Celuloză (Latină cellula - celulă) este numele celui mai comun biopolimer molecular înalt în natură. Este o moleculă organică mare de carbohidrați liniari (neramificați) de origine biologică, care este compusă din blocuri repetitive numite monomeri.

Lanțurile de celuloză sunt principalul element structural al fiecăruia perete celular pe fiecare celula plantei . Conținutul de celuloză din lemnul speciilor de arbori ajunge până la 50%, iar în dispozitivele de propagare ale unor plante poate ajunge la aproape 100%, precum în puful de plopi, maci sau bumbac.

Celuloză - construcție

Monomerii, construirea moleculei de celuloză se numesc monozaharide Compuși aparținând grupului de glucide . Toți monomerii sunt de același tip: β-1,4-glucoză și sunt sub formă de inele piranotice cu formă de hexoză ciclică și un heteroatom oxigen (reziduuri β-D-glucopiranoză). Uniformitatea blocurilor de construcție monomerice clasifică macromoleculele de celuloză ca fiind homopolimeri. Monozaharidele sunt produse în părțile verzi ale plantelor în timpul procesului fotosinteză .

La fiecare doi monomeri sunt conectați între ei prin legătura glicozidică, format ca urmare a unei reacții de condensare (deshidratare), în care se formează dizaharida celobioză. Conexiunea este de tip 1-4. Aceasta înseamnă că o monozaharidă participă cu gruparea sa hidroxil glicozidică (-OH) situată în poziția 1 și cealaltă cu gruparea sa hidroxil din poziția 4.

Procesul de legare a monomerilor într-un lanț se repetă de multe ori și se numește polimerizare. Continuă să producă o moleculă mare de celuloză, care este un polimer din clasă polizaharide . Polimerizarea are loc pe suprafața membranelor celulare vegetale în complexe enzimatice speciale (a se vedea Perete celular ).

Celobioza poate fi considerată ca unitatea elementară a fiecărei molecule de celuloză, deoarece include și legătura glicozidică. Pentru bloc de construcție elementar cu toate acestea, ar trebui luat în considerare β-D-glucopiranoză (β-glucoză).

celuloză sunt

4 - O - β - D-glucopiranozil - β - D - glucopiranoză (celobioză reprezentată de formulele lui Howard)

Greutatea moleculară a unei molecule de celuloză poate varia în intervalul 100.000 - 1.000.000, iar numărul monomerilor poate ajunge la 5 - 6.000. Formula empirică a macromoleculei de celuloză este (C6H10O5) n, adică. compoziția sa chimică include numai elemente chimice carbon, oxigen și hidrogen în rapoartele indicate. Hidroliza parțială a celulozei produce glucoză și celobioză, iar hidroliza completă produce numai glucoză .

Moleculele de celuloză sunt dispuse în paralel pentru a forma fibrile și se leagă între ele prin legături de hidrogen . Acesta este secretul puterii și capacității lor semnificative de a forma fibre.

Structura moleculei de celuloză

Formulele Howard utilizate mai sus pentru a reprezenta resturile de celuloză, celobioză și β-D - glucopiranoză nu reflectă spațial forma conformațională a hexozelor ( izomerie conformațională ).

S-a constatat că este similar cu ciclohexanul, glucoză poate ocupa o conformație a scaunului, care este, de asemenea, cea mai stabilă dintre cele trei forme. În funcție de localizarea substituenților în spațiu, cel mai eficient din punct de vedere energetic este cel în care atomii de hidrogen sunt dispuși axial și grupările hidroxil sunt ecuatorial.

β - glucoză (β - D - glucopiranoză) în conformația scaunului - orientarea spațială a inelului și a înlocuitorilor

Blocurile elementare de la ambele capete diferă ușor în ceea ce privește proprietățile lor de toate celelalte de-a lungul lanțului. Monomerul de la un capăt care conține o grupare hidroxil glicozidică nereacționată (grup hemiacetal) se numește reduce. Se numește monomerul de la capătul opus al lanțului nereducătoare.

Gruparea hidroxil hemiacetală este o formă latentă a grupării aldehidă (-CHO) a glucozei neciclice. Reactivitatea sa are ca rezultat reducerea proprietăților celulozei.

Orientarea spațială a macromoleculei de celuloză

Conformația macromoleculei de celuloză datorită modificărilor spațiale ale monomerilor și rotației unităților în jurul legăturilor glicozidice. Ca urmare, orice moleculă suficient de lungă poate lua o formă dreaptă sau pliată.

Partea lanțului polimeric în care rotația monomerilor individuali este dificilă, dar are, în general, libertate de rotație față de restul lanțului de celuloză, se numește segment. Cu cât lanțul este mai inflexibil, cu atât dimensiunea segmentului este mai mare.

Lanțurile de celuloză sunt printre cei mai duri polimeri, dar au totuși o flexibilitate semnificativă. Numeroși joacă, de asemenea, un rol în acest sens legături de hidrogen, care se formează între grupările hidroxil din cadrul moleculei și între moleculele adiacente.

Forma Molecula de celuloză poate fi diferită în funcție de faptul dacă este prezentă într-un preparat solid sau în soluţie . În soluții, interacțiunile intermoleculare slăbesc și cresc gradele de libertate și intensitate de rotație a monomerilor.

Mărimea macromoleculei individuale de celuloză are, de asemenea, legătură cu conformația spațială. Lanțurile mai mari au mai multe oportunități de contact cu moleculele vecine și acest lucru afectează dispunerea spațială și asimetria moleculară.

Activitatea de reacție a celulozei

Datorită prezenței multor grupări hidroxil, celuloza prezintă activitatea de reacție a alcool polivalent. Se dizolvă într-un complex cupru-amoniac datorită formării compușilor complexi cu ioni Cu (II). În soluții de baze alcaline și se obțin alcoolați de celuloză. Formele de celuloză esteri cu acizi diferiți și eteri cu halogenuri de alchil. La nitrarea celulozei cu un amestec de concentrat acid azotic și acid sulfuric se obțin nitrați de celuloză (mono-, di și trinitrați). Astfel se obține piroxilină. Esterii sunt preparați prin acetilare cu anhidridă acetică. Sunt folosite pentru a produce fibre artificiale (mătase acetat) și materiale plastice necombustibile.

Structura supramoleculară

Macromoleculele cu lanț de celuloză se pot asocia între ele agregate cu grade diferite de ordine ca urmare a influenței interacțiunilor intermoleculare. Aceste agregate se află în echilibru dinamic, formându-se altele noi și dezintegrându-se cele deja create. Datorită mărimii proprii, lanțurile de biopolimeri pot dura mult timp într-o stare agregată.

Contactul dintre agregatele de celuloză se datorează interacțiunii intermoleculare a lanțurilor situate în straturile exterioare ale agregatelor vecine. Acest contact este, de asemenea, îmbunătățit de prezența circuite de trecere celuloza, în care o parte pătrunde într-una și o altă parte intră într-un al doilea agregat. Agregatele individuale se pot asocia și în formațiuni supramoleculare mai mari.

Există două tendințe principale în structura supramoleculară a celulozei - căutarea ordinii și căutarea haosului. Când lanțurile polimerice au o structură regulată, acestea prezintă un grad mai mare de ordine, formându-se astfel secțiuni într-o formă similară cu zăbrele de cristal (macrocristale - micele).

Stabilitatea și natura cristalină a structurii sunt menținute prin interacțiuni chimice și fizico-chimice între lanțuri. Cele mai semnificative dintre acestea sunt legăturile de hidrogen. Acestea afectează proprietățile mecanice ale celulozei. În celuloza umedă, legăturile de hidrogen sunt slăbite, iar macromoleculele sale devin mai mobile unul față de celălalt.

Zonele cu ordine ridicată alternează cu secțiuni amorfe, în care moleculele sunt relativ mai puțin ordonate. Ele sunt considerate ca două stări de fază diferite. În timp, celuloza amorfă se transformă în celuloză cristalină. Din acest motiv, se presupune că starea cristalină este echilibrul celor două, iar celuloza este un polimer stereoregular foarte orientat, cu o structură cristalină având neomogenitate (cristale defecte).

Elemente de structură supramoleculară

Structura supramoleculară a celulozei poate fi împărțită condiționat în niveluri structurale, fiecare nivel având propriile sale unități structurale elementare.

Celula cristalografică elementară

Celulă cristalografică de celuloză - lanțurile de celuloză sunt situate de-a lungul axei b. Imaginea folosește formulele lui Howard pentru o mai bună vizibilitate, dar în realitate unitățile de glucoză se află pe scaunul conformației.

Se numesc unitățile elementare care alcătuiesc secțiunile de cristal celule cristalografice elementare și au o lungime de puțin peste un nanometru. Sunt cristale monoclinice, ceea ce înseamnă că fiecare dintre cele trei dimensiuni ale acestora are o dimensiune diferită, dar cel puțin două dintre cele trei sunt reciproc perpendiculare. O celulă de celuloză cristalografică conține două reziduuri de celobioză din două lanțuri diferite de celuloză sau un total de 4 reziduuri de glucoză.

Modelul propus de Meyer și Mish pentru o celulă cristalografică este un paralelipiped prin ale cărui margini trec patru lanțuri de celuloză în paralel și un alt paralel cu cele patru, dar prin centrul de greutate al paralelipipedului. Cele trei lanțuri exterioare aparțin de fapt celulelor cristaline adiacente. Rezultă că pe fiecare celulă cristalină există două lanțuri și respectiv două reziduuri de celobioză.