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Cellulose

Cellulose ist das häufigste natürliche Polymer. Sie ist eine lange, gerade Kette aus Glucose. Sie bildet die festen Fäden der Zellwand, und aus ihr stellen wir Papier, Viskose, Cellophan und sogar rauchschwaches Pulver her.

Cellulose ist ein lineares Homopolysaccharid aus β-D-Glucopyranose-Einheiten, verknüpft durch (1→4)-glykosidische Bindungen. Sie macht 40-45 % der Holztrockenmasse aus. Ihre Eigenschaften werden durch die Kettenlänge und das dichte Netz von Wasserstoffbrücken zwischen den Ketten bestimmt.

Bewegen Sie den Regler: wie Kettenlänge und Masse mit dem Polymerisationsgrad wachsen.

Kettenlänge
Molmasse

Eine Kette aus Glucose

Man nimmt ein Glucosemolekül, spaltet Wasser ab und hängt es an das nächste. Wiederholt man das tausendfach, erhält man Cellulose. Jede Einheit ist um 180° gedreht, daher ist die Kette gerade wie ein Band.

Anhydroglucoseeinheiten sind durch β-(1→4)-glykosidische Bindungen verknüpft. Jede Einheit trägt drei Hydroxylgruppen: an C2 und C3 (sekundär) und an C6 (primär). Die Wiederholungseinheit, Cellobiose, ist 1,03 nm lang. Ein Kettenende trägt die reduzierende Einheit (Halbacetal an C1), das andere ist das nichtreduzierende Ende.

Kettenlänge

Im Holz besteht eine Cellulosekette aus etwa zehntausend Glucoseeinheiten. Zellstoffkochung und Bleiche spalten die Ketten, daher sind sie in Papier und Viskose viel kürzer.

Der Polymerisationsgrad (DP) nativer Holzcellulose wird auf etwa 10 000 geschätzt. Die Molmasse der Kette beträgt 162,14·DP + 18,02 g/mol, wobei 162,14 die Masse einer Anhydroglucoseeinheit ist. Cellulose ist polydispers, daher ist der DP stets ein Mittelwert, und die Methode (Viskosimetrie, Größenausschlusschromatographie) beeinflusst das Ergebnis. Die chemische Verarbeitung senkt den DP um ein Mehrfaches.

Wasserstoffbrücken und Kristallinität

Die Hydroxylgruppen benachbarter Ketten halten sich gegenseitig über Wasserstoffbrücken fest. Die Ketten packen sich zu dichten Bündeln, die Wasser nicht auseinanderziehen kann. Deshalb wird ein Baumwollhemd nass, löst sich aber nicht auf.

Die intramolekulare Bindung O3-H···O5 versteift die Kette; intermolekulare Bindungen (vor allem O6-H···O3) verbinden die Ketten zu Schichten, und die Schichten stapeln sich durch hydrophobe Wechselwirkung. Native Cellulose liegt in der Kristallform Cellulose I vor; in höheren Pflanzen überwiegt Iβ, in Algen und Bakterien Iα. Mercerisierung oder Auflösung und Regenerierung ergeben die thermodynamisch stabilere Cellulose II. Die gemessene Kristallinität von Holzcellulose hängt stark von der Methode ab.

Mikrofibrillen

Die Ketten liegen nie einzeln vor. Etwa zwei Dutzend parallele Ketten bilden einen dünnen Faden, eine Mikrofibrille, mit etwa 3 nm Durchmesser. Die Zellwand ist aus diesen Fäden gewoben.

Nach heutigem Kenntnisstand besteht eine Holz-Mikrofibrille aus etwa 18-24 Ketten und hat einen Durchmesser von etwa 3 nm, mit stärker und weniger geordneten Bereichen entlang ihrer Länge. Mikrofibrillen lagern sich zu Makrofibrillen zusammen, zwischen denen Hemicellulosen und Lignin liegen.

Reaktionen und Derivate

Säure oder Enzyme können Cellulose bis zur Glucose abbauen. Man kann sie auflösen und wieder zu einem Faden spinnen, so entsteht Viskose. Hängt man neue Gruppen an die Hydroxylgruppen, erhält man Acetat für Folien, Nitrat für rauchschwaches Pulver und Lacke sowie Verdickungsmittel für Lebensmittel.

Die glykosidische Bindung wird durch Säuren und Enzyme (Cellulasen) hydrolysiert. Die Hydroxylgruppen lassen sich verestern (Celluloseacetate, Cellulosenitrate) und verethern (Carboxymethylcellulose, Methylcellulose), mit einem Substitutionsgrad von höchstens 3 je Einheit. Cellulose ist in Wasser und üblichen Lösungsmitteln unlöslich, löst sich aber in Kupferoxid-Ammoniak-Lösung, N-Methylmorpholin-N-oxid (Lyocell-Verfahren) und ionischen Flüssigkeiten; im Viskoseverfahren wird sie in ein lösliches Xanthogenat überführt.

Wichtige Fakten

Bindung
β-(1→4)
Einheit
C6H10O5, 162,14 g/mol
Cellobiose
1,03 nm
DP im Holz
etwa 10 000
Anteil am Holz
40-45 %
Kristallform
Cellulose Iβ

Quellen zu diesem Kapitel

  1. Азаров В.И., Буров А.В., Оболенская А.В. Химия древесины и синтетических полимеров: учебник. 2-е изд. СПб.: Лань, 2010.
  2. Евстигнеев Э.И. и др. Химия древесины и синтетических полимеров. Ч. 1. Строение, свойства, химические реакции и производные целлюлозы: учебно-методическое пособие. СПб.: СПбГТУРП, 2010.
  3. Sjöström E. Wood Chemistry: Fundamentals and Applications. 2nd ed. San Diego: Academic Press, 1993.
  4. Klemm D., Heublein B., Fink H.-P., Bohn A. Cellulose: Fascinating Biopolymer and Sustainable Raw Material. Angewandte Chemie International Edition 44, 3358-3393 (2005).