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 Ц. 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 Ц. служит главным образом строительным материалом и в обмене веществ почти не участвует. Ц. не расщепляется обычными ферментами желудочно-кишечного тракта млекопитающих (амилазой, мальтазой); при действии фермента целлюлазы, выделяемого микрофлорой кишечника травоядных животных, Ц. распадается до D-глюкозы. Биосинтез Ц. 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 Ц.). Методы выделения зависят от типа растительного материала и назначения Ц. 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 Ц.; 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 Ц. из древесины. Из соломы Ц. выделяют хлорно-щелочным методом (последовательной обработкой водным раствором едкого натра и хлором). См. также Целлюлозно-бумажная промышленность.

Структура и свойства целлюлозы. Ц. — волокнистый материал белого цвета, плотность 1,52—1,54 г/см3 (20 °С). Ц. 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 Ц.).

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

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

Ц. 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 Ц. I (природная Ц.) и Ц. II (гидратцеллюлоза).

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

В отсутствие кислорода Ц. 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 Ц. легко этерифицируется и алкилируется; эти реакции широко используются в промышленности для получения простых и сложных эфиров Ц. (см. Целлюлозы эфиры). Ц. реагирует с основаниями; взаимодействие с концентрированными растворами едкого натра, приводящее к образованию щелочной Ц. (мерсеризация Ц.), — промежуточная стадия при получении эфиров Ц. Большинство окислителей вызывает неизбирательное окисление гидроксильных групп Ц. 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 Ц. подвергают при получении вискозы (стадия предсозревания щелочной Ц.); окисление происходит также при отбелке Ц.

Для устранения некоторых недостатков волокон из Ц. (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 Ц. 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 Ц. (хлопковое, лубяные), а также искусственные широко используются в текстильной промышленности. Производные Ц. (главным образом эфиры) применяют как загустители печатных красок, шлихтующие и аппретирующие препараты, стабилизаторы суспензий при изготовлении бездымного пороха и др. Микрокристаллическую Ц. 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.