Целлюлоза (клетчатка)
Целлюлоза – наиболее распространенный растительный полисахарид. Она обладает большой механической прочностью и исполняет роль опорного материала растений. Древесина содержит 50–70 % целлюлозы, хлопок представляет собой почти чистую целлюлозу.
Целлюлоза (С6Н10О5)n – гексозан, по химическому строению представляет собой продукт поликонденсации регулярно чередующихся молекул α-D-глюкозы и β-D-глюкозы. Степень полимеризации n=103-104, строение цепи неразветвлённое. Как и у крахмала, структурной единицей целлюлозы является D-глюкопираноза, звенья которой связаны (1-4)-гликозидными связями. Однако от крахмала целлюлоза отличается конфигурацией гликозидных связей между циклами и строго линейным строением.
Целлюлоза состоит из нитевидных молекул, которые собраны в пучки водородными связями гидроксильных групп внутри цепи, а также между соседними цепями. Именно такая упаковка цепей обеспечивает высокую механическую прочность, волокнистость, нерастворимость в воде и химическую инертность, что делает целлюлозу идеальным материалом для построения клеточных стенок.
Гликозидная связь не разрушается пищеварительными ферментами человека, поэтому целлюлоза не может служить ему пищей, хотя в определенном количестве является необходимым для нормального питания балластным веществом. В желудках жвачных животных имеются ферменты, расщепляющие целлюлозу, поэтому они могут использовать клетчатку в качестве компонента пищи.
По физическим свойствам целлюлоза – белое вещество без вкуса и запаха, с волокнистым строением. Растворимость очень низкая. Несмотря на нерастворимость целлюлозы в воде, щелочах, минеральных кислотах и обычных органических растворителях, она растворима в реактиве Швейцера (раствор гидроксида меди в аммиаке) с образованием тёмно-синего раствора, а также в концентрированном растворе хлорида цинка и в концентрированной серной кислоте.
Химические свойства
1. Гидролиз целлюлозы протекает при каталитическом действии минеральных кислот, при нагревании и под давлением. Как и крахмал, целлюлоза при кислотном гидролизе дает глюкозу. При более мягких условиях можно провести реакцию ступенчато и выделить промежуточные продукты гидролиза:
(
С6Н10О5)n
(С6Н10О5)n1
C12H22O12
C6H12O6
клетчатка амилоза целлобиоза глюкоза
(клейкое вещество) (дисахарид)
2. Целлюлоза – многоатомный спирт, на элементарную ячейку полимера приходятся три гидроксильных группы. В связи с этим целлюлоза способна образовывать простые и сложные эфиры. Это свойство широко используется в промышленности при химической переработке целлюлозы.
Химическая переработка целлюлозы
Целлюлоза является важным видом химического сырья для получения различных органических мономерных и полимерных соединений.
Основными направлениями химической переработки целлюлозы являются гидролиз, получение волокон, плёнок и пластмасс на основе эфиров целлюлозы, получение простых и сложных эфиров.
Гидролиз – реакция, леащая в основе биохимических производств:
H2SO4
(
С6Н10О5)n
+ n
H2O
n
C6H12O6
древесина глюкоза
Полученные растворы глюкозы сбраживают для получения гидролизного этилового спирта либо используют для выращивания кормовых дрожжей.
Уксуснокислые эфиры (ацетаты) получают при взаимодействии целлюлозы с уксусным ангидридом в присутствии уксусной и серной кислот:
Триацетилцеллюлоза (или ацетилцеллюлоза) является ценным продуктом для изготовления негорючей киноплёнки и ацетатного шёлка. Для этого ацетилцеллюлозу растворяют в смеси дихлорметана и этанола, а затем этот раствор продавливают через фильеры в поток тёплого воздуха. Растворитель испаряется, и струйки раствора превращаются в тончайшие нити ацетатного шёлка. Для получения целлофана вискозный раствор продавливают через узкие щели.
Наибольшее практическое значение имеют реакции с азотной кислотой, при этом образуются азотнокислые эфиры целлюлозы:
Полностью этерифицированная клетчатка известна под названием пироксилина, который после соответствующей обработки превращается в бездымный порох. В зависимости от условий нитрования можно получить динитрат целлюлозы, который в технике называется коллоксилином. Он также используется при изготовлении пороха и твёрдого ракетного топлива. Кроме того, на основе коллоксилина изготавливают целлулоид.
Ксантогенат целлюлозы – неполный эфир дитиоугольной кислоты, который получают при взаимодействии щелочной целлюлозы с сероуглеродом. При действии щёлочи на целлюлозу происходит процесс мерсеризации: целлюлоза очень сильно разрыхляется, набухает и становится более восприимчивой к дальнейшим химическим реакциям. Кроме того, часть оксигрупп (примерно одна группа ОН на два остатка глюкозы) даёт реакцию замещения водорода на натрий:
[ С6H7O2(OH)3]n + NaOH [С6H7O2(OH)2(ONa)]n
Простые эфиры целлюлозы получают при взаимодействии диалкилсульфатов с щелочной целлюлозой в присутствие щёлочи, при этом происходит алкилирование не только алкоголятных, но и незамещённых спиртовых групп (таким образом вводятся радикалы метил, этил, бензил и др.):
+NaOH [С6H7O2(OCH3)3]n
+NaOSO2OCH3
-
С6H7O2(OH)2
- С6H7O2(OH)2ONa
--
[С6H7O2(OH)2(OCH3)]n
-CH3OSO2OCH3
- H2O [С6H7O2(OH)(OCH3)2]n
Алкилцеллюлозы применяются как клеящие, вяжущие, гелеобразующие и моющие средства. Они используются в производстве лаков, для изготовления антикоррозионных покрытий, пластмасс. Метилцеллюлоза используется как загуститель в текстильной промышленности, карбоксиметилцеллюлоза – при бурении нефтяных скважин, этилцеллюлоза и бензилцеллюлоза – в производстве пластмасс и плёнок. Пластмассы, изготовленные на основе эфиров целлюлозы, называются этролами. Они используются для изготовления рулевых колёс, подлокотников, деталей автомобилей и холодильников.
Значительное количество целлюлозы расходуется для изготовления различной бумаги. Бумага – это тонкий слой волокон клетчатки, проклеенный и спрессованный на специальной бумагоделательной машине.