纤维素醚的合成与应用

2023-11-03 理论教育版权反馈

【摘要】：纤维素分子链上每个脱水葡萄糖单元上均有3个活泼羟基，可发生一系列与羟基有关的化学反应。与纤维素相比，淀粉分子主要是α-（1，4）-D-糖苷键连接而成的大分子，与纤维素分子结构不同的是，淀粉分子既有直链结构，又有支链结构，其结构如图1.4所示。图1.4淀粉的分子结构

早在1838年，法国科学家Anselme Payen发现并命名了纤维素（cellulose）。目前已知纤维素是一种广泛存在于自然界的聚多糖高分子化合物，其化学结构是由纤维素二糖（cellobiose）为重复单元，通过β-（1，4）-D-糖苷键连接而成的线型高分子，每个脱水葡萄糖单元（anhydroglucose unit,AGU）上位于C2、C3和C6原子上的羟基，具有伯醇和仲醇的反应性质，邻近的仲羟基表现出典型的二醇结构特性。纤维素链末端羟基具有不同特性，如C1端羟基具有还原性，而C4末端羟基具有氧化性。它键接的氧和葡萄糖环上的氧主要形成分子内和分子间氢键，并参与降解反应。纤维素分子结构如图1.3所示，其化学结构式为（C6H10O5）n。

图1.3　纤维素的分子结构

从纤维素分子结构不难看出，分子链上存在大量的羟基具有较强反应活性，易于形成分子间和分子内氢键，纤维素分子链易聚集，趋于平行排列而形成结晶性原纤结构。存在于纤维素分子链的氢键对纤维素形态及反应性有重要作用，尤其是C3羟基与邻近分子环上的氧形成的分子间氢键，增强了纤维素分子链的线型完整性和刚性，形成致密的结晶区，同时存在分子链疏松对齐的无定形区，形成两相共存结构，这种特定结构对纤维素物理化学性能存在深远影响。

纤维素分子链上每个脱水葡萄糖单元上均有3个活泼羟基，可发生一系列与羟基有关的化学反应。由于纤维素分子特殊的晶区和非晶区共存的形态结构，决定其反应大多在非均相（heterogeneous）体系进行，如传统的纤维素改性，包括醚化（甲基化、羧甲基化、羟乙基化、羟甲基化等），酯化（硫酸酯化、硝酸酯化、醋酸酯化等）等，在工业上大多采用多相介质进行反应。在进行反应之前，为改善多相反应的不均匀性和提高纤维素反应性能，通常要进行溶胀或活化处理，大多以异丙醇、乙醇等纤维素的溶胀剂和水为反应介质，用碱或酸溶胀纤维素，减弱甚至破坏其分子间氢键，使反应具有均一性。(www.chuimin.cn)

随着研究人员对纤维素反应体系的深入研究，出现较多的均相（homoge-neous）溶剂体系。100多年前就已经发现铜氨溶液能够完全溶解纤维素，但是受溶剂属性的限制，铜氨溶液只能用在测定纤维素聚合度方面。近年来开发出无毒、无污染的新纤维素溶剂体系。如8%～10%NaOH水溶液，NH3/NH4SCN水溶液、ZnCl2水溶液、N-甲基吗啉-N-氧化物（NMMO）、二甲基甲酰胺或二甲基亚砜（DMF或DMSO）/N2O4、LiCl/N,N-二甲基乙酰胺（DMAc）等。这些纤维素溶剂体系尽管对纤维素改性研究带来新的发展方向，能够使产物具有取代度较高、取代均匀等特点，但是成本较高，生产工艺较复杂，仅局限于实验研究，很难得到工业化推广。

与纤维素相比，淀粉分子主要是α-（1，4）-D-糖苷键连接而成的大分子，与纤维素分子结构不同的是，淀粉分子既有直链结构，又有支链结构，其结构如图1.4所示。因此决定了两者的物理化学性能差别很大。

图1.4　淀粉的分子结构

纤维素醚的合成与应用

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