует простые и сложные эфиры, причем в зависимости от условий этерификации замещается большее или меньшее число спиртовых гидроксилов. Максимальная степень этерификации отвечает триэфиру целлюлозы. Реакции этерификации целлюлозы протекают труднее, чем соответствующие реакции низших спиртов. Так, например, низшие спирты легко образуют сложные эфиры при действии органических кислот, тогда как для получения соответствующего эфира целлюлозы необходимо применять ангидрид или хлорангидрид органической кислоты, т. е. несравненно более энергичный ацилирующий реагент. По-видимому, это происходит потому, что химические реакции целлюлозы протекают гетерогенно (между твердой целлюлозой и жидким реагентом), т. е. в условиях, в которых взаимодействие реагирующих веществ сильно затруднено.

Общим способом получения простых эфиров целлюлозы является действие на щелочную целлюлозу диалкилсульфатов или галоидалкилов в присутствии избытка щелочи:

или

Из простых эфиров целлюлозы наибольшее применение в технике имеют метил-, этил- и бензилцеллюлозы, применяемые в бумажной, текстильной и лаковой промышленности. Простые эфиры целлюлозы и гликолевой кислоты применяются как моющие и гелеобразующие средства. Среди сложных эфиров целлюлозы важнейшими являются азотнокислые, уксуснокислые эфиры целлюлозы и ксантогенат целлюлозы.

Азотнокислые эфиры (нитраты целлюлозы), часто неправильно называемые нитроцеллюлозой или нитроклетчаткой, обычно получаются этерификацией целлюлозы смесью азотной и серной кислот

причем серная кислота служит водоотнимающим средством.

В зависимости от степени нитрации различают пироксилин, или тринитрат целлюлозы, в котором этерифицированы почти все гидроксилы целлюлозы, и коллоксилин, в котором 20—30% гидроксилов остаются свободными.

Общим свойством нитратов целлюлозы является их чрезвычайная горючесть и огнеопасность, что вызывает большие трудности при их производстве, переработке и применении, но вместе с тем определяет их ценность для изготовления взрывчатых веществ. Пироксилин применяется в производстве бездымного пороха, где его желатинируют смесью органических растворителей, в некоторых случаях с добавлением нитроглицерина. Коллоксилин в виде растворов применяется для изготовления кинопленки и в качестве так называемых нитролаков, Нитрат целлюлозы с еще меньшей степенью этерификации в смеси с камфорой образует пластическую массу, называемую целлулоидом и имевшую раньше значительное применение для изготовления различных изделий широкого потребления. Теперь целлулоид все более вытесняется другими пластмассами, более безопасными в пожарном отношении.

Уксуснокислые эфиры (ацетаты целлюлозы), часто неправильно называемые ацетилцеллюлозой, получаются этерификацией целлюлозы уксусным ангидридом в присутствии уксусной кислоты и небольших количеств серной кислоты как катализатора, например:

Наибольшее практическое значение имеет «вторичный» ацетат, близкий по содержанию ацетильных групп к диацетату целлюлозы [С6Н8О3(ОСОСН3)2]n.

Ацетат целлюлозы является ценным материалом для производства негорючей кинопленки, пластических масс — этролов, и особенно ацетатного шелка. Для производства ацетатного шелка растворы ацетата целлюлозы в ацетоне продавливают через фильеры — колпачки с тонкими отверстиями; далее ацетон в токе нагретого воздуха испаряется, и струйки раствора превращаются в тончайшие нити из ацетата целлюлозы.

Ксантогенаты целлюлозы получаются при взаимодействии щелочной целлюлозы с сероуглеродом, При этом CS2 как бы внедряется в положение 2 в среднем в каждый второй глюкозный остаток щелочной целлюлозы:

Это подтверждается тем фактом, что после обработки ксантогената диазометаном и гидролиза получается 2-метилглюкоза. Ксантогенат целлюлозы представляет собой натриевую соль кислого эфира целлюлозы и дитиоугольной кислоты. Ксантогенаты целлюлозы растворяются в воде или разбавленной щелочи, образуя так называемые вискозные растворы. Действием кислот ксантогенаты целлюлозы разлагаются, выделяя целлюлозу (гидратцеллюлозу) и сероуглерод:

При продавливании вискозного раствора через фильеры в водный раствор, содержащий серную кислоту (осадительную ванну), струйки раствора превращаются в гидратцеллюлозные волокна, называемые вискозными волокнами. Вискозный способ является наиболее распространенным способом получения искусственных волокон. Аналогично вискозным волокнам изготовляют и целлофан: вискозный раствор продавливают через узкие щели в осадительную ванну.

Кроме химической переработки целлюлозы, нельзя не указать на применение целлюлозных материалов в виде природных волокон (хлопок, лен, пенька, джут и т. д.) в текстильной и в бумажной промышленности. Основная масса бумаги изготовляется из целлюлозы, получаемой из древесины сульфатным или сульфитным способом.

Лихенин — полисахарид (C6H10O5)n — представляет собой важную составную часть клеточных оболочек лишайников, особенно исландского мха. При гидролизе он образует только D-глюкозу. В молекуле лихенина большая часть остатков глюкозы связана β-1,4′-связями; однако в ней имеются и β-1,3′-связи. Лихенин растворяется в горячей воде, что, по-видимому, обусловлено его сравнительно низким молекулярным весом (10 000—37 000).

Пектиновые вещества — соединения, содержащиеся в растительных соках, в плодах (яблок, груш, лимонов и т. д.) и в корнеплодах (свекла, морковь). Пектиновые вещества осаждаются спиртом из водных растворов; с сахарами (тростниковым сахаром) и кислотами способны образовывать студни.

Хотя пектиновые вещества известны более ста лет, основные черты их химического строения выяснены лишь недавно. Изучение пектиновых веществ было затруднено тем, что длительное время не удавалось получить их чистых препаратов. По данным гидролиза, еще недавно считали, что обязательными компонентами пектиновых веществ являются: D-галактуроновая кислота, D-галактоза, D-арабиноза, метиловый спирт, а также уксусная кислота. В дальнейшем было показано, что вещества, дающие при гидролизе D-галактозу, D-арабинозу и уксусную кислоту, можно удалить тщательным фракционированным осаждением. Некоторые исследователи склонны рассматривать пектиновые вещества как смесь трех полисахаридов: галактана, метилового эфира полигалактуроновой кислоты и арабана. Есть, однако, мнение, что пектиновыми веществами следует считать лишь эфиры полигалактуроновой кислоты, поскольку именно они определяют важнейшие характерные свойства препаратов пектиновых веществ.

Полигалактуроновая, или пектовая, кислота представляет собой полимерную цепь

состоящую из соединенных связями α-1,4′ остатков D-галактуроновой кислоты, карбоксильные группы которой в той или иной степени этерифицированы метиловым спиртом; часть атомов водорода карбоксильных групп бывает замещена одинаковыми или разными катионами (в частности, катионами многовалентных металлов).

Пектиновые вещества, получаемые из различных растений, весьма разнообразны, отличаясь степенью полимеризации (молекулярный вес от 20 000 до

200 000), содержанием золы (зависящим от степени нейтрализации карбоксильных групп), содержанием метильных групп, различной кислотностью, различной способностью образовывать гели и т. д

Предложена следующая номенклатура пектиновых веществ.

Пектиновые кислоты — высокомолекулярные полигалактуроновые кислоты, лишь в небольшой степени этерифицированные метиловым спиртом. Ни структура макромолекулы пектиновых кислот, ни пределы молекулярного веса, ограничивающие эту группу соединений, точно не установлены. При достаточном содержании свободных карбоксильных групп пектиновые кислоты образуют соли с ионами многовалентных металлов, которые могут связывать между собой несколько цепей полигалактуроновой кислоты.

Пектины — пектиновые кислоты, карбоксильные группы которых в различной степени этерифицированы и нейтрализованы.

Протопектины — нерастворимые в воде вещества растительного происхождения, которые при осторожном гидролизе дают пектиновые кислоты. Относительно строения протопектинов все еще не достигнуто единой точки зрения. В протопектинах очень длинная цепь полигалактуроновой кислоты связана С целлюлозой или другими полиозами или же с белковыми веществами. В пектиновых кислотах, входящих в состав протопектинов, содержится меньше карбометоксигрупп, чем в свободных пектиновых кислотах фруктовых соков.

Термин пектиновые вещества охватывает все перечисленные группы соединений, для которых важнейшим признаком является цепь из остатков галактуроновой кислоты и высокое содержание последней в продуктах гидролиза.

Хитин — полисахарид, из которого построены прочные оболочки насекомых, ракообразных и некоторых грибов. Он нерастворим в воде, органических растворителях, реактиве Швейцера; весьма стоек к щелочам.

Хитин построен из остатков N-ацетилглюкозамина, соединенных β-1,4′-гликозидными связями:

При кислотном гидролизе хитин расщепляется с образованием глюкозамина; действие фермента хитазы приводит к образованию N-ацетилглюкозамина.

Целлюлоза, свойства, получение и применение

Целлюлоза – природное высокомолекулярное органическое соединение, углевод, полисахарид с формулой (C6H10O5)n.

Целлюлоза, формула, строение, вещество, характеристика:

Целлюлоза, клетчатка (фр. cellulose от лат. cellula – «клетка») – природное высокомолекулярное органическое соединение, углевод, полисахарид с формулой (C6H10O5)n.

Молекулы целлюлозы представляют собой неразветвлённые цепочки из остатков β-D-глюкозы, соединённых гликозидными (водородными) связями β-(1→4).

Химическая формула целлюлозы (C6H10O5)n либо [С6Н7О2(ОН)3]n.

Строение молекулы целлюлозы, структурная формула целлюлозы:

Молекула целлюлозы образована из множества (от нескольких сотен до десятков тысяч) остатков β-D-глюкозы, связанных между собой гликозидными (водородными) связями.

Молекула целлюлозы имеет линейное строение и склонна принимать вытянутую стержневую конформацию.

Так как макромолекула целлюлозы представляет собой смесь молекул (мономерных звеньев) с различной степенью полимеризации (т.е. числом мономерных звеньев в молекуле полимера), то она неоднородна по молекулярной массе. Целлюлоза из древесины имеет типичную длину цепи от 300 до 1700 единиц мономерных звеньев C6H10O5, хлопок и другие растительные волокна, а также бактериальная целлюлоза имеют длину цепи от 800 до 10 000 единиц звеньев C6H10O5.

Молярная масса мономерного звена целлюлозы С6Н10О5 составляет 162,1406 г/моль

Целлюлоза – это растительный полисахарид, являющийся самым распространенным органическим веществом. Целлюлоза является главной составляющей частью и структурным материалом оболочки растительной клетки.  Кроме целлюлозы в состав клеточных оболочек входят еще несколько других углеводов, известных под общим названием гемицеллюлозы (ксилан, маннан, галактан, арабан и др.).

Внешне целлюлоза в чистом виде представляет собой белое твердое волокнистое вещество, без вкуса и запаха.

Волокна целлюлозы обладают высокой механической прочностью.

Целлюлоза не растворяется в воде, слабых кислотах и большинстве органических растворителей. Растворяется в некоторых растворителях, например, в водных смесях комплексных соединений гидроксидов переходных металлов (Сu, Cd, Ni) с NH3 и аминами, в серной и ортофосфорной кислотах, а также в аммиачном растворе гидроксида меди (II) – реактиве Швейцера.

Хорошо впитывает воду из-за наличия гидроксильных групп в своем составе.

Подвергается разложению при участии микроорганизмов и при действии ультрафиолетовых лучей.

Не разрушается при нагревании до 200 оС.

Различные виды целлюлозы (из различных растительных материалов) структурно неоднородны, т.к. расстояние между молекулами  или звеньями молекул целлюлозы, а также взаимное расположение этих молекул  могут быть различны. Соответственно изменяются прочностные связи между молекулами, а также физические и химические свойства различных видов целлюлозы. Свойства также зависят от количества звеньев в молекуле целлюлозы (т.е. от степени полимеризации). Например, чем больше расстояние между молекулами или звеньями молекул и чем меньше прочность связи между ними, тем больше гигроскопичность целлюлозы, ее окрашиваемость, более реакционноспособна в процессах этерификации, протекающих в кислой среде, и т.д. Целлюлоза со степенью полимеризации менее 1000 растворима в концентрированной ортофосфорной кислоте, а целлюлоза со степенью полимеризации ниже 200 – также и в 10-12 % растворе гидроксида натрия.

Нахождение целлюлозы в природе:

В чистом виде в природе не содержится.

Целлюлоза образуется в растениях (в т.ч. водорослях) в результате сложных биохимических реакций в процессе фотосинтеза из простейших углеводов. Она представляет собой составную часть оболочки клеток растений, обеспечивая механическую прочность и эластичность растительной ткани.

В большом количестве целлюлоза содержится в волокнах хлопка – 95-98 %, льна – 60-85 %, в тканях древесины – 40-55 %, в растительных остатках, попадающих в почву (листьях, стеблях и пр.), – 40-90 %, в соломе – до 30 %.

Целлюлоза также встречается у грибов и животных: у некоторых простейших и у оболочников (Tunicata). У последних она выделяется клетками наружных покровов и образует наружную оболочку, или тунику, животного.

Целлюлоза вырабатывается  также некоторыми бактериями, например, бактериями рода Acetobacter.

Физические свойства целлюлозы:

Наименование параметра:Значение:
Цветбелый
Запахбез запаха
Вкусбез вкуса
Агрегатное состояние (при 20 °C и атмосферном давлении 1 атм.)твердое вещество
Плотность (при 20 °C и атмосферном давлении 1 атм.), г/см31,52-1,54
Плотность (при 20 °C и атмосферном давлении 1 атм.), кг/м31520-1540
Температура разложения, °C210
Температура плавления, °C467
Температура кипения, °C
Температура воспламенения, °C275
Температура самовоспламенения, °C420
Удельная теплота сгорания, МДж/кг16,40
Молярная масса мономерного звена целлюлозы С6Н10О5, г/моль162,1406

Химические свойства целлюлозы. Химические реакции целлюлозы:

Из-за наличия трёх гидроксильных групп в каждом звене целлюлоза проявляет свойства многоатомных спиртов, поэтому для нее характерны все химические реакции, свойственные спиртам: образование простых и сложных эфиров органических и неорганических кислот, получение щелочной целлюлозы и др.

Основные химические реакции целлюлозы следующие:

1. гидролиз целлюлозы:

(C6H10O5)n    +   nH2O → nC6H12O6 (t°, H2SO4).

(целлюлоза)                      (глюкоза)

В результате реакции образуется глюкоза.

2. реакция нитрования целлюлозы (т.е. реакция целлюлозы с азотной кислотой).

3. реакция этерификации целлюлозы с уксусной кислотой.

4. реакция пиролиза целлюлозы:

При температуре выше 350 °C в отсутствии кислорода целлюлоза подвергается пиролизу (также называемому “термолизом”), разлагаясь на твердый уголь, пары, аэрозоли и газы, такие как углекислый газ и пр. продукты сложного строения.

5. реакция горения целлюлозы:

(C6H10O5)+ 6nO2 → 6nCO2 + 5nH2O (t°).

В результате реакции происходит полное окисление целлюлозы до углекислого газа и воды.

Производство и получение целлюлозы:

Поскольку в природе в чистом виде целлюлоза не содержится, а, как правило, образуется в растениях, то ее в основном получают из древесины. Производство (получение) целлюлозы является одним из этапов производства бумаги.

Содержание целлюлозы в древесине составляет порядка 40-55 %. Остальное  – гемицеллюлоза (ксилан, маннан, галактан, арабан и др.) и лигнин. Лигнин (от лат. lignum – дерево, древесина) – это вещество, характеризующее одеревеневшие стенки растительных клеток, и представляющее собой смесь  ароматических полимеров родственного строения. На лигнин приходится от 18 до 24 % массы древесины лиственных пород и 23-50 % массы хвойных пород. Причем (лигнин) последний выполняет функцию связующего вещества между волокнами целлюлозы.

Если образно сравнить древесину с железобетоном, то получается, что волокна целлюлозы, обладающие высокой прочностью на растяжение, подобны арматуре в железобетоне, а лигнин, обладающий высокой прочностью на сжатие, – бетону.

Гемицеллюлоза в древесине выполняет функцию укрепления волокон целлюлозе.  Она представляет собой растительные гомо- и гетерополисахариды с меньшей, чем у целлюлозы, молекулярной массой (10 000-40 000 г/моль), состоящие из остатков разных пентоз и гексоз.

Целлюлоза получается (выделяется) из древесины двумя методами: механическим и химическим. При любом методе получения целлюлозы древесина предварительно измельчается в щепу.

Механический метод получения целлюлозы:

При механическом методе получения целлюлозы древесную щепу, как правило, истирают или размалывают в водной среде в присутствии специальных реагентов. Под действием воды, тепла и специальных реагентов лигнин размягчается, и древесина распадается на отдельные волокна. Затем волокна очищаются. Однако полностью лигнин из полученных волокон не удаляется, а остается на поверхности и внутри них, что сказывается на качестве полученной целлюлозы и в будущем – на получаемых бумажных листах.

Выход «механической» древесной массы получается достаточно высоким.

Бумажные листы из «механической» древесной массы имеют низкую плотность, высокую твердость и жесткость, а также цвет исходной древесины.

Химический метод получения целлюлозы:

Химический метод получения целлюлозы заключается в том, что древесную щепу помещают в кипящий раствор, где варят в  течении длительного времени.

По типу применяемых реагентов различают несколько способов варки древесной щепы:

  • сульфитный. Варочный раствор содержит сернистую кислоту и её соль, например, гидросульфит натрия. Варка происходит при повышенной температуре и давлении. Этот способ варки применяется для получения целлюлозы из малосмолистых пород древесины: ели, пихты;
  • натронный. Используется раствор гидроксида натрия. Данным способом получают целлюлозу из лиственных пород древесины и однолетних растений;
  • сульфатный. Наиболее распространённый способ на сегодняшний день. В качестве реагента используют раствор, содержащий гидроксид и сульфид натрия. Данный способ  пригоден для получения целлюлозы из любого вида растительного сырья.

В процессе варки получают техническую целлюлозу, которая выпадает в осадок, а лигнин взаимодействует с варочным раствором, в результате чего получаются различные химические вещества (кормовые дрожжи, сульфатный лигнин, сульфатное мыло, фитостерин, талловое масло, канифоль, сернистые соединения, метанол, скипидар и пр.).

Техническая целлюлоза для удаления гемицеллюлозы и облагораживания обрабатывается холодным или горячим раствором щелочи, а для удаления остаточного лигнина – хлором, озоном, кислородом, пероксидом водорода, после чего – щелочью. Процесс удаления лигнина также называется отбелкой целлюлозы и имеет цель придание ей белизны.

В итоге получается чистая целлюлоза. Общий объем получаемой химическим способом целлюлозы зависит от способа варки, а так же от вида древесины. Выход составляет от 40 до 65 %.

В отличие от целлюлозы, полученной механическим способом, целлюлоза, полученная химическим способом, имеет белый цвет, большую длину волокон, становится более гибкой.

Применение целлюлозы:

  • для производства бумаги и картона,
  • в качестве наполнителя в таблетках в фармацевтике,
  • для получения искусственных волокон (вискозного, ацетатного, медно-аммиачного шёлка, искусственного меха),
  • для изготовления тканей (хлопок, который большей частью состоит из целлюлозы – 95-98 %),
  • для производства пластмасс, оргстекла, кино и фото пленок и пр.,
  • для производства лаков,
  • для производства порохов,
  • для изготовления нитей, канатов,
  • получение глюкозы, этилового спирта.

Источник публикации

Читайте также

ЦЕЛЛЮЛОЗА | Энциклопедия Кругосвет

Содержание статьи

ЦЕЛЛЮЛОЗА, клетчатка, главный строительный материал растительного мира, образующий клеточные стенки деревьев и других высших растений. Самая чистая природная форма целлюлозы – волоски семян хлопчатника.

Очистка и выделение.

В настоящее время промышленное значение имеют лишь два источника целлюлозы – хлопок и древесная масса. Хлопок представляет собой почти чистую целлюлозу и не требует сложной обработки, чтобы стать исходным материалом для изготовления искусственного волокна и неволокнистых пластиков. После того как от хлопкового семени отделены длинные волокна, используемые для изготовления хлопчатобумажных тканей, остаются короткие волоски, или «линт» (хлопковый пух), длиной 10–15 мм. Линт отделяют от семени, в течение 2–6 ч нагревают под давлением с 2,5–3%-м раствором гидроксида натрия, затем промывают, отбеливают хлором, снова промывают и сушат. Полученный продукт представляет собой целлюлозу чистоты 99%. Выход равен 80% (масс.) линта, а остальное приходится на лигнин, жиры, воски, пектаты и шелуху семян. Древесную массу делают обычно из древесины деревьев хвойных пород. Она содержит 50–60% целлюлозы, 25–35% лигнина и 10–15% гемицеллюлоз и нецеллюлозных углеводородов. В сульфитном процессе древесную щепу варят под давлением (около 0,5 МПа) при 140° C с диоксидом серы и бисульфитом кальция. При этом лигнины и углеводороды переходят в раствор и остается целлюлоза. После промывки и отбеливания очищенная масса отливается в рыхлую бумагу, похожую на промокательную, и сушится. Такая масса на 88–97% состоит из целлюлозы и вполне пригодна для химической переработки в вискозное волокно и целлофан, а также в производные целлюлозы – сложные и простые эфиры.

Процесс регенерации целлюлозы из раствора при добавлении кислоты в ее концентрированный медноаммиачный (т.е. содержащий сульфат меди и гидроксид аммония) водный раствор был описан англичанином Дж.Мерсером около 1844. Но первое промышленное применение этого метода, положившее начало промышленности медно-аммиачного волокна, приписывается Е.Швейцеру (1857), а дальнейшее его развитие – заслуга М.Крамера и И.Шлоссбергера (1858). И только в 1892 Кросс, Бевин и Бидл в Англии изобрели процесс получения вискозного волокна: вязкий (откуда название вискоза) водный раствор целлюлозы получался после обработки целлюлозы сначала крепким раствором едкого натра, что давало «натронную целлюлозу», а затем – дисульфидом углерода (CS2), в результате чего получался растворимый ксантогенат целлюлозы. При выдавливании струйки этого «прядильного» раствора через фильеру с малым круглым отверстием в кислотную ванну целлюлоза регенерировалась в форме вискозного волокна. При выдавливании раствора в такую же ванну через фильеру с узкой щелью получалась пленка, названная целлофаном. Ж.Бранденбергер, занимавшийся во Франции этой технологией с 1908 по 1912, первым запатентовал непрерывный процесс изготовления целлофана.

Химическая структура.

Несмотря на широкое промышленное применение целлюлозы и ее производных, принятая в настоящее время химическая структурная формула целлюлозы была предложена (У.Хоуорсом) лишь в 1934. Правда, с 1913 была известна ее эмпирическая формула C6H10O5, определенная по данным количественного анализа хорошо промытых и высушенных образцов: 44,4% C, 6,2% H и 49,4% O. Благодаря работам Г.Штаудингера и К.Фройденберга было известно также, что это длинноцепная полимерная молекула, состоящая из показанных на рис. 1 повторяющихся глюкозидных остатков. Каждое звено имеет три гидроксильные группы – одну первичную (– CH2 Ч OH) и две вторичные (>CH Ч OH). К 1920 Э.Фишер установил структуру простых сахаров, и в том же самом году рентгенографические исследования целлюлозы впервые показали четкую дифракционную картину ее волокон. Рентгенограмма волокна хлопка указывает на четко выраженную кристаллическую ориентацию, но волокно льна еще более упорядочено. При регенерации целлюлозы в форме волокна кристалличность в значительной мере теряется. Как нетрудно видеть в свете достижений современной науки, структурная химия целлюлозы практически стояла на месте с 1860 по 1920 по той причине, что все это время оставались в зачаточном состоянии вспомогательные научные дисциплины, необходимые для решения проблемы.

РЕГЕНЕРИРОВАННАЯ ЦЕЛЛЮЛОЗА

Вискозное волокно и целлофан.

И вискозное волокно, и целлофан – это регенерированная (из раствора) целлюлоза. Очищенная природная целлюлоза обрабатывается избытком концентрированного гидроксида натрия; после удаления избытка ее комки растирают и полученную массу выдерживают в тщательно контролируемых условиях. При таком «старении» уменьшается длина полимерных цепей, что способствует последующему растворению. Затем измельченную целлюлозу смешивают с дисульфидом углерода и образовавшийся ксантогенат растворяют в растворе едкого натра для получения «вискозы» – вязкого раствора. Когда вискоза попадает в водный раствор кислоты, из нее регенерируется целлюлоза. Упрощенные суммарные реакции таковы:

Вискозное волокно, получаемое выдавливанием вискозы через малые отверстия фильеры в раствор кислоты, широко применяется для изготовления одежды, драпировочных и обивочных тканей, а также в технике. Значительные количества вискозного волокна идут на технические ремни, ленты, фильтры и шинный корд.

Целлофан.

Целлофан, получаемый выдавливанием вискозы в кислую ванну через фильеру с узкой щелью, проходит затем через ванны промывки, отбеливания и пластификации, пропускается через сушильные барабаны и сматывается в рулон. Поверхность целлофановой пленки почти всегда покрывают нитроцеллюлозой, смолой, каким-либо воском или лаком, чтобы уменьшить пропускание паров воды и обеспечить возможность термической герметизации, так как целлофан без покрытия не обладает свойством термопластичности. На современных производствах для этого используются полимерные покрытия поливинилиденхлоридного типа, поскольку они в меньшей степени влагопроницаемы и дают более прочное соединение при термогерметизации.

Целлофан широко применяется главным образом в тароупаковочном производстве как оберточный материал для галантерейных товаров, пищевых продуктов, табачных изделий, а также в качестве основы для самоклеющейся упаковочной ленты.

Вискозная губка.

Наряду с получением волокна или пленки, вискозу можно смешать с подходящими волокнистыми и мелкокристаллическими материалами; после кислотной обработки и водного выщелачивания такая смесь преобразуется в вискозный губчатый материал (рис. 2), который применяется для упаковки и теплоизоляции.

Медноаммиачное волокно.

Волокно из регенерированной целлюлозы производится в промышленных масштабах также путем растворения целлюлозы в концентрированном медноаммиачном растворе (CuSO4 в NH4OH) и формования из полученного раствора волокна в кислотной осадительной ванне. Такое волокно называется медноаммиачным.

СВОЙСТВА ЦЕЛЛЮЛОЗЫ

Химические свойства.

Как показано на рис. 1, целлюлоза представляет собой высокополимерный углевод, состоящий из глюкозидных остатков C6H10O5, соединенных эфирными мостиками в положении 1,4. Три гидроксильные группы в каждом глюкопиранозном звене могут быть этерифицированы такими органическими агентами, как смесь кислот и ангидридов кислот с соответствующим катализатором, например серной кислотой. Простые эфиры могут образовываться в результате действия концентрированного гидроксида натрия, приводящего к образованию натронной целлюлозы, и последующей реакции с алкилгалогенидом:

Реакция с оксидом этилена или пропилена дает гидроксилированные простые эфиры:

Наличием этих гидроксильных групп и геометрией макромолекулы обусловлено сильное полярное взаимное притяжение соседних звеньев. Силы притяжения столь велики, что обычные растворители не в состоянии разорвать цепь и растворить целлюлозу. Эти свободные гидроксильные группы ответственны также за большую гигроскопичность целлюлозы (рис. 3). Этерификация и эфиризация понижают гигроскопичность и повышают растворимость в обычных растворителях.

Под действием водного раствора кислоты разрываются кислородные мостики в положении 1,4-. Полный разрыв цепи дает глюкозу – моносахарид. Первоначальная длина цепи зависит от происхождения целлюлозы. Она максимальна в природном состоянии и уменьшается в процессе выделения, очистки и преобразования в производные соединения (см. таблицу).

СТЕПЕНЬ ПОЛИМЕРИЗАЦИИ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ

Материал

Число глюкозидных остатков

Необработанный хлопок

2500–3000

Очищенный хлопковый линт

900–1000

Очищенная древесная масса

800–1000

Регенерированная целлюлоза

200–400

Промышленный ацетат целлюлозы

150–270

Даже механический сдвиг, например при абразивном размельчении, приводит к уменьшению длины цепей. При уменьшении длины полимерной цепи ниже определенного минимального значения изменяются макроскопические физические свойства целлюлозы.

Окислительные агенты оказывают на целлюлозу воздействие, не вызывая расщепления глюкопиранозного кольца (рис. 4). Последующее действие (в присутствии влаги, например, при климатических испытаниях), как правило, приводит к разрыву цепи и увеличению числа альдегидоподобных концевых групп. Поскольку альдегидные группы легко окисляются до карбоксильных, содержание карбоксила, практически отсутствующего в природной целлюлозе, резко возрастает в условиях атмосферных воздействий и окисления.

Как и все полимеры, целлюлоза разрушается под воздействием атмосферных факторов в результате совместного действия кислорода, влаги, кислотных компонентов воздуха и солнечного света. Важное значение имеет ультрафиолетовая составляющая солнечного света, и многие хорошо защищающие от УФ-излучения агенты увеличивают срок службы изделий из производных целлюлозы. Кислотные компоненты воздуха, такие, как оксиды азота и серы (а они всегда присутствуют в атмосферном воздухе промышленных районов), ускоряют разложение, зачастую оказывая более сильное воздействие, чем солнечный свет. Так, в Англии было отмечено, что образцы хлопка, испытывавшиеся на воздействие атмосферных условий, зимой, когда практически не было яркого солнечного света, деградировали быстрее, чем летом. Дело в том, что сжигание зимой больших количеств угля и газа приводило к повышению в воздухе концентрации оксидов азота и серы. Кислотные поглотители, антиоксиданты и агенты, поглощающие УФ-излучение, снижают чувствительность целлюлозы к атмосферным воздействиям. Замещение свободных гидроксильных групп приводит к изменению такой чувствительности: нитрат целлюлозы деградирует быстрее, а ацетат и пропионат – медленнее.

Физические свойства.

Полимерные цепи целлюлозы упакованы в длинные пучки, или волокна, в которых наряду с упорядоченными, кристаллическими имеются и менее упорядоченные, аморфные участки (рис. 5). Измеренный процент кристалличности зависит от типа целлюлозы, а также от способа измерения. По рентгеновским данным, он составляет от 70% (хлопок) до 38–40% (вискозное волокно). Рентгенографический структурный анализ дает информацию не только о количественном соотношении между кристаллическим и аморфным материалом в полимере, но и о степени ориентации волокна, вызываемой растяжением или нормальными процессами роста. Резкость дифракционных колец характеризует степень кристалличности, а дифракционные пятна и их резкость – наличие и степень предпочтительной ориентации кристаллитов. В образце вторичного ацетата целлюлозы, полученного процессом «сухого» формования, и степень кристалличности, и ориентация весьма незначительны. В образце триацетата степень кристалличности больше, но предпочтительная ориентация отсутствует. Термообработка триацетата при температуре 180–240° C заметно повышает степень его кристалличности, а ориентирование (вытягиванием) в сочетании с термообработкой дает самый упорядоченный материал. Лен обнаруживает высокую степень и кристалличности, и ориентации.

Спецификация МИКРОКРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ ЦЕЛЛЮЛОЗА

Спецификация МИКРОКРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ ЦЕЛЛЮЛОЗА

Химическая формула: 6Н10О5)Х

Химическая структура: Линейная водно-нерастворимая полимерная цепочка α-целлюлозы 

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Внешний вид: порошок

Цвет: белый

Запах: отсутствует

Плотность: 1,27 г/мл

Температура плавления: 260-270 °С

рН: 5,0-7,0

Растворимость: практически не растворим в воде

ТОКСИКОЛОГИЯ

CAS# 9004-34-6 Не опасен.

ПДК в воздухе — 15 мг/м3; пригодная для дыхания — 5 мг/м3

ЛД50/ЛК50:

ингаляция, крыса — ЛК50 ≥ 5800 мг/м3;

пища, крыса — ЛД50 ≥ 5 г/кг;

кожа, кролик — ЛД50 ≥ 2 г/кг.

ВЫБОР ТИПА МКЦ

  • МКЦ с более низкой насыпной плотностью, более мелким размером частиц и с более высоким содержание влаги имеют лучшую прессуемость, что позволяет более низкой силой прессования достигать подобной твердости таблеток.
  • Таблетки подобной прочности из МКЦ с более низкой насыпной плотностью и с более высоким содержанием влаги распадаются быстрее, чем такие же из других типов МКЦ.
  • Таблетки произведенные из МКЦ с мелким размером частиц распадаются медленнее, чем такие же подобной твердости из других типов МКЦ.

 

COMPRECEL® доступные стандартные сорта

Сорт

Размер частиц, мкм

Влага, %

Насыпная плотность, г/мл

Степень полимеризации

D10

D50

D90

МКЦ-101

<30

40-60

>80

3,0-5,0

0,26-0,34

200-250

МКЦ-102

<45

70-100

>140

3,0-5,0

0,28-0,35

200-250

МКЦ-103

<30

40-60

>80

1,0-3,0

0,26-0,34

200-250

МКЦ-105

**

**

**

1,0-5,0

0,20-0,30

200-250

МКЦ-112

<45

70-100

>140

0,0-1,5

0,28-0,37

200-250

МКЦ-113

<30

40-60

>80

0,0-2,0

0,26-0,34

200-250

МКЦ-200

<60

100-160

>200

3,0-5,0

0,30-0,36

200-250

МКЦ-212

<70

150-200

>260

3,0-5,0

0,32-0,42

200-250

МКЦ-301

<30

40-60

>80

3,0-5,0

0,34-0,45

130-180

МКЦ-302

<45

70-100

>140

3,0-5,0

0,35-0,46

130-180

Примечание: производитель может разработать сорт в соответствии с особыми требованиями клиентов

 

ПРИМЕНЕНИЕ

  • Прямое прессование
  • Сухая грануляция
  • Влажная грануляция
  • Капсулирование
  • Экструзионное сферообразование

ХРАНЕНИЕ и ОБРАЩЕНИЕ

Хранить в закрытой упаковке; в прохладном, сухом, хорошо проветриваемом помещении. Указания по совместимости при хранении: вдали от сильных окислителей. При нарушении целостности упаковки собрать материал в приспособленный для этого контейнер. Избегайте распыления. Обеспечьте вентиляцию. Дополнительная информация по безопасности жизнедеятельности представлена в  Паспорте безопасности данного продукта.

УПАКОВКА

 

 КАРТОННАЯ КОРОБКА 25 кг НЕТТО 

СПЕЦИФИКАЦИЯ

 

Пункты испытаний

Единицы измерения

Лимиты

Размер частиц распределения D10

мкм

Соглано сорта

Размер частиц распределения D50

мкм

Соглано сорта

Размер частиц распределения D90

мкм

Соглано сорта

Степень полимеризации

 

Соглано сорта

Насыпная плотность

г/мл

Соглано сорта

Идентификация A

 

Фиолетово-голубой

Электропроводность

μS/см

< 75

pH

 

5,5 — 7,0

Потеря в массе при высушивании

%

< 7,0

Остаток после прокаливания

%

< 0,05

Вещества, растворимые в воде

%

< 0,25

Вещества, растворимые в эфире

%

< 0,050

Тяжелые металлы

ppm

< 10

Микробиология

Общее число аэробных микроорганизмов

количество/грамм

< 100

Общее число плесени и грибов

количество/грамм

< 10

Staphilococcus aureus

количество/грамм

Отсутствует

Pseudomonas aeruginosa

количество/грамм

Отсутствует

Escherichia coli

количество/грамм

Отсутствует

Salmonella species

количество/10 грамм

Отсутствует

 

 

СПЕЦИФИКАЦИЯ МИКРОКРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ ЦЕЛЛЮЛОЗА скачать

 

Целлюлоза строение — Справочник химика 21

    Производные целлюлозы. Строение молекул производных целлюлозы исследовано в основном химическими методами [2], методами инфракрасной спектроскопии [12] и рентгенографии. Ядерная магнитная спектроскопия для этих целей почти не применялась. Есть лишь одна работа по ЯМР-спектрам ацетата целлюлозы [20], но и в ней не было получено существенно новых данных. [c.223]
    Фазовые состояния полимеров и их надмолекулярная структура (надмолекулярная организация) — один из самых сложных и противоречивых вопросов физики полимеров. Существующие представления о физической структуре полимеров и в частности целлюлозы еще далеки от совершенства. Практически все исследователи в настоящее время относят целлюлозу к кристаллическим полимерам. В соответствии с этим в данном учебнике надмолекулярная структура целлюлозы (строение ее микрофибрилл), а также физико-химические и химические свойства рассматриваются с позиций теории кристаллического строения. [c.236]

    ЦЕЛЛЮЛОЗА СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА [c.307]

    Целлюлоза (СбНюОб) — основной полисахарид клеточных оболочек высших растений, его присутствием обусловлена прочность растительной ткани. Целлюлоза состоит из очень длинных цепочек остатков о-глюкозы, соединенных связью (1р—4) так же, как в целлобиозе. Относительная молекулярная масса целлюлозы составляет 10 —10 в зависимости от вида растения. Экспериментальные сложности, возникающие при исследовании молекул такого размера, не позволяют точно решить, имеет ли целлюлоза строение открытой цепи или образует гигантскую петлю, возможно с перекрестными связями. [c.284]

    Строение и свойства жиров. Углеводы строение и свойства глюкозы, рибозы, дезоксирибозы, сахарозы, крахмала и целлюлозы. Строение фруктозы, мальтозы и лактозы. Строение и свойства белков. Строение нуклеотидов и полинуклеотидов. Различия в строении ДНК и РНК. Биологическая роль указанных классов соединений. [c.758]

    Механизму растворения целлюлозы в «прямых» растворителях, а именно в оксидах третичных аминов, в литературе уделяется большое внимание [54-56]. Сформулированы основные требования отнесения аминоксидов к растворителям целлюлозы строение и размер молекулы, в том числе ее циклической части, высокий дипольный момент, основность молекулы, а также отсутствие самоассоциации. [c.369]

    Крахмал — полисахарид, состав которого также отражает формула (С,Н1оОб)зс, но он отличается от целлюлозы строением. [c.233]

    Надмолекулярная структура целлюлозы (строение целлюлозных фибрилл) [c.116]

    Для синтетических полимеров эта задача может быть решена изменением состава и соотношения исходных мономеров в процессе синтеза, а также путем химических превращений уже полученных полимеров. Для природных высокомолекулярных соединений и, в частности, для одного из важнейших и наиболее распространенных представителей этого класса полимеров—целлюлозы, строение и химический состав которой определяются процессом биохимического синтеза, основным методом решения этой сложной задачи является химическая модификация. [c.5]


    Строение целлюлозы. Строение целлюлозы было установлено в результате многолетних исследований большого коллектива ученых. Можно без преувеличения сказать, что целлюлоза послужила тем основным веществом, на котором устанавливались и проверялись все важнейшие теории химии высокомолекулярных соединений. [c.438]

    Виды нитратов целлюлозы. Строение целлюлозы нельзя выразить какой-либо определенной формулой вследствие того, что она неоднородна по величине молекул. Еще в большей мере это относится к нитратам целлюлозы, которые к тому же состоят из молекул, неоднородных по степени этерификации. [c.149]

    У г л е в о д ы. Классификация. Моносахариды. Строение. Глюкоза и фруктоза. Стереойзомерия моносахаридов. Получение и химические свойства. Дисахариды сахароза, лактоза и мальтоза. Строение. Восстанавливающие и невосстанавливающие сахара. Несахароподобные полисахариды крахмал и целлюлоза. Строение и отличие в строении. Гидролиз к рахмала и целлюлозы. Простые и сложные эфиры целлюлозы. Бумага. Сульфитно-дрожжевая бражка (СДБ). Использование простых эфиров целлюлозы и СДБ в строительстве. [c.170]

    Примером подобных превращений для синтеза ионообменных материалов является реакция переэтерификации целлюлозы мо но- и диалкилфооф итами. Как показано [153, 154], полимерные фосфиты целлюлозы строения [c.102]

    Имеющиеся данные о характере изменения структуры целлюлозного материала и степени ориентации привитых цепей не позволяют пока однозначно установить взаимосвязь между исходной структурой целлюлозы, строением прививаемого мономера и структурой привитого сополимера. При дальнейших и( следова ниях необходимо выяснить эту зависимость для различных методов прививки и различных типов прививаемых полимеров. [c.498]

    Красители с высокой прочностью к валке и поту 985 Красители S. R. А. 727, 919 Красители субстантивные к целлюлозе, строение 1450—75 Красители Супрафикс 993, 1005 Красители типа [c.1647]

    При гидролизе кислотами хитин дает эквивалентные количества глю-козамина и уксусной кислоты, что приводит к выводу, что ацетилглюкоз-амин лежит в основе хитина подобно тому, как глюкоза в составе целлюлозы. Строение хитина схематически изображается следующей формулой  [c.450]


Химия углеводов (1967) — [ c.524 ]

Молекулярная биология клетки Том5 (1987) — [ c.163 ]

Успехи спектроскопии (1963) — [ c.308 ]

Физико-химия коллоидов (1948) — [ c.260 , c.262 ]

Методы химии белков (1965) — [ c.10 ]

Производство эфиров целлюлозы (1974) — [ c.8 , c.10 ]

Химия искусственных смол (1951) — [ c.105 ]

Физико-химические основы технологии химических волокон (1972) — [ c.74 ]

Химия и технология полимеров Том 1 (1965) — [ c.127 ]

Химия высокомолекулярных соединений (1950) — [ c.433 , c.438 ]

Углеводы успехи в изучении строения и метаболизма (1968) — [ c.204 ]

Высокомолекулярные соединения Издание 2 (1971) — [ c.14 ]


Формула целлюлозы

Формула и структура: Химическая формула целлюлозы C 6 H 10 O 5 , молярная масса 162,14 г моль -1 . Молекула представляет собой полисахарид, который образован многими звеньями D-глюкозы, связанными гликозидными связями (разновидность ковалентной связи, которая в основном присутствует в сахарах). Таким образом, целлюлоза является одним из наиболее протяженных природных полимеров. Окончательная структура целлюлозы зависит от микроорганизма, который ее производит. Его химическую структуру можно записать, как показано ниже, в общепринятых представлениях, используемых для органических молекул.

Проявление: Целлюлоза широко распространена в природе. Он присутствует на клеточной стенке зеленых растений, многих водорослей и других микроорганизмов, таких как оомицеты или бактерии. Целлюлоза содержится в хлопке, древесине и бумаге.

Препарат: Целлюлоза представляет собой сложную структуру, которая не была воспроизведена с помощью синтетических методов. Он производится только растениями и другими организмами, поэтому для бумажной промышленности необходимо использовать деревья и растения для производства бумажной массы.

Физические свойства: После обработки и извлечения целлюлозы из дерева и растений он представляет собой белый порошок. Плотность 1,5 г/мл 1-, температура плавления 260 ºC, при более высоких температурах разлагается. Целлюлоза нерастворима в воде и большинстве органических растворителей.

Химические свойства: Целлюлоза представляет собой органический полимер, который имеет тысячи звеньев D-глюкозы, связанных водородными связями (водородные связи являются наиболее распространенными и существенными связями в природе), которые образуются между атомом кислорода одной гидроксильной группы глюкоза и гидроксильный атом водорода следующей единицы глюкозы.Количество единиц D-глюкозы зависит от вида растений или типа материала: дерево, хлопок и т. д.

Использование: Целлюлоза пользуется большим спросом в бумажной промышленности, которая использует ее для производства бумаги, картона и картона. Он также используется в производстве волокон и текстиля, особенно из хлопка и вискозы. Целлюлоза представляет собой материал, который используется для заполнения многих хроматографических колонок для проведения химического анализа с помощью ВЭЖХ. В последние годы он также использовался для производства биогорючих материалов.

Последствия для здоровья / опасности для здоровья: Целлюлоза может раздражать слизистые и глаза, но не токсична. Он горюч и должен храниться изолированным от легковоспламеняющихся материалов или источников тепла.

14.7: Целлюлоза — Химия LibreTexts

Наиболее распространенным природным материалом, производимым организмами, является целлюлоза , синтезированная биологически путем соединения молекул глюкозы с потерей 1 Н 2 молекулы О на каждую образовавшуюся связь (см. рис. 14.5). . Это дает химическую формулу целлюлозы (C 6 H 10 O 5 ) n , где n колеблется от 1500 до 6000 или более.Большая часть целлюлозы производится на заводах, общий объем производства по всему миру превышает 500 млрд метрических тонн в год. Целлюлоза составляет крепкие клеточные стенки растений. Древесина содержит около 40 % целлюлозы, волокна листьев — около 70 %, а хлопок — один из чистейших источников целлюлозы — около 95 %. Целлюлоза встречается в различных формах и обычно связана с гемицеллюлозой (материалом, также состоящим из углеводных полимеров) и лигнином, биополимером различного состава и связи, состоящим в основном из ароматических звеньев.

Рисунок 14.4. Синтез диметилфурана, кислородорганического соединения, обладающего многими желательными свойствами нефтяных углеводородов, из фруктозы, углевода, в изобилии производимого растениями. Рис. 14.5. Участок молекулы целлюлозы, в котором связаны между собой от 1500 до нескольких тысяч единиц а-гидроглюкозы (молекулы глюкозы меньше H 2 O).

Первый важный этап использования целлюлозы, такой как экстракция целлюлозных волокон для изготовления бумаги, состоит в отделении целлюлозы от лигноцеллюлозной матрицы (гемицеллюлозы и лигнина).Этот этап был причиной многих проблем при использовании целлюлозы из-за применяемой жесткой химической обработки. Остатки лигнина придают цвет целлюлозе, поэтому древесную массу, используемую для изготовления бумаги, приходится отбеливать окислителями, которые изменяют структуру красителей. Раньше отбеливание производилось почти полностью с помощью элементарного хлора Cl 2 и солей гипохлорит-иона ClO . Однако при отбеливании биомассы этими материалами на основе хлора образуются хлорорганические примеси и загрязняющие вещества.Поэтому предпочтительными отбеливающими агентами являются озон и перекись водорода.

Тонкоизмельченная форма целлюлозы, называемая микрокристаллической целлюлозой , производится путем соответствующей физической и химической обработки целлюлозы. Этот материал широко используется в пищевых продуктах, придавая им гладкость, стабильность и толщину. Микрокристаллическая целлюлоза также используется в фармацевтических препаратах и ​​косметике. Добавляемая в пищу неперевариваемая целлюлоза увеличивает объем и удерживает влагу.

Химически модифицированная целлюлоза используется для изготовления широкого спектра материалов. Как и глюкоза, входящая в ее состав, целлюлоза имеет множество -ОН-групп, к которым могут быть присоединены различные другие группы, придающие различные свойства. Одна из старейших синтетических тканей, вискоза, производится путем обработки целлюлозы основанием и сероуглеродом, CS 2 , с последующим выдавливанием продукта через тонкие отверстия для получения нити. В аналогичном процессе химически обработанная целлюлоза экструдируется через длинную узкую щель, образуя лист прозрачной пленки, называемой целлофаном.

Как видно из структурной формулы на рис. 14.5, каждая единица полимера целлюлозы имеет три группы ОН, которые легко присоединяются к другим функциональным группам, что приводит к химически модифицированной целлюлозе. Одним из наиболее распространенных таких продуктов является ацетат целлюлозы, сложный эфир (см. раздел 6.4 и реакцию 6.4.1), используемый в основном для производства одежды и тканей для предметов домашнего обихода, в котором большая часть -ОН-групп целлюлозы заменена ацетатными группами в результате реакции с уксусной кислотой. ангидрид (см. ниже):

Хотя целлюлозное сырье для синтеза ацетата целлюлозы, безусловно, является «зеленым» материалом, уксусный ангидрид, используемый для производства ацетата, представляет собой коррозионно-токсичное химическое вещество, вызывающее плохо заживающие раны на открытых участках тела.Кроме того, в некоторых процессах получения ацетата целлюлозы используются потенциально опасные растворители, такие как дихлорметан.

Другим широко производимым эфиром целлюлозы является нитрат целлюлозы, в котором группы ОН целлюлозы заменены группами ONO 2 путем обработки целлюлозы смесью азотной кислоты (HNO 3 ) и серной кислоты. кислота (H 2 SO 4 ). Нитрат целлюлозы делает прозрачную пленку и использовался на заре движущихся изображений для кинопленки.Однако одним из других основных применений этого материала является взрывчатое вещество, поэтому нитрат целлюлозы может бурно гореть с выделением высокотоксичных паров газа NO 2 . В прошлые годы эта характеристика привела к нескольким трагическим пожарам с человеческими жертвами. В настоящее время его использование в основном ограничено лакокрасочными покрытиями, взрывчатыми веществами и топливом. Хотя целлюлозное сырье имеет зеленый цвет, ни процесс производства нитрата целлюлозы с использованием сильных кислот, ни горючий продукт не могут считаться зелеными.

Из приведенного выше обсуждения становится очевидным, что целлюлоза является важным сырьем для получения ряда материалов. Реагенты и условия, используемые для превращения целлюлозы в другие продукты, в некоторых случаях являются довольно жесткими. Можно ожидать, что достижения науки о трансгенных организмах приведут к созданию альтернативных биологических технологий, которые позволят превращать целлюлозу в различные продукты в относительно мягких условиях.

Целлюлоза (C₆H₁₀O₅)n – Объяснение применения, свойства и структура

Что такое целлюлоза?

Целлюлоза представляет собой органическое соединение с химической формулой (C6h20O5)n.Это полисахарид, который содержит линейную цепь от многих сотен до многих тысяч β(1→4) единиц связанной D-глюкозы. Он также является важным структурным компонентом первичной клеточной стенки зеленых растений, различных форм водорослей и оомицетов. Некоторые виды бактерий выделяют его для образования биопленок.

Целлюлоза также является самым распространенным органическим полимером на Земле. Содержание целлюлозы в хлопковом волокне составляет 90 %, в высушенной конопле примерно 57 %, а в древесине 40-50 %.

Объяснение применения целлюлозы

Целлюлоза в основном используется для производства бумаги и картона. Небольшие количества целлюлозы перерабатываются в широкий спектр производных продуктов, таких как искусственный шелк и целлофан. Преобразование целлюлозы из энергетических культур в биотопливо, такое как целлюлозный этанол, находится в стадии разработки в качестве возобновляемого источника топлива. В промышленности используемая целлюлоза в основном получается из хлопка и древесной массы.

Некоторые животные, особенно термиты, жвачные, могут переваривать целлюлозу с помощью симбиотических микроорганизмов, живущих в их кишечнике, таких как Trichonympha.Целлюлоза представляет собой неперевариваемый компонент нерастворимых пищевых волокон в питании человека, который действует как гидрофильный наполнитель для фекалий и потенциально помогает при дефекации.

Свойства целлюлозы

Большинство свойств целлюлозы зависят от длины цепи или степени полимеризации, а также от количества молекул глюкозы, составляющих молекулу полимера. Он нерастворим в большинстве органических растворителей, воде, не имеет запаха, биоразлагаем и хиральный.

. или Молярная масса

162.1406 г / моль

0

1,5 г / см³

6

внешний вид

20

7

белый порошок

6

Point плавления

7

260-270 ° C

Структура целлюлозы

[Изображение будет загружено в ближайшее время]

При высоких температурах он может быть расщеплен на глюкозу путем обработки концентрированными минеральными кислотами.По сравнению с крахмалом он более кристаллический. Крахмал переходит из кристаллического состояния в аморфное при 60-70 градусах, тогда как для целлюлозы требуется 320 градусов и давление 25 МПа.

Переработка целлюлозы

Переработка целлюлозы может осуществляться различными способами; где некоторые из них перечислены ниже.

Распад — Целлюлолиз

Он определяется как процесс расщепления молекул целлюлозы на более мелкие полисахариды, известные как целлодекстрины, или полностью на единицы глюкозы.Это известно как реакция гидролиза. Поскольку молекулы целлюлозы прочно связываются друг с другом, процесс лизиса целлюлозы относительно сложен по сравнению с расщеплением других полисахаридов. Однако этот процесс можно значительно интенсифицировать в соответствующем растворителе. Например, в ионной жидкости.

Большинство млекопитающих обладают ограниченной способностью переваривать пищевые волокна, такие как целлюлоза. Некоторые жвачные животные, такие как овцы и коровы, содержат определенные симбиотические анаэробные бактерии (такие как Ruminococcus и Cellulomonas) во флоре рубца, и эти бактерии производят ферменты, называемые целлюлазами, которые гидролизуют целлюлозу.Затем продукты распада используются бактериями для размножения.

Позднее бактериальная масса переваривается жвачным животным в его пищеварительной системе (тонкий кишечник и желудок). Лошади также используют эту целлюлозу в своем рационе путем ферментации в задней кишке. Некоторые термиты содержат в задних кишках некоторых жгутиковых простейших целлюлозу, вырабатывающую такие ферменты, тогда как другие могут продуцировать целлюлазу или содержать бактерии.

Ферменты, которые используются для расщепления гликозидной связи в целлюлозе, представляют собой гликозидгидролазы, в том числе экзодействующие глюкозидазы и эндодействующие целлюлазы.Обычно такие ферменты секретируются в составе мультиферментных комплексов, которые могут включать углеводсвязывающие участки и модули.

Разрушение – термолиз

При температуре выше 350 °C целлюлоза подвергается термолизу (также называемому «пиролиз»), разлагаясь на пары, твердый уголь, аэрозоли, а также газы, такие как двуокись углерода. Максимальный выход паров, которые конденсируются в жидкость, известную как бионефть, достигается при 500 °C.

Полимеры полукристаллической целлюлозы реагируют при температурах пиролиза (350 — 600°C) за несколько секунд; Было показано, что это превращение происходит через переход из твердого состояния в жидкое и в пар, включая жидкость (известную как расплавленная целлюлоза или промежуточная жидкая целлюлоза), существующую только одну долю секунды.При расщеплении гликозидной связи образуются короткие целлюлозные цепи, содержащие от двух до семи мономеров, составляющих расплав. При барботировании паров промежуточной жидкой целлюлозы образуются аэрозоли, состоящие из ангидроолигомеров с короткой цепью, полученных из расплава.

Кроме того, продолжающееся разложение расплавленной целлюлозы приводит к образованию летучих соединений, включая фураны, легкие оксигенаты, левоглюкозан, пираны и газы в результате первичных реакций. В образцах толстой целлюлозы летучие соединения, такие как левоглюкозан, вступают во «вторичные реакции» с летучими продуктами, включая легкие оксигенаты — гликолевый альдегид и пираны.

Коммерческое применение целлюлозы

В промышленности используемая целлюлоза в основном получается из хлопка и древесной массы.

Целлюлоза является основным ингредиентом текстиля. Синтетика (нейлон) и хлопок занимают около 40% рынка по объему. Другие растительные волокна, такие как сизаль, джут, конопля, составляют около 20% рынка. В то время как целлофан, вискоза и другие «регенерированные целлюлозные волокна» имеют небольшую долю (5%).

Целлюлоза также является основным компонентом картона, бумаги и картона.

  • Электроизоляционная бумага

Целлюлоза может использоваться в различных формах в качестве изоляции кабелей, трансформаторов и другого электрооборудования.

Каков химический состав крахмала и целлюлозы? | Образование

Молекулы крахмала и целлюлозы являются полисахаридами. Полисахариды означают много сахаров». Крахмал и целлюлоза состоят из звеньев глюкозы, соединенных ацетальными связями. Они различаются только типом, количеством и расположением связей.Ацетальные связи образуются реакцией спиртовой группы с альдегидной группой, сопровождающейся отщеплением молекулы воды.

Сахар

Молекула глюкозы содержит только одну альдегидную группу. Эта группа должна использоваться при образовании ацетальной связи. Однако глюкоза содержит пять спиртовых групп. Какая спиртовая группа используется для образования ацетальной связи, может варьироваться. Фактически можно использовать более одной спиртовой группы, что допускает возможность образования ответвлений, при этом сахар в точке разветвления связан с тремя другими сахарными единицами, а не с двумя.Ветвление не происходит в целлюлозе, но происходит в крахмалах.

Связи

Первым шагом в формировании ацетальной связи является простое объединение для образования полуацеталя. Полуацеталь не очень стабилен; он удаляет молекулу воды с образованием стабильного ацеталя. Геометрия крепления определяет, является ли оно альфа-ацетальным или бета-ацетальным. Бета-связь в целлюлозе лежит почти в плоскости кольца. Альфа-связь в крахмале почти перпендикулярна кольцу.

Крахмал

Крахмалы фактически состоят из двух различных субструктур, полисахаридов сами по себе — амилозы и амилопектина. Амилоза составляет около одной четверти молекул крахмала, а амилопектин — три четверти. Амилоза прямая, без разветвлений. Альдегид на углероде номер один одного кольца соединяется со спиртом на углероде номер четыре другого кольца.

Амилопектин в чем-то подобен, за исключением того, что примерно через каждые два десятка атомов углерода или около того имеются связи не с одной, а с двумя спиртовыми группами — одна у атома углерода номер четыре, другая у атома углерода номер шесть.Эти разветвления позволяют ферментам легко атаковать и переваривать амилопектиновые части молекулы крахмала.

Целлюлоза

Молекулы целлюлозы содержат бета-ацетальные связи. Также в молекулах целлюлозы нет разветвлений. Целлюлоза прочная и жесткая, поэтому она хорошо подходит для формирования клеточных стенок растений. Кроме того, пищеварительные системы животных не содержат встречающихся в природе ферментов для расщепления молекул целлюлозы. Они действуют как клетчатка, важный ингредиент в рационе.

Ссылки

Ресурсы

Writer Bio

Винсент Саммерс получил степень бакалавра химических наук в Университете Дрекселя в 1973 году.Он продолжил свое образование в рамках программы Citizen Scholar Program Университета Вирджинии, пройдя множество курсов по органической и квантовой химии. Он пишет технические статьи с 2010 года.

Что такое целлюлоза? Факты и функции

Целлюлоза [(C 6 H 10 O 5 ) n ] является органическим соединением и наиболее распространенным биополимером на Земле. Это сложный углевод или полисахарид, состоящий из сотен или тысяч молекул глюкозы, связанных друг с другом в цепочку.Хотя животные не производят целлюлозу, ее производят растения, водоросли, некоторые бактерии и другие микроорганизмы. Целлюлоза является основной структурной молекулой клеточных стенок растений и водорослей.

История

Французский химик Ансельм Пайен открыл и выделил целлюлозу в 1838 году. Пайен также определил химическую формулу. В 1870 году компания Hyatt Manufacturing Company произвела первый термопластичный полимер, целлулоид, с использованием целлюлозы. Оттуда целлюлоза использовалась для производства искусственного шелка в 1890-х годах и целлофана в 1912 году.Герман Штаудингер определил химическую структуру целлюлозы в 1920 году. В 1992 году Кобаяши и Шода синтезировали целлюлозу без использования каких-либо биологических ферментов.

Химическая структура и свойства

Целлюлоза образуется путем связывания субъединиц глюкозы. NEUROTiker, Бен Миллс / Public Domain

Целлюлоза образуется за счет β(1→4)-гликозидных связей между единицами D-глюкозы. Напротив, крахмал и гликоген образуются за счет α(1→4)-гликозидных связей между молекулами глюкозы. Связи в целлюлозе делают ее полимером с прямой цепью.Гидроксильные группы молекул глюкозы образуют водородные связи с атомами кислорода, удерживая цепи на месте и придавая волокнам высокую прочность на растяжение. В стенках растительных клеток несколько цепей соединяются вместе, образуя микрофибриллы.

Чистая целлюлоза не имеет запаха, вкуса, гидрофильна, нерастворима в воде и биоразлагаема. Он имеет температуру плавления 467 градусов Цельсия и может расщепляться до глюкозы путем обработки кислотой при высокой температуре.

Функции целлюлозы

Целлюлоза поддерживает клеточную стенку растений.тцз / Getty Images

Целлюлоза является структурным белком растений и водорослей. Волокна целлюлозы вплетены в полисахаридную матрицу для поддержки клеточных стенок растений. Стебли растений и древесина поддерживаются волокнами целлюлозы, распределенными в матрице лигнина, где целлюлоза действует как арматурные стержни, а лигнин действует как бетон. Самой чистой натуральной формой целлюлозы является хлопок, который состоит из более чем 90% целлюлозы. Напротив, древесина состоит на 40-50% из целлюлозы.

Некоторые виды бактерий выделяют целлюлозу для производства биопленок.Биопленки обеспечивают поверхность для прикрепления микроорганизмов и позволяют им организовываться в колонии.

Хотя животные не могут производить целлюлозу, она важна для их выживания. Некоторые насекомые используют целлюлозу в качестве строительного материала и пищи. Жвачные животные используют симбиотические микроорганизмы для переваривания целлюлозы. Люди не могут переваривать клетчатку, но она является основным источником нерастворимых пищевых волокон, которые влияют на усвоение питательных веществ и способствуют дефекации.

Важные производные

Существует много важных производных целлюлозы.Многие из этих полимеров являются биоразлагаемыми и являются возобновляемыми ресурсами. Соединения, полученные из целлюлозы, как правило, нетоксичны и не вызывают аллергии. Производные целлюлозы включают:

  • Целлулоид
  • Целлофан
  • Район
  • Ацетат целлюлозы
  • Триацетат целлюлозы
  • Нитроцеллюлоза
  • Метилцеллюлоза
  • Сульфат целлюлозы
  • Этолоза
  • Этилгидроксиэтилцеллюлоза
  • Гидроксипропилметилцеллюлоза
  • Карбоксиметилцеллюлоза (камедь целлюлозы)

Коммерческое использование

Основным коммерческим применением целлюлозы является производство бумаги, где крафт-процесс используется для отделения целлюлозы от лигнина.Целлюлозные волокна используются в текстильной промышленности. Хлопок, лен и другие натуральные волокна можно использовать напрямую или перерабатывать для производства вискозы. Микрокристаллическая целлюлоза и порошкообразная целлюлоза используются в качестве наполнителей лекарственных средств, пищевых загустителей, эмульгаторов и стабилизаторов. Ученые используют целлюлозу в жидкостной фильтрации и тонкослойной хроматографии. Целлюлоза используется в качестве строительного материала и электрического изолятора. Он используется в повседневных бытовых материалах, таких как кофейные фильтры, губки, клеи, глазные капли, слабительные средства и пленки.Хотя целлюлоза из растений всегда была важным топливом, целлюлозу из отходов животноводства также можно перерабатывать для производства бутанолового биотоплива.

Источники

  • Дингра, Д.; Майкл, М; Раджпут, Х; Патил, Р. Т. (2011). «Пищевое волокно в продуктах питания: обзор». Журнал пищевых наук и технологий . 49 (3): 255–266. дои: 10.1007/s13197-011-0365-5
  • Клемм, Дитер; Хьюблен, Бриджит; Финк, Ханс-Петер; Бон, Андреас (2005). «Целлюлоза: увлекательный биополимер и устойчивое сырье. Angew. Chem. Int. Ed . 44 (22): 3358–93. doi:10.1002/anie.200460587
  • Меттлер, Мэтью С.; Мушриф, Самир Х .; Полсен, Алекс Д.; Джавадекар, Эшай Д.; Влахос, Дионисиос Г.; Дауэнхауэр, Пол Дж. (2012). «Открытие химии пиролиза для производства биотоплива: преобразование целлюлозы в фураны и небольшие оксигенаты». Энергетическая среда. науч. 5: 5414–5424. дои: 10.1039/C1EE02743C
  • Нишияма, Ёсихару; Ланган, Пол; Шанзи, Анри (2002). «Кристаллическая структура и система водородных связей в целлюлозе Iβ по данным синхротронного рентгеновского излучения и дифракции нейтронного волокна.» J. Am. Chem. Soc . 124 (31): 9074–82. doi: 10.1021/ja0257319
  • Стениус, Пер (2000). Химия лесных товаров . Бумажная наука и технология. Том. 3. Финляндия: Fapet OY. ISBN 978-952-5216-03-5.

Целлюлоза — обзор | ScienceDirect Topics

3.16.3.5 Олигомеры и структура на наноуровне

Олигомеры целлюлозы, практически нерастворимые на октамерном уровне, были предметом ряда исследований, поскольку их вторичная и третичная структуры, по-видимому, сходятся в структурах. аналогичны целлюлозе II.Рентгенограммы порошка очень похожи на спектры целлюлозы II, 123 , а колебательные спектры, как комбинационного, так и инфракрасного, сходятся к спектру целлюлозы в тетрамере. 48 ЯМР твердого тела с высоким разрешением 13 C также сходятся с таковым для целлюлозы II, хотя в тетрамере резонанс аномерного углерода на восстанавливающем конце все еще отчетлив. 58,69

В одном из цитируемых исследований, 58 для изучения структур был использован мультидисциплинарный подход, который привел к выводу, что молекулы целотетраозы расположены антипараллельно, а в другом , на основании рентгеновской дифрактометрии, пришел к выводу, что параллельное строение равновероятно. 123 Эти исследования также показали, что двугранные углы гликозидной связи систематически отличаются от углов двойной спирали. Как отмечалось ранее, недавние результаты Maurer и Fengel 105 указывают на параллельное расположение молекулярных цепей в структуре целлюлозы II. Таким образом, несмотря на многочисленные исследования, структура как целлюлозы II, так и олигомеров остается предметом многих вопросов без ответа.

В связи со структурой полимера возникает вопрос о том, в какой степени наблюдения за олигомерами могут дать информацию для интерпретации наблюдений за полимером.Ключевой вопрос заключается в том, в какой момент можно ожидать конвергенции свойств со свойствами полимера. Хотя это было продемонстрировано только для целлюлозы II, ожидается, что сходимость колебательных спектров со спектрами полимера на уровне тетрамера также будет справедливо для целлюлоз I α и I β , если можно выделить тетрамеры в этих формах. Таким образом, с точки зрения основных структурных единиц, картины колебательного взаимодействия четырех единиц ангидроглюкозы достаточны для определения большинства полос в полимере.Эти наблюдения, взятые вместе с наблюдениями за порошковыми рентгенограммами, позволяют предположить, что вторичная и третичная структуры хорошо определяются организацией восьми цепей по длине, эквивалентной длине тетрамера. То есть объем, определяемый размерностями, равными удвоенным размерам простейших элементарных ячеек во всех трех измерениях. Размеры порядка 1,6–2,1 нм, и этот уровень структуры будем определять как организацию на наноуровне.

Изменения химического состава и структуры целлюлозы и лигнина в древесине вяза при воздействии различных форм мышьяка влияние на изменение структурных компонентов древесины вяза. Количество клетчатки в контроле вяза составило 35,92%. Поскольку это были однолетние сеянцы, это содержание сравнимо с тем, о чем сообщают Валишевская и Прондзыньски (2002) для однолетних прутьев ивы (37.5–38,7%). У молодых древесных растений, произрастающих в стандартных незагрязненных условиях окружающей среды, содержание целлюлозы увеличивается с возрастом, достигая 40–50% в зрелом возрасте (Fengel, Wegener, 1989; Prosiński, 1984). В этом эксперименте было выявлено заметное влияние мышьяка, содержащегося в субстрате, что во всех случаях вызывало снижение содержания первичного компонента древесины. По сравнению с контролем различия в содержании целлюлозы в образцах, выращенных на субстрате, содержащем мышьяк, составили от 1.от 21 % в случае вяза Ас 7 (табл. 2) до 3,68 % в случае вяза Ас 8. Значимость различий в содержании целлюлозы в древесине также подтверждена статистическим анализом. Наибольшее снижение содержания целлюлозы в древесине вяза по сравнению с контролем было вызвано присутствием в субстрате смеси различных форм мышьяка, т.е. As(III)/AS(V)/ДМАА в концентрации 0,6/0,06/0,06 мМ L

−1 (вяз As 8). В свою очередь, наименьшие различия в содержании целлюлозы (1,21 %) наблюдались у образца вяза As 5, который рос на субстрате с добавками As(III)/As(V) при 0.06/0,06 мМ л -1 . Добавление 0,6 мМ L -1 ДМАА к субстрату (образец вяз As 4) приводило к снижению содержания целлюлозы чуть менее чем на 2%. В свою очередь, добавление в смесь As(V)/ДМАА, добавленного к субстрату в концентрации 0,06/0,6 мМ L -1 (вяз As 7), вызывало снижение содержания целлюлозы на 3,1% (табл. 2). Влияние загрязненной среды на изменение содержания целлюлозы в древесине сосны наблюдали Крутул с соавт. (2006), который сообщил о 21.Содержание целлюлозы в древесине 8% и 23,0% в зависимости от удаленности растущего дерева от источника загрязнения. Также Waliszewska и Prądzyński (2002) зафиксировали снижение содержания целлюлозы с 37,5 до 35,8% в стержнях Salix mullatin и с 38,5 до 36,9 % для S. purpurea в древесине однолетних прутьев ивы по сравнению с прутьями. в возрасте нескольких лет. По данным Крутула и соавт. (2014), загрязнение окружающей среды, вызванное добычей серы, привело к снижению содержания целлюлозы примерно на 30% в коре с торцевой части ствола.Эти же авторы сообщают об изменении содержания целлюлозы в древесине, ветвях и корнях березы, произрастающей в загрязненной среде (Крутул и др., 2011).

Таблица 2 Содержание отдельных компонентов древесины вяза после эксперимента с мышьяком

В случае лигнина его содержание имело другую тенденцию, чем содержание целлюлозы. В древесине вязов, растущих при добавлении в субстрат мышьяка, во всех случаях количество лигнина было больше по сравнению с уровнем в древесине контроля.Содержание лигнина в контроле составило 23,75 % (табл. 2), тогда как в образцах, растущих в субстрате с добавлением различных форм и количеств мышьяка, содержание лигнина колебалось от 24,23 % в случае вяза As 8 до 26,21 % в случае вяза As 2. Разница в содержании лигнина в древесине вяза, произрастающего с добавлением As(III) в количестве 0,06 мМ L -1 в субстрат, по сравнению с контролем (без добавления As) составила 2,46%. Это достоверная разница в содержании, что было подтверждено статистическим анализом.Добавление As(V) в количестве 0,06 мМ L -1 к субстрату вызывало увеличение содержания лигнина в древесине вяза (вяз As 3) на 1,82% по сравнению с количеством лигнина в контроле. Добавление в субстрат ДМАА в концентрации 0,6 мМ л -1 (вяз As 4) вызывало увеличение содержания лигнина в древесине чуть более чем на 1%; однако необходимо подчеркнуть, что период роста деревьев был коротким, а также существенная разница в содержании этого структурного компонента. Об увеличении количества лигнина в древесине сосны, произрастающей в загрязненной среде, сообщают Крутул с соавт.(2006). Эти авторы обнаружили значительное влияние загрязнения Козеницкой электростанцией на увеличение содержания лигнина. Загрязнение окружающей среды твердыми частицами электростанции Козенице также вызвало увеличение содержания лигнина в древесине березы, растущей в 21 км от источника загрязнения (Крутул и др., 2011). По данным Waliszewska (2002), загрязнение в районе автомагистрали привело к увеличению содержания лигнина прибл. 2,3–2,6 % в древесине многолетних ив.

В контрольном образце вяза уровень холоцеллюлозы составил 72,26%. Только в случае выращивания вяза на субстрате с добавлением As(III) в количестве 0,06 мМ л -1 статистический анализ показал недостоверную разницу по сравнению с содержанием холоцеллюлозы в контроле (таблица 2). В остальных образцах обнаружены существенные отличия по содержанию холоцеллюлозы по отношению к контролю. Наименьшее количество холоцеллюлозы (68,57%) зафиксировано в древесине вяза, произрастающего на субстрате с добавлением смеси As(III)/As(V)/ДМАА при 0.6/0,06/0,06 мМ л -1 . Сопоставимые уровни холоцеллюлозы, то есть 68,97% и 69,17%, были обнаружены в образцах, обозначенных как вяз As 6 и вяз As 5 соответственно. В древесине вяза, растущего на субстрате с добавкой 0,6 мМ л -1 900 10 ДМАА и с добавкой As(V)/ДМАА 0,06/0,6 мМ л -1 900 10 уровень холоцеллюлозы был практически одинаковым, т.е. 70,33% и 70,92% соответственно. В древесине вяза As 3 при добавлении в субстрат 0,06 мМ L -1 As(V) уровень холоцеллюлозы составил 69.75%.

Анализы содержания гемицеллюлозы в тестируемых образцах показали очень близкие уровни во всех вариантах опыта. Только у вяза Ас 5 и вяза Ас 7 зафиксированы различия в 1,88 и 1,76 % по сравнению с контролем. В остальных случаях уровни этих соединений колебались от 36,33 до 37,76% (таблица 2). Статистический анализ подтвердил небольшие различия в содержании гемицеллюлозы в древесине вяза между отдельными вариантами опыта. Аналогично незначительные изменения (ок.2%) в содержании гемицеллюлозы в древесине сосны под влиянием загрязнения представили Крутул с соавт. (2006). В свою очередь, Waliszewska (2002) дает содержание гексозы в древесине прутьев однолетней ивы, произрастающих в разных условиях (на автодороге и на очистных сооружениях), от 4,36 до 4,53%, а у идентичных ив из плантации, произрастающей в незагрязненной местности. среде он составил 4,73%. Этот автор констатировал ограниченное влияние загрязнения на содержание гексоз в древесине ивы.

Наименьшее содержание экстрактивных веществ, составляющее 9.15%, зафиксировано в древесине контрольного вяза. Во всех остальных вариантах зафиксировано большее количество этих соединений (табл. 2). В образцах с добавлением в субстрат мышьяка содержание соединений, экстрагируемых этанолом, колебалось от 9,52 % в случае добавления в субстрат 0,06 мМ L -1 As(III) до 13,35 % в случае As(III) /ДМАА, добавленный к субстрату в концентрации 0,06/0,6 мМ л -1 . В древесине вяза, растущего на субстрате с добавлением ДМАА в количестве 0,6 мМ L -1 (эмл As 4) и на субстрате с добавлением As(III)/As(V)/ДМАА в количестве 0.6/0,06/0,06 мМ L -1 (вяз As 8) содержание экстрактивных веществ было сопоставимо и составило 11,34% и 11,42% соответственно. Несколько более высокие уровни этих веществ (11,75 %) отмечены в древесине вяза Ас 7. Это сходство подтверждается и статистическим анализом. Добавление к субстрату смеси As(III)/As(V) в концентрации 0,06/0,06 мМ L -1 (вяз As 5) вызывало повышение уровня экстрагируемых этанолом соединений более чем на 3% по сравнению с контрольный образец. Аналогичные наблюдения были представлены Krutul et al.(2010). При тестировании древесины дуба из загрязненного района зафиксировано повышение уровня экстрактивных веществ примерно на 2% во всех частях дерева (комлевой, средней и верхней), как в заболони, так и в сердцевине. Также Waliszewska and Prądzyński (2002) сообщили о прибл. Увеличение содержания экстрактивных веществ на 1–2 % у многолетних ив, произрастающих на автодороге.

Очень интересные результаты дал анализ веществ, растворимых в разбавленных щелочах. Так же, как и в случае экстрактивных веществ, наименьшее количество соединений, растворимых в 1% NaOH (33.52 %), зафиксировано в контроле. Повышенный почти на 8,5% уровень этих соединений был обнаружен в древесине вяза, обозначаемого как вяз As 6, который рос на субстрате, дополненном As(III) и ДМАА в концентрации 0,06/0,06 мМ л -1 . По сравнению с контролем наименьшее увеличение содержания веществ, растворимых в щелочах (на 2,12 %), было вызвано внесением в субстрат мышьяка As(III) в количестве 0,06 мМ л -1 . Также добавление 0,06 мМ L -1 As(V) к субстрату (вяз As 3), добавление ДМАА при 0.6 мМ L -1 (вяз As 4) и смеси As(III)/As(V) при 0,06/0,06 мМ L -1 (вяз As 5) вызывали увеличение содержания растворимых веществ. в щелочах на 3,64%, 3,06% и 3,16% соответственно (табл. 2). В случае добавления в субстрат As(V)/ДМАА в концентрации 0,06/0,6 мМ л -1 уровень этих соединений повышался на 4,91%, а смеси As(III)/As(V)/ДМАА в концентрации 0,6 /0,06/0,06 мМ L -1 вызвало увеличение зарегистрированных уровней более чем на 8% (вяз As 8).Достоверные различия в содержании этих соединений подтверждены статистическим анализом.

Аналогичные наблюдения, т.е. увеличение (примерно на 14 %) уровня веществ, растворимых в 1 % NaOH, в стволе, ветвях и коре березы, произрастающей в загрязненной среде, представили Krutul et al. (2014).

Отношения холоцеллюлозы к содержанию лигнина (H/L) и целлюлозы к лигнину (C/L) при анализе разлагающейся древесины являются показателями прогрессирования процессов разложения древесины (Zborowska et al.2004, 2007). Величина отношения H/L в здоровой древесине высокая и превышает 3. В опыте с добавлением в субстрат различных форм мышьяка во всех случаях значения этого показателя снижались до 2,73 (вяз As 3), 2,76 (вяз As 2), 2,79 (вяз As 6) и в четырех случаях до 2,83 (табл. 3). При анализе отношения содержания целлюлозы к содержанию лигнина С/Ж также можно наблюдать снижение его значений по сравнению с контролем. У древесины, растущей на субстрате без добавления мышьяка, этот показатель равнялся 1.51, тогда как в остальных вариантах опыта этот показатель снижался и колебался от 1,29 до 1,42. Самые низкие значения H/L и C/L наблюдались при добавлении 0,06 мМ L -1 As(V) к субстрату. Снижение значений H/L и C/L может свидетельствовать о разложении полисахаридных соединений под действием мышьяка.

Таблица 3 Отношение содержания холоцеллюлозы к лигнину (H/L) и целлюлозы к лигнину (C/L)

FTIR-спектроскопия использовалась как простой метод, позволяющий получить информацию о химической структуре древесины (Poletto et al.2012b), образцы целлюлозы и лигнина, обработанные различными формами мышьяка (рис. 1).

Рис. 1

ИК-Фурье-спектры древесины карагача: А – контроль, Б – As(III), С – As(V), D – ДМАА, E – As(III)/As(V), F – As(III)/ДМАА, G-As(V)/ДМАА и H-As(III)/As(V)/ДМАА

Полосы на 3400 см −1 (колебания водородно-связанного ОН) для древесины подвергшиеся воздействию формы мышьяка были несколько уже по сравнению с контрольным образцом. Это подтверждает изменения, происходящие в межмолекулярных взаимодействиях.

В «области отпечатков пальцев» (1800–600 см −1 ) (Pandey, Pitman 2003) для всех образцов, подвергшихся воздействию различных форм мышьяка, относительное поглощение всех полос уменьшилось. Наибольшие изменения наблюдались для образцов As(V), As(III)/As(V)/ДМАА (рис. 1).

Изменения относительного поглощения для образцов древесины, подвергшихся воздействию различных форм мышьяка, обнаружены как в полосах, связанных с колебаниями в ароматическом кольце лигнина (1660 см -1 , 1605 см -1 , 1506 см — 1 ) и валентные колебания целлюлозы и гемицеллюлозы при (1432 см -1 , 1320 см -1 , 1158 см -1 и 895 см -1 ).

Ввиду сложности строения древесины однозначная интерпретация спектров затруднена из-за перекрытия однотипных групп атомов, происходящих из разных компонентов древесины. По этой причине был проведен подробный анализ структурных изменений на выделенных основных компонентах лигноцеллюлозного материала, т.е. целлюлозе и лигнине.

Результаты анализа FTIR для целлюлозы представлены в Таблице 4. Для оценки изменений внутри водородной связи, а также в кристаллической и аморфной областях целлюлозы были проанализированы две основные спектральные области.Это была область растяжения гидроксила при 4000–2700 см -1 и область отпечатков пальцев при 1800–600 см -1 .

Таблица 4 Инфракрасные коэффициенты кристалличности (LOI и TCI) и интенсивность водородных связей исследуемой целлюлозы (HBI)

Соотношение высот полос при 1372 и 2900 см -1 , предложенное Нельсоном и О’Коннором (1964), так как общий индекс кристалличности TCI (Carrillo et al. 2004) пропорционален степени кристалличности целлюлозы (Poletto et al.2012а; Попеску и др. 2011). Этот показатель использовали для оценки кристалличности целлюлозы. Полученные результаты представлены в таблице 4. Наибольшее увеличение значений индекса ТКН для целлюлозы зафиксировано для образцов целлюлозы (вяз As 3) при добавлении As(V), а самые низкие значения индекса ТКН для целлюлозы (вяз As 8) были зарегистрированы для смесевых систем As(III)/As(V)/ДМАА.

Полоса при 1430 см -1 обозначает кристаллическую область в целлюлозе, а полоса при 898 см -1 относится к аморфной области в целлюлозе (Åkarholm et al.2004). Отношение поглощения между площадями этих полос используется в качестве индекса латерального порядка (LOI) (Carrillo et al. 2004; Oh et al. 2005). Этот индекс коррелирует с общей степенью упорядоченности целлюлозы (Carrillo et al. 2004).

Увеличение значений LOI наблюдалось для образцов целлюлозы (вяз As 3), подвергнутых воздействию как As(V), так и смесевых систем As(III)/ДМАА (вяз As 6) и As(III)/ As(V)/ДМАА (вяз As 8). Зафиксированное увеличение значений этого показателя является следствием большей подверженности деградации аморфных участков целлюлозы.

Интенсивность водородных связей (ИГС) в целлюлозе исследуемой мышьяковой системы колебалась от 1,156 до 1,567. Учитывая подвижность цепи и расстояние связи, интенсивность водородной связи (HBI) целлюлозы тесно связана с кристаллической системой и степенью межмолекулярной регулярности (Oh et al. 2005). Аналогичные наблюдения для LOI и HBI были описаны Waliszewska et al. (2018), которые обнаружили увеличение их значений в период вегетации молодых растений.

В FTIR-анализе область растяжения гидроксила оказалась наиболее информативной для объяснения паттернов водородных связей.Полосы, описанные ниже, обычно могут наблюдаться только в спектрах второй производной, которые увеличивают видимое разрешение и усиливают небольшие различия в спектре (таблица 5). Энергия водородных связей (E H ) и расстояния водородных связей (R) для всей системы приведены в таблице 5. Среднее значение E H для 3567 см -1 значительно уменьшилось только для образца целлюлозы ( вяз As 5) для смешанной системы As(III)/As(V). Однако для систем As(III)/ДМАА (вяз As 6) и As(III)/As(V)/ДМАА (вяз As 8) обнаружена большая энергетическая ценность связей, что может свидетельствовать о большем числе внутримолекулярных связей. водородные связи в целлюлозе.Эти высокие значения энергии для водородных связей связаны с более низкими расстояниями водородных связей (Waliszewska et al. 2018). Энергии водородных связей на 3423 см -1 одинаковы для всех образцов.

Таблица 5 Энергия водородных связей (E H ) и водородное расстояние (R) для исследуемой целлюлозы, полученной из растений, обработанных с использованием различных систем

Для более точной характеристики структурных изменений в целлюлозе, происходящих под влиянием различных форм анализировали степень полимеризации (СП), среднюю молекулярную массу и степень полидисперсности.Представляется целесообразным оценивать изменения степени полимеризации, так как наряду со степенью кристалличности это параметр, определяющий физико-химические свойства целлюлозы. Значительное снижение степени полимеризации с 1415 для контрольного образца (вяз 1) до 1086 наблюдалось для системы As III/As V (вяз As 5).

Анализ ГПХ (таблица 6) показывает, что средневесовая молекулярная масса (Mw) 229 233 для контрольной целлюлозы (вяз 1) значительно снижается до 175 853 для образцов системы As (III)/As(V) (вяз As 5).

Таблица 6 Молекулярные параметры целлюлозы, Mn – средняя молекулярная масса, Mw – среднемассовая масса, Mw/Mn – степень полидисперсности, DP – степень полимеризации масса (Мн). Степень полидисперсности (М w / М n ) показала заметную тенденцию к снижению для целлюлозы из деревьев, растущих в системе As(III)/As(V) (вяз As 5). Проведенные анализы дали неожиданный результат для образцов с добавкой ДМАА (вяз As 4, вяз As 6, вяз As 8).Явное отсутствие снижения DP может быть следствием присутствия в системе ДМАА.

Снижение степени полидисперсности с 6,5 до 5,3 для образца (вяз As 5), подвергнутого действию неорганических форм, т.е. As(III) и As(V), свидетельствует о том, что более длинные полимерные цепи более восприимчивы к различным типам деградации, чем более короткие цепи (Strobin et al. 2003). Доли высокомолекулярных целлюлоз для этих систем заметно снижаются. При этом зафиксировано увеличение содержания фракций с меньшей молекулярной массой, представленных в таблице 7.

Таблица 7 Процентное содержание фракций в образцах целлюлозы, М – молекулярная масса

Помимо целлюлозы эффект от добавления различных неорганических и органических форм мышьяка наблюдался и для лигнина. Это было подтверждено как количественным анализом (таблица 2), так и качественным анализом (рис. 2). Эти изменения связаны с тем, что неорганические (арсенит (III)-As(III) и арсенат (V)-As(V)) и органические (диметиларсиновая кислота-ДМАА(V)) формы мышьяка существенно влияют на профиль фенольных соединений. (т.е.г. феруловая, синапиновая, п-кумаровая, кофейная, транскоричная кислоты), вырабатываемые растениями (Drzewiecka et al. 2018). Эти соединения являются предшественниками лигнина (Kumar and Pruthi 2014), образующего механический барьер против различных тяжелых металлов. Наблюдаемые изменения этого полимера являются реакцией на окислительный стресс, вызванный внешними факторами (Elobeid et al. 2012).

Рис.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *