Целлюлоза

Целлюлоза (франц. cellulose, от лат. cellula, буквально — комнатка, клетушка, здесь — клетка), клетчатка, один из самых распространённых природных полимеров (полисахарид); главная составная часть клеточных стенок растений, обусловливающая механическую прочность и эластичность растительных тканей. Так, содержание целлюлозы в волосках семян хлопчатника 97—98%, в стеблях лубяных растений (лён, рами, джут) 75—90%, в древесине 40—50%, камыше, злаках, подсолнечнике 30—40%. Обнаружена также в организме некоторых низших беспозвоночных.

  В организме целлюлоза служит главным образом строительным материалом и в обмене веществ почти не участвует. Целлюлоза не расщепляется обычными ферментами желудочно-кишечного тракта млекопитающих (амилазой, мальтазой); при действии фермента целлюлазы, выделяемого микрофлорой кишечника травоядных животных, целлюлоза распадается до D-глюкозы. Биосинтез целлюлозы протекает с участием активированной формы D-глюкозы.

  Выделение целлюлозы из природных материалов основано на действии реагентов, растворяющих или разрушающих содержащиеся в растительных тканях нецеллюлозные компоненты (белки, жиры, воски, смолы, лигнин, а также полисахариды — спутники целлюлозы). Методы выделения зависят от типа растительного материала и назначения целлюлозы. Основные из них: щелочная варка (обработка растительных материалов разбавленным раствором едкого натра под давлением с последующей отбелкой — обработкой окислителями, например гипохлоритом натрия), применяемая главным образом для получения хлопковой целлюлозы; сульфитная варка (обработка под давлением водными растворами бисульфита кальция, магния, натрия или аммония, содержащими небольшое количество свободного SO2) и сульфатная варка (обработка под давлением водным раствором смеси едкого натра и сульфида натрия), используемые для выделения целлюлозы из древесины. Из соломы целлюлозу выделяют хлорно-щелочным методом (последовательной обработкой водным раствором едкого натра и хлором). См. также Целлюлозно-бумажная промышленность.

  Структура и свойства целлюлозы. Целлюлоза — волокнистый материал белого цвета, плотность 1,52—1,54 г/см3 (20 °С). Целлюлоза растворима в т. н. медно-аммиачном растворе [раствор амминкупрум (II)-гидроксида в 25%-ном водном растворе аммиака], водных растворах четвертичных аммониевых оснований, водных растворах комплексных соединений гидроокисей поливалентных металлов (Ni, Со) с аммиаком или этилендиамином, щелочном растворе комплекса железа (III) с виннокислым натрием, растворах двуокиси азота в диметилформамиде, концентрированной фосфорной и серной кислотах (растворение в кислотах сопровождается деструкцией целлюлозы).

  Макромолекулы целлюлозы построены из элементарных звеньев D-глюкозы, соединённых 1,4-b-гликозидными связями в линейные неразветвлённые цепи:

  Средняя степень полимеризации целлюлозы изменяется в широких пределах; например, для целлюлозы вискозного волокна она составляет 300—500, для целлюлозы хлопкового волокна и лубяных волокон — 10—14 тыс. (вискозиметрия. метод или по данным определения в ультрацентрифуге). Целлюлоза отличается значительной полидисперсностью по молекулярной массе; характер кривых молекулярно-массового распределения зависит от вида исходного целлюлозосодержащего материала и способа выделения из него целлюлозы.

  Целлюлозу обычно относят к кристаллическим полимерам. Для неё характерно явление полиморфизма, т. е. наличие ряда структурных (кристаллических) модификаций, различающихся параметрами кристаллической решётки и некоторыми физическими и химическими свойствами; основными модификациями являются целлюлоза I (природная целлюлоза) и целлюлоза II (гидратцеллюлоза).

  Целлюлоза имеет сложную надмолекулярную структуру. Первичный элемент её — микрофибрилла, состоящая из нескольких сотен макромолекул и имеющая форму спирали (толщина 35—100 , длина 500—600  и выше). Микрофибриллы объединяются в более крупные образования (300—1500 ), по-разному ориентированные в различных слоях клеточной стенки. Фибриллы «цементируются» т. н. матриксом, состоящим из др. полимерных материалов углеводной природы (гемицеллюлозы, пектина) и белка (экстенсина).

  Гликозидные связи между элементарными звеньями макромолекулы целлюлозы легко гидролизуются под действием кислот, что является причиной деструкции целлюлозы в водной среде в присутствии кислых катализаторов. Продукт полного гидролиза целлюлозыглюкоза; эта реакция лежит в основе промышленного способа получения этилового спирта из целлюлозосодержащего сырья (см. Гидролиз растительных материалов). Частичный гидролиз целлюлозы протекает, например, при выделении её из растительных материалов и при химической переработке. Неполным гидролизом целлюлозы, осуществляемым таким образом, чтобы деструкция происходила только в малоупорядоченных участках структуры, получают т. н. микрокристаллическую «порошковую» целлюлозу — белоснежный легкосыпучий порошок.

  В отсутствие кислорода целлюлоза устойчива до 120—150 °С; при дальнейшем повышении температуры природные целлюлозные волокна подвергаются деструкции, гидратцеллюлозные — дегидратации. Выше 300 °С происходит графитизация (карбонизация) волокна — процесс, используемый при получении углеродных волокон.

  Вследствие наличия в элементарных звеньях макромолекулы гидроксильных групп целлюлозы легко этерифицируется и алкилируется; эти реакции широко используются в промышленности для получения простых и сложных эфиров целлюлозы (см. Целлюлозы эфиры). Целлюлоза реагирует с основаниями; взаимодействие с концентрированными растворами едкого натра, приводящее к образованию щелочной целлюлозы (мерсеризация целлюлозы), — промежуточная стадия при получении эфиров целлюлозы. Большинство окислителей вызывает неизбирательное окисление гидроксильных групп целлюлозы до альдегидных, кето- или карбоксильных групп, и только некоторые из окислителей (например, йодная кислота и её соли) — избирательное (т. е. окисляют ОН-группы у определённых атомов углерода). Окислительной деструкции целлюлозу подвергают при получении вискозы (стадия предсозревания щелочной целлюлозы); окисление происходит также при отбелке целлюлозы.

  Для устранения некоторых недостатков волокон из целлюлозы (невысокой эластичности, нестойкости к действию микроорганизмов, горючести) и придания им новых ценных свойств осуществляют модификацию целлюлозных материалов методами привитой полимеризации или обработкой тканей из целлюлозных волокон полифункциональными соединениями (например, метилольными производными мочевины, эпоксисоединениями). Т. о. получают малосминаемые ткани из целлюлозных волокон (главным образом хлопка), а также ионообменные, негорючие, гемостатические и бактерицидные материалы. См. также Волокна химические.

  Применение целлюлозы. Из целлюлозы производят бумагу, картон, разнообразные искусственные волокна — гидратцеллюлозные (вискозные волокна, медноаммиачное волокно) и эфироцеллюлозные (ацетатное и триацетатное — см. Ацетатные волокна), плёнки (целлофан), пластмассы и лаки (см. Этролы, Гидратцеллюлозные плёнки, Эфироцеллюлозные лаки). Природные волокна из целлюлозы (хлопковое, лубяные), а также искусственные широко используются в текстильной промышленности. Производные целлюлозы (главным образом эфиры) применяют как загустители печатных красок, шлихтующие и аппретирующие препараты, стабилизаторы суспензий при изготовлении бездымного пороха и др. Микрокристаллическую целлюлозу используют в качестве наполнителя при изготовлении лекарственных препаратов, как сорбент в аналитической и препаративной хроматографии.

 

  Лит.: Никитин Н. И., Химия древесины и целлюлозы, М. — Л., 1962; Краткая химическая энциклопедия, т. 5, М., 1967, с. 788—95; Роговин З. А., Химия целлюлозы, М., 1972; Целлюлоза и ее производные, пер. с англ., т. 1—2, М., 1974; Кретович В. Л., Основы биохимии растений, 5 изд., М., 1971.

  Л. С. Гальбрайх, Н. Д. Габриэлян.

 


ПраймКемикалсГрупп