Нахождение в природе целлюлоза – Целлюлоза

Содержание

Целлюлоза, ее физические свойства

Подробности
Категория: Органическая химия

Нахождение в природе. Физические свойства.

1. Целлюлоза, или клетчатка, входит в состав растений, образуя в них оболочки клеток.

2. Отсюда происходит и ее название (от лат. «целлула» – клетка).

3. Целлюлоза придает растениям необходимую прочность и эластичность и является как бы их скелетом.

4. Волокна хлопка содержат до 98 % целлюлозы.

5. Волокна льна и конопли также в основном состоят из целлюлозы; в древесине она составляет около 50 %.

6. Бумага, хлопчатобумажные ткани – это изделия из целлюлозы.

7. Особенно чистыми образцами целлюлозы являются вата, полученная из очищенного хлопка, и фильтровальная (непроклеенная) бумага.

8. Выделенная из природных материалов целлюлоза представляет собой твердое волокнистое вещество, не растворяющееся ни в воде, ни в обычных органических растворителях.

Строение целлюлозы:

1) целлюлоза, как и крахмал, является природным полимером;

2) эти вещества имеют даже одинаковые по составу структурные звенья – остатки молекул глюкозы, одну и ту же молекулярную формулу (С6H10O5)n;

3) значение n у целлюлозы обычно выше, чем у крахмала: средняя молекулярная масса ее достигает нескольких миллионов;

4) основное различие между крахмалом и целлюлозой – в структуре их молекул.

Нахождение целлюлозы в природе.

1. В природных волоконцах макромолекулы целлюлозы располагаются в одном направлении: они ориентированы вдоль оси волокна.

2. Возникающие при этом многочисленные водородные связи между гидроксильными группами макромолекул обусловливают высокую прочность этих волокон.

3. В процессе прядения хлопка, льна и т. д. эти элементарные волокна сплетаются в более длинные нити.

4. Это объясняется тем, что макромолекулы в ней хотя и имеют линейную структуру, но расположены более беспорядочно, не ориентированы в одном направлении.

Построение макромолекул крахмала и целлюлозы из разных циклических форм глюкозы существенно сказывается на их свойствах:

1) крахмал является важным продуктом питания человека, целлюлоза для этой цели использоваться не может;

2) причина состоит в том, что ферменты, способствующие гидролизу крахмала, не действуют на связи между остатками целлюлозы.

eksdan.ru

Целлюлоза | Химия. Четвёртый год изучения.

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

 1. Физические свойства

 Это вещество белого цвета, без вкуса и запаха, нерастворимое в воде, имеющее волокнистое строение. Растворяется в аммиачном растворе гидроксида меди (II) – реактиве Швейцера.

 2. Нахождение в природе

 Этот биополимер обладает большой механической прочностью и выполняет роль опорного материала растений, образуя стенку растительных клеток. В большом количестве целлюлоза содержится в тканях древесины (40-55%), в волокнах льна (60-85%) и хлопка (95-98%). Основная составная часть оболочки растительных клеток. Образуется в растениях в процессе фотосинтеза.

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.


3. Строение
 Состоит из остатков β — глюкозы 4. Получение
 Получают из древесины
 5. Применение

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

·        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.

·        Изготовление нитей, канатов, бумаги.

·        Получение глюкозы, этилового спирта (для получения каучука)


 6. Химические свойства

Гидролиз

(C6H10O5)n + nH2O t,h3SO4→ nC6H12O6
                                                                                                 глюкоза
Гидролиз протекает ступенчато:
(C6H10O5)n → (C6H10O5)m → xC12H22O11 →  n C6H12O6        (Примечание, m<n)
крахмал                         декстрины              мальтоза                     глюкоза


Реакции этерификации

Целлюлоза – многоатомный спирт, на элементную ячейку полимера приходятся три гидроксильных группы. В связи с этим, для целлюлозы характерны реакции этерификации (образование сложных эфиров). Наибольшее практическое значение имеют реакции с азотной кислотой и уксусным ангидридом. Целлюлоза не дает реакции «серебряного зеркала».

1. Нитрование:

                                        
(C6H7O2(OH)3)n + 3nHNO3H2SO4(конц.)→ (C6H7O2(ONO2)3)n + 3nH2O
                                                                                                          пироксилин

целлюлоза

+3n HNO3

h3SO4→
тринитрат целлюлозы

+ 3n H2О

Полностью этерифицированная клетчатка известна под названием пироксилин, который после соответствующей обработки превращается в 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.

2. Взаимодействие с уксусной кислотой:
                                                 
(C6H7O2(OH)3)n + 3nCH3COOH h3SO4(конц.)→ (C6H7O2(OCOCH3)3)n + 3nH2O

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




+ 3n



→
триацетилцеллюлоза







+ 3n СH3СOOН

ЦОР:

ТРЕНАЖЁРЫ:

iighjgh.blogspot.com

Целлюлоза — Википедия

Целлюло́за, клетчáтка (фр. cellulose от лат. cellula — «клетка») — органическое соединение, углевод, полисахарид с формулой (C6H10O5)n. Молекулы — неразветвлённые цепочки из остатков β-глюкозы, соединённых гликозидными связями β-(1→4). Белое твёрдое вещество, нерастворимое в воде. Главная составная часть клеточных оболочек всех высших растений.

История

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

Видео по теме

Строение

Целлюлоза представляет собой линейный гомополимер из сотен или десятков тысяч остатков D-глюкозы. Соединение фрагментов глюкозы обеспечивается β(1→4)-гликозидной связью. Такое соединение мономерных звеньев отличает целлюлозу от α(1→4)-гликозидных связей характерных для других гомополимеров глюкозы: крахмала и гликогена. В отличие от амилозы крахмала, молекулы которой сворачиваются в спираль, макромолекула целлюлозы склонна принимать вытянутую стержневую конформацию.

Физические свойства

Целлюлоза — белое твёрдое, стойкое вещество, не разрушается при нагревании (до 200 °C). Является горючим веществом, температура воспламенения — 275 °С, температура самовоспламенения — 420 °С (хлопковая целлюлоза). В 2016 году экспериментально показано плавление целлюлозы при 467 °C.[2]

Нерастворима в воде, слабых кислотах и большинстве органических растворителей. Однако, благодаря большому числу гидроксильных групп является гидрофильной (краевой угол смачивания составляет 20 — 30 градусов).

[3]

Целлюлоза не имеет вкуса и запаха. Зарегистрирована в качестве пищевой добавки E460.

Целлюлоза подвергается биодеградации при участии многих микроорганизмов.

Химические свойства

Целлюлоза состоит из остатков молекул глюкозы, которая и образуется при гидролизе целлюлозы:

(C6H10O5)n + nH2O nC6H12O6

Серная кислота с йодом, благодаря гидролизу, окрашивают целлюлозу в синий цвет.

При реакции с азотной кислотой образуется нитроцеллюлоза (тринитрат целлюлозы):

В процессе этерификации целлюлозы уксусной кислотой получается триацетат целлюлозы:

Целлюлозу крайне сложно растворить и подвергнуть дальнейшим химическим превращениям, однако в среде подходящего растворителя, например, в ионной жидкости, такой процесс можно осуществить эффективно.[4]

Получение

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:
  • 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.
    • Сульфатный. Наиболее распространённый метод на сегодняшний день. В качестве реагента используют раствор, содержащий гидроксид и сульфид натрия, и называемый белым щёлоком. Своё 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 XX века хлорная отбелка включала в себя две ступени:

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

С 1970-х годов в практику вошла также отбелка озоном. В начале 1980-х годов появились сведения об образовании в процессе хлорной отбелки чрезвычайно опасных веществ — диоксинов. Это привело к необходимости замены хлора на другие реагенты. В настоящее время технологии отбелки подразделяются на:

Применение

Используется в качестве наполнителя в таблетках в фармацевтике. Целлюлозу и её эфиры используют для получения искусственного волокна (вискозного, ацетатного, медно-аммиачного шёлка, искусственного меха). Хлопок, состоящий большей частью из целлюлозы (до 99,5 %), идёт на изготовление тканей.

Древесная целлюлоза используется для производства бумаги, пластмасс, кино- и фотоплёнок, лаков, бездымного пороха и т. д.[5]

Нахождение в природе

Целлюлоза является одним из основных компонентов клеточных стенок растений, хотя её содержание в различных клетках или даже частях стенки одной клетки сильно варьирует. Так, например, стенки клеток эндосперма злаков содержат всего около 2 % целлюлозы, в то же время хлопковые волокна, окружающие семена хлопчатника, состоят из целлюлозы более чем на 90 %. Клеточные стенки в области кончика удлинённых клеток, характеризующихся полярным ростом (пыльцевая трубка, корневой волосок), практически не содержат целлюлозы и состоят в основном из пектинов, в то время как базальные части этих клеток содержат значительные количества целлюлозы. Кроме того, содержание целлюлозы в клеточной стенке изменяется в ходе онтогенеза, обычно вторичные клеточные стенки содержат больше целлюлозы, чем первичные.

Организация и функция в клеточных стенках

Отдельные макромолекулы целлюлозы включают от 2 до 25 тысяч остатков D-глюкозы. Целлюлоза в клеточных стенках организована в микрофибриллы, представляющие собой паракристаллические ансамбли из нескольких отдельных макромолекул (у сосудистых растений около 36)[6], связанных между собой водородными связями и силами Ван-дер-Ваальса.

Макромолекулы, находящиеся в одной плоскости и связанные между собой водородными связями, формируют лист в пределах микрофибриллы. Между собой листы макромолекул также связаны большим числом водородных связей. Хотя водородные связи довольно слабые, благодаря их большому количеству микрофибриллы целлюлозы обладают высокой механической прочностью и устойчивостью к действию ферментов.

Индивидуальные макромолекулы в микрофибрилле начинаются и заканчиваются в разных местах, поэтому длина микрофибриллы превышает длину отдельных макромолекул целлюлозы. Следует отметить, что макромолекулы в микрофибрилле ориентированы одинаково, то есть редуцирующие концы (концы со свободной, аномерной OH-группой при атоме C1) расположены с одной стороны.

Современные модели организации микрофибрилл целлюлозы предполагают, что в центральной области она имеет высокоорганизованную структуру, а к периферии расположение макромолекул становится более хаотичным. Так, в центре микрофибриллы высших растений располагается ядро из 24 молекул. Ещё 12 молекул расположены по периферии фибриллы. Теоретически диаметр такой микрофибриллы составляет 3.8 нм, однако, данные рентгеноструктурного анализа показывают, что это значение несколько меньше — 3.3 нм, что соответствуют 24 молекулам.[6] По-другим оценкам размеры фибрилл значительно больше: 5 — 9 нм в поперечном сечении (более 50 отдельных макромолекул).[7]

Между собой микрофибриллы связаны сшивочными гликанами (гемицеллюлозы) и, в меньшей степени, пектинами. Целлюлозные микрофибриллы, связанные сшивочными гликанами, формируют трёхмерную сеть, погружённую в гелеобразный матрикс из пектинов и обеспечивающую высокую прочность клеточных стенок.

Во вторичных клеточных стенках микрофибриллы могут быть ассоциированы в пучки, которые называют макрофибриллами. Подобная организация дополнительно увеличивает прочность клеточной стенки.

Биосинтез

Образование макромолекул целлюлозы клеточных стенок высших растений катализирует мультисубъединичный мембранный целлюлозосинтазный комплекс, расположенный на конце удлиняющихся микрофибрилл. Полный комплекс целлюлозосинтазы состоит из каталитической, поровой и кристаллизационной субъединиц. Каталитическая субъединица целлюлозосинтазы кодируется мультигенным семейством CesA (cellulose synthase A), которое входит в суперсемейство Csl (cellulose synthase-like), включающее также гены CslA, CslF, CslH и CslC, ответственные за синтез других полисахаридов.

При изучении поверхности плазмалеммы растительных клеток методом замораживания-скалывания в основании целлюлозных микрофибрилл можно наблюдать так называемые розетки или терминальные комплексы размером около 30 нм и состоящие из 6 субъединиц. Каждая такая субъединица розетки является в свою очередь суперкомплексом, образованным из 6 целлюлозосинтаз. Таким образом, в результате работы подобной розетки формируется микрофибрилла, содержащая на поперечном срезе около 36 макромолекул целлюлозы. У некоторых водорослей суперкомплексы синтеза целлюлозы организованы линейно.

Интересно, что роль затравки для начала синтеза целлюлозы играет гликозилированный ситостерин. Непосредственным субстратом для синтеза целлюлозы является UDP-глюкоза. За образование UDP-глюкозы отвечает сахарозосинтаза, ассоциированная с целлюлозосинтазой и осуществляющая реакцию:

Сахароза + UDP ⇌{\displaystyle \rightleftharpoons } UDP-глюкоза + D-фруктоза

Кроме того, UDP-глюкоза, может образовываться из пула гексозофосфатов в результате работы УДФ-глюкозопирофосфорилазы:

Глюкозо-1-фосфат + UTP ⇌{\displaystyle \rightleftharpoons } UDP-глюкоза + PPi

Направление синтеза микрофибрилл целлюлозы обеспечивается за счёт движения целлюлозосинтазных комплексов по микротрубочкам, прилежащим со внутренней стороны к плазмалемме. У модельного растения резуховидка Таля обнаружен белок CSI1, отвечающий за закрепление и движение целлюлозосинтазных комплексов по кортикальным микротрубочкам.

Разрушение в природе

У млекопитающих (как и большинства других животных) нет ферментов, способных расщеплять целлюлозу. Однако многие травоядные животные (например, жвачные) имеют в пищеварительном тракте бактерии-симбионты, которые расщепляют и помогают хозяевам усваивать этот полисахарид. Расщепление целлюлозы связано с действием в расщепляющих организмах фермента целлюлазы. Бактерии, расщепляющие целлюлозу, называемые целлюлозоразрушающими (англ. cellulolytic bacteria), это часто актинобактерии рода Cellulomonas, являющиеся факультативными анаэробами[8][9], аэробные бактерии рода Cellvibrio[10]. Однако, например, для бумажных книг они представляют опасность только при их намокании, когда кожа и клей начинают разрушаться гнилостными бактериями, а бумага и ткани — целлюлозоразрушающими[11]. Очень опасны для бумажных книг плесневые грибы, разрушающие целлюлозу. За три месяца они могут разрушить 10—60 % волокон бумаги, благоприятные условия для их развития — влага и воздух повышенной влажности, наиболее благоприятная температура — от 22 до 27 градусов Цельсия, они могут распространяться от поражённых ими книг на другие[11]. Активно расщепляющие целлюлозу плесневые грибы — это, например, Chaetomium globosum, Stachybotrys echinata[12].

См. также

Примечания

  1. ↑ 1 2 3 http://www.cdc.gov/niosh/npg/npgd0110.html
  2. ↑ (2016) «Millisecond Pulsed Films Unify the Mechanisms of Cellulose Fragmentation». Chemistry of Materials 28 (1). DOI:10.1021/acs.chemmater.6b00580.
  3. ↑ Vacuum deposition onto webs, films, and foils / Bishop, Charles A.. — 2007. — P. 165. — ISBN 0-8155-1535-9.
  4. ↑ Ignatyev, Igor; Charlie Van Doorslaer, Pascal G.N. Mertens, Koen Binnemans, Dirk. E. de Vos (2011). «Synthesis of glucose esters from cellulose in ionic liquids». Holzforschung 66 (4): 417-425. DOI:10.1515/hf.2011.161.
  5. ↑ Глинка Н.Л. Общая химия. — 22 изд., испр. — Ленинград: Химия, 1977. — 719 с.
  6. ↑ 1 2 Biochemistry & molecular biology of plants. — Second edition. — Chichester, West Sussex. — xv, 1264 pages с. — ISBN 9780470714225.
  7. ↑ Nobel, Park S. Physicochemical and environmental plant physiology. — 4th ed. — Amsterdam: Academic Press, 2009. — 1 online resource (xxi, 582 pages) с. — ISBN 9780123741431.
  8. ↑ Melissa R. Christopherson, et al. (2013). «The Genome Sequences of Cellulomonas fimi and “Cellvibrio gilvus” Reveal the Cellulolytic Strategies of Two Facultative Anaerobes, Transfer of “Cellvibrio gilvus” to the Genus Cellulomonas, and Proposal of Cellulomonas gilvus sp. nov». DOI:10.1371/journal.pone.0053954.
  9. ↑ Muhammad Irfan, et al. (2012). «Isolation and screening of cellulolytic bacteria from soil and optimization of cellulase production and activity». Turkish Journal of Biochemistry 37 (3): 287-293. DOI:10.5505/tjb.2012.09709.
  10. ↑ Don J. Brenner, Noel R. Krieg, James R. Staley. Part B: The Gammaproteobacteria // Bergey’s Manual of Systematic Bacteriology. — Springer Science & Business Media, 2007. — Vol. 2. The Proteobacteria. — P. 402-403.
  11. ↑ 1 2 И. К. Белая. Гигиена и реставрация библиотечных фондов. — Рипол Классик, 2013. — С. 13-21.
  12. ↑ Brian Flannigan, Robert A. Samson, J. David Miller. Microorganisms in Home and Indoor Work Environments: Diversity, Health Impacts, Investigation and Control. — 2nd ed. — CRC Press, 2016. — P. 77.

Ссылки

wiki2.red

Целлюлоза — Википедия. Что такое Целлюлоза

Целлюло́за, клетчáтка (фр. cellulose от лат. cellula — «клетка») — органическое соединение, углевод, полисахарид с формулой (C6H10O5)n. Молекулы — неразветвлённые цепочки из остатков β-глюкозы, соединённых гликозидными связями β-(1→4). Белое твёрдое вещество, нерастворимое в воде. Главная составная часть клеточных оболочек всех высших растений.

История

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

Строение

Целлюлоза представляет собой линейный гомополимер из сотен или десятков тысяч остатков D-глюкозы. Соединение фрагментов глюкозы обеспечивается β(1→4)-гликозидной связью. Такое соединение мономерных звеньев отличает целлюлозу от α(1→4)-гликозидных связей характерных для других гомополимеров глюкозы: крахмала и гликогена. В отличие от амилозы крахмала, молекулы которой сворачиваются в спираль, макромолекула целлюлозы склонна принимать вытянутую стержневую конформацию.

Физические свойства

Целлюлоза — белое твёрдое, стойкое вещество, не разрушается при нагревании (до 200 °C). Является горючим веществом, температура воспламенения — 275 °С, температура самовоспламенения — 420 °С (хлопковая целлюлоза). В 2016 году экспериментально показано плавление целлюлозы при 467 °C.[2]

Нерастворима в воде, слабых кислотах и большинстве органических растворителей. Однако, благодаря большому числу гидроксильных групп является гидрофильной (краевой угол смачивания составляет 20 — 30 градусов).[3]

Целлюлоза не имеет вкуса и запаха. Зарегистрирована в качестве пищевой добавки E460.

Целлюлоза подвергается биодеградации при участии многих микроорганизмов.

Химические свойства

Целлюлоза состоит из остатков молекул глюкозы, которая и образуется при гидролизе целлюлозы:

(C6H10O5)n + nH2O nC6H12O6

Серная кислота с йодом, благодаря гидролизу, окрашивают целлюлозу в синий цвет.

При реакции с азотной кислотой образуется нитроцеллюлоза (тринитрат целлюлозы):

В процессе этерификации целлюлозы уксусной кислотой получается триацетат целлюлозы:

Целлюлозу крайне сложно растворить и подвергнуть дальнейшим химическим превращениям, однако в среде подходящего растворителя, например, в ионной жидкости, такой процесс можно осуществить эффективно.[4]

Получение

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:
  • 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.
    • Сульфатный. Наиболее распространённый метод на сегодняшний день. В качестве реагента используют раствор, содержащий гидроксид и сульфид натрия, и называемый белым щёлоком. Своё 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 XX века хлорная отбелка включала в себя две ступени:

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

С 1970-х годов в практику вошла также отбелка озоном. В начале 1980-х годов появились сведения об образовании в процессе хлорной отбелки чрезвычайно опасных веществ — диоксинов. Это привело к необходимости замены хлора на другие реагенты. В настоящее время технологии отбелки подразделяются на:

Применение

Используется в качестве наполнителя в таблетках в фармацевтике. Целлюлозу и её эфиры используют для получения искусственного волокна (вискозного, ацетатного, медно-аммиачного шёлка, искусственного меха). Хлопок, состоящий большей частью из целлюлозы (до 99,5 %), идёт на изготовление тканей.

Древесная целлюлоза используется для производства бумаги, пластмасс, кино- и фотоплёнок, лаков, бездымного пороха и т. д.[5]

Нахождение в природе

Целлюлоза является одним из основных компонентов клеточных стенок растений, хотя её содержание в различных клетках или даже частях стенки одной клетки сильно варьирует. Так, например, стенки клеток эндосперма злаков содержат всего около 2 % целлюлозы, в то же время хлопковые волокна, окружающие семена хлопчатника, состоят из целлюлозы более чем на 90 %. Клеточные стенки в области кончика удлинённых клеток, характеризующихся полярным ростом (пыльцевая трубка, корневой волосок), практически не содержат целлюлозы и состоят в основном из пектинов, в то время как базальные части этих клеток содержат значительные количества целлюлозы. Кроме того, содержание целлюлозы в клеточной стенке изменяется в ходе онтогенеза, обычно вторичные клеточные стенки содержат больше целлюлозы, чем первичные.

Организация и функция в клеточных стенках

Отдельные макромолекулы целлюлозы включают от 2 до 25 тысяч остатков D-глюкозы. Целлюлоза в клеточных стенках организована в микрофибриллы, представляющие собой паракристаллические ансамбли из нескольких отдельных макромолекул (у сосудистых растений около 36)[6], связанных между собой водородными связями и силами Ван-дер-Ваальса.

Макромолекулы, находящиеся в одной плоскости и связанные между собой водородными связями, формируют лист в пределах микрофибриллы. Между собой листы макромолекул также связаны большим числом водородных связей. Хотя водородные связи довольно слабые, благодаря их большому количеству микрофибриллы целлюлозы обладают высокой механической прочностью и устойчивостью к действию ферментов.

Индивидуальные макромолекулы в микрофибрилле начинаются и заканчиваются в разных местах, поэтому длина микрофибриллы превышает длину отдельных макромолекул целлюлозы. Следует отметить, что макромолекулы в микрофибрилле ориентированы одинаково, то есть редуцирующие концы (концы со свободной, аномерной OH-группой при атоме C1) расположены с одной стороны.

Современные модели организации микрофибрилл целлюлозы предполагают, что в центральной области она имеет высокоорганизованную структуру, а к периферии расположение макромолекул становится более хаотичным. Так, в центре микрофибриллы высших растений располагается ядро из 24 молекул. Ещё 12 молекул расположены по периферии фибриллы. Теоретически диаметр такой микрофибриллы составляет 3.8 нм, однако, данные рентгеноструктурного анализа показывают, что это значение несколько меньше — 3.3 нм, что соответствуют 24 молекулам.[6] По-другим оценкам размеры фибрилл значительно больше: 5 — 9 нм в поперечном сечении (более 50 отдельных макромолекул).[7]

Между собой микрофибриллы связаны сшивочными гликанами (гемицеллюлозы) и, в меньшей степени, пектинами. Целлюлозные микрофибриллы, связанные сшивочными гликанами, формируют трёхмерную сеть, погружённую в гелеобразный матрикс из пектинов и обеспечивающую высокую прочность клеточных стенок.

Во вторичных клеточных стенках микрофибриллы могут быть ассоциированы в пучки, которые называют макрофибриллами. Подобная организация дополнительно увеличивает прочность клеточной стенки.

Биосинтез

Образование макромолекул целлюлозы клеточных стенок высших растений катализирует мультисубъединичный мембранный целлюлозосинтазный комплекс, расположенный на конце удлиняющихся микрофибрилл. Полный комплекс целлюлозосинтазы состоит из каталитической, поровой и кристаллизационной субъединиц. Каталитическая субъединица целлюлозосинтазы кодируется мультигенным семейством CesA (cellulose synthase A), которое входит в суперсемейство Csl (cellulose synthase-like), включающее также гены CslA, CslF, CslH и CslC, ответственные за синтез других полисахаридов.

При изучении поверхности плазмалеммы растительных клеток методом замораживания-скалывания в основании целлюлозных микрофибрилл можно наблюдать так называемые розетки или терминальные комплексы размером около 30 нм и состоящие из 6 субъединиц. Каждая такая субъединица розетки является в свою очередь суперкомплексом, образованным из 6 целлюлозосинтаз. Таким образом, в результате работы подобной розетки формируется микрофибрилла, содержащая на поперечном срезе около 36 макромолекул целлюлозы. У некоторых водорослей суперкомплексы синтеза целлюлозы организованы линейно.

Интересно, что роль затравки для начала синтеза целлюлозы играет гликозилированный ситостерин. Непосредственным субстратом для синтеза целлюлозы является UDP-глюкоза. За образование UDP-глюкозы отвечает сахарозосинтаза, ассоциированная с целлюлозосинтазой и осуществляющая реакцию:

Сахароза + UDP ⇌{\displaystyle \rightleftharpoons } UDP-глюкоза + D-фруктоза

Кроме того, UDP-глюкоза, может образовываться из пула гексозофосфатов в результате работы УДФ-глюкозопирофосфорилазы:

Глюкозо-1-фосфат + UTP ⇌{\displaystyle \rightleftharpoons } UDP-глюкоза + PPi

Направление синтеза микрофибрилл целлюлозы обеспечивается за счёт движения целлюлозосинтазных комплексов по микротрубочкам, прилежащим со внутренней стороны к плазмалемме. У модельного растения резуховидка Таля обнаружен белок CSI1, отвечающий за закрепление и движение целлюлозосинтазных комплексов по кортикальным микротрубочкам.

Разрушение в природе

У млекопитающих (как и большинства других животных) нет ферментов, способных расщеплять целлюлозу. Однако многие травоядные животные (например, жвачные) имеют в пищеварительном тракте бактерии-симбионты, которые расщепляют и помогают хозяевам усваивать этот полисахарид. Расщепление целлюлозы связано с действием в расщепляющих организмах фермента целлюлазы. Бактерии, расщепляющие целлюлозу, называемые целлюлозоразрушающими (англ. cellulolytic bacteria), это часто актинобактерии рода Cellulomonas, являющиеся факультативными анаэробами[8][9], аэробные бактерии рода Cellvibrio[10]. Однако, например, для бумажных книг они представляют опасность только при их намокании, когда кожа и клей начинают разрушаться гнилостными бактериями, а бумага и ткани — целлюлозоразрушающими[11]. Очень опасны для бумажных книг плесневые грибы, разрушающие целлюлозу. За три месяца они могут разрушить 10—60 % волокон бумаги, благоприятные условия для их развития — влага и воздух повышенной влажности, наиболее благоприятная температура — от 22 до 27 градусов Цельсия, они могут распространяться от поражённых ими книг на другие[11]. Активно расщепляющие целлюлозу плесневые грибы — это, например, Chaetomium globosum, Stachybotrys echinata[12].

См. также

Примечания

  1. ↑ 1 2 3 http://www.cdc.gov/niosh/npg/npgd0110.html
  2. ↑ (2016) «Millisecond Pulsed Films Unify the Mechanisms of Cellulose Fragmentation». Chemistry of Materials 28 (1). DOI:10.1021/acs.chemmater.6b00580.
  3. ↑ Vacuum deposition onto webs, films, and foils / Bishop, Charles A.. — 2007. — P. 165. — ISBN 0-8155-1535-9.
  4. ↑ Ignatyev, Igor; Charlie Van Doorslaer, Pascal G.N. Mertens, Koen Binnemans, Dirk. E. de Vos (2011). «Synthesis of glucose esters from cellulose in ionic liquids». Holzforschung 66 (4): 417-425. DOI:10.1515/hf.2011.161.
  5. ↑ Глинка Н.Л. Общая химия. — 22 изд., испр. — Ленинград: Химия, 1977. — 719 с.
  6. ↑ 1 2 Biochemistry & molecular biology of plants. — Second edition. — Chichester, West Sussex. — xv, 1264 pages с. — ISBN 9780470714225.
  7. ↑ Nobel, Park S. Physicochemical and environmental plant physiology. — 4th ed. — Amsterdam: Academic Press, 2009. — 1 online resource (xxi, 582 pages) с. — ISBN 9780123741431.
  8. ↑ Melissa R. Christopherson, et al. (2013). «The Genome Sequences of Cellulomonas fimi and “Cellvibrio gilvus” Reveal the Cellulolytic Strategies of Two Facultative Anaerobes, Transfer of “Cellvibrio gilvus” to the Genus Cellulomonas, and Proposal of Cellulomonas gilvus sp. nov». DOI:10.1371/journal.pone.0053954.
  9. ↑ Muhammad Irfan, et al. (2012). «Isolation and screening of cellulolytic bacteria from soil and optimization of cellulase production and activity». Turkish Journal of Biochemistry 37 (3): 287-293. DOI:10.5505/tjb.2012.09709.
  10. ↑ Don J. Brenner, Noel R. Krieg, James R. Staley. Part B: The Gammaproteobacteria // Bergey’s Manual of Systematic Bacteriology. — Springer Science & Business Media, 2007. — Vol. 2. The Proteobacteria. — P. 402-403.
  11. ↑ 1 2 И. К. Белая. Гигиена и реставрация библиотечных фондов. — Рипол Классик, 2013. — С. 13-21.
  12. ↑ Brian Flannigan, Robert A. Samson, J. David Miller. Microorganisms in Home and Indoor Work Environments: Diversity, Health Impacts, Investigation and Control. — 2nd ed. — CRC Press, 2016. — P. 77.

Ссылки

wiki.sc

Крахмал и целлюлоза – представители природных полимеров. Нахождение в природе. Свойства, применение.


Крахмал и целлюлоза – представители природных полимеров. Нахождение в природе. Свойства, применение.
Урок с использованием технологии развития критического мышления • 11 класс
Системно-деятельностный подход позволяет выделить основные результаты обучения и воспитания в контексте ключевых задач и универсальных учебных действий, которыми должны владеть учащиеся.
Овладение учащимися универсальными учебными действиями создают возможность самостоятельного успешного усвоения новых знаний, умений и компетентностей, включая организацию усвоения, то есть умения учиться. Эта возможность обеспечивается тем, что универсальные учебные действия – это обобщенные действия, порождающие широкую ориентацию обучающихся в различных предметных областях познания и мотивацию к обучению.
Для того чтобы знания обучающихся были результатом их собственных поисков, необходимо организовать эти поиски, управлять, развивать их познавательную деятельность. Способствуя формированию критического мышления у учащихся, деятельностный подход позволяет реализовать дидактические принципы, которые сформировались в системе развивающего обучения. Используя основные принципы развивающего обучения, можно опираться в практике на базовую модель Агапова И.Г., выделяющего следующие стадии урока при обучении химии:
1. Вызов. Актуализация знаний.
2. Осмысление. Постановка учебной задачи. Открытия нового знания. Составление алгоритма. Первичное закрепление.
3. Рефлексия. Самостоятельная работа — самоконтроль. Собственно рефлексия.
Первая – стадия вызова; она заключается в актуализации и обобщении имеющихся знаний по изучаемой теме, возбуждении интереса к ней, мотивации учащихся к активной учебной деятельности.
На второй стадии – стадии осмысления – задачи другие: получение новой информации, ее осмысление и соотнесение с собственными знаниями.
Заключительная стадия – стадия размышления и рефлексии, подразумевающая целостное осмысление, присвоение и обобщение полученной информации, выработку собственного отношения к изучаемому материалу, выявление еще не познанного – вопросов и проблем для дальнейшей работы («новый вызов»), анализ всего процесса изучения материала.
Что дает учащимся эта технология? Во-первых, повышается ответственность за качество собственного образования. Во-вторых, развиваются навыки работы с текстами любого типа и с большими объемами информации. В-третьих, формируются творческие и аналитические способности, умение эффективно работать совместно с другими людьми.
Технология развития критического мышления наиболее эффективна при изучении материала, по которому может быть составлен интересный, познавательный текст. Возможны несколько форм (стратегий) применения этой технологии: «Чтение текста с пометками», «Заполнение таблицы ЗХУ (знаю, хочу узнать, узнал)», «Зигзаг», «Продвинутая лекци

weburok.com

Алена Титаренко — Шпаргалка по органической химии

2. В пищевой промышленности из него готовят глюкозу и патоку.

3. Для получения глюкозы крахмал нагревают с разбавленной серной кислотой в течение нескольких часов.

4. Когда процесс гидролиза закончится, кислоту нейтрализуют мелом, образующийся осадок сульфата кальция отфильтровывается и раствор упаривается.

5. Если процесс гидролиза не доводить до конца, то в результате получается густая сладкая масса – смесь декстринов и глюкозы – патока.

Особенности патоки: а) она применяется в кондитерском деле для приготовления некоторых сортов конфет, мармелада, пряников и т. п.; б) с патокой кондитерские изделия не кажутся приторно-сладкими, как приготовленные на чистом сахаре, и долго остаются мягкими.

6. Декстрины, получаемые из крахмала, используются в качестве клея. Крахмал применяется для крахмаления белья: под действием нагревания горячим утюгом он превращается в декстрины, которые склеивают волокна ткани и образуют плотную пленку, предохраняющую ткань от быстрого загрязнения.

7. Крахмал получается чаще всего из картофеля. Картофель моется, затем измельчается на механических терках, измельченная масса промывается на ситах водой.

8. Освободившиеся из клеток клубня мелкие зерна крахмала проходят с водой через сито и оседают на дне чана. Крахмал тщательно промывается, отделяется от воды и сушится.

68. Целлюлоза, ее физические свойства

Нахождение в природе. Физические свойства.

1. Целлюлоза, или клетчатка, входит в состав растений, образуя в них оболочки клеток.

2. Отсюда происходит и ее название (от лат. «целлула» – клетка).

3. Целлюлоза придает растениям необходимую прочность и эластичность и является как бы их скелетом.

4. Волокна хлопка содержат до 98 % целлюлозы.

5. Волокна льна и конопли также в основном состоят из целлюлозы; в древесине она составляет около 50 %.

6. Бумага, хлопчатобумажные ткани – это изделия из целлюлозы.

7. Особенно чистыми образцами целлюлозы являются вата, полученная из очищенного хлопка, и фильтровальная (непроклеенная) бумага.

8. Выделенная из природных материалов целлюлоза представляет собой твердое волокнистое вещество, не растворяющееся ни в воде, ни в обычных органических растворителях.

Строение целлюлозы:

1) целлюлоза, как и крахмал, является природным полимером;

2) эти вещества имеют даже одинаковые по составу структурные звенья – остатки молекул глюкозы, одну и ту же молекулярную формулу (С6h20O5)n;

3) значение n у целлюлозы обычно выше, чем у крахмала: средняя молекулярная масса ее достигает нескольких миллионов;

4) основное различие между крахмалом и целлюлозой – в структуре их молекул.

Нахождение целлюлозы в природе.

1. В природных волоконцах макромолекулы целлюлозы располагаются в одном направлении: они ориентированы вдоль оси волокна.

2. Возникающие при этом многочисленные водородные связи между гидроксильными группами макромолекул обусловливают высокую прочность этих волокон.

3. В процессе прядения хлопка, льна и т. д. эти элементарные волокна сплетаются в более длинные нити.

4. Это объясняется тем, что макромолекулы в ней хотя и имеют линейную структуру, но расположены более беспорядочно, не ориентированы в одном направлении.

Построение макромолекул крахмала и целлюлозы из разных циклических форм глюкозы существенно сказывается на их свойствах:

1) крахмал является важным продуктом питания человека, целлюлоза для этой цели использоваться не может;

2) причина состоит в том, что ферменты, способствующие гидролизу крахмала, не действуют на связи между остатками целлюлозы.

69. Химические свойства целлюлозы и ее применение

Химические свойства целлюлозы.

1. Из повседневной жизни известно, что целлюлоза хорошо горит.

2. При нагревании древесины без доступа воздуха происходит термическое разложение целлюлозы. При этом образуются летучие органические вещества, вода и древесный уголь.

3. В числе органических продуктов разложения древесины – метиловый спирт, уксусная кислота, ацетон.

4. Макромолекулы целлюлозы состоят из звеньев, аналогичных тем, которые образуют крахмал, она подвергается гидролизу, и продуктом ее гидролиза, как и у крахмала, будет глюкоза.

5. Если растереть в фарфоровой ступке кусочки фильтровальной бумаги (целлюлозы), смоченной концентрированной серной кислотой, и разбавить полученную кашицу водой, а также нейтрализовать кислоту щелочью и, как в случае с крахмалом, испытать раствор на реакцию с гидроксидом меди (II), то будет видно появление оксида меди (I). То есть в опыте произошел гидролиз целлюлозы. Процесс гидролиза, как и у крахмала, идет ступенчато, пока не образуется глюкоза.

6. Суммарно гидролиз целлюлозы может быть выражен тем же уравнением, что и гидролиз крахмала: (С6h20O5)n + nН2О = nС6h22O6.

7. Структурные звенья целлюлозы (С6h20O5)n содержат гидроксильные группы.

8. За счет этих групп целлюлоза может давать простые и сложные эфиры.

9. Большое значение имеют азотно-кислые эфиры целлюлозы.

Особенности азотно-кислых эфиров целлюлозы.

1. Они получаются при действии на целлюлозу азотной кислотой в присутствии серной кислоты.

2. В зависимости от концентрации азотной кислоты и от других условий в реакцию этерификации вступают одна, две или все три гидроксильные группы каждого звена молекулы целлюлозы, например: [C6H7O2(OH)3]n + 3nHNO3 → [C6H7O2(ONO2)3]n + 3n h3O.

Общее свойство нитратов целлюлозы – их чрезвычайная горючесть.

Тринитрат целлюлозы, называемый пироксилином, – сильновзрывчатое вещество. Он применяется для производства бездымного пороха.

Очень важными являются также уксусно-кислые эфиры целлюлозы – диацетат и триацетат целлюлозы. Диацетат и триацетат целлюлозы по внешнему виду сходны с целлюлозой.

Применение целлюлозы.

1. Благодаря своей механической прочности в составе древесины используется в строительстве.

2. Из нее изготавливают разного рода столярные изделия.

3. В виде волокнистых материалов (хлопка, льна) используется для изготовления нитей, тканей, канатов.

4. Выделенная из древесины (освобожденная от сопутствующих веществ) целлюлоза идет на изготовление бумаги.

70. Получение ацетатного волокна

Характерные особенности ацетатного волокна.

1. С давних времен человек широко использует природные волокнистые материалы для изготовления одежды и различных изделий домашнего обихода.

2. Одни из этих материалов имеют растительное происхождение и состоят из целлюлозы, например лен, хлопок, другие – животного происхождения, состоят из белков – шерсть, шелк.

3. По мере увеличения потребностей населения и развивающейся техники в тканях стал возникать недостаток волокнистых материалов. Возникла необходимость получать волокна искусственным путем.

Так как они характеризуются упорядоченным, ориентированным вдоль оси волокна расположением цепных макромолекул, то появилась идея превратить природный полимер неупорядоченной структуры путем той или иной обработки в материал с упорядоченным расположением молекул.

4. В качестве исходного природного полимера для получения искусственных волокон берется целлюлоза, выделенная из древесины, или хлопковый пух, остающийся на семенах хлопчатника после того, как с него снимут волокна.

5. Чтобы линейные молекулы полимера расположить вдоль оси образуемого волокна, необходимо их отделить друг от друга, сделать подвижными, способными к перемещению.

Этого можно достичь расплавлением полимера или его растворением.

Расплавить целлюлозу невозможно: при нагревании она разрушается.

6. Целлюлозу необходимо обработать уксусным ангидридом в присутствии серной кислоты (уксусный ангидрид – более сильное этерифицирующее средство, чем уксусная кислота).

7. Продукт этерификации – триацетат целлюлозы – растворяется в смеси дихлорметана СН2Сl2 и этилового спирта.

8. Образуется вязкий раствор, в котором молекулы полимера уже могут перемещаться и принимать тот или иной нужный порядок.

9. С целью получения волокон раствор полимера продавливается через фильеры – металлические колпачки с многочисленными отверстиями.

Тонкие струи раствора опускаются в вертикальную шахту высотой примерно 3 м, через которую проходит нагретый воздух.

10. Под действием теплоты растворитель испаряется, и триацетат целлюлозы образует тонкие длинные волоконца, которые скручиваются затем в нити и идут на дальнейшую переработку.

11. При прохождении через отверстия фильеры макромолекулы, как бревна при сплаве по узкой реке, начинают выстраиваться вдоль струи раствора.

12. В процессе дальнейшей обработки расположение макромолекул в них становится еще более упорядоченным.

profilib.org

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *