Tế bào gỗ

Cellulose là một hợp chất hữu cơ có công thức (C₆H₁₀O₅)_n, một polysaccharide gồm chuỗi tuyến tính của hàng trăm đến hàng nghìn đơn vị D-glucose liên kết β(1→4). Cellulose là thành phần cấu trúc quan trọng của thực vật lục, nhiều dạng tảo và các oomycete. Một số loài vi khuẩn tiết ra nó để hình thành biofilms. Cellulose là polymer hữu cơ phổ biến nhất trên Trái Đất. Hàm lượng cellulose trong sợi bông là 90%, trong gỗ là 40–50%, và trong gai dầu đã khô là khoảng 57%.

Cellulose chủ yếu được sử dụng để sản xuất giấy và bìa cứng. Một phần nhỏ được chuyển đổi thành các sản phẩm phái sinh khác như cellophane và tơ tổng hợp. Hiện nay, người ta đang phát triển việc chuyển đổi cellulose từ cây trồng năng lượng thành nhiên liệu sinh học như ethanol từ cellulose, để tạo ra một nguồn nhiên liệu tái tạo. Cellulose thường được thu thập từ bột giấy từ gỗ và bông để sử dụng trong công nghiệp.

Một số loài động vật như động vật nhai lại và mối có thể tiêu hóa cellulose nhờ sự hỗ trợ từ vi sinh vật sống trong ruột của chúng, như Trichonympha. Trong dinh dưỡng con người, cellulose là một thành phần không tiêu hóa của chất xơ không hòa tan, có tác dụng làm cho phân người dễ chảy và có thể hỗ trợ quá trình đại tiện.

Tính chất hóa học

Cellulose được hình thành từ các mắt xích β-D-glucose liên kết với nhau bằng liên kết 1,4-glycoside, vì vậy liên kết này thường không bền trong các phản ứng thủy phân.

Cellulose được tạo thành trong cây xanh nhờ quá trình quang hợp của cây:

6nCO₂+5nH₂O→(C₆H₁₀O₅)_n +6nO₂

Phản ứng thủy phân cellulose

Khi đun nóng lâu cellulose với dung dịch acid sulfuric, các liên kết β-glycoside sẽ bị đứt, tạo thành glucose là sản phẩm cuối cùng:

(C₆H₁₀O₅)_n + nH₂O → nC₆H₁₂O₆ (xúc tác H, t)

Phản ứng này được áp dụng trong sản xuất ethanol công nghiệp, bắt nguồn từ nguyên liệu chứa cellulose như vỏ cây, mùn cưa, tre, nứa, v.v...

Phản ứng thủy phân cellulose có thể xảy ra nhờ sự tác dụng của enzyme cellulase có trong hệ tiêu hóa của động vật nhai lại như trâu, bò... Con người không có enzyme này nên không thể tiêu hóa cellulose.

Tác dụng với một số chất bazo

• Phản ứng với NaOH và CS₂. Sản xuất sợi visco:

Cellulose phản ứng với NaOH tạo ra sản phẩm gọi là 'cellulose kiềm', sau đó xử lý tiếp với carbon disulfide sẽ thu được dung dịch cellulose xantogenat:

[C₆H₇O₂(OH)₃]_n (Cellulose) → [C₆H₇O₂(OH)₂ONa]_n (Cellulose kiềm) → [C₆H₇O₂(OH)₂O-CS₂Na]_n (Cellulose xantogenat)

Cellulose xantogenat tan trong dung dịch kiềm nên rất nhớt được gọi là visco. Khi bơm dung dịch nhớt này qua những ống có các lỗ rất nhỏ (φ < 0,1mm) ngâm trong dung dịch H₂SO₄, cellulose xantogenat sẽ bị thủy phân thành cellulose hidrat ở dạng sợi mịn gọi là tơ visco:

[C₆H₇O₂(OH)₂O-CS₂Na]_n (Cellulose xantogenat) + n/2H₂SO₄ → [C₆H₇O₂(OH)₃]_n (Cellulose hydrate) + nCS₂ + Na₂SO₄

Cellulose hydrate có cấu trúc hóa học giống cellulose, nhưng qua quá trình hóa học như trên, chuỗi polymer trở ngắn hơn, bền hóa học kém và dễ hấp nước hơn.

• Tác dụng của dung dịch Cu(OH)₂ trong amonia:

Cellulose tan trong dung dịch Cu(OH)₂ trong amonia được gọi là 'nước Schweitzer' (Schweitzer's Reagent), trong đó Cu chủ yếu tồn tại dưới dạng phức Cu(NH₃)_n(OH)₂. Khi bơm dung dịch này qua ống có lỗ nhỏ ngâm trong nước, phức chất sẽ thủy phân thành cellulose hydrate dưới dạng sợi, được gọi là tơ đồng - amonia.

Phản ứng với một số axit hoặc anhydride axit tạo thành este

• Tác dụng của HNO₃:

Đun nóng cellulose với hỗn hợp HNO₃ và H₂SO₄ đặc, tùy thuộc vào điều kiện phản ứng, một, hai hoặc cả ba nhóm -OH trong mỗi mắt xích C₆H₁₀O₅ có thể được thay thế bằng nhóm -ONO₂ tạo thành các este cellulose nitrat:

[C₆H₇O₂(OH)₃]_n + nHNO₃ → [C₆H₇O₂(OH)₂ONO₂]_n (Cellulose mononitrat) + nH₂O

[C₆H₇O₂(OH)₃]_n + 2nHNO₃ → [C₆H₇O₂(OH)(ONO₂)₂]_n (Cellulose dinitrat) + 2nH₂O

[C₆H₇O₂(OH)₃]_n + 3nHNO₃ → [C₆H₇O₂(ONO₂)₃]_n (Cellulose trinitrat) + 3nH₂O

Hỗn hợp cellulose mononitrat và cellulose dinitrat (hay còn gọi là coloxilin) được sử dụng để tạo màng bảo vệ trên da để bảo vệ vết thương và được áp dụng trong công nghệ cao phân tử như chế tạo nhựa xenluloit, sơn, phim ảnh... Cellulose trinitrat (hay còn gọi là piroxilin) là sản phẩm dễ cháy và nổ mạnh, được sử dụng làm chất nổ cho mìn, lựu đạn... và trong chế tạo thuốc súng không khói.

• Tác dụng của (CH₃CO)₂O: Cellulose phản ứng với anhydrit axetic với sự có mặt của H₂SO₄ như là chất xúc tác có thể tạo thành cellulose mono-, di-, hoặc triacetat. Ví dụ:

[C₆H₇O₂(OH)₃]_n + 3n(CH₃CO)₂O → [C₆H₇O₂(OCOCH₃)₃]_n (cellulose triacetat) + 3nCH₃COOH

Trong công nghiệp, cellulose triacetat và cellulose diacetat được sử dụng kết hợp hoặc riêng lẻ để sản xuất phim ảnh và sợi acetat. Ví dụ, hòa tan hai este này trong hỗn hợp aceton và ethanol, sau đó bơm dung dịch qua các lỗ nhỏ để tạo thành chùm sợi và thổi không khí nóng (55 - 70C) qua chùm sợi này để làm bay hơi aceton, ta thu được sợi mảnh gọi là tơ acetat. Tơ acetat có đặc tính đàn hồi, bền và đẹp.

• Hợp chất cao phân tử
• Bột giấy

Liên kết ngoài

• Cellulose (cấu trúc tế bào thực vật) tại Encyclopædia Britannica (tiếng Anh)
• 'Cellulose' . Encyclopædia Britannica. Tập 5 (ấn bản lần thứ 11). 1911.
• Cấu trúc và hình thái của cellulose bởi Serge Pérez và William Mackie, CERMAV-CNRS
• Cellulose, bởi Martin Chaplin, Đại học London South Bank
• Mô tả rõ ràng về phương pháp đo lường cellulose tại đơn vị Sinh học sợi bông của USDA.
• Các bộ phim cellulose có thể cung cấp cánh và cơ bắp nhân tạo rẻ tiền cho robot - TechnologyReview.com