En kedja av glukos
Ta en glukosmolekyl, ta bort vatten och fäst den vid nästa. Upprepa tusentals gånger så har du cellulosa. Varje enhet är vriden 180°, så kedjan blir rak, som ett band.
Anhydroglukosenheterna är förenade med β-(1→4)-glykosidbindningar. Varje enhet bär tre hydroxylgrupper: vid C2 och C3 (sekundära) och C6 (primär). Den repeterande enheten, cellobios, är 1,03 nm lång. Den ena kedjeänden bär den reducerande enheten (hemiacetal vid C1), den andra är den icke-reducerande änden.
Kedjelängd
I ved innehåller en cellulosakedja omkring tiotusen glukosenheter. Massakokning och blekning bryter kedjorna, så i papper och viskos är de mycket kortare.
Polymerisationsgraden (DP) hos nativ vedcellulosa uppskattas till omkring 10 000. Kedjans molmassa är 162,14·DP + 18,02 g/mol, där 162,14 är massan för en anhydroglukosenhet. Cellulosa är polydispers, så DP är alltid ett medelvärde, och metoden (viskosimetri, storleksuteslutningskromatografi) påverkar resultatet. Kemisk förädling sänker DP flerfaldigt.
Vätebindningar och kristallinitet
Hydroxylgrupper i närliggande kedjor griper tag i varandra med vätebindningar. Kedjorna packas i täta knippen som vatten inte kan dra isär. Därför blir en bomullsskjorta blöt men löses inte upp.
Den intramolekylära bindningen O3-H···O5 styvar upp kedjan; intermolekylära bindningar (särskilt O6-H···O3) förenar kedjorna till skikt, och skikten staplas genom hydrofob växelverkan. Nativ cellulosa har kristallformen cellulosa I; Iβ dominerar i högre växter, Iα i alger och bakterier. Mercerisering eller upplösning och regenerering ger den termodynamiskt stabilare cellulosa II. Uppmätt kristallinitet hos vedcellulosa beror starkt på metoden.
Mikrofibriller
Kedjorna ligger aldrig ensamma. Ett tjugotal parallella kedjor bildar en tunn tråd, en mikrofibrill, cirka 3 nm i diameter. Cellväggen är vävd av sådana trådar.
Enligt nuvarande kunskap består en mikrofibrill i ved av ungefär 18-24 kedjor och är cirka 3 nm i diameter, med mer och mindre ordnade områden längs den. Mikrofibrillerna aggregerar till makrofibriller, med hemicellulosor och lignin emellan.
Reaktioner och derivat
Syra eller enzymer kan bryta ner cellulosa till glukos. Den kan lösas upp och spinnas till en tråd igen, vilket är så viskos tillverkas. Fäst nya grupper vid hydroxylgrupperna så får du acetat för filmer, nitrat för röksvagt krut och lacker, och förtjockningsmedel för livsmedel.
Glykosidbindningen hydrolyseras av syror och enzymer (cellulaser). Hydroxylgrupperna genomgår förestring (cellulosaacetater, -nitrater) och företring (karboximetylcellulosa, metylcellulosa), med en substitutionsgrad på högst 3 per enhet. Cellulosa är olöslig i vatten och vanliga lösningsmedel men löses i kopparammoniaklösning, N-metylmorfolin-N-oxid (lyocellprocessen) och jonvätskor; i viskosprocessen omvandlas den till ett lösligt xantat.
Viktiga fakta
- bindning
- β-(1→4)
- enhet
- C6H10O5, 162,14 g/mol
- cellobios
- 1,03 nm
- DP i ved
- omkring 10 000
- andel av veden
- 40-45 %
- kristallform
- cellulosa Iβ
Källor till kapitlet
- Азаров В.И., Буров А.В., Оболенская А.В. Химия древесины и синтетических полимеров: учебник. 2-е изд. СПб.: Лань, 2010.
- 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.
- Sjöström E. Wood Chemistry: Fundamentals and Applications. 2nd ed. San Diego: Academic Press, 1993.
- Klemm D., Heublein B., Fink H.-P., Bohn A. Cellulose: Fascinating Biopolymer and Sustainable Raw Material. Angewandte Chemie International Edition 44, 3358-3393 (2005).