离子液体溶解纤维素的研究

纤维素是一种可生物降解的天然高分子材料,由于纤维素含有大量的分子间和分子内氢键,导致纤维素难溶于水和一般的有机溶剂。现有的溶剂存在稳定性差,具有毒性,难以回收等缺点,对纤维素的加工、利用造成困难,因此,寻找新型绿色溶剂成为纤维素开发的热点和难点。离子液体是一种新型高效绿色溶剂,在一定条件下可以溶解纤维素、角蛋白等生物大分子,离子液体的出现为纤维素的溶解提供了一种环境友好、可生物降解的溶剂体系,具有广阔的应用前景。本文就不同种类离子液体溶解纤维素的溶解度以及影响溶解度几种因素进行了综述,总结了离子液体与纤维素作用机理以及离子液体的回收方法,为纤维素的加工利用提供了理论依据和工业指导。     

离子液体介质中纤维素酶降解纤维素的研究进展

以不可再生资源为原料和能源进行的传统加工工业正面临着资源日益枯竭的现实,所以对可再生资源的研究势在必行。在各种可再生资源中,纤维素生物质是唯一可再生的碳资源,具有取之不尽用之不竭的物质基础,被普遍认为将会部分替代或补充不可再生资源。但由于纤维素的超分子结构,传统的工艺很难将其降解转化,离子液体作为一种新型的绿色溶剂,不仅能够很好地溶解纤维素,同时也是纤维素酶解反应的良好溶剂。综述了国内外离子液体对纤维素溶解、再生以及降解的近期研究成果,分析了其中存在的问题,提出了离子液体降解纤维素的发展方向。     

纤维素在新型绿色溶剂离子液体中的溶解及其应用*

近年来,离子液体作为一种极具应用前景的绿色溶剂受到越来越多的关注。纤维素是自然界中含量最丰富的可再生资源,必将成为未来最重要的工业原料之一。离子液体在纤维素化学领域的应用遵循了绿色化学中开发环境友好溶剂和利用生物可再生资源为原料这两个基本原则,大大拓展了纤维素的工业应用前景,为纤维素资源的绿色应用提供了一个崭新的平台。本文对纤维素在离子液体中溶解的研究进展及其在制备再生纤维素材料、纤维素衍生物及生物乙醇等方面的应用进行了综述。纤维素大分子的降解机理及其控制途径、纤维素晶态结构变化规律及其调控途径、纤维素与固体反应试剂的均相衍生化体系的建立及提高衍生化效率的途径等基础问题仍需要进一步深入研究。     

离子液体中的纤维素溶解、再生及材料制备研究进展

近年来,离子液体作为一类新型的环境友好介质和软功能材料受到了广泛的关注,并被广泛应用于有机合成、催化、电化学、分离分析等领域.其中,离子液体中的纤维素化学是当前离子液体研究的热点领域之一,离子液体的出现也为纤维素化学的进一步发展提供了广阔的空间.离子液体以其低熔点、高稳定性、低蒸汽压、溶解性能可调节等优异的理化性能已被证实为纤维素的有效溶剂,被广泛用于纤维素的溶解、再生及应用研究.综述了离子液体中纤维素的溶解行为,包括纤维素溶解度的影响因素、纤维素在离子液体中的溶解过程、纤维素的溶解及再生机理等,以及离子液体中基于纤维素的新型材料制备研究进展,并对离子液体中纤维素研究存在的问题和未来的发展方向进行了总结和展望.     

纤维素在离子液体中的降解转化

随着社会对能源资源的需求越来越大,生物质资源得到了广泛的重视,世界上存储量最大的生物质资源--纤维素在新兴溶剂离子液体中的降解转化受到了越来越多的关注。本文简要介绍了近几年来纤维素在离子液体中的溶解、单糖(果糖、葡萄糖)在离子液体中脱水转化为5-HMF(5-羟甲基糠醛)和纤维素在离子液体中一步降解转化为5-HMF的研究。指出目前研究存在的缺点与不足,并提出了可能的解决方法。     

离子液体再生纤维素水凝胶的形成机理及其在凝胶电泳中的应用

以离子液体为溶剂,将天然纤维素溶解后,以水作为溶剂浴可再生出一种新型纤维素水凝胶.元素分析和红外光谱测试结果表明得到的纤维素水凝胶中只含有纤维素和水.纤维素水凝胶具有很高的透明度,2mm厚的水凝胶在650 nm处的透光率可以达到80%.应力应变试验结果表明纤维素水凝胶具有可接受的力学强度,能满足一般的应用要求.凝胶电泳的初步实验结果表明纤维素水凝胶可用做凝胶电泳支持物,可成功分离染料甚至蛋白质等目标分子.讨论了再生纤维素水凝胶的形成机理.多种溶剂均可制备相应的纤维素凝胶.研究发现,溶剂的性质将决定相应的纤维素凝胶是否可以形成.如果溶剂分子能够与离子液体混溶,而且溶剂分子中含有活泼氢,则该溶剂将可能在溶剂/纤维素体系中通过氢键构筑出三维网络结构,从而有助于该溶剂纤维素凝胶的形成.     

羧酸根阴离子型功能化离子液体对纤维素的溶解性能

通过两步法合成了1,3-二甲基咪唑乙酸盐([C₁mim][CH₃COO])和1,3-二甲基咪唑羟基乙酸盐([C₁mim][HOCH₂COO])两种羧酸根阴离子型功能化离子液体。 研究了纤维素在这两种离子液体中的溶解性能。 结果表明,阴离子的结构对纤维素的溶解性能有明显影响,在120 ℃下,两种离子液体对纤维素的溶解度分别为19.7%和21.2%。 通过傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、X射线衍射(XRD)以及热重分析(TG)等技术手段对再生纤维素的结构和热稳定性进行表征,表明两种离子液体均为纤维素的直接溶剂,纤维素在溶解及再生过程中晶体结构由I型转变为无定型结构,且热稳定性有所下降。 此外,研究发现溶解温度的提高和溶解时间的延长均会导致再生纤维素聚合度的降低。 所获得的研究结果为纤维素溶剂体系的开发具有指导意义。     

离子液体中催化解聚木质素研究现状

木质素是木质纤维素的重要组成部分,在木质纤维素中的含量达15%～35%,仅次于纤维素.木质素是一种具有无定形复杂结构的高分子芳香聚合物,由三种苯丙烷类单体芥子醇、松柏醇和p-香豆醇的酶促脱氢聚合产生.离子液体(ILs)作为一种功能化介质具有高沸点、难挥发、可设计性等特质,对木质素具有较好的溶解能力,这对木质素转化过程中的均相化意义重大.因此,离子液体中催化转化木质素为高附加值化学品的研究越来越受关注.本文综述了离子液体作为溶剂和催化剂将木质素或木质素模型化合物有效转化为增值芳香化合物的相关研究,分析并展望了该领域面临的挑战和机遇.     

细菌纤维素在室温离子液体中的溶解性能

研究了细菌纤维素(BC)在绿色溶剂1-烯丙基-3-甲基氯代咪唑室温离子液体中的溶解行为,通过偏光显微镜观察了BC在此离子液体中的溶解过程,热失重(TGA)和红外光谱(FT-IR)测试了再生前后BC的性能,探索了BC在离子液体中溶解、再生的可能性和可行性.结果表明:离子液体是BC的优良溶剂,对BC的溶解属于直接溶解,不发生其他的衍生化反应;再生后BC的热稳定性变好,且离子液体可回收利用.     

生物质资源研究的新视野——木质纤维素全溶体系

木质纤维素全溶体系是指具有氢键破坏能力,从而导致木质纤维素溶解的一类特殊溶剂体系。包括有机溶剂全溶体系和离子液体全溶体系。前者主要是基于二甲基亚砜的全溶体系,具体可分为二甲基亚砜/四丁基氟化铵、二甲基亚砜/N-甲基咪唑和二甲基亚砜/氯化锂3种全溶体系。后者则主要是基于咪唑基离子液体的全溶体系,种类较多。这一全新概念的提出为更加便捷地对木质纤维素进行结构鉴定、化学改性和高效利用提供了一个可靠方法。本文对木质纤维素全溶体系的最新研究成果进行了综述。     

复合离子液体中纤维素的催化分解

通过将酸性功能化离子液体与对纤维素具有溶解作用的离子液体进行复合, 构建了一类新型的高效催化纤维素分解的体系, 并采用热重(TG)分析方法, 研究了复合离子液体中纤维素的分解行为. 结果表明: 复合离子液体中纤维素的分解温度明显降低, 溶于离子液体中的纤维素可被酸性离子液体原位催化分解. 纤维素的分解温度受离子液体催化剂的酸性及纤维素在复合离子液体中的溶解度影响明显: 酸性越强, 溶解度越大, 纤维素的分解温度越低.     

Modeling interactions between lignocellulose and ionic liquids using DFT-D

Dissolution of lignocellulose in ionic liquids is a promising route to synthesizing fuels and chemical feedstocks from woody plant materials. While cellulose dissolution is well-understood, less is known about the differences between ionic liquids' interactions with cellulose vs. lignin. This work uses dispersion-corrected density functional theory (DFT-D) to model the interactions of imidazolium chloride ionic liquid anions and cations with (1,4)-dimethoxy-β-D-glucopyranose and 1-(4-methoxyphenyl)-2-methoxyethanol as models for cellulose and the lignin polyphenol, respectively. The cellulose model preferentially interacts with Cl(-), confirming previous experimental and theoretical studies. However, the lignin model has significant π-stacking and hydrogen bonding interactions with imidazolium cation. These results are robust to changes in the computational details, and suggest that the ionic liquid cations play important roles in tuning the relative solubilities of lignin and cellulose. Calculations predict that the extended π-systems of benzimidazolium ionic liquids yield stronger interactions with lignin, showing potential for improved lignocellulose solvents.     

Dissolution capacity and rheology of cellulose in ionic liquids composed of imidazolium cation and phosphate anions

Cellulose is one of the most abundant natural polymer sources, but the applications of cellulose are limited due to difficulty in dissolving cellulose in water and common chemical solvents. In the past decades, ionic liquids have been studied to dissolve cellulose efficiently, sustainably, and in an eco‐friendly manner. In this study, a series of imidazolium‐based ionic liquids were synthesized to explore as solvents for cellulose, including 1,3‐dimethylimidazolium dimethylphosphate ([mmim]dmp), 1‐ethyl‐3‐methylimidazolium dimethylphosphate ([emim]dmp), 1‐butyl‐3‐methylimidazolium dimethylphosphate ([bmim]dmp), 1‐hexyl‐3‐methylimidazolium dimethylphosphate ([hmim]dmp), 1‐ethyl‐3‐methylimidazolium diethylphosphate ([emim]dep), 1,3‐diethylimidazolium diethylphosphate ([eeim]dep), and 1‐butyl‐3‐ethylimidazolium diethylphosphate ([beim]dep). Rheology experiments were conducted to study the flow behavior of cellulose in these ionic liquids and cosolvents. We found that the dissolution capacity of cellulose increases with decreasing viscosity of the solvent and that the rheological properties depend most strongly on the concentration of cellulose dissolved. Systems composed of cellulose in [mmim]dmp, [emim]dmp, and [emim]dep behave as viscoelastic gels, while formulations of cellulose in [bmim]dmp, [hmim]dmp, [eeim]dep, and [beim]dep show viscoelastic liquid behavior. These results will impact development of new solvents for processing of cellulose‐based polymeric materials.     

The Microwave‐Assisted Ionic‐Liquid Method: A Promising Methodology in Nanomaterials

In recent years, the microwave‐assisted ionic‐liquid method has been accepted as a promising methodology for the preparation of nanomaterials and cellulose‐based nanocomposites. Applications of this method in the preparation of cellulose‐based nanocomposites comply with the major principles of green chemistry, that is, they use an environmentally friendly method in environmentally preferable solvents to make use of renewable materials. This minireview focuses on the recent development of the synthesis of nanomaterials and cellulose‐based nanocomposites by means of the microwave‐assisted ionic‐liquid method. We first discuss the preparation of nanomaterials including noble metals, metal oxides, complex metal oxides, metal sulfides, and other nanomaterials by means of this method. Then we provide an overview of the synthesis of cellulose‐based nanocomposites by using this method. The emphasis is on the synthesis, microstructure, and properties of nanostructured materials obtained through this methodology. Our recent research on nanomaterials and cellulose‐based nanocomposites by this rapid method is summarized. In addition, the formation mechanisms involved in the microwave‐assisted ionic‐liquid synthesis of nanostructured materials are discussed briefly. Finally, the future perspectives of this methodology in the synthesis of nanostructured materials are proposed.     

共溶剂存在下N-烯丙基吡啶氯盐离子液体对纤维素的溶解性能研究

采用一步法合成N-烯丙基吡啶氯盐离子液体([APy]Cl),考察其对纤维素的溶解性能.结果发现,在120℃下对棉浆粕(聚合度(DP)=556)的溶解度可高达19.71%,但再生后聚合度为223,热降解严重.通过添加不同种类共溶剂的方法克服此缺点.结果表明,有机溶液(DMSO,DMAc,DMF或吡啶)作为[APy]Cl的共溶剂时,[APy]Cl/DMAc复合溶剂对棉浆粕的溶解效果最佳,100℃下溶解度为15.03%,再生后聚合度为403.此外降低了溶剂成本.但70℃下,溶解度仅为1.36%,溶解能力较弱.继续探讨了[AMIM]Cl作为[APy]Cl的共溶剂时对纤维素的溶解性能,结果表明,70℃下,[APy]Cl/[AMIM]Cl复合溶剂对棉浆粕的溶解度为8.78%,再生后聚合度为516.可知添加上述2种共溶剂均使[APy]Cl在低于自身熔点下形成液体并能够溶解一定量纤维素,拓宽了溶解温度区间及应用平台.对FTIR,XRD和TGA谱图分析,结果表明上述为纤维素的直接溶剂,可将其晶型由Ⅰ型转变成Ⅱ型,再生后热稳定性稍有降低.通过照片和SEM表明再生膜无色透明,结构致密.     

Ionic liquids in enzymatic catalysis and biochemical methods of analysis: Capabilities and prospects

The first Russian review systematizes and discusses the most important and promising published data on the use of ionic liquids in biocatalysis and, especially, biochemical methods of analysis. Studies on the use of ionic liquids as solvents for enzymes, new reaction media for enzymatic reactions, and components of the biosensitive layers of sensors are analyzed. The physical and chemical properties of ionic liquids used in biocatalysis are discussed. The advantages of ionic liquids over the usual solvents in homogeneous and heterogeneous reactions with the participation of enzymes from various classes are demonstrated, procedures for the coimmobilization of biocatalysts and ionic liquids with cellulose onto polymer supports and electrodes are described, and prospects for the use of enzyme-ionic liquid compositions in biochemical methods of analysis are considered.     

以离子液体为介质的纤维素加工与功能化

纤维素作为自然界中储量最大的天然高分子,被认为是未来世界能源与化工的主要原料.但由于分子链间存在丰富氢键网络以及高度结晶的聚集态结构特点,天然纤维素不熔化、难溶解,造成纤维素的加工极其困难,纤维素材料的传统生产工艺复杂且污染严重,极大限制了纤维素材料的广泛应用.近年来,人们发现一些特定结构的离子液体能够高效溶解纤维素,为纤维素的加工和功能化提供了新的多用途平台.本文从"溶解纤维素的离子液体、纤维素溶解机理与溶液性质、以离子液体制备再生纤维素材料和以离子液体为介质合成纤维素衍生物"4个方面详细介绍了本课题组在此领域的研究进展.     

1-烯丙基,3-甲基咪唑室温离子液体的合成及其对纤维素溶解性能的初步研究

随着不可再生资源 (如石油、天然气、煤矿和金属矿藏等 )的急剧耗竭 ,天然高分子的开发与利用日益引起世人的关注 .纤维素作为自然界中最丰富的天然高分子材料 ,其开发与利用一直备受关注[1] .但由于天然纤维素较高的结晶度和分子间和分子内存在大量的氢键 ,使其具有不熔化、在大多数溶剂中不溶解的特点 ,这成为纤维素在应用开发中的最大障碍 .开发有效的纤维素溶剂体系是解决这一难题的关键 .研究较多的纤维素溶剂主要有铜氨溶液、Ｎ 甲基吗啉 Ｎ 氧化物(ＮＭＭＯ)溶剂体系 ,氯化锂 二甲基乙酰胺 (ＬｉＣｌ ＤＭＡＣ)溶剂体系等[2 ] ,而这…     

Cellulose solvent-based pretreatment for corn stover and avicel: concentrated phosphoric acid versus ionic liquid [BMIM]Cl

Since cellulose accessibility has become more recognized as the major substrate characteristic limiting hydrolysis rates and glucan digestibilities, cellulose solvent-based lignocellulose pretreatments have gained attention. In this study, we employed cellulose solvent- and organic solvent-based lignocellulose fractionation using two cellulose solvents: concentrated phosphoric acid [~85?% (w/w) H₃PO₄] and an ionic liquid Butyl-3-methylimidazolium chloride ([BMIM]Cl). Enzymatic glucan digestibilities of concentrated phosphoric acid- and [BMIM]Cl-pretreated corn stover were 96 and 55?% after 72?h at five filter paper units of cellulase per gram of glucan, respectively. Regenerated amorphous cellulose by concentrated phosphoric acid and [BMIM]Cl had digestibilities of 100 and 92?%, respectively. Our results suggested that differences in enzymatic glucan digestibilities of concentrated phosphoric acid- and [BMIM]Cl-pretreated corn stover were attributed to combinatory factors. These results provide insights into mechanisms of cellulose solvent-based pretreatment and effects of residual cellulose solvents and lignin on enzymatic cellulose hydrolysis.