Целлюлоза

Целлюлоза представляет собой линейный полисахарид, состоящий из β-D-глюкопиранозных единиц, соединённых β-1,4-гликозидными связями. Молекулярная масса целлюлозы варьируется от десятков тысяч до миллионов единиц, что обусловливает её высокую механическую прочность и стабильность. Повторяющаяся структура глюкозных звеньев обеспечивает образование обширной водородной сети как внутри цепей, так и между ними, что приводит к кристалличности и низкой растворимости в воде и органических растворителях.

Кристаллическая и аморфная фазы. Целлюлоза состоит из чередующихся кристаллических и аморфных областей. Кристаллические участки обеспечивают механическую прочность и устойчивость к химическим реагентам, тогда как аморфные зоны более подвержены гидролизу и химическим модификациям. Кристаллическая структура целлюлозы подразделяется на несколько полиморфных форм: I, II, III и IV, каждая из которых отличается упаковкой цепей и величиной межмолекулярных расстояний.

Физико-химические свойства

• Растворимость: Не растворяется в воде и большинстве органических растворителей; растворение возможно в растворах щелочей, некоторых аминоксидов и органических соединениях с образованием включений.
• Водородные связи: Внутримолекулярные и межмолекулярные водородные связи обеспечивают высокую механическую прочность и жесткость волокон.
• Термостабильность: Начинает разлагаться при температурах выше 260–300 °C с образованием дегидратационных продуктов и летучих соединений углерода.

Химические реакции целлюлозы

Этерификация и сложные эфиры. Гидроксильные группы целлюлозы способны к реакциям с кислотами, ангидридами и кислотными хлоридами с образованием целлюлозных эфиров. Наиболее известны:

• Целлюлозные нитраты — образуются при обработке нитрующей смесью азотной и серной кислот; применяются в производстве динамита и лаков.
• Целлюлозные эфиры — например, метилцеллюлоза и гидроксиметилцеллюлоза, используемые в пищевой и фармацевтической промышленности как загустители и стабилизаторы.

Окисление. Целлюлоза окисляется различными окислителями, включая азотнокислые смеси и периодаты, с образованием карбонильных и карбоксильных групп. Окисленная целлюлоза применяется для производства целлюлозных пленок и модифицированных материалов.

Гидролиз. Под действием кислот или ферментов (целлюлаз) β-1,4-гликозидные связи расщепляются с образованием глюкозы или олигосахаридов. Процесс гидролиза имеет промышленное значение в производстве биоэтанола и других биотоплив.

Биологическая роль и источники

Целлюлоза является основным компонентом клеточных стенок растений, обеспечивая структурную поддержку и защиту от механических повреждений и патогенов. Природные источники включают древесину, хлопок, лен и многие травянистые растения. В биосфере целлюлоза — наиболее распространённый полисахарид, обеспечивающий переработку солнечной энергии через фотосинтез.

Применение целлюлозы

• Промышленность бумаги и картона: Высокая прочность волокон делает целлюлозу основой для бумаги, картона и упаковочных материалов.
• Химическая промышленность: Производство нитроцеллюлозы, целлюлозных эфиров, пленок и волокон.
• Фармацевтика и пищевая промышленность: Используется как загуститель, стабилизатор, пленкообразующее вещество.
• Биотехнологии: Гидролиз целлюлозы ферментами применяют в биоэтаноловом производстве и при синтезе глюкозосодержащих продуктов.

Модификация и функционализация

Современные исследования направлены на модификацию целлюлозы для улучшения растворимости, механических свойств и химической активности. Примеры включают:

• Нанокристаллическая целлюлоза (CNC) — высокопрочные наноструктуры, используемые в композитных материалах.
• Химическая функционализация гидроксильных групп — введение карбоксильных, сульфогрупп и других функциональных групп для получения суперсорбентов, гидрогелей и биополимеров с заданными свойствами.

Влияние структуры на свойства

Свойства целлюлозы тесно связаны с её молекулярной массой, степенью кристалличности и размером волокон. Более кристаллическая целлюлоза обладает высокой механической прочностью, но низкой реакционной способностью, тогда как аморфные зоны легче вступают в химические реакции. Различие в упаковке цепей (полиморфы I–IV) определяет выбор методов модификации и применения целлюлозы в промышленности.