Atlas

Selluloosa

Selluloosa on luonnon yleisin polymeeri. Se on pitkä suora glukoosiketju. Se muodostaa soluseinän lujat säikeet, ja siitä valmistetaan paperia, viskoosia, sellofaania ja jopa savutonta ruutia.

Selluloosa on lineaarinen homopolysakkaridi, jonka β-D-glukopyranoosiyksiköt ovat liittyneet (1→4)-glykosidisidoksin. Sen osuus puun kuivamassasta on 40-45 %. Sen ominaisuudet määräytyvät ketjun pituudesta ja ketjujen välisestä tiheästä vetysidosverkostosta.

Liikuta liukusäädintä: miten ketjun pituus ja massa kasvavat polymeroitumisasteen mukana.

ketjun pituus
moolimassa

Glukoosiketju

Ota glukoosimolekyyli, poista vesi ja liitä se seuraavaan. Toista tuhansia kertoja, ja sinulla on selluloosaa. Jokainen yksikkö on käännetty 180°, joten ketju on suora kuin nauha.

Anhydroglukoosiyksiköt ovat liittyneet β-(1→4)-glykosidisidoksin. Jokaisessa yksikössä on kolme hydroksyyliryhmää: C2- ja C3-asemassa (sekundaariset) sekä C6-asemassa (primaarinen). Toistuva yksikkö, sellobioosi, on 1,03 nm pitkä. Ketjun toisessa päässä on pelkistävä yksikkö (hemiasetaali C1-asemassa), toisessa pelkistämätön pää.

Ketjun pituus

Puussa selluloosaketjussa on noin kymmenentuhatta glukoosiyksikköä. Massanvalmistus ja valkaisu katkaisevat ketjuja, joten paperissa ja viskoosissa ne ovat paljon lyhyempiä.

Puun natiivin selluloosan polymeroitumisasteen (DP) arvioidaan olevan noin 10 000. Ketjun moolimassa on 162,14·DP + 18,02 g/mol, missä 162,14 on anhydroglukoosiyksikön massa. Selluloosa on polydispersiä, joten DP on aina keskiarvo, ja menetelmä (viskosimetria, kokoekskluusiokromatografia) vaikuttaa tulokseen. Kemiallinen jalostus alentaa DP:tä moninkertaisesti.

Vetysidokset ja kiteisyys

Vierekkäisten ketjujen hydroksyyliryhmät tarttuvat toisiinsa vetysidoksilla. Ketjut pakkautuvat tiiviiksi kimpuiksi, joita vesi ei pysty erottamaan. Siksi puuvillapaita kastuu mutta ei liukene.

Molekyylinsisäinen O3-H···O5-sidos jäykistää ketjua; molekyylien väliset sidokset (erityisesti O6-H···O3) liittävät ketjut levyiksi, ja levyt pinoutuvat hydrofobisen vuorovaikutuksen avulla. Natiivin selluloosan kidemuoto on selluloosa I; korkeammissa kasveissa vallitsee Iβ, levissä ja bakteereissa Iα. Merseröinti tai liuottaminen ja regenerointi tuottavat termodynaamisesti stabiilimman selluloosa II:n. Puun selluloosan mitattu kiteisyys riippuu voimakkaasti menetelmästä.

Mikrofibrillit

Ketjut eivät koskaan ole yksin. Noin kaksi tusinaa rinnakkaista ketjua muodostaa ohuen säikeen, mikrofibrillin, jonka paksuus on noin 3 nm. Soluseinä on kudottu näistä säikeistä.

Nykytiedon mukaan puun mikrofibrillissä on noin 18-24 ketjua ja sen paksuus on noin 3 nm, ja sen pituussuunnassa on järjestyneempiä ja vähemmän järjestyneitä alueita. Mikrofibrillit kerääntyvät makrofibrilleiksi, joiden välissä on hemiselluloosia ja ligniiniä.

Reaktiot ja johdannaiset

Happo tai entsyymit voivat hajottaa selluloosan glukoosiksi. Sen voi liuottaa ja kehrätä uudelleen langaksi, ja näin valmistetaan viskoosia. Kun hydroksyyliryhmiin liitetään uusia ryhmiä, saadaan asetaattia kalvoihin, nitraattia savuttomaan ruutiin ja lakkoihin sekä sakeuttamisaineita elintarvikkeisiin.

Glykosidisidos hydrolysoituu happojen ja entsyymien (sellulaasien) vaikutuksesta. Hydroksyyliryhmät voidaan esteröidä (selluloosa-asetaatit, -nitraatit) ja eetteröidä (karboksimetyyliselluloosa, metyyliselluloosa), ja substituutioaste on enintään 3 yksikköä kohden. Selluloosa ei liukene veteen eikä tavallisiin liuottimiin, mutta se liukenee kuprammoniumliuokseen, N-metyylimorfoliini-N-oksidiin (lyocell-prosessi) ja ionisiin nesteisiin; viskoosiprosessi muuttaa sen liukoiseksi ksantaatiksi.

Keskeiset tiedot

sidos
β-(1→4)
yksikkö
C6H10O5, 162,14 g/mol
sellobioosi
1,03 nm
DP puussa
noin 10 000
osuus puusta
40-45 %
kidemuoto
selluloosa Iβ

Luvun lähteet

  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).