Химическая формула целлюлозы. Что такое целлюлоза? Растительная клетчатка-полисахарид

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.

Природная целлюлоза, или клетчатка, является основным веществом, из которого построены стенки растительных клеток, и поэтому растительное сырье разных видов служит единственным источником производства целлюлозы. Целлюлоза представляет собой природный полисахарид, линейные-цепевидные макромолекулы которого построены из элементарных звеньев?-D-ангидро-глюкопиранозы, соединенных между собой 1--4 глюкозидными связями. Эмпирическая формула целлюлозы (С6Н10О5)и, где п -- степень полимеризации.

Каждое элементарное звено целлюлозы за исключением концевых звеньев содержит три спиртовые гидроксильные группы. Поэтому формулу целлюлозы часто представляют в виде [С6Н7О2(ОН)3]. На одном конце макромолекулы целлюлозы находится звено, имеющее дополнительный вторичный спиртовой гидролиз у 4-го атома углерода, на другом -- звено, имеющее свободный глюкозидный (полуацетальный) гидроксил у 1-го атома углерода. Это звено придает целлюлозе восстанавливающие (редуцирующие) свойства.

Степень полимеризации (СП) природной древесной целлюлозы находится в пределах 6000--14 000. СП характеризует длину линейных макромолекул целлюлозы и, следовательно, определяет те свойства целлюлозы, которые зависят от длины целлюлозных цепей. Любой образец целлюлозы состоит из макромолекул различной длины, т. е., является полидисперсным. Поэтому СП обычно представляет усредненную степень полимеризации. СП целлюлозы связана с молекулярной массой соотношением СП = М/162, где 162 -- молекулярная масса элементарного звена целлюлозы. В природных волокнах (оболочке клеток) линейные цепевидные макромолекулы целлюлозы водородными и межмолекулярными силами связи объединены в микрофибриллы неопределенной длины, диаметром около 3,5 нм. В каждой микрофибрилле насчитывается большое число (примерно 100--200) целлюлозных цепей, расположенных вдоль оси микрофибриллы. Микрофибриллы, располагаясь по спирали, образуют агрегаты из нескольких микрофибрилл-- фибриллы, или пряди, диаметром около 150 нм, из которых построены слои клеточных стенок.

В зависимости от режима обработки растительного сырья в процессе варки можно получить продукты с различным выходом, определяемым отношением массы полученного полуфабриката к массе исходного растительного сырья (%). Продукт с выходом от -80 до 60 % массы сырья называется полуцеллюлозой, для которой характерно высокое содержание лигнина (15--20%). Лигнин межклеточного вещества в полуцеллюлозе в процессе варки растворяется не полностью (часть его остается в полуцеллюлозе); волокна соединены между собой еще настолько прочно, что для их разделения и превращения в волокнистую массу необходимо применять механический размол. Продукт с выходом от 60 до 50 % называется целлюлозой высокого выхода (ЦВВ). ЦВВ разделяется на волокна без механического размола с помощью размыва струей воды, но содержит еще значительное количество остаточного лигнина в клеточных стенках. Продукт с выходом от 50 до 40% называется целлюлозой нормального выхода, которая по степени делигнификации, характеризующей процентное содержание остаточного лигнина в стенках волокон, разделяется на целлюлозу жесткую (3--8% лигнина), среднежесткую (1,3--3% лигнина) и мягкую (менее 1,5 % лигнина).

В результате варки растительного сырья получают небеленую целлюлозу, представляющую продукт с относительно низкой белизной, содержащий еще большее число компонентов древесины, сопровождающих целлюлозу. Освобождение от них продолжением варочного процесса связано со значительным разрушением целлюлозы и, как следствие этого, снижением выхода и ухудшением ее свойств. Для получения целлюлозы с высокой белизной -- беленой целлюлозы, наиболее освобожденной от лигнина и экстрактивных веществ, техническую целлюлозу подвергают отбелке химическими отбеливающими реагентами. Для более полного удаления гемицеллюлоз целлюлозу подвергают дополнительной щелочной обработке (облагораживанию), получая в результате облагороженную целлюлозу. Облагораживание обычно совмещают с процессом отбелки. Отбелке и облагораживанию подвергают преимущественно мягкую целлюлозу и целлюлозу средней жесткости, предназначенные как для производства бумаги, так и для химической переработки.)

Полуцеллюлоза, ЦВВ, небеленая целлюлоза нормального выхода, беленая, полубеленая и облагороженная целлюлозы являются волокнистыми полуфабрикатами, находящими широкое практическое применение для производства самых разнообразных видов бумаги и картона. На эти цели перерабатывается около 93 % всей вырабатываемой в мире целлюлозы. Остальная часть целлюлозы служит сырьем для химической переработки.

Для характеристики свойств и качества технической целлюлозы, определяющих ее потребительскую ценность, применяют целый ряд различных показателей. Рассмотрим наиболее важные из них.

Содержание пентозанов в сульфитных целлюлозах составляет от 4 до 7 %, а в сульфатных целлюлозах той же степени делигнификации 10--11 %. Наличие пентозанов в целлюлозе способствует повышению ее механической прочности, улучшает проклейку, размалываемость, поэтому более полное сохранение их в целлюлозе для производства бумаги и картона благоприятно сказывается на качестве продукции. В целлюлозе для химической переработки пентозаны -- нежелательная примесь.

Содержание смолы в сульфитной хвойной целлюлозе высокое и достигает 1--1,5 %, так как сульфитная варочная кислота не растворяет смолистых веществ древесины. Щелочные варочные растворы растворяют смолы, поэтому их содержание в целлюлозе щелочных варок невелико и составляет 0,2--0,3 %. Высокое содержание смолы в целлюлозе, особенно так называемой «вредной смолы», создает затруднения в бумажном производстве вследствие липких смолистых отложений на оборудовании.

Медное число характеризует степень деструкции целлюлозы в процессах варки, отбелки и облагораживания. В конце каждой целлюлозной молекулы имеется альдегидная группа, способная восстанавливать соли окисной меди до закиси меди, и чем больше деструктирована целлюлоза, тем больше меди может восстановить 100 г целлюлозы в пересчете на абсолютно сухую массу. Закись меди пересчитывают в металлическую медь и выражают в граммах. Для мягких целлюлоз медное число выше, чем для жестких. Целлюлоза щелочных варок имеет низкое медное число, около 1,0, сульфитная--1,5--2,5. Отбелка и облагораживание значительно понижают медное число.

Степень полимеризации (СП) определяется измерением вязкости растворов целлюлозы вискозиметрическим методом. Техническая целлюлоза неоднородна и представляет собой смесь высокомолекулярных фракций с различной СП. Определяемая СП выражает усредненную длину целлюлозных цепей и для технических целлюлоз находится в пределах 4000--5500.

Механические прочностные свойства целлюлозы испытывают после размола ее до степени помола 60? ШР. Наиболее часто определяют сопротивление разрыву, излому, продавливанию и раздиранию. В зависимости от вида сырья, способа получения, режима обработки и других факторов перечисленные показатели могут колебаться в очень широких пределах. Бумагообразующие свойства -- это совокупность свойств, обусловливающих достижение требуемого качества изготовляемой бумаги и характеризуемых рядом разнообразных показателей, например поведением волокнистого материала в технологических процессах изготовления из него бумаги, влиянием его на свойства получаемой бумажной массы и готовой бумаги.

Сорность целлюлозы определяется подсчетом соринок с обеих сторон смоченного образца целлюлозной папки при просвечивании его источником света определенной силы и выражается числом соринок, отнесенных к 1 и1 поверхности. Например, содержание соринок для различных беленых целлюлоз, допускаемое стандартами, может колебаться от 160 до" 450 шт. на 1 м2, а для небеленых целлюлоз -- от 2000 до 4000 шт.

Техническая небеленая целлюлоза пригодна для изготовления многих видов продукции -- газетной и мешочной бумаги, тарного картона и др. Для получения высших сортов писчей и печатной бумаги, где требуется повышенная белизна, используют среднежесткую и мягкую целлюлозу, которую отбеливают химическими реагентами, например хлором, двуокисью хлора, гипохлоритом кальция или натрия, перекисью водорода.

Особо очищенную (облагороженную) целлюлозу, содержащую 92--97 % альфа-целлюлозы (т. е. фракции целлюлозы, нерастворимой в 17,5%-ном водном растворе едкого натра) используют для изготовления химических волокон, в том числе вискозного шелка и высокопрочного вискозного кордного волокна для производства автомобильных шин.

Чистая целлюлоза или клетчатки (от лат. cellula - «клетка») - это вещества также имеющие непосредственное отношение к сахарам. Их молекулы связаны между собой водородными связями (слабое взаимодействие) и образованы из множества (от 2000 до 3000) остатков B-глюкозы. Целлюлоза - является основным составляющим компонентом любой растительной клетки. Она содержится в древесине, в оболочках некоторых плодов (например, семечек подсолнечника). В чистом виде целлюлоза - это порошок белого цвета, в воде не растворимый и не образующий клейстер. Чтобы оценить "на ощупь" чистую целлюлозу можно взять, например, хлопковую вату или белый пух тополей.
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

5. Если растереть в фарфоровой ступке кусочки фильтровальной бумаги (целлюлозы), смоченной концентрированной серной кислотой, и разбавить полученную кашицу водой, а также нейтрализовать кислоту щелочью и, как в случае с крахмалом, испытать раствор на реакцию с гидроксидом меди (II), то будет видно появление оксида меди (I). То есть в опыте произошел гидролиз целлюлозы. Процесс гидролиза, как и у крахмала, идет ступенчато, пока не образуется глюкоза.

2. В зависимости от концентрации азотной кислоты и от других условий в реакцию этерификации вступают одна, две или все три гидроксильные группы каждого звена молекулы целлюлозы, например: n + 3nHNO3 → n + 3n H2O.

Применение целлюлозы.

Получение ацетатного волокна

68. Целлюлоза, ее физические свойства

Нахождение в природе. Физические свойства.

1. Целлюлоза, или клетчатка, входит в состав растений, образуя в них оболочки клеток.

2. Отсюда происходит и ее название (от лат. «целлула» – клетка).

3. Целлюлоза придает растениям необходимую прочность и эластичность и является как бы их скелетом.

4. Волокна хлопка содержат до 98 % целлюлозы.

5. Волокна льна и конопли также в основном состоят из целлюлозы; в древесине она составляет около 50 %.

6. Бумага, хлопчатобумажные ткани – это изделия из целлюлозы.

7. Особенно чистыми образцами целлюлозы являются вата, полученная из очищенного хлопка, и фильтровальная (непроклеенная) бумага.

8. Выделенная из природных материалов целлюлоза представляет собой твердое волокнистое вещество, не растворяющееся ни в воде, ни в обычных органических растворителях.

Строение целлюлозы:

1) целлюлоза, как и крахмал, является природным полимером;

2) эти вещества имеют даже одинаковые по составу структурные звенья – остатки молекул глюкозы, одну и ту же молекулярную формулу (С6H10O5)n;

3) значение n у целлюлозы обычно выше, чем у крахмала: средняя молекулярная масса ее достигает нескольких миллионов;

4) основное различие между крахмалом и целлюлозой – в структуре их молекул.

Нахождение целлюлозы в природе.

1. В природных волоконцах макромолекулы целлюлозы располагаются в одном направлении: они ориентированы вдоль оси волокна.

2. Возникающие при этом многочисленные водородные связи между гидроксильными группами макромолекул обусловливают высокую прочность этих волокон.

Каковы химические и физические свойства целлюлозы

В процессе прядения хлопка, льна и т. д. эти элементарные волокна сплетаются в более длинные нити.

4. Это объясняется тем, что макромолекулы в ней хотя и имеют линейную структуру, но расположены более беспорядочно, не ориентированы в одном направлении.

Построение макромолекул крахмала и целлюлозы из разных циклических форм глюкозы существенно сказывается на их свойствах:

1) крахмал является важным продуктом питания человека, целлюлоза для этой цели использоваться не может;

2) причина состоит в том, что ферменты, способствующие гидролизу крахмала, не действуют на связи между остатками целлюлозы.

69. Химические свойства целлюлозы и ее применение

1. Из повседневной жизни известно, что целлюлоза хорошо горит.

2. При нагревании древесины без доступа воздуха происходит термическое разложение целлюлозы. При этом образуются летучие органические вещества, вода и древесный уголь.

3. В числе органических продуктов разложения древесины – метиловый спирт, уксусная кислота, ацетон.

4. Макромолекулы целлюлозы состоят из звеньев, аналогичных тем, которые образуют крахмал, она подвергается гидролизу, и продуктом ее гидролиза, как и у крахмала, будет глюкоза.

5. Если растереть в фарфоровой ступке кусочки фильтровальной бумаги (целлюлозы), смоченной концентрированной серной кислотой, и разбавить полученную кашицу водой, а также нейтрализовать кислоту щелочью и, как в случае с крахмалом, испытать раствор на реакцию с гидроксидом меди (II), то будет видно появление оксида меди (I).

69. Химические свойства целлюлозы и ее применение

То есть в опыте произошел гидролиз целлюлозы. Процесс гидролиза, как и у крахмала, идет ступенчато, пока не образуется глюкоза.

6. Суммарно гидролиз целлюлозы может быть выражен тем же уравнением, что и гидролиз крахмала: (С6H10O5)n + nН2О = nС6H12O6.

7. Структурные звенья целлюлозы (С6H10O5)n содержат гидроксильные группы.

8. За счет этих групп целлюлоза может давать простые и сложные эфиры.

9. Большое значение имеют азотно-кислые эфиры целлюлозы.

Особенности азотно-кислых эфиров целлюлозы.

1. Они получаются при действии на целлюлозу азотной кислотой в присутствии серной кислоты.

2. В зависимости от концентрации азотной кислоты и от других условий в реакцию этерификации вступают одна, две или все три гидроксильные группы каждого звена молекулы целлюлозы, например: n + 3nHNO3 -> n + 3n H2O.

Общее свойство нитратов целлюлозы – их чрезвычайная горючесть.

Тринитрат целлюлозы, называемый пироксилином, – сильновзрывчатое вещество. Он применяется для производства бездымного пороха.

Очень важными являются также уксусно-кислые эфиры целлюлозы – диацетат и триацетат целлюлозы. Диацетат и триацетат целлюлозы по внешнему виду сходны с целлюлозой.

Применение целлюлозы.

1. Благодаря своей механической прочности в составе древесины используется в строительстве.

2. Из нее изготавливают разного рода столярные изделия.

3. В виде волокнистых материалов (хлопка, льна) используется для изготовления нитей, тканей, канатов.

4. Выделенная из древесины (освобожденная от сопутствующих веществ) целлюлоза идет на изготовление бумаги.

О.А. Носкова, М.С. Федосеев

Химия древесины

И синтетических полимеров

ЧАСТЬ 2

Утверждено

Редакционно-издательским советом университета

в качестве конспекта лекций

Издательство

Пермского государственного технического университета

Рецензенты:

канд. техн. наук Д.Р. Нагимов

(ЗАО «Карбокам»);

канд. техн. наук, проф. Ф.Х. Хакимова

(Пермский государственный технический университет)

Носкова, О.А.

Н84 Химия древесины и синтетических полимеров: конспект лекций: в 2 ч. / О.А. Носкова, М.С. Федосеев. – Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2007. – Ч. 2. – 53 с.

ISBN 978-5-88151-795-3

Приведены сведения, касающиеся химического строения и свойств основных компонентов древесины (целлюлозы, гемицеллюлоз, лигнина и экстрактивных веществ). Рассмотрены химические реакции этих компонентов, которые протекают при химической переработке древесины или при химической модификации целлюлозы. Также приведены общие сведения о варочных процессах.

Предназначен для студентов специальности 240406 «Технология химической переработки древесины».

УДК 630*813. + 541.6 + 547.458.8

ISBN 978-5-88151-795-3 © ГОУ ВПО

«Пермский государственный

технический университет», 2007

Введение………………………………………………………………………	……5
1. Химия целлюлозы………………………………………………………..	…….6
1.1. Химическое строение целлюлозы…………………………………..	.…..6
1.2. Химические реакции целлюлозы……………………………………..	.……8
1.3. Действие растворов щелочей на целлюлозу…………………………	…..10
1.3.1. Щелочная целлюлоза………………………………………….	.…10
1.3.2. Набухание и растворимость технической целлюлозы в растворах щелочей…………………………………………………	.…11
1.4. Окисление целлюлозы………………………………………………..	.…13
1.4.1. Общие сведения об окислении целлюлозы. Оксицеллюлоза…	.…13
1.4.2. Основные направления окислительных реакций……………	.…14
1.4.3. Свойства оксицеллюлозы……………………………………… Химические свойства целлюлозы.	.…15
1.5. Сложные эфиры целлюлозы………………………………………….	.…15
1.5.1. Общие сведения о получении сложных эфиров целлюлозы..	.…15
1.5.2. Нитраты целлюлозы……………………………………………	.…16
1.5.3. Ксантогенаты целлюлозы……………………………………..	.…17
1.5.4. Ацетаты целлюлозы……………………………………………	.…19
1.6. Простые эфиры целлюлозы……………………………………………	.…20
2. Химия гемицеллюлоз……………………………………………………	.…21
2.1. Общие понятия о гемицеллюлозах и их свойствах………………….	.…21
.2.2. Пентозаны……………………………………………………………..	.…22
2.3. Гексозаны………………………………………………………………	…..23
2.4. Уроновые кислоты…………………………………………………….	.…25
2.5. Пектиновые вещества…………………………………………………	.…25
2.6. Гидролиз полисахаридов……………………………………………..	.…26
2.6.1. Общие понятия о гидролизе полисахаридов………………….	.…26
2.6.2. Гидролиз полисахаридов древесины разбавленными минеральными кислотами………………………………………………..	…27
2.6.3. Гидролиз полисахаридов древесины концентрированными минеральными кислотами……………………………………………….	…28
3. Химия лигнина……………………………………………………………..	…29
3.1. Структурные единицы лигнина……………………………………….	…29
3.2. Методы выделения лигнина……………………………………………	…30
3.3. Химическое строение лигнина…………………………………………	…32
3.3.1. Функциональные группы лигнина………………….……………..32
3.3.2. Основные типы связей между структурными единицами лигнина…………………………………………………………………….35
3.4. Химические связи лигнина с полисахаридами………………………..	..36
3.5. Химические реакции лигнина…………………………………………..	….39
3.5.1. Общая характеристика химических реакций лигнина………..	..39
3.5.2. Реакции элементарных звеньев…………………………………	..40
3.5.3. Макромолекулярные реакции…………………………………..	..42
4. Экстрактивные вещества…………………………………………………	..47
4.1. Общие сведения…………………………………………………………	..47
4.2. Классификация экстрактивных веществ………………………………	..48
4.3. Гидрофобные экстрактивные вещества……………………………….	..48
4.4. Гидрофильные экстрактивные вещества………………………………	..50
5. Общие понятия о варочных процессах………………………………….	..51
Библиографический список………………………………………………….	..53

Введение

Химия древесины – это раздел технической химии, изучающий химический состав древесины; химизм образования, строения и химические свойства веществ, составляющих мертвую древесную ткань; методы выделения и анализа этих веществ, а также химическую сущность природных и технологических процессов переработки древесины и ее отдельных компонентов.

В первой части конспекта лекций «Химия древесины и синтетических полимеров», изданной в 2002 г., рассмотрены вопросы, касающиеся анатомии древесины, строения клеточной оболочки, химического состава древесины, физических и физико-химических свойств древесины.

Во второй части конспекта лекций «Химия древесины и синтетических полимеров» рассмотрены вопросы, касающиеся химического строения и свойств основных компонентов древесины (целлюлозы, гемицеллюлоз, лигнина).

В конспекте лекций приведены общие сведения о варочных процессах, т.е. о получении технической целлюлозы, которая используется в производстве бумаги и картона. В результате химических превращений технической целлюлозы получают ее производные – простые и сложные эфиры, из которых производят искусственные волокна (вискозные, ацетатные), пленки (кино-, фото-, упаковочные пленки), пластмассы, лаки, клеи. В этой части конспекта также кратко рассмотрены получение и свойства эфиров целлюлозы, которые нашли широкое применение в промышленности.

Химия целлюлозы

Химическое строение целлюлозы

Целлюлоза – один из важнейших природных полимеров. Это основ-ной компонент растительных тканей. Природная целлюлоза содержится в больших количествах в хлопке, льне и других волокнистых растениях, из которых получают природные текстильные целлюлозные волокна. Хлопковые волокна представляют собой почти чистую целлюлозу (95–99 %). Более важным источ-ником промышленного получения целлюло-зы (технической целлюлозы) служат древесные растения. В древесине различных пород деревьев массовая доля целлюлозы составляет в сред-нем 40–50 %.

Целлюлоза – полисахарид, макромолекулы которого построены из остатков D -глюкозы (звеньев β-D -ангидроглюкопиранозы), соеди-ненных β-гликозидными связями 1–4:

Целлюлоза представляет собой линейный гомополимер (гомополи-сахарид), относящийся к гетероцепным полимерам (полиацеталям). Это стереорегулярный полимер, в цепи которого стереоповторяющимся звеном служит остаток целлобиозы. Суммарную формулу целлюлозы можно представить (С6Н10О5)п или [С6Н7О2 (ОН)3]п . В каждом мономерном звене содержатся три спиртовых гидроксильных группы, из которых одна первичная –СН2ОН и две (у С2 и С3) вторичные –СНОН–.

Концевые звенья отличаются от остальных звеньев цепи. Одно кон-цевое звено (условно правое – нередуцирующее) имеет дополнительный свободный вторичный спиртовый гидроксил (у С4). Другое концевое звено (условно левое – редуцирующее) содержит свободный гликозидный (полуацетальный) гидрок-сил (у С1) и, следовательно, может существовать в двух таутомерных формах – циклической (цолуацетальной) и открытой (альдегидной) :

Концевая альдегидная группа придает целлюлозе редуцирующую (восстанавливающую) способность. Например, целлюлоза может вос-станавливать медь из Сu2+ в Сu+:

Количество восстановленной меди (медное число ) служит качественной характеристикой длины цепей целлюлозы и показывает ее степень окислительной и гидролитической деструкции.

Природная целлюлоза имеет высокую степень полимеризации (СП): древесная – 5000–10000 и выше, хлопковая – 14000–20000. При выделении из растительных тканей целлюлоза несколько разрушается. Техническая древесная целлюлоза имеет СП около 1000–2000. СП целлюлозы определяют главным образом вискозиметрическим методом, используя в качест-ве растворителей некоторые комплексные основания: медноаммиачный реактив(ОН)2, куприэтилендиамин (ОН)2, кадмийэтилендиамин (кадоксен) (ОН)2 и др.

Выделенная из растений целлюлоза всегда полидисперсна, т.е. содер-жит макромолекулы различной длины. Степень полидисперсности целлю-лозы (молекулярную неоднородность) определяют методами фракцио-нирования, т.е. разделения образца целлюлозы на фракции с определенной молекулярной массой. Свойства образца целлюлозы (механическая прочность, растворимость) зависят от средней СП и степени полидисперс-ности.

12345678910Следующая ⇒

Дата публикования: 2015-11-01; Прочитано: 1100 | Нарушение авторского права страницы

studopedia.org — Студопедия.Орг — 2014-2018 год.(0.002 с)…

Структура, свойства, функции полисахаридов (гомо- и гетерополисахариды).

ПОЛИСАХАРИДЫ – это высокомолекулярные вещества (полимеры) , состоящие из большого количества моносахаридов. По составу их делят на гомополисахариды и гетерополисахариды.

Гомополисахариды – полимеры, состоящие из моносахаридов одного вида . Например, гликоген, крахмал построены только из молекул α-глюкозы (α-D-глюкопиранозы), мономером клетчатки (целлюлозы) так же является β-глюкоза.

Крахмал. Это резервный полисахарид растений. Мономером крахмала является α-глюкоза . Остатки глюкозы в молекуле крахмала на линейных участках связаны между собой α-1,4-гликозидными , а в точках ветвления – α-1,6-гликозидными связями .

Крахмал представляет собой смесь двух гомополисахаридов: линейного – амилозы (10-30%) и разветвленного – амилопектина (70-90%).

Гликоген. Это основной резервный полисахарид тканей человека и животных. Молекула гликогена имеет примерно в 2 раза более разветвленное строение, чем амилопектин крахмала. Мономером гликогена является α-глюкоза . В молекуле гликогена остатки глюкозы на линейных участках связаны между собой α-1,4-гликозидными , а в точках ветвления – α-1,6-гликозидными связями .

Клетчатка. Это наиболее распространенный структурный растительный гомополисахарид. В линейной молекуле клетчатки мономеры β-глюкозы соединены между собой β-1,4-гликозидными связями . Клетчатка не усваивается в организме человека, но, ввиду своей жесткости, раздражает слизистую желудочно-кишечного тракта, тем самым, усиливает перистальтику и стимулирует выделение пищеварительных соков, способствует формированию каловых масс.

Пектиновые вещества - полисахариды, мономером которых является D-галактуроновая кислота , остатки которой соединены α-1,4-гликозидными связями. Содержатся в плодах и овощах и для них характерно желеобразование в присутствии органических кислот, что используется в пищевой промышленности (желе, мармелад).

Гетерополисахариды (мукополисахариды, гликозаминогликаны)– полимеры, состоящие из моносахаридов различного вида . По строениюони представляют

неразветвленные цепи построены из повторяющихся дисахаридных остатков , в состав которых обязательно входят аминосахара (глюкозамин, или галактозамин) и гексуроновые кислоты (глюкуроновая, или идуроновая).

Физические, химические свойства целлюлозы

Представляют собой желеподобные вещества, выполняют ряд функций, в т.ч. защитную (слизь), структурную, являются основой межклеточного вещества.

В организме гетерополисахариды не встречаются в свободном состоянии, а всегда связаны с белками (гликопротеины и протеогликаны) или липидами (гликолипиды).

По строению и свойствам делятся на кислые и нейтральные.

КИСЛЫЕ ГЕТЕРОПОЛИСАХАРИДЫ :

В своём составе имеют гексуроновую или серную кислоты. Представители:

Гиалуроновая кислота является основным структурным компонентом межклеточного вещества, способным связывать воду («биологический цемент»). Растворы гиалуроновой кислоты обладают высокой вязкостью, поэтому служат барьером для проникновения микроорганизмов, участвует в регуляции водного обмена, является основной частью межклеточного вещества).

Хондроитинсульфаты.являются структурными компонентами хрящей, связок, сухожилий, костей, клапанов сердца.

Гепарин – антикоагулянт (препятствует свёртыванию крови), обладает противовоспалительным действием, активатор ряда ферментов.

НЕЙТРАЛЬНЫЕ ГЕТЕРОПОЛИСАХАРИДЫ: входят в состав гликопротеинов сыворотки крови, муцинов слюны, мочи и др, построенны из аминосахаров и сиаловых к-т. Нейтральные ГП входят в состав мн. ферментов и гормонов.

СИАЛОВЫЕ КИСЛОТЫ – соединение нейраминовой кислоты с уксусной или с аминокислотой – глицином, входят в состав клеточных оболочек, биологических жидкостей. Сиаловые кислоты определяют для диагностики системных заболеваний (ревматизм, системная красная волчанка).

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.