關(guān)于半纖維素化學(xué)改性的研究概述

摘 要：半纖維素作為一種可再生的綠色資源，已經(jīng)成為許多行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)工業(yè)原料的替代品。半纖維素自身的性質(zhì)特點限制了其在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的發(fā)展，通過化學(xué)改性可以擴(kuò)展其應(yīng)用范圍。本文主要介紹了半纖維素的基本結(jié)構(gòu)特點，詳細(xì)闡述了酯化改性和醚化改性的研究發(fā)展?fàn)顩r，并對半纖維素的未來發(fā)展進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：半纖維素；酯化改性；醚化改性

進(jìn)入二十一世紀(jì)以后，資源的可再生化成為人類進(jìn)步與發(fā)展的迫切要求之一。半纖維素因其具有豐富以及可再生的特點，已經(jīng)成為近年來人們研究與關(guān)注的重點。半纖維素在植物界的地位是非常高的，是除纖維素以外儲量最高的植物資源。因此，如果可以將半纖維素加以改性與利用，則其可以作為新的環(huán)保型原料取代大部分傳統(tǒng)的工業(yè)原料，一方面可以提高資源的利用率，另一方面可以降低對環(huán)境造成的破壞。目前，半纖維素的分離、改性以及應(yīng)用已經(jīng)成為發(fā)展半纖維素的關(guān)鍵所在，本文主要圍繞半纖維素的化學(xué)改性進(jìn)行概述，介紹其研究進(jìn)展。

1半纖維素簡介

1.1半纖維素的基本性質(zhì)

半纖維素最主要的性質(zhì)是結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。半纖維素結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性主要是由于其氫鍵數(shù)量較大，并且化學(xué)結(jié)構(gòu)形式多變。因此，一般來說，半纖維素是不溶于水的，官能團(tuán)的種類也很大程度上影響半纖維素的性質(zhì)，這使得半纖維素在實際應(yīng)用時會遇到許多問題，因而限制了半纖維素在工業(yè)方面的應(yīng)用與發(fā)展，目前來說，半纖維素的改性成為其研究重點。

1.2半纖維素的基本結(jié)構(gòu)

半纖維素的基本組成單位一般是非晶戊糖（C5H8O4）n和己糖（C6H10O5）n，但是半纖維素的分子量不是特別大，屬于低分子量聚合物。半纖維素按照結(jié)構(gòu)來分可以分為均一聚糖和非均一聚糖。均一聚糖為直鏈結(jié)構(gòu)，以β—1→4的方式進(jìn)行連接。組成半纖維素的糖單元種類較多，主要包括D—木糖、L—阿拉伯糖、D—葡萄糖、D—半乳糖等，每種半纖維素所含有的糖單元不是唯一的，通常一種半纖維素含有2～4種糖單元，含有相同糖單元的半纖維素因為其糖單元的連接方式不同而導(dǎo)致半纖維素的種類不同?？梢?，半纖維素的種類是極其豐富的。特別是在木材及非木材植物的細(xì)胞壁里的半纖維素結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，主要原因是它們在與其他物質(zhì)進(jìn)行連接時所采取的連接方式是不同的，例如與纖維素連接是通過氫鍵，與木素進(jìn)行連接是通過共價鍵等。另外，半纖維素與纖維素最大的不同在于其合成方式。前者采用生物合成，后者采用葡萄糖—UDP合成。

2 半纖維素的化學(xué)改性

半纖維素的化學(xué)改性主要有兩種方式：酯化改性和醚化改性。通過化學(xué)改性可以最大限度的對半纖維素的性質(zhì)進(jìn)行改善，從而可以提高半纖維素的利用率，使其的應(yīng)用范圍得到了很大的拓展。

2.1酯化改性

半纖維素的酯化改性是指將半纖維素上的羥基與酸進(jìn)行反應(yīng)生成半纖維素酯。乙酰化反應(yīng)是最常見的酯化反應(yīng)之一?；瘜W(xué)改性根據(jù)介質(zhì)的不同可以分為異向介質(zhì)改性和均相介質(zhì)改性兩種，前者化學(xué)改性的性價比較低，因而在工業(yè)上沒有得到大范圍的應(yīng)用。后者不但可以提高半纖維素化學(xué)改性的效率與成功率，而且可以大大降低化學(xué)改性的成本，成為眾多學(xué)者的研究方向之一。

孫潤倉教授在半纖維素均相介質(zhì)中的酯化改性進(jìn)行了大量的實驗摸索，發(fā)現(xiàn)用N—溴丁二酰亞胺（NBS）作為催化劑，可以大大提高半纖維素酯化反應(yīng)的效率，并且與傳統(tǒng)所采用的催化劑二甲氨基吡啶相比，對反應(yīng)條件的要求以及成本均得到了大幅度降低。這為半纖維素酯化改性的工業(yè)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。另外，半纖維素的酯化反應(yīng)可以來增加半纖維素的親水能力或者疏水能力，因而實現(xiàn)對半纖維素的改性。親水能力的實現(xiàn)一般是通過與長鏈酰氯類酯化劑的反應(yīng)，疏水能力的實現(xiàn)一般是通過與丁二酸的反應(yīng)。通過對半纖維素的親水與疏水能力的改性，可以提高半纖維素在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用潛力，例如作為金屬螯合劑以及除油劑等的使用。

2.2醚化改性

半纖維素的醚化改性是指將半纖維素上的羥基與烷基進(jìn)行反應(yīng)生成半纖維素醚。合成羧甲基半纖維素是半纖維素醚化改性的主要研究方向。全金英等人利用羧甲基化反應(yīng)對半纖維素進(jìn)行改性，實現(xiàn)了對反應(yīng)產(chǎn)物取代度的控制，主要的控制方式是調(diào)節(jié)一氯醋酸和氫氧化鈉的摩爾比。Fang等人實現(xiàn)了半纖維素90%左右的自由羥基被甲基化，但是該醚化反應(yīng)的取代度較低，因為半纖維素的潤脹性較差?？梢詫崿F(xiàn)較高的羥基取代率的典型物質(zhì)是苯甲基醚，并且苯甲基醚的性質(zhì)穩(wěn)定，具有一定的反應(yīng)活性。A.Ebringerov等人利用醚化反應(yīng)制備出了聚木糖衍生物，該物質(zhì)具有一定的乳化性和蛋白泡沫穩(wěn)定性，但是同樣的，其取代度并不是特別高。

3 半纖維素的應(yīng)用

3.1在生物和醫(yī)藥上的應(yīng)用

在生物和醫(yī)藥上的應(yīng)用最多的半纖維素主要是指木聚糖，木聚糖的分離方式較為容易，并且來源極其廣泛，例如廢棄的農(nóng)業(yè)物以及果皮果殼等。阿拉伯木聚糖可以應(yīng)用于醫(yī)學(xué)上的免疫刺激功能，40—甲基葡萄糖醛酸木糖在醫(yī)學(xué)上可以應(yīng)用于惡性腫瘤的治療與抑制方面，羧甲基木聚糖已經(jīng)成為國內(nèi)比較前沿的新型治療癌癥的藥物之一。除此之外，半纖維素在關(guān)節(jié)炎以及膀胱炎等疾病的治療上也應(yīng)用較多。同時，隨著對半纖維素的改性研究，可以大大提高半纖維素在生物和醫(yī)藥上的應(yīng)用潛力。

3.2在造紙工業(yè)上的應(yīng)用

在造紙工業(yè)上，半纖維素可以作為造紙助劑使用，主要包括打漿助劑和濕部助劑。半纖維素作為打漿助劑使用時是因為半纖維素的羥基較多，易吸水膨脹，因而可以使得纖維素的吸水性增加，提高纖維素的韌性，制造出來的紙張具有致密度高和透明度低的優(yōu)點。作為濕部助劑的使用與打漿助劑的原理是相似的，都是可以增加纖維的彈性，但是另一方面也使得紙張的強(qiáng)度有一定程度的降低。

結(jié)語

半纖維素的化學(xué)改性使得半纖維素在工業(yè)上的應(yīng)用范圍得到了極大的拓展，但是目前來看，化學(xué)改性的研究還處于起步階段，對于化學(xué)改性的反應(yīng)機(jī)理以及溶解機(jī)理等研究還缺乏一定的深度，這也是限制半纖維素實際應(yīng)用的主要原因之一。因此，必須要加大對半纖維素化學(xué)改性的基礎(chǔ)研究，為半纖維素的工業(yè)應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。

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作者簡介：施瑋，男，安徽省安慶市人，1993-03-12，池州學(xué)院，247000，本科，研究方向：高分子材料與工程，地址：安徽省池州市教育園區(qū)池州學(xué)院。