3.2. Полисахариды

Другим видом природных полимеров, имеющих широкое применение являются природные полимеры: полисахариды (целлюлоза, крахмал, камеди).

Целлюлоза (клетчатка) — природный полимер полисахарид, принадлежащий к классу углеводов. Это прочное волокнистое вещество, из которого состоит опорная ткань всех растительных клеток. Макромолекула целлюлозы (С₆Н₁₀О₅)_n построена из многократно повторяющихся структурных звеньев — остатков β-D-­глюкозы (остатком глюкозы называется то, что остается от ее молекулы после отсоединения молекулы воды). Абсолютно сухое хлопковое волокно — это чистая целлюлоза.

Рис 7. Микрокристаллическая целлюлоза. Рис 8. Хвойная целлюлоза.

Коэффициент полимеризации у целлюлозы разного происхождения различен. Так, у древесной целлюлозы он составляет около 3000, у хлопковой — около 12 000, у льняной — около 36 000. Более высокой степенью полимеризации объясняется большая прочность хлопкового, особенно льняного, волокна по сравнению с волокнами древесной

При гидролизе целлюлозы (реакция обменного разложения между различными веществами и водой) под воздействием воды при нагревании в присутствии катализатора — концентрированной соляной кислоты, можно получить моносахарид — глюкозу.

Производными целлюлозы являются щелочная целлюлоза, целлофан, карбоксиметилцеллюлоза, нитро­ и ацетилцеллюлоза.

Щелочная целлюлоза получается в результате обработки целлюлозы раствором едкого натра. При этом атомы водорода спиртовых гидроксилов частично или полностью заменяются атомами натрия. Щелочная целлюлоза, не теряя своего волокнистого строения, отличается повышенной химической активностью, что используется при получении простых эфиров целлюлозы, например карбоксиметилцеллюлозы.

Карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ) — это простой эфир целлюлозы и гликолевой кислоты. Целлюлоза не вступает в реакцию с гликолевой кислотой, поэтому промышленный способ изготовления карбоксиметилцеллюлозы основан на взаимодействии щелочной целлюлозы с монохлоруксусной кислотой. При этом в химической реакции участвует только по одному омыленному спиртовому гидроксилу каждого остатка глюкозы в молекуле щелочной целлюлозы.

НО­СН₂­СООН — гликолевая кислота.

Сl­СН₂­СООН — монохлоруксусная кислота.

[C₆H₇O₂(OH)₂ONa]_n — щелочная целлюлоза.

[C₆H₇O₂(OH)₂—О—СН₂—COONa]_n — карбоксиметилцеллюлоза натриевая соль.

Натриевая соль карбоксиметилцеллюлозы хорошо растворяется в воде, образуя при этом устойчивые вязкие, клейкие, прозрачные, бесцветные растворы, которыми можно склеивать бумагу. Поэтому карбоксиметилцеллюлозу применяют как клей вместо крахмала, а также для проклейки бумаги и для многих других целей. Этот реагент применяется в нефтегазовом деле в качестве эмульгатора при получении устойчивых эмульсий типа «вода в масле» и понизителя фильтрации буровых растворов.

Сложные эфиры образуются при взаимодействии целлюлозы с соответствующими кислотами. При взаимодействии с азотной кислотой получается нитроцеллюлоза, с уксусной — ацетилцеллюлоза.

Нитроцеллюлоза. Спирторастворимая мононитроцеллюлоза применяется для изготовления бесцветных, прозрачных, очень прочных спиртовых лаков. Динитроцеллюлоза, применяется для изготовления кинопленки, фотоподложки, лаков и красок. Спиртоэфирный раствор нитроцеллюлозы, называемый коллодием, применяется в медицине. Нитроцеллюлоза, смешанная с камфорой (пластификатором), известна как пластическая масса — целлулоид. Нитроцеллюлоза очень огнеопасна.

Тринитроцеллюлоза (полный эфир целлюлозы и азотной кислоты) или пироксилин применяется как взрывчатое вещество — бездымный порох.

Ацетилцеллюлоза —используется для получения негорючих прозрачных пленок и пластин, применяемых в полиграфии.

Рис 9. Горение нитроцеллюлозы.

Крахмал. Крахмал представляет собой природную смесь по­лисахаридов, образующихся в результате фотосинтеза и откладывающихся в корнях, клубнях и семенах растений. В некоторых видах семян и зерен содержа­ние крахмала превышает 70 %. Так же как и целлюлоза, крахмал является природным полимером — полисахаридом, принадлежащим к классу углеводов и соответствующим молекулярной формуле (С₆Н₁₀O₅)_n, но структурным звеном молекулярной цепи крахмала является остаток α­-глюкозы.

Крахмал в виде микроскопических зерен образуется в зеленых частях растений из углекислоты воздуха и влаги под влиянием света и уносится вместе с соками растения в клубни и зерна, где и откладывается как запасное питательное вещество. Крахмальные зерна разных растений имеют различную форму и величину. Крахмал не растворяется в холодной воде, спирте и эфире. В горячей воде зерна крахмала набухают, увеличиваясь в объеме в сотни раз, затем теряют форму и образуют вязкий и клейкий раствор. Температура растворения крахмала в воде называется температурой его клейстеризации. Для картофельного крахмала она равна 60 °C, для маисового (кукурузного) — 70 °C, для пшеничного и рисового.

С раствором йода крахмальный клейстер дает интенсивное синее окрашивание, исчезающее при кипячении и вновь появляющееся при охлаждении (качественная реакция на крахмал).

Минеральные кислоты и ферменты (диастаз, солод) гидролизуют крахмал до конечного продукта α­-глюкозы: крахмал —> мальтоза —> α­-глюкоза.

Рис 10. Кукурузный (маисовый) крахмал.

Крахмал применяется в пищевой промышленности, крое того широко используется в нефтегазовом деле как реагент для регулирования свойств буровых и тампонажных растворов.

Рис 11. Крахмал находит широкое применение в пищевой промышленности.