Это практически тоже самое. Если сравнивать целлюлозу и крахмал, то крахмал лучше подвергается гидролизу. Гидролиз целлюлозы проводят в кислотной среде, при этом сначала образуется дисахарид целлобиоза, а затем глюкоза.
Целлюлозу широко применяют в промышленности, очитсив её, изготавливают всем нам знакомый целлофан (полиэтилен и целофан отличаются друг от друга на ощупь (целофан не кажется "жирным" и "шуршит" при деформации), а также искусственное волокно - вискозу (от лат. viscosus - «вязкий»).
Попадая в организм, дисахариды (например, сахароза, лактоза) и полисахариды (крахмал) под действием специальных ферментов гидролизуются с образованием глюкозы и фруктозы. Такое превращение можно легко произвести у себя во рту. Если долго жевать хлебный мякиш, то под действием фермента амилазы содержащийся в хлебе крахмал гидролизуется до глюкозы. При этом во рту возникает сладкий вкус.
Ниже представлена схема гидролиза целлюлозы
Получение бумаги
Чистая целлюлоза
Как Вы думаете,что входит в состав бумаги ?! На сомом деле – это материал, который представляет собой очень тонко переплётённые волокна целлюлозы . Некоторые из таких волокон объединены водородной связью (связь, образующаяся между группами - OH – гидроксильная группа). Способ получения бумаги во 2-м веке до нашей эры уже был известен в древнем Китае. На тот момент бумагу изготавливали из бамбука или хлопка. Позже – в 9 веке нашей эры этот секрет попал в Европу. Для получения бумаги уже в средние века использовались льняные или хлопковые ткани.
Но только в 18 веке нашли наиболее удобный способ получения бумаги – из дерева. А такую бумагу, которой мы сейчас пользуемся, начали изготавливать лишь в 19 веке.
Главным сырьём для получения бумаги является целлюлоза . Сухое дерево содержит приблизительно 40% такой целлюлозы. Остальная часть дерева – это различные полимеры, состоящие из сахаров различных видов, в том числе фруктозы, сложных веществ – фенолспиртов, различных дубильных веществ, солей магния, натрия и калия, эфирных масел.
Получение целлюлозы
Получение целлюлозы связано с механической переработкой древесины и затем проведение химических реакций с опилками. Хвойные деревья измельчают до мелких опилок. Эти опилки помещают в кипящий раствор, содержащий NaHSO 4 (гидросульфид натрия) и SO 2 (сернистый газ). Кипячение проводят при высоком давлении (0,5 МПа) и в течении длительного времени (около 12 часов). При этом в растворе происходит химическая реакция, в результате которой получается вещество гемицеллюлоза и вещество лигнин (лигнин - это вещество, представляющее собой смесь ароматических углеводородов или ароматическую часть дерева), а также основной продукт реакции – чистая целлюлоза , которая выпадает в виде осадка в ёмкости, где проводится химическая реакция. Кроме того, в свою очередь лигнин взаимодействует с сернистым газом в растворе, в результате чего получается этиловый спирт , ванилин, различные дубильные вещества, а также дрожжи пищевые.
Дальнейший процесс получения целлюлозы связан с измельчением осадка при помощи роллов, в результате чего получаются частицы целлюлозы около 1 мм. А когда такие частицы попадают в воду, то сразу набухают и образуют бумагу . На этом этапе бумага ещё не похожа на себя и выглядит, как взвесь волокон целлюлозы в воде.
На следующем этапе бумаге придают её основные свойства: плотность, цвет, прочность, пористость, гладкость, для чего в ёмкость с целлюлозой добавляют глину, оксид титана, оксид бария, мел, тальк и дополнительные вещества, связывающие волокна целлюлозы . Дальше волокна целлюлозы обрабатывают специальным клеем на основе смолы и канифоли. В его состав входят резинаты . Если добавить в этот клей алюмокалиевые квасцы, то происходит химическая реакция и образуется осадок резинатов алюминия. Это вещество способно обволакивать целлюлозные волокна, что придаёт им влагонепроницаемость и прочность. Получившаяся масса равномерно наносится на движущуюся сетку, где она отжимается и высыхает. Здесь уже формирование бумажное полотно . Для придания бумаге большей гладкости и блеска её пропускают сначала между металлическими, а затем между плотными бумажными валами (проводят каландрирование), после чего бумагу режут на листы специальными ножницами.
Как вы думаете, почему со временем желтеет бумага !?
Оказывается, молекулы целлюлозы, которые были выделены из дерева, состоят из большого числа структурных единиц типа С 6 Н 10 О 5 , которые под действием ионов атома водорода в течении определённого времени теряют между собой связи, что приводит к нарушению общей цепочки. При таком процессе бумага приобретает хрупкость и теряет свой первоначальный цвет. Ещё происходит, как говорят, подкисление бумаги . Для того, чтобы восстановить разрушающуюся бумагу, применяют гидрокарбонат кальция Са(НСО 3) 2), который позволяет временно снизить кислотность.
Есть и другой – более прогрессивный способ, связанный с применением вещества диэтилцинка Zn(C 2 H 5) 2 . Но это вещество может самовоспламеняться на воздуха и даже в близости от воды!
Применение целлюлозы
Кроме того, что целлюлозу используют для производства бумаги, ещё пользуются очень полезным её свойством этерификации c различными неорганическими и органическими кислотами. В процессе таких реакций образуются сложные эфиры, которые и нашли применение в промышленности. При самой химической реакции связи, которыми связаны фрагменты молекулы целлюлоза, не разрываются, а получается новое химическое соединение с эфирной группой -COOR-. Одним из важных продуктов реакции является ацетат целлюлозы , который образуется при взаимодействии уксусной кислоты (или её производных, например уксусного альдегида) и целлюлозы. Это химическое соединение широко используется для изготовления синтетических волокон, например, ацетатного волокна.
Ещё один полезный продукт - тринитрат целлюлозы . Он образуется при нитровании целлюлозы смесью кислот: концентрированной серной и азотной. Тринитрат целлюлозы широко используется при изготовлении бездымного пороха (пироксилина). Существует ещё динитрат целлюлозы , который применяется для изготовления некоторых видов пластмасс и
Строение.
Молекулярная формула целлюлозы (-C 6 H 10 O 5 -) n , как и у крахмала. Целлюлоза тоже является природным полимером. Ее макромалекула состоит из многих остатков молекул глюкозы. Может воэникнуть вопрос: почему крахмал и целлюлоза – вещества с одинаковой молекулярной формулой – обладают различными свойствами?
При рассмотрении синтетических полимеров мы уже выяснили, что их свойства зависят от числа элементарных звеньев и их структуры. Это же положение относится и к природным полимерам. Оказывается, степень полимеризации у целлюлозы намного больше, чем у крахмала. Кроме того, сравнивая структуры этих природных полимеров, установили, что макромолекулы целлюлозы, в отличие от крахмала, состоят из остатков молекулы b-глюкозы и имеют только линейное строение. Макромолекулы целлюлозы располагаются в одном направлении и образуют волокна (лен, хлопок, конопля).
В каждом остатке молекулы глюкозы содержатся три гидроксильные группы.
Физические свойства .
Целлюлоза – волокнистое вещество. Она не плавится и не переходит в парообразное состояние: при нагревании примерно до 350 о С целлюлоза разлагается – обугливается. Целлюлоза нерастворима ни в воде, ни в большинстве других неорганических и органических растворителях.
Неспособность целлюлозы растворяться в воде – неожиданное свойство для вещества, содержащего по три гидроксильные группы на каждые шесть атомов углерода. Хорошо известно, что полигидроксильные соединения легко растворяются в воде. Нерастворимость целлюлозы объясняется тем, что ее волокна представляют собой как бы «пучки» расположенных параллельно нитевидных молекул, связанных множеством водородных связей, которые образуются в результате взаимодействия гидроксильных групп. Внутрь подобного «пучка» растворитель проникнуть не может, а следовательно, не происходит и отрыва молекул друг от друга.
Растворителем целлюлозы является реактив Швейцера – раствор гидроксида меди (II) с аммиаком, с которым она одновременно и взаимодействует. Концентрированные кислоты (серная, фосфорная) и концентрированный раствор хлорида цинка также растворяют целлюлозу, но при этом происходит ее частичный распад (гидролиз), сопровождающийся уменьшением молекулярной массы.
Химические свойства .
Химические свойства целлюлозы определяются прежде всего присутствием гидроксильных групп. Действуя металлическим натрием, можно получить алкоголят целлюлозы n. Под действием концентрированных водных растворов щелочей происходит так называемая мерсиризация – частичное образование алкоголятов целлюлозы, приводящая к набуханию волокна и повышению его восприимчивости к красителям. В результате окисления в макромолекуле целлюлозы появляется некоторое число карбонильных и карбоксильных групп. Под влиянием сильных окислителей происходит распад макромолекулы. Гидроксильные группы целлюлозы способны алкилироваться и ацилироваться, давая простые и сложные эфиры.
Одно из наиболее характерных свойств целлюлозы – способность в присутствии кислот подвергаться гидролизу с образованием глюкозы. Аналогично крахмалу гидролиз целлюлозы протекает ступенчато. Суммарно этот процесс можно изобразить так:
(C 6 H 10 O 5) n + nH 2 O H2SO4_ nC 6 H 12 O 6
Так как в молекулах целлюлозы имеются гидроксильные группы, то для нее характерны реакции этерификации. Из них практическое значение имеют реакции целлюлозы с азотной кислотой и ангидридом уксусной кислоты.
При взаимодействии целлюлозы с азотной кислотой в присутствии концентрированной серной кислоты, в зависимости от условий образуются динитроцеллюлоза и тринитроцеллюлоза, являющиеся сложными эфирами:
При взаимодействии целлюлозы с уксусным ангидридом (в присутствии уксусной и серной кислот) получается триацетилцеллюлоза или диацетилцеллюлоза:
Целлюлоза горит. При этом образуются оксид углерода (IV) и вода.
При нагревании древесины без доступа воздуха происходит разложение целлюлозы и других веществ. При этом получаются древесный уголь, метан, метиловый спирт, уксусная кислота, ацетон и другие продукты.
Получение.
Образцом почти чистой целлюлозой является вата, полученная из очищенного хлопка. Основную массу целлюлозы выделяют из древесины, в которой она содержится вместе с другими веществами. Наиболее распространенным методом получения целлюлозы в нашей стране является так называемый сульфитный. По этому методу измельченную древесину в присутствии раствора гидросульфита кальция Ca(HSO 3) 2 или гидросульфита натрия NaHSO 3 нагревают в автоклавах при давлении 0,5–0,6 МПа и температуре 150 о С. При этом все другие вещества разрушаются, а целлюлоза выделяется в сравнительно чистом виде. Ее промывают водой, сушат и направляют на дальнейшую переработку, большей частью на производство бумаги.
Применение.
Целлюлоза используется человеком с очень древних времен. Сначала применяли древесину как горючий и строительный материал; затем хлопковые, льняные и другие волокна стали использовать как текстильное сырье. Первые промышленные способы химической переработки древесины возникли в связи с развитием бумажной промышленности.
Бумага – это тонкий слой волокон клетчатки, спрессованных и проклеенных для создания механической прочности, гладкой поверхности, для предотвращения растекания чернил. Первоначально для изготовления бумаги употребляли растительное сырье, из которого чисто механически можно было получить необходимые волокна, стебли риса (так называемая рисовая бумага), хлопка, использовали также изношенные ткани. Однако по мере развития книгопечатания перечисленных источников сырья стало не хватать для удовлетворения растущей потребности бумаги. Особенно много бумаги расходуется для печатания газет, причем вопрос о качестве (белизне, прочности, долговечности) для газетной бумаги значения не имеет. Зная, что древесина примерно на 50% состоит из клетчатки, к бумажной массе стали добавлять размолотую древесину. Такая бумага непрочна и быстро желтеет (особенно на свету).
Для улучшения качества древесных добавок к бумажной массе были предложены различные способы химической обработки древесины, позволяющие получить из нее более или менее чистую целлюлозу, освобожденную от сопутствующих веществ – лигнина, смол и других. Для выделения целлюлозы было предложено несколько способов, из которых мы рассмотрим сульфитный.
По сульфитному способу измельченную древесину ”варят “ под давлением с гидросульфитом кальция. При этом сопутствующие вещества растворяются, и освобожденную от примесей целлюлозу отделяют фильтрованием. Образующиеся сульфитные щелока являются в бумажном производстве отходами. Однако вследствие того, что они содержат наряду с другими веществами способные к брожению моносахариды, их используют как сырье для получения этилового спирта (так называемый гидролизный спирт).
Целлюлоза применяется не только как сырье в бумажном производстве, но идет еще и на дальнейшую химическую переработку. Наибольшее значение имеют простые и сложные эфиры целлюлозы. Так, при действии на целлюлозу смесью азотных и серных кислот получают нитраты целлюлозы. Все они горючи и взрывчаты. Максимальное число остатков азотной кислоты, которые можно ввести в целлюлозу, равно трем на каждое звено глюкозы:
N HNO3_ n
Продукт полной этерификации - тринитрат целлюлозы (тринитроцеллюлоза) - должен содержать в соответствии с формулой 14,1% азота. На практике получают продукт с несколько меньшим содержанием азота (12,5/13,5%), известный в технике под названием пирокселин. При обработке эфиром пироксилин желатинизируется; после испарения растворителя остаётся компактная масса. Мелконарезанные кусочки этой массы – бездымный порох.
Продукты нитрования, содержащие около 10% азота, отвечает по составу динитрату целлюлозы: в технике такой продукт известен под названием коллоксилин. При действии на него смеси спирта и эфира образуется вязкий раствор, так называемый коллодий, применяемый в медицине. Если к такому раствору добавить камфору (0.4 ч. камфоры на 1 ч. коллоксилина) и испарить растворитель, то останется прозрачная гибкая плёнка – целлулоид. Исторически – это первый известный тип пластмассы. Ещё с прошлого века целлулоид получил широкое применение как удобный термопластичный материал для производства многих изделий (игрушки, галантерея и т. д.). В особенности важно использование целлулоида в производстве киноплёнки и нитролаков. Серьёзным недостатком этого материала является его горючесть, поэтому в настоящее время целлулоид всё чаще заменяют другими материалами, в частности ацетатами целлюлозы.
Целлюлоза - что это такое? Данный вопрос волнует всех, кто связан с органической химией. Попробуем выяснить основные характеристики данного соединения, выявить его отличительные особенности, сферы практического применения.
Особенности строения
Химическая целлюлоза имеет формулу (С 6 Н 10 О 5)п. Она является полисахаридом, который включает в себя остатки β-глюкозы. Для целлюлозы характерно линейное строение. Каждый остаток ее молекулы включает в себя три группы ОН, поэтому для данного соединения характерны свойства многоатомных спиртов. Присутствие в молекуле кольцевой альдегидной группы придает целлюлозе восстановительные (редуцирующие) свойства. Именно это органическое соединение является важнейшим природным полимером, основным компонентом растительной ткани.
В большом количестве она содержится во льне, хлопке, иных волокнистых растениях, являющихся основным источником получения целлюлозного волокна.
Техническую целлюлозу выделяют из древесных растений.
Химия древесины
Производство целлюлозы рассматривается в этом отдельном разделе химии. Именно здесь предполагается рассмотрение особенностей состава дерева, его химических и физических свойств, способов анализа и выделения веществ, химической сущности процессов переработки дерева и его отдельных составных частей.
Древесная целлюлоза является полидисперсной, содержащей макромолекулы различной длины. Для выявления степени полидисперсности применяют метод фракционирования. Образец подразделяют на отдельные фракции, затем изучают их характеристики.
Химические свойства
Рассуждая над тем, целлюлоза что такое, необходимо провести детальный анализ химических свойств данного органического соединения.
Техническую целлюлозу можно применять в производстве картона и бумаги, так как он без особых проблем подвергается химической переработке.
Любая технологическая цепочка, касающаяся переработки природной целлюлозы, направлена на сохранение в ней ценных свойств. Современная переработка целлюлозы дает возможность осуществлять процесс растворения этого вещества, изготавливать из целлюлозы абсолютно новые химические вещества.
Какими свойствами обладает целлюлоза? Что такое процесс деструкции? Эти вопросы включены в школьный курс органической химии.
Среди характерных химических свойств целлюлозы можно отметить:
- деструкцию;
- сшивание;
- реакции с участием функциональных групп.
При деструкции наблюдается разрыв в цепи макромолекулы гликозидных связей, сопровождающийся понижением степени полимеризации. В некоторых случаях возможен и полный разрыв молекулы.
Варианты деструкции целлюлозы
Выясним, какие основные виды деструкции имеет целлюлоза, что такое разрыв макромолекул.
В настоящее время в химическом производстве выделяют несколько видов деструкции.
При механическом варианте наблюдается разрыв связей С-С в циклах, а также разрушение гликозидных связей. Подобный процесс происходит при механическом измельчении вещества, к примеру, во время ее размола для изготовления бумаги.
Термическая деструкция происходит под воздействием тепловой энергии. Именно на этом процессе базируется технологический пиролиз древесины.
Фотохимическая деструкция предполагает разрушение макромолекул под воздействием ультрафиолетового облучения.
Для радиационного типа разрушения природного полимера, предполагается присутствие рентгеновского излучения. Такой вид деструкции используют в специальных приборах.
При воздействии кислорода воздуха возможно окислительное разрушение целлюлозы. Процесс характеризуется одновременным окислением спиртовых и альдегидных групп, присутствующих в данном соединении.
Под действием на целлюлозы воды, а также водных растворов кислот и щелочей происходит процесс гидролиза целлюлозы. Реакцию целенаправленно осуществляют в тех случаях, когда необходимо провести качественный анализ структуры вещества, а вот при варке данного вещества он не желателен.
Микроорганизмы, например, грибы, могут проводить биологическое разрушение целлюлозы. Для получения качественного продукта важно предупреждать ее биологическое разрушение при получении бумаги, хлопчатобумажных тканей.
В связи с присутствием в молекулах двух функциональных групп целлюлоза проявляет свойства, характерные для многоатомных спиртов и альдегидов.
Реакции сшивания
Подобные процессы подразумевают возможность получения макромолекул с заданными физическими и химическими свойствами.
Они широко применяются в промышленном производстве целлюлозы, придают ей новые эксплуатационные характеристики.
Получение щелочной целлюлозы
Что собой представляет такая целлюлоза? Отзывы свидетельствуют о том, что именно эта технология считается самой старой и распространенной в мире. В наше время подобным способом облагораживают полимер, получаемый при изготовлении вискозного волокна и пленок, создания простых эфиров целлюлозы.
Лабораторными исследованиями было установлено, что после подобной обработки повышается блеск ткани, увеличивается ее механическая прочность. Щелочная целлюлоза - отличное сырье для изготовления волокон.
Существует три разновидности таких продуктов: физико-химические, структурные, химические. Все они востребованы в современном химическом производстве, применяются при изготовлении бумаги, картона. Мы выяснили, какое строение имеет целлюлоза, что такое процесс ее производства.
Прежде всего, необходимо пояснить, что же именно представляет собой целлюлоза и каковы в общих чертах ее свойства.
Целлюлоза (от лат. cellula - букв, комнатка, здесь — клетка) - клетчатка, вещество клеточных стенок растений, представляет собой полимер класса углеводов - полисахарид, молекулы которого построены из остатков молекул моносахарида глюкозы (см. схему 1).
СХЕМА 1 Строение молекулы целлюлозы
Каждый остаток молекулы глюкозы - или, для краткости, глгокозный остаток - повернут относительно соседнего на 180° и связан с ним кислородным мостиком -О-, или, как принято говорить в данном случае, глюкозидной связью через атом кислорода. Вся молекула целлюлозы представляет, таким образом, как бы гигантскую цепочку. Отдельные звенья этой цепочки имеют форму шестиугольников, или - в терминах химии -6-членных циклов. В молекуле глюкозы (и ее остатке) этот 6-членный цикл построен из пяти атомов углерода С и одного атома кислорода О. Такие циклы называются пирановыми. Из шести атомов 6-членного пиранового цикла на изображенной выше схеме 1, в вершине одного из углов показан только атом кислорода О - гетероатом (от греч. етeроs; - другой, отличающийся от остальных). В вершинах остальных пяти углов располагается по атому углерода С (эти «обычные» для органики атомы углерода, в отличие от гетероатома, в формулах циклических соединений изображать не принято).
Каждый 6-членный цикл имеет форму не плоского шестиугольника, а изогнутого в пространстве, наподобие кресла (см. схему 2), - отсюда и название этой формы, или пространственной конформации, наиболее устойчивой для молекулы целлюлозы.
СХЕМА 2 Форма кресла
На схемах 1 и 2 стороны шестиугольников, расположенные к нам ближе, выделены жирной чертой. На схеме 1 видно также, что каждый глюкозный остаток содержит 3 гидроксильные группы -ОН (их называют гидроксигруппами или просто гидроксилами). Для наглядности эти группы -ОН заключены в пунктирную рамку.
Гидроксильные группы способны образовывать прочные межмолекулярные водородные связи с атомом водорода Н в качестве мостика, поэтому энергия связей между молекулами целлюлозы высока и целлюлоза как материал обладает значительной прочностью и жесткостью. Кроме того, группы -ОН способствуют поглощению водяных паров и придают целлюлозе свойства многоатомных спиртов (так называют спирты, содержащие несколько групп -ОН). При набухании целлюлозы водородные связи между ее молекулами разрушаются, цепочки молекул раздвигаются молекулами воды (или молекулами поглощенного реагента), и образуются новые связи - между молекулами целлюлозы и воды (или реагента).
В обычных условиях целлюлоза - твердое вещество плотностью 1,54-1,56 г/см3 , нерастворимое в обычных растворителях - воде, спирте, диэтиловом эфире, бензоле, хлороформе и др. В натуральных волокнах целлюлоза имеет аморфно-кристаллическое строение со степенью кристалличности около 70%.
В химических реакциях с целлюлозой участвуют обычно три группы -ОН. Остальные элементы, из которых построена молекула целлюлозы, вступают в реакцию при более сильных воздействиях - при повышенной температуре, при действии концентрированных кислот, щелочей, окислителей.
Так, например, при нагревании до температуры 130°С свойства целлюлозы изменяются лишь незначительно. Но при 150-160°С начинается процесс медленного разрушения - деструкции целлюлозы, а при температуре выше 160°С этот процесс происходит уже быстро и сопровождается разрывом глюкозидных связей (по атому кислорода), более глубоким разложением молекул и обугливанием целлюлозы.
По-разному действуют на целлюлозу кислоты. При обработке хлопковой целлюлозы смесью концентрированных азотной и серной кислот в реакцию вступают гидроксильные группы -ОН, и в результате получаются азотнокислые эфиры целлюлозы - так называемая нитроцеллюлоза, которая, в зависимости от содержания нитрогрупп в молекуле, обладает различными свойствами. Наиболее известны из нитроцеллюлоз пироксилин, применяемый для производства пороха, и целлулоид - пластмассы на основе нитроцеллюлозы с некоторыми добавками.
Другой тип химического взаимодействия имеет место при обработке целлюлозы соляной или серной кислотой. Под действием этих минеральных кислот происходит постепенная деструкция молекул целлюлозы с разрывом глюкозидных связей, сопровождающаяся гидролизом, т.е. обменной реакцией с участием молекул воды (см. схему 3).
СХЕМА 3 Гидролиз целлюлозы
На этой схеме изображены те же три звена полимерной цепочки целлюлозы, т.е. те же три остатка молекул целлюлозы, что и на схеме 1, только 6-членные пирановые циклы представлены не в форме "кресел", а в форме плоских шестиугольников. Такое условное обозначение циклических структур также общепринято в химии.
Полный гидролиз, проводимый при кипячении с минеральными кислотами, приводит к получению глюкозы. Продуктом частичного гидролиза целлюлозы является так называемая гидроцеллюлоза, она обладает меньшей механической прочностью по сравнению с обычной целлюлозой, так как показатели механической прочности падают с уменьшением длины цепочки полимерной молекулы.
Совершенно другой эффект наблюдается в том случае, если целлюлозу обработать непродолжительное время концентрированной серной или соляной кислотой. Происходит пергаментация: поверхность бумаги или хлопчатобумажной ткани набухает, и этот поверхностный слой, представляющий собой частично разрушенную и подвергнувшуюся гидролизу целлюлозу, придает бумаге или ткани после высушивания особый лоск и повышенную прочность. Это явление впервые было замечено в 1846 г. французскими исследователями Ж.Пумару и Л.Фипойе.
Слабые (0,5%-ные) растворы минеральных и органических кислот при температуре примерно до 70°С, если после их нанесения следует промывка, не оказывают разрушающего действия на целлюлозу.
К щелочам (разбавленным растворам) целлюлоза устойчива. Растворы едкого натра в концентрации 2-3,5% применяют при щелочной варке тряпья, идущего на изготовление бумаги. При этом из целлюлозы удаляются не только загрязнения, но и продукты деструкции полимерных молекул целлюлозы, имеющие более короткие цепи. В отличие от целлюлозы, эти продукты деструкции растворимы в щелочных растворах.
Своеобразно действуют на целлюлозу концентрированные растворы щелочей на холоде - при комнатной и более низких температурах. Этот процесс, открытый в 1844 г. английским исследователем Дж. Мерсером и получивший название мерсеризации, широко применяется для облагораживания хлопчатобумажных тканей. Волокна обрабатывают в натянутом состоянии при температуре 20°С 17,5%-ным раствором едкого натра. Молекулы целлюлозы присоединяют щелочь, образуется так называемая щелочная целлюлоза, и этот процесс сопровождается сильным набуханием целлюлозы. После промывки щелочь удаляется, а волокна приобретают мягкость, шелковистый блеск, становятся более прочными и восприимчивыми к красителям и влаге.
При высоких температурах в присутствии кислорода воздуха концентрированные растворы щелочей вызывают деструкцию целлюлозы с разрывом глюкозидных связей.
Окислители, применяемые для отбелки целлюлозных волокон в текстильном производстве, а также для получения бумаг с высокой степенью белизны, действуют на целлюлозу разрушающе, окисляя гидроксильные группы и разрывая глюкозидные связи. Поэтому в производственных условиях все параметры процесса отбеливания строго контролируются.
Когда мы говорили о строении молекулы целлюлозы, мы имели в виду ее идеальную модель, состоящую только из многочисленных остатков молекулы глюкозы. Мы не уточняли, сколько этих глюкозных остатков содержится в цепочке молекулы (или, как принято называть гигантские молекулы, - в макромолекуле) целлюлозы. Но в действительности, т.е. в любом природном растительном сырье, существуют большие или меньшие отклонения от описанной идеальной модели. Макромолекула целлюлозы может содержать некоторое количество остатков молекул других моносахаридов - гексоз (т.е. содержащих 6 атомов углерода, как и глюкоза, которая также относится к гексозам) и пентоз (моносахаридов с 5-ю атомами углерода в молекуле). Макромолекула природной целлюлозы может содержать также и остатки уроновых кислот - так называют карбоновые кислоты класса моносахаридов, остаток глюкуроновой кислоты, например, отличается от остатка глюкозы тем, что содержит вместо группы -СН 2 ОН карбоксильную группу -СООН, характерную для карбоновых кислот.
Количество глюкозных остатков, содержащихся в макромолекуле целлюлозы, или так называемая степень полимеризации, обозначаемая индексом n, также различна для разных видов целлюлозного сырья и колеблется в широких пределах. Так, в хлопке n составляет в среднем 5 000 - 12 000, а в льне, пеньке и рами 20 000 - 30 000. Таким образом, молекулярная масса целлюлозы может достигать 5 млн. кислородных единиц. Чем выше n, тем прочнее целлюлоза. Для целлюлозы, получаемой из древесины, n значительно ниже - в пределах 2500 - 3000, что обусловливает и меньшую прочность волокон древесной целлюлозы.
Однако если рассматривать целлюлозу как материал, полученный из какого-либо одного вида растительного сырья - хлопка, льна, конопли или древесины и т.д., то и в этом случае молекулы целлюлозы будут иметь неодинаковую длину, неодинаковую степень полимеризации, т.е. в этой целлюлозе будут присутствовать более длинные и более короткие молекулы. Высокомолекулярную часть любой технической целлюлозы принято называть а-целлюлозой - так условно обозначают ту часть целлюлозы, которая состоит из молекул, содержащих 200 и более глюкозных остатков. Особенностью этой части целлюлозы является нерастворимость в 17,5%-ном растворе едкого натра при 20°С (таковы, как уже упоминалось, параметры процесса мерсеризации - первого этапа производства вискозного волокна).
Растворимая в этих условиях часть технической целлюлозы называется гемицеллюлозой. Она в свою очередь состоит из фракции b-целлюлозы, содержащей от 200 до 50 глюкозных остатков, и у-целлюлозы - наиболее низкомолекулярной фракции, с n менее 50. Название «гемицеллюлоза», так же как и «а-целлюлоза», условно: в состав гемицеллюлоз входит не только целлюлоза сравнительно низкой молекулярной массы, но и другие полисахариды, молекулы которых построены из остатков других гексоз и пентоз, т.е. другие гексозаны и пентозаны (см., например, содержание пентозанов в табл. 1). Общее их свойство - невысокая степень полимеризации n, менее 200, и как следствие - растворимость в 17,5%-ном растворе едкого натра.
Качество целлюлозы определяется не только содержанием a-целлюлозы, но и содержанием гемицеллюлоз. Известно, что при повышенном содержании a-целлюлозы волокнистый материал отличается обычно более высокой механической прочностью, химической и термической стойкостью, стабильностью белизны и долговечностью. Но для получения прочного полотна бумаги необходимо, чтобы в технической целлюлозе присутствовали и гемицеллюлозные спутники, так как чистая а-целлюлоза не склонна к фибриллированию (расщеплению волокон в продольном направлении с образованием тончайших волоконец - фибрилл) и в процессе размола волокон легко рубится. Гемицеллюлоза облегчает фибриллирование, что в свою очередь улучшает сцепление волокон в бумажном листе без чрезмерного уменьшения их длины при размоле.
Когда мы говорили о том, что понятие «а-целлюлоза» тоже условно, мы имели в виду, что и а-целлюлоза не является индивидуальным химическим соединением. Этот термин обозначает суммарное количество веществ, находящихся в технической целлюлозе и нерастворимых в щелочи при мерсеризации. Действительное же содержание высокомолекулярной целлюлозы в a-целлюлозе всегда меньше, так как примеси (лигнин, зола, жиры, воски, а также пентозаны и пектиновые вещества, химически связанные с целлюлозой) не полностью растворяются при мерсеризации. Поэтому без параллельного определения количества этих примесей содержание а-целлюлозы не может характеризовать чистоту целлюлозы, о ней можно судить лишь при наличии этих необходимых дополнительных данных.
Продолжая изложение первоначальных сведений о строении и свойствах спутников целлюлозы, вернемся к табл. 1.
В табл. 1 были приведены вещества, встречающиеся наряду с целлюлозой в растительных волокнах. Первыми после целлюлозы указаны пектиновые вещества и пентозаны. Пектиновые вещества - это полимеры класса углеводов, которые, так же как целлюлоза, имеют цепочечное строение, но построены из остатков уроновой кислоты, точнее - галактуроновой кислоты. Полигалактуроновая кислота называется пектовой кислотой, а ее метиловые эфиры - пектинами (см. схему 4).
СХЕМА 4 Участок цепи макромолекулы пектина
Это, разумеется, только схема, так как пектины разных растений различаются по молекулярной массе, содержанию групп -ОСН3 (так называемых метокси-, или метоксильных, групп, или просто - метоксилов) и их распределению по цепи макромолекулы. Пектины, содержащиеся в клеточном соке растений, растворимы в воде и способны образовывать в присутствии сахара и органических кислот плотные гели. Однако пектиновые вещества существуют в растениях главным образом в виде нерастворимого протопектина - полимера разветвленного строения, в котором линейные участки макромолекулы пектина связаны поперечными мостиками. Протопектин содержится в стенках растительной клетки и межклеточном цементирующем материале, выполняя роль опорных элементов. Вообще пектиновые вещества являются резервным материалом, из которого путем ряда превращений образуется целлюлоза и формируется клеточная стенка. Так, например, в начальной стадии роста хлопкового волокна содержание пектиновых веществ в нем достигает 6%, а ко времени вскрытия коробочки постепенно убывает примерно до 0,8%. Параллельно увеличивается содержание целлюлозы в волокне, повышается его прочность, повышается степень полимеризации целлюлозы.
Пектиновые вещества довольно стойки к кислотам, но под действием щелочей при нагревании разрушаются, и это обстоятельство используется для очистки целлюлозы от пектиновых веществ (путем варки, например, хлопкового пуха с раствором едкого натра). Легко разрушаются пектиновые вещества и под действием окислителей.
Пентозаны - это полисахариды, построенные из остатков пентоз - обычно арабинозы и ксилозы. Соответственно эти пентозаны называются арабанами и ксиланами. Они имеют линейное (цепочечное) или слабо разветвленное строение и в растениях обычно сопутствуют пектиновым веществам (арабаны) или входят в состав гемицеллюлоз (ксиланы). Пентозаны бесцветны, аморфны. Арабаны хорошо растворимы в воде, ксиланы в воде не растворяются.
Следующим важнейшим спутником целлюлозы является лигнин - полимер разветвленного строения, вызывающий одревеснение растений. Как видно из табл. 1, лигнин отсутствует в хлопковом волокне, но в остальных волокнах - льняном, пеньковом, рами и особенно джутовом - он содержится в меньших или больших количествах. Он заполняет главным образом пространства между клетками растения, но проникает и в поверхностные слои волокон, играя роль инкрустирующего вещества, скрепляющего целлюлозные волокна. Особенно много лигнина содержится в древесине - до 30%. По своей природе лигнин уже не относится к классу полисахаридов (как целлюлоза, пектиновые вещества и пентозаны), а представляет собой полимер на основе производных многоатомных фенолов, т.е. относится к так называемым жирноароматическим соединениям. Существенное его отличие от целлюлозы заключается и в том, что макромолекула лигнина имеет нерегулярное строение, т.е. полимерную молекулу составляют не одинаковые остатки мономерных молекул, а разнообразные структурные элементы. Однако последние имеют между собой то общее, что состоят из ароматического ядра (которое образовано в свою очередь 6-ю атомами углерода С) и боковой пропановой цепочки (из 3-х атомов углерода С), этот общий для всех лигнинов структурный элемент называют фенилпропановым звеном (см. схему 5).
СХЕМА 5 Фенилпропановое звено
Таким образом, лигнин принадлежит к группе природных соединений, имеющих общую формулу (С 6 С 3)х. Лигнин не является индивидуальным химическим соединением со строго определенным составом и свойствами. Лигнины различного происхождения заметно отличаются друг от друга, и даже лигнины, полученные из одного вида растительного сырья, но разными способами, иногда очень сильно различаются по элементарному составу, содержанию тех или иных заместителей (так называют группы, соединенные с бензольным ядром или боковой пропановой цепочкой), растворимости и другим свойствам.
Высокая реакционная способность лигнина и неодинаковость его строения затрудняют исследование его структуры и свойств, но тем не менее установлено, что в состав всех лигнинов входят фенилпропановые звенья, представляющие собой производные гваякола (т.е. монометилового эфира пирокатехина, см. схему 6).
СХЕМА 6 Производное гваякола
Выявлены и некоторые отличия в строении и свойствах лигнинов однолетних растений и злаков, с одной стороны, и древесины - с другой. Например, лигнины трав и злаков (к ним относятся лен и пенька, на которых мы останавливаемся более подробно) сравнительно хорошо растворяются в щелочах, тогда как лигнины древесины -трудно. Это обусловливает более жесткие параметры процесса удаления лигнина (делигнификации) из древесины методом натронной варки древесины (как-то: более высокие температуры и давления) по сравнению с процессом удаления лигнина из молодых побегов и трав методом варки в щелоке - методом, который был известен в Китае еще в начале первого тысячелетия нашей эры и который широко использовался под названием мацерации или бучения в Европе при переработке тряпья и разного рода отходов (льняных, пеньковых) в бумагу.
Мы уже говорили о высокой реакционной способности лигнина, т.е. о его способности вступать в многочисленные химические реакции, что объясняется присутствием в макромолекуле лигнина большого количества реакционноспособных функциональных групп, т.е. способных вступать в те или иные химические превращения, присущие определенному классу химических соединений. Особенно это относится к спиртовым гидроксилам -ОН, находящимся у атомов углерода в боковой пропановой цепочке, по этим группам -ОН происходит, например, сульфирование лигнина при сульфитной варке древесины - еще одном способе ее делигнификации.
Вследствие большой реакционной способности лигнина легко происходит и его окисление, в особенности в щелочной среде, с образованием карбоксильных групп -СООН. А при действии хлорирующих и белящих агентов лигнин легко хлорируется, причем атом хлора Сl вступает как в ароматическое ядро, так и в боковую пропановую цепочку, в присутствии влаги одновременно с хлорированием происходит и окисление макромолекулы лигнина, и получаемый хлорлигнин содержит также карбоксильные группы. Хлорированный и окисленный лигнин легче вымывается из целлюлозы. Все эти реакции широко используются в целлюлозно-бумажной промышленности для очистки целлюлозных материалов от примеси лигнина, который является очень неблагоприятным компонентом технической целлюлозы.
Почему присутствие лигнина нежелательно? Прежде всего потому, что лигнин имеет разветвленную, часто трехмерную, пространственную структуру и поэтому не обладает волокнообразующими свойствами, т. е. из него не могут быть получены нити. Он придает целлюлозным волокнам жесткость, ломкость, снижает способность целлюлозы набухать, окрашиваться и взаимодействовать с реагентами, применяемыми при различных процессах обработки волокон. При приготовлении бумажной массы лигнин затрудняет размол и фибриллирование волокон, ухудшает их взаимное сцепление. Кроме того, сам по себе он окрашен в желто-коричневый цвет, а при старении бумаги к тому же еще и усиливает ее пожелтение.
Наши рассуждения о строении и свойствах спутников целлюлозы могут показаться, на первый взгляд, излишними. Действительно, уместны ли здесь даже краткие описания строения и свойств лигнина, если реставратор-график имеет дело не с природными волокнами, а с бумагой, т.е. материалом, изготовленным из очищенных от лигнина волокон? Это, разумеется, так, но только в том случае, если речь идет о тряпичной бумаге, изготовленной из хлопчатобумажного сырья. В хлопке лигнина нет. Практически нет его и в тряпичной бумаге из льна или пеньки - он был почти полностью удален в процессе бучения тряпья.
Однако в бумаге, полученной из древесины, и в особенности в сортах газетной бумаги, в которых наполнителем служит древесная масса, лигнин содержится в достаточно больших количествах, и это обстоятельство следует иметь в виду реставратору, работающему с самыми разными, в том числе и низкосортными бумагами.
Целлюлоза - это полисахарид, построенный из элементарных звеньев ангидро- D -глюкозы и представляющий собой поли-1, 4- β - D -глюкопиранозил- D -глюкопиранозу. Макромолекула целлюлозы наряду с ангидроглюкозными звеньями может содержать остатки других моносахаридов (гексоз и пентоз), а также уроновых кислот (см. рис.). Характер и количество таких остатков определяются условиями биохимического синтеза.
Целлюлоза - главная составная часть клеточных стенок высших растений. Вместе с сопровождающими её веществами она играет роль каркаса, несущего основную механическую нагрузку. Целлюлоза содержится в основном в волосках семян некоторых растений, например, хлопчатника (97-98% целлюлозы), древесины (40-50% в расчёте на сухое вещество), лубяных волокон, внутренних слоёв коры растений (лён и рами - 80-90%, джут - 75% и другие), стеблях однолетних растений (30-40%), например, камыша, кукурузы, злаковых растений, подсолнечника.
Выделение целлюлозы из природных материалов основано на действии реагентов, разрушающих или растворяющих нецеллюлозные компоненты. Характер обработки зависит от состава и структуры растительного материала. Для хлопкового волокна (нецеллюлозные примеси - 2, 0-2, 5% азотсодержащих веществ; около 1% пентозанов и пектиновых веществ; 0, 3-1, 0% жиров и восков; 0, 1-0, 2% минеральных солей) используют сравнительно мягкие методы выделения.
Хлопковый пух подвергают парке (3-6 часов, 3-10 атмосфер) с 1, 5-3% раствором едкого натрия с последующей промывкой и отбелкой различными окислителями - двуокисью хлора, гипохлоритом натрия, перекисью водорода. В раствор переходят некоторые полисахариды с низким молярным весом (пентозаны, частично гексозаны), уроновые кислоты, часть жиров и восков. Содержание α -целлюлозы (фракция, нерастворимая в 17, 5% растворе N аОН при 20° в течении 1 часа) может быть доведено до 99, 8-99, 9%. В результате частичного разрушения морфологической структуры волокна при варке повышается реакционная способность целлюлозы (характеристика, определяющая растворимость эфиров, получаемых при последующей химической переработке целлюлозы, и фильтруемость прядильных растворов этих эфиров).
Для выделения целлюлозы из древесины, содержащей 40-55% целлюлозы, 5-10% других гексозанов, 10-20% пентозанов, 20-30% лигнина, 2-5% смол и ряд других примесей и имеющей сложную морфологическую структуру, применяют более жёсткие условия обработки; чаще всего используют сульфитную или сульфатную варку древесной щепы.
При сульфитной варке древесину обрабатывают раствором, содержащим 3-6% свободного SO 2 и около 2% SO 2 , связанного в виде бисульфита кальция, магния, натрия или аммония. Варка проводится под давлением при 135-150° в течение 4-12 часов; варочные растворы при кислой бисульфитной варке имеют рН от 1, 5 до 2, 5. При сульфитной варке происходит сульфирование лигнина с последующим переходом его в раствор. Одновременно часть гемицеллюлоз гидролизуется, образующиеся олиго- и моносахариды, а также часть смолистых веществ растворяются в варочном щёлоке. При применении выделяемой по этому методу целлюлозы (сульфитной целлюлозы) для химической переработки (главным образом в производстве вискозного волокна) целлюлозу подвергают облагораживанию, основной задачей которого является повышение химической чистоты и однородности целлюлозы (удаление лигнина, гемицеллюлозы, снижение зольности и смолистости, изменение коллоидно-химических и физических свойств). Наиболее распространённые методы облагораживания - обработка отбеленной целлюлозы 4-10% раствором N аОН при 20° (холодное облагораживание) или 1% раствором NaOH при 95-100° (горячее облагораживание). Облагороженная сульфитная целлюлоза для химической переработки имеет следующие показатели: 95-98% α -целлюлозы; 0, 15--0, 25% лигнина; 1, 8-4, 0% пентозанов; 0, 07-0, 14% смолы; 0, 06-0, 13% золы. Сульфитную целлюлозу применяют также для изготовления высококачественной бумаги и картона.
Древесную щепу можно также подвергать варке с 4- 6% раствором N аОН (натронная варка) или его смесью с сернистым натрием (сульфатная варка) при 170-175° под давлением течение 5-6 часов. При этом происходит растворение лигнина, переход в раствор и гидролиз части гемицеллюлоз (главным образом гексозанов) и дальнейшие превращения образующихся сахаров в органические оксикислоты (молочную, сахариновую и другие) и кислоты (муравьиную). Смоляные и высшие жирные кислоты постепенно переходят в варочный щёлок в виде натриевых солей (так называемое « сульфатное мыло »). Щелочная варка применима для переработки как еловой, так и сосновой и лиственной древесины. При применении выделяемой по этому методу целлюлозы (сульфатной целлюлозы) для химической переработки древесину перед варкой подвергают предгидролизу (обработке разбавленной серной кислотой при повышенной температуре). Предгидролизная сульфатная целлюлоза, используемая для химической переработки, после облагораживания и отбелки имеет следующий средний состав (%): α -целлюлоза - 94, 5-96, 9; пентозаны 2-2, 5; смолы и жиры - 0, 01-0, 06; зола - 0, 02-0, 06. Сульфатную целлюлозу применяют также для выработки мешочных и обёрточных бумаг, бумажных верёвок, технических бумаг (шпульные, наждачные, конденсаторные), писчих, типографских и белёных прочных бумаг (чертёжные, картографические, для документов).
Сульфатная варка применяется для получения целлюлозы высокого выхода, используемой для выработки гофрированного картона и мешочной бумаги (выход целлюлозы из древесины составляет в этом случае 50-60% против ~ 35% для предгидролизной сульфатной целлюлозы для химической переработки). Целлюлоза высокого выхода содержит значительные количества лигнина (12-18%) и сохраняет форму щепы. Поэтому после варки её подвергают механическому размолу. Натронная и сульфатная варка может быть использована и при выделении целлюлозы из соломы, содержащей большие количества SiO 2 , удаляемой при действии щёлочи.
Из лиственной древесины и однолетних растений целлюлозу выделяют также гидротропной варкой - обработкой сырья концентрированными (40-50%) растворами солей щелочных металлов и ароматических карбоновых и сульфокислот (например, бензойной, цимол- и ксилолсульфокислот) при 150-180° в течение 5-10 часов. Другие методы выделения целлюлозы (азотнокислотный, хлорно-щелочной и другие) не получили широкого распространения.
Для определения молярного веса целлюлозы обычно применяют вискозиметрический [по вязкости растворов целлюлозы в медно-аммиачном растворе, в растворах четвертичных аммониевых оснований, гидроокиси кадмийэтилендиамина (так называемый кадоксен), в щелочном растворе железовиннокислого натриевого комплекса и других, или по вязкости эфиров целлюлозы - главным образом ацетатов и нитратов, полученных в условиях, исключающих деструкцию] и осмотический (для эфиров целлюлозы) методы. Степень полимеризации, определённая с помощью этих методов, различна для разных препаратов целлюлозы: 10-12 тысяч для хлопковой целлюлозы и целлюлозы лубяных волокон; 2, 5-3 тысячи для древесной целлюлозы (по данным определения в ультрацентрифуге) и 0, 3-0, 5 тысячи для целлюлозы вискозного шёлка.
Для целлюлозы характерна значительная полидисперсность по молярному весу. Фракционируют целлюлозу фракционным растворением или осаждением из медно-аммиачного раствора, из раствора в куприэтилендиамине, кадмийэтилендиамине или в щелочном растворе железовиннокислого натриевого комплекса, а также фракционным осаждением из растворов нитратов целлюлозы в ацетоне или этилацетате. Для целлюлозы хлопка, лубяных волокон и древесной целлюлозы хвойных пород характерны кривые распределения по молярному весу с двумя максимумами; кривые для древесной целлюлозы лиственных пород имеют один максимум.
Целлюлоза имеет сложную надмолекулярную структуру. На основании данных рентгенографических, электронографических и спектроскопических исследований обычно принимают, что целлюлоза относится к кристаллическим полимерам. Целлюлоза имеет ряд структурных модификаций, основные из которых природная целлюлоза и гидратцеллюлоза. Природная целлюлоза превращается в гидратцеллюлозу при растворении и последующем высаживании из раствора, при действии концентрированных растворов щёлочи и последующем разложении щелочной целлюлозы и другими. Обратный переход может быть осуществлён при нагревании гидратцеллюлозы в растворителе, вызывающем её интенсивное набухание (глицерин, вода). Обе структурные модификации имеют различные рентгенограммы и сильно отличаются по реакционной способности, растворимости (не только самой целлюлозы, но и её эфиров), адсорбционной способности и другими. Препараты гидратцеллюлозы обладают повышенной гигроскопичностью и накрашиваемостыо, а также более высокой скоростью гидролиза.
Наличие между элементарными звеньями в макромолекуле целлюлозы ацетальных (глюкозидных) связей обусловливает малую устойчивость её к действию кислот, в присутствии которых протекает гидролиз целлюлозы (см. рис.). Скорость процесса зависит от ряда факторов, из которых решающим, особенно при проведении реакции в гетерогенной среде, является структура препаратов, определяющая интенсивность межмолекулярного взаимодействия. В начальной стадии гидролиза скорость может быть более высокой, что связано с возможностью существования в макромолекуле небольшого числа связей, менее устойчивых к действию гидролизующих реагентов, чем обычные глюкозидные связи. Продукты частичного гидролиза целлюлозы называются гидроцеллюлозой.
В результате гидролиза значительно изменяются свойства целлюлозного материала - снижается механическая прочность волокон (из-за уменьшения степени полимеризации), увеличивается содержание альдегидных групп и растворимость в щелочах. Частичный гидролиз не изменяет устойчивости препарата целлюлозы к щелочным обработкам. Продуктом полного гидролиза целлюлозы является глюкоза. Промышленные методы гидролиза целлюлозосодержащего растительного сырья заключаются в обработке разбавленными растворами HCl и H 2 SO 4 (0, 2-0, 3%) при 150-180°; выход сахаров при ступенчатом гидролизе - до 50%.
По химической природе целлюлоза представляет собой полиатомный спирт. Благодаря наличию в элементарном звене макромолекулы гидроксильных групп целлюлоза вступает в реакцию с щелочными металлами и основаниями. При обработке высушенной целлюлозы раствором металлического натрия в жидком аммиаке при минус 25-50° в течение 24 часов образуется тринатрийалкоголят целлюлозы:
n + 3nNa → n + 1, 5nH 2.
При действии на целлюлозу концентрированных растворов щелочей наряду с химической реакцией протекают и физико-химические процессы - набухание целлюлозы и частичное растворение её низкомолекулярных фракций, структурные превращения. Взаимодействие гидроокиси щелочного металла с целлюлозой может протекать по двум схемам:
n + n NaOH ↔ n + nH 2 O
[ C 6 H 7 O 2 (OH) 3 ]n + n NaOH ↔ n.
Реакционная способность первичных и вторичных гидроксильных групп целлюлозы в щелочной среде различна. Наиболее ярко выражены кислотные свойства у гидроксильных групп, расположенных у второго углеродного атома элементарного звена целлюлозы, входящих в состав гликолевой группировки и находящихся в α -положении к ацетальной связи. Образование алкоголята целлюлозы, по-видимому, происходит как раз за счёт этих гидроксильных групп, в то время как при взаимодействии с остальными ОН-группами образуется молекулярное соединение.
Состав щелочной целлюлозы зависит от условий её получения - концентрации щелочи; температуры, характера целлюлозного материала и других. Вследствие обратимости реакции образования щелочной целлюлозы повышение концентрации щёлочи в растворе приводит к увеличению γ (количество замещённых гидроксильных групп на 100 элементарных звеньев макромолекулы целлюлозы) щелочной целлюлозы, а снижение температуры мерсеризации - к увеличению γ щелочной целлюлозы, получаемой при действии эквиконцентрированных растворов щёлочи, что объясняется различием в температурных коэффициентах прямой и обратной реакций. Различная интенсивность взаимодействия с щелочами разных целлюлозных материалов связана, по-видимому, с особенностями физической структуры этих материалов.
Важной составной частью процесса взаимодействия целлюлозы с щелочами является набухание целлюлозы и растворение её низкомолекулярных фракций. Эти процессы облегчают удаление из целлюлозы низкомолекулярных фракций (гемицеллюлоз) и диффузию этерифицирующих реагентов внутрь волокна при последующих процессах этерификации (например, при ксантогенировании). При понижении температуры степень набухания значительно увеличивается. Например, при 18° увеличение диаметра хлопкового волокна при действии 12% NaOH составляет 10%, а при -10° достигает 66%. При увеличении концентрации щёлочи происходит сначала увеличение, а затем (свыше 12%) снижение степени набухания. Максимальная степень набухания наблюдается при тех концентрациях щёлочи, при которых происходит появление рентгенограммы щелочной целлюлозы. Эти концентрации различны для разных целлюлозных материалов: для хлопка 18% (при 25°), для рами 14-15%, для сульфитной целлюлозы 9, 5-10%. Взаимодействие целлюлозы с концентрированными растворами N аОН широко используют в текстильной промышленности, при производстве искусственных волокон и простых эфиров целлюлозы.
Взаимодействие целлюлозы с другими гидроокисями щелочных металлов протекает аналогично реакции с едким натром. Рентгенограмма щелочной целлюлозы появляется при действии на препараты природной целлюлозы примерно эквимолярных (3, 5-4, 0 моль/л) растворов гидроокисей щелочных металлов. Сильные органические основания - некоторые гидроокиси тетраалкил (арил) аммония, по-видимому, образуют с целлюлозой молекулярные соединения.
Особое место в ряду реакций целлюлозы с основаниями занимает её взаимодействие с куприаммингидратом [ Cu (NH 3 ) 4 ] (OH ) 2 , а также с рядом других комплексных соединений меди, никеля, кадмия, цинка - куприэтилендиамином [ Cu (en ) 2 ](ОН) 2 (en - молекула этилендиамина), ниоксаном [ Ni(NH 3 ) 6 ] (ОН) 2 , ниоксеном [ Ni (en ) 3 ] (ОН) 2 , кадоксеном [ Cd (en ) 3 ] (OH ) 2 и другими. В этих продуктах целлюлоза растворяется. Осаждение целлюлозы из медно-аммиачного раствора осуществляется при действии воды, растворов щёлочи или кислоты.
При действии окислителей происходит частичное окисление целлюлозы - процесс, успешно используемый в технологии (отбелка целлюлозы и хлопчатобумажных тканей, предсозревание щелочной целлюлозы). Окисление целлюлозы - побочный процесс при облагораживании целлюлозы, приготовлении медно-аммиачного прядильного раствора, эксплуатации изделий из целлюлозных материалов. Продукты частичного окисления целлюлозы носят название оксицеллюлоз. В зависимости от характера окислителя окисление целлюлозы может носить избирательный или неизбирательный характер. К наиболее избирательно действующим окислителям относится йодная кислота и её соли, окисляющие гликолевую группировку элементарного звена целлюлозы с разрывом пиранового цикла (образование диальдегидцеллюлозы) (см. рис.). При действии йодной кислоты и периодатов окисляется также незначительное число первичных гидроксильных групп (до карбоксильных или альдегидных). По аналогичной схеме окисляется целлюлоза при действии тетраацетата свинца в среде органических растворителей (уксусная кислота, хлороформ).
По устойчивости к действию кислот диальдегидцеллюлоза мало отличается от исходной целлюлозы, но значительно менее устойчива к действию щелочей и даже воды, что является результатом гидролиза полуацетальной связи в щелочной среде. Окисление альдегидных групп в карбоксильные действием хлорита натрия (образование дикарбоксилцеллюлозы), а также восстановление их до гидроксильных (образование так называемой « диспирт »- целлюлозы) стабилизируют окисленную целлюлозу к действию щелочных реагентов. Растворимость нитратов и ацетатов диальдегидцеллюлозы даже невысокой степени окисления (γ = 6-10) значительно ниже, чем растворимость соответствующих эфиров целлюлозы, по-видимому, вследствие образования при этерификации межмолекулярных полуацетальных связей. При действии на целлюлозу двуокиси азота окисляются преимущественно первичные гидроксильные группы до карбоксильных (образование монокарбоксилцеллюлозы) (см. рис.). Реакция протекает по радикальному механизму с промежуточным образованием азотистокислых эфиров целлюлозы и последующими окислительными превращениями этих эфиров. До 15% от общего содержания карбоксильных групп являются неуроновыми (образуются СООН-группы у второго и третьего углеродных атомов). Одновременно происходит окисление гидроксильных групп у этих атомов до кетогрупп (до 15-20% от общего количества окисленных гидроксильных групп). Образование кетогрупп является, по-видимому, причиной крайне низкой устойчивости монокарбоксилцеллюлозы к действию щелочей и даже воды при повышенной температуре.
При содержании 10-13% СООН-групп монокарбоксилцеллюлоза растворяется в разбавленном растворе NaOH, растворах аммиака, пиридина с образованием соответствующих солей. Её ацетилирование протекает медленнее, чем целлюлозы; ацетаты не полностью растворяются в метиленхлориде. Нитраты монокарбоксилцеллюлозы не растворяются в ацетоне даже при содержании азота до 13, 5%. Эти особенности свойств сложных эфиров монокарбоксилцеллюлозы связаны с образованием межмолекулярных эфирных связей при взаимодействии карбоксильных и гидроксильных групп. Монокарбоксилцеллюлоза применяется как кровоостанавливающее средство, как катионит для разделения биологически активных веществ (гормоны). Путём комбинированного окисления целлюлозы периодатом, а затем хлоритом и двуокисью азота синтезированы препараты так называемой трикарбоксилцеллюлозы, содержащие до 50, 8% СООН-групп.
Направление окисления целлюлозы при действии на неё неизбирательных окислителей (двуокись хлора, соли хлорноватистой кислоты, перекись водорода, кислород в щелочной среде) в значительной степени зависит от характера среды. В кислой и нейтральной средах при действии гипохлорита и перекиси водорода происходит образование продуктов восстановительного типа, по-видимому, в результате окисления первичных гидроксильных групп до альдегидных и одной из вторичных ОН-групп - до кетогруппы (перекись водорода окисляет также гликолевые группировки с разрывом пиранового цикла). При окислении гипохлоритом в щелочной среде альдегидные группы постепенно превращаются в карбоксильные, вследствие чего продукт окисления имеет кислотный характер. Обработка гипохлоритом - один из наиболее часто применяемых методов отбелки целлюлозы. Для получения высококачественной целлюлозы высокой степени белизны её отбеливают двуокисью хлора или хлоритом в кислой или щелочной среде. При этом происходит окисление лигнина, разрушение красящих веществ, а также окисление альдегидных групп в макромолекуле целлюлозы до карбоксильных; гидроксильные группы не окисляются. Окисление кислородом воздуха в щелочной среде, протекающее по радикальному механизму и сопровождающееся значительной деструкцией целлюлозы, приводит к накоплению в макромолекуле карбонильных и карбоксильных групп (предсозревание щелочной целлюлозы).
Наличие в элементарном звене макромолекулы целлюлозы гидроксильных групп позволяет осуществить переход к таким важным классам производных целлюлозы как простые и сложные эфиры. Эти соединения благодаря ценным свойствам используют в различных отраслях техники - при получении волокон и плёнок (ацетаты, нитраты целлюлозы), пластмасс (ацетаты, нитраты, этиловые, бензиловые эфиры), лаков и электроизоляционных покрытий, в качестве стабилизаторов суспензий и загустителей в нефтяной и текстильной промышленности (низкозамещённая карбоксиметилцеллюлоза).
Волокна на основе целлюлозы (природные и искусственные) - полноценный текстильный материал, обладающий комплексом ценных свойств (высокие прочность и гигроскопичность, хорошая накрашиваемость. Недостатки целлюлозных волокон - горючесть, недостаточно высокая эластичность, лёгкое разрушение под действием микроорганизмов и т. д. Тенденция к направленному изменению (модификации) целлюлозных материалов вызвала появление ряда новых производных целлюлозы, а в некоторых случаях и новых классов производных целлюлозы.
Модификацию свойств и синтез новых производных целлюлозы осуществляют с использованием двух групп методов:
1) этерификацией, О-алкилированием или превращением гидроксильных групп элементарного звена в другие функциональные группы (окисление, нуклеофильное замещение с использованием в качестве исходных веществ некоторых эфиров целлюлозы - нитратов, эфиров с n -толуол- и метансульфокислотой);
2) привитой сополимеризацией или взаимодействием целлюлозы с полифункциональными соединениями (превращение целлюлозы соответственно в разветвлённый или сшитый полимер).
Одним из наиболее общих методов синтеза различных производных целлюлозы является нуклеофильное замещение. Исходными веществами в этом случае служат эфиры целлюлозы с некоторыми сильными кислотами (толуол– и метансульфокислитой, азотной и фенилфосфорной кислотами), а также галогенодезоксипроизводные целлюлозы. С помощью реакции нуклеофильного замещения синтезированы производные целлюлозы, в которых гидроксильные группы заменены галогенами (хлор, фтор, йод), родановой, нитрильной и другими группами; синтезированы препараты дезоксицеллюлозы, содержащие гетероциклы (пиридин и пиперидин), получены эфиры целлюлозы с фенолами и нафтолами, ряд сложных эфиров целлюлозы (с высшими карбоновыми кислотами, α - аминокислотами , непредельными кислотами). Внутримолекулярная реакция нуклеофильного замещения (омыление тозиловых эфиров целлюлозы) приводит к образованию смешанных полисахаридов, содержащих 2, 3– и 3, 6-ангидроциклы.
Наибольшее практическое значение для создания целлюлозных материалов, обладающих новыми технически ценными свойствами, имеет синтез привитых сополимеров целлюлозы. К наиболее распространённым методам синтеза привитых сополимеров целлюлозы относятся использование реакции передачи цепи на целлюлозу, радиационно-химическая сополимеризация и использование окислительно-восстановительных систем, в которых целлюлоза играет роль восстановителя. В последнем случае образование макрорадикала может идти за счёт окисления как гидроксильных групп целлюлозы (окисление солями церия), так и специально введённых в макромолекулу функциональных групп - альдегидных, аминогрупп (окисление солями ванадия, марганца), или разложения диазосоединения, образующегося при диазотировании введённых в целлюлозу ароматических аминогрупп. Синтез привитых сополимеров целлюлозы в ряде случаев может быть проведён без образования гомополимера, что уменьшает расход мономера. Привитые сополимеры целлюлозы, получаемые в обычных условиях сополимеризации, состоят из смеси исходной целлюлозы (или её эфира, на который осуществляется прививка) и привитого сополимера (40-60%). Степень полимеризации привитых цепей колеблется в зависимости от метода инициирования и характера прививаемого компонента от 300 до 28 000.
Изменение свойств в результате привитой сополимеризации определяется характером прививаемого мономера. Прививка стирола, акриламида, акрилонитрила приводит к увеличению прочности хлопкового волокна в сухом состоянии. Прививка полистирола, полиметилметакрилата и полибутилакрилата позволяет получить гидрофобные материалы. Привитые сополимеры целлюлозы с гибкоцепными полимерами (полиметилакрилат) при достаточно большом содержании привитого компонента являются термопластичными. Привитые сополимеры целлюлозы с полиэлектролитами (полиакриловая кислота, полиметилвинилпиридин) можно использовать в качестве ионообменных тканей, волокон, плёнок.
Одним из недостатков волокон из целлюлозы является невысокая эластичность и, как следствие, плохое сохранение формы изделий и повышенная сминаемость. Устранение этого недостатка достигается путём образования межмолекулярных связей при обработке тканей полифункциональными соединениями (диметилолмочевина, диметилолциклоэтиленмочевина, триметилолмеламин, диметилолтриазон, различные диэпоксиды, ацетали), реагирующими с ОН-группами целлюлозы. Наряду с образованием химических связей между макромолекулами целлюлозы происходит полимеризация сшивающего реагента с образованием линейных и пространственных полимеров. Ткани из целлюлозных волокон пропитывают раствором, содержащим сшивающий реагент и катализатор, отжимают, сушат при невысокой температуре и подвергают термообработке при 120-160° в течение 3-5 минут. При обработке целлюлозы полифункциональными сшивающими реагентами процесс протекает главным образом в аморфных участках волокна. Для достижения одинакового эффекта несминаемости расход сшивающего реагента при обработке вискозных волокон должен быть значительно выше, чем при обработке хлопкового волокна, что связано, по-видимому, с более высокой степенью кристалличности последнего.
