Физика / 10. Физика полимеров

Д.х.н. Грунин Ю.Б., к.х.н. Грунин Л.Ю., асп. Таланцев В.И.,

Марийский государственный технический университет, Россия

Микроструктура поверхности целлюлозы

В связи с тем, что наиболее выраженные реакционные свойства целлюлозы принадлежат её поверхностным молекулам, нетрудно понять, что доминирующая роль в химических, биологических и физико-химических взаимодействиях целлюлозы с реагентами принадлежит именно этим участкам.

В 1984 г. Аталла и Вандерхарт, исследуя образцы целлюлозы методом ЯМР-¹³С под магическим углом, пришли к выводу о существовании двух кристаллических фаз целлюлозы: Iα и Iβ. Iα-целлюлоза находится в поверхностных слоях надмолекулярных образований, а Iβ – в её внутренних областях [1]. Об этом свидетельствуют два сигнала от С(4) (86-91 м.д. и 79-86 м.д.) на спектрограмме ЯМР-¹³С целлюлозы I (рис.1).

Рис.1. Спектр ЯМР-¹³С целлюлозы [1]

В 1997 г. Оно с сотр. [2] предложили схему строения целлюлозы (рис.2), в которой предусмотрены межфибриллярные (мезо-) и внутрифибриллярные (микро-) поры. В этой схеме поверхностные слои кристаллитов играют роль аморфной целлюлозы.

Рис.2. Схема строения целлюлозы [2]

Компьютерное моделирование, проведённое в ряде работ [3], позволило представить схемы упаковок макромолекул в Iα- и Iβ- модификациях целлюлозы. В обеих схемах гидроксиметильные группы находятся в tg-конформации и, кроме того, для них характерны типичные внутри молекулярные связи О(3)–Н···Оʹ(5) и О(2)–Н···Оʹ(6) и межцепочечные связи О(6)–Н···Оʺ(2) и О(3) ···Н–Оʺ(6).

Ченци с сотр. [4] установили, что микрофибриллы древесной целлюлозы, хлопка и валония имеют параллепипедную форму с квадратным сечением. Авторы этой работы и ряда других опубликованных работ применили метод трансмиссионной электронной микроскопии. К аналогичному выводу пришёл и О’Суливан [5].

В работах Ченци с сотр. [4] и Финка с сотр. [6,7], было показано, что слабый изгиб микрофибриллы, её твистирование (скручивание), приводит к нарушению условия Вульфа-Брегга, к искажению дифракционной картины и росту аморфного гало на рентгенограмме. Аналогичный эффект вызывает и диффузное рассеяние рентгеновских лучей на микрокристаллических фрагментах микрофибрилл с относительно низкой взаимной упорядоченностью [8]. Отсюда следует, что метод рентгенодифрактометрии даёт заниженные значения степени кристалличности целлюлозы к.

Используя метод пульсирующего контакта атомно-силовой микроскопии (МПК-АСМ) и трансмиссионной электронной микроскопии (ТЭМ), Хенли с сотр. [9] установили для клеточной стенки водоросли Micrasterias denticulate закручивание (твистирование) микрофибриллы целлюлозы (рис.3,4).

Рис.3. МПК-АСМ-изображения микрофибрилл Micrasterias denticulate [9]	Рис.4. Трансмиссионная электронная микрофотография образца микро-фибриллы Micrasterias denticulate [9]

Обширную информацию о кристаллической структуре Iα-целлюлозы с помощью атомно-силовой микроскопии получили Бейкер с сотр. (2000) [10]. Ими установлено, что полосы, ориентированные под 60° к молекулярной оси, характерны для триклинной структуры целлюлозы, которая соответствует модификации Iα. Кроме того, наблюдалось смещение соседних цепей на четверть длины целлобиозного фрагмента диагональное выравнивание в 60° к оси цепи.

Следует отметить, что по данным Сугуяма [11] в пространстве между двумя Iα-фазами находится Iβ-фаза.

Результаты исследований

Нами были проведены исследования надмолекулярной структуры целлюлозы на установке импульсного магнитного резонанса с рабочей частотой 20 МГц.

Подтверждением существования двухфазности структуры целлюлозы I может служить форма ССИ сухого образца и его Фурье-образа (рис.5).

ССИ сухой целлюлозы	Спектр ЯМР-^1Н сухой целлюлозы
Рис.5. Спектр целлюлозы

Форма сигнала хорошо аппроксимируется функцией:

,

(1)

где: а₁, а₂, а₃, Т₂¹, Т₂², Т₂³ – амплитуды компонент сигнала и их характеристические времена поперечной ЯМР-¹Н-релаксации соответственно; b₁, b₂, b₃ – коэффициенты, учитывающие распределение времён корреляции.

Первое слагаемое в уравнении (1) с Т₂¹≈12 мкс характеризует внутреннюю область микрофибрилл, обозначаемую как Iβ-целлюлоза (дублет Пейка), второе – внешнюю область, обозначаемую как Iα-целлюлоза, с Т₂²≈20 мкс, третье – остаточную воду и, возможно, быстро вращающиеся протонсодержащие группы, расположенные на поверхности Iα-целлюлозы (Т₂³≈100 мкс).

Нами предложена схема строения микрофибриллы целлюлозы [12,13].

Рис.6. Схема продольного разреза микрофибриллы:

1 – кристаллит; 2 – элементарная фибрилла; 3 – микропоры

В основе предлагаемой схемы лежат представления о вхождении в состав так называемых «аморфных» областей целлюлозы, поверхностных молекул её надмолекулярных образований – ламелл, микрофибрилл, элементарных фибрилл, – причем, как уже указывалось, форма этих надструктур близка к параллелепипедной с квадратным поперечным сечением.

Из представленной схемы следует, что микрофибрилла состоит из полностью кристаллических участков (поз.1 на рис.6) и участков, состоящих из более мелких кристаллических образований (поз.2 на рис.6), переходящих в «монокристалл микрофибриллы» (поз.1 на рис.6) и условно названных нами «элементарными фибриллами» (ЭФ). Поскольку ЭФ являются фрагментами «монокристалла микрофибриллы», оба её указанных участка содержат одинаковое количество молекулярных цепей целлюлозы. Элементарные фибриллы разделены микропорами. На их поверхности располагаются активные центры (–ОН и –СООН-группы), создающие электрические поля, поэтому противоположные и одноименно заряженные стенки удерживаются на некотором расстоянии за счёт кулоновского отталкивания. Очевидно, что суммарная площадь поверхности всех «монокристаллов фибриллы» будет меньше суммарной площади поверхности, образованной элементарными фибриллами. Эта разница будет тем больше, чем сильнее диспергирована элементарная фибрилла. Элементарные фибриллы могут неупорядоченно взаимно ориентироваться, скручиваться (твистировать), содержать значительное суммарное количество Iα-целлюлозы, что приводит к невыполнению условий Вульфа-Брэгга при рентгендифрактометрии и, следовательно, к отнесению указанных участков к так называемым «аморфным» областям.

Предлагаемая схема строения микрофибриллы целлюлозы объединяет, на наш взгляд, достоинства большинства предлагаемых моделей и удовлетворяет результатам значительного большинства современных экспериментальных работ по изучению надмолекулярной структуры и физико-химических свойств целлюлозы и её производных.

Результаты исследований по адсорбции паров воды позволили сделать вывод о том, что каждое глюкопиранозное кольцо одной поверхностной молекулы целлюлозы взаимодействует посредством водородной связи с одной молекулой воды. Об этом также свидетельствуют термодинамические и ЯМР-релаксационные исследования, проведённые нами ранее [14], из которых следует, что энергия активации десорбции монослойной воды соответствует энергии одной водородной связи (3,5 ккал/моль). Полученные результаты однозначно доказывают справедливость гипотезы о вхождении поверхностных молекул надмолекулярных образований в так называемую «аморфную область» целлюлозы.

Установлено также то что при высокотемпературном воздействии на целлюлозу происходит частичная трансформация метастабильной Iα-целлюлозы в более стабильную Iβ-фазу.

Исследование методом атомно-силовой микроскопии позволяет установить структуру поверхности исследуемого объекта. Образцы хлопковой целлюлозы, как необработанные, так и обработанные 0,16% раствором серной кислоты в воздушно-сухом состоянии, были исследованы методом полуконтактной атомно-силовой микроскопии.

Структура поверхности хлопковой целлюлозы, как обработанной, так и необработанной раствором серной кислоты малой концентрации исследовать методом полуконтактной атомно-силовой микроскопии. На полученных изображениях (рис.7,8,9,10) видно, что поверхность волокна имеет относительное упорядоченное строение (которое можно назвать макроупорядоченным) с отдельными нарушениями этой упорядоченности. Просматривается спиралевидная структура поверхности, упорядоченное строение поверхностных структур. Наблюдаются поры, поперечные размеры которых порядка 50-70 нм.

Рис.7. Спиралевидная структура поверхности хлопкового волокна	Рис.8. Фрагмент поверхности волокна

Рис.9. Трехмерная проекция фрагмента поверхности исходного хлопкового волокна.	Рис.10. Поверхность волокна хлопковой целлюлозы, обработанной раствором серной кислоты концентрацией 0,16% в течение 5 мин

Методом ИК-спектроскопии изучены изменения, происходящие в структуре поверхностных слоёв целлюлозы с увеличением времени обработки водными растворами слабо концентрированной серной кислотой.

C увеличением времени гидролиза постепенно возрастает интенсивность полос поглощения в области 3600-3200 см^─1 и около 1640 см^─1. Это свидетельствует об увеличении содержания сорбированной воды в обработанных образцах целлюлозы с увеличением времени гидролиза. Для полосы поглощения около 1640 см^─1 отмечено постепенное сглаживание огибающей кривой с увеличением времени гидролиза. Это свидетельствует о более свободных колебаниях сорбированных молекул воды.

В спектрах образцов целлюлозы отсутствует полоса 2914 см^─1. Данная полоса связана с поглощением СН-групп. Отсутствие в спектре целлюлозы полосы 2914 см^─1 может свидетельствовать о высокой степени полимеризации макромолекул, отсутствию олигомеров и низкомолекулярных остатков целлюлозы, а также наличию достаточно жесткой системы водородных связей. В спектре отсутствует полоса поглощения при 2983 см^─1. Отсутствие данной полосы характерно для модификации целлюлозы I. Полосы поглощений при 1431, 1282, 1247, 1236, 1165, 745 см^─1 характерны для модификации целлюлозы I. Отмечено наличие полос поглощений при 1030, 1003, 984 см^─1, характерных для модификации целлюлозы II. [15]. Данный факт может быть объяснен тем, что в исследуемом образце содержится незначительная часть модификации целлюлозы II.

В ИК-спектрах высушенной при 106°С целлюлозы отмечены более резкие переходы в интенсивностях полос поглощения с изменением времени гидролиза, чем в ИК-спектрах воздушно-сухой целлюлозы. Незначительное содержание молекул сорбированной воды способствует лучшему проявлению отдельных колебаний. Наличие полосы поглощения при 844 см^─1 является достаточно надежным критерием наличия группы С¹Н в экваториальном положении по отношению к плоскости пиранозного кольца [16]. Необходимым условием конформационных переходов «С1↔1С» в случае целлюлозы является появление полосы в этой области. Полоса в данной области отсутствует, на основании чего можно сделать вывод об отсутствии вышеуказанных конформационных переходов. Отмечено уменьшение интенсивности полос поглощения при 1430, 1340, 1320 см^─1 с одновременным увеличением полосы поглощения при 900 см^─1. Характер таких изменений может быть связан с переходом целлюлозы из природной модификации в гидратцеллюлозу.

Выводы

Поверхностные слои целлюлозы I представлены в основном Iα-модификацией, между которыми может находиться Iβ-модификация.

При высокотемпературном воздействии на целлюлозу происходит частичная трансформация метастабильной Iα-целлюлозы в более стабильную Iβ-фазу.

С использованием ЯМР-¹Н-релаксации показано наличие в хлопковой целлюлозе трёх фаз: внутренняя область, соответствующая Iβ-целлюлозе; внешняя область, соответствующая Iα-целлюлозе; остаточная вода.

Предложена схема строения микрофибриллы целлюлозы.

Методом атомно-силовой микроскопии показано относительное упорядоченное строение поверхности целлюлозы, наличие спиралевидной структуры поверхности, наличие пор с поперечными размерами порядка 50-70 нм.

С использованием ИК-спектроскопии показано, что с увеличением времени гидролиза хлопковой целлюлозы увеличивается содержание сорбированной воды.

Благодарности

Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки, Государственный контракт №П2261 от 13.11.2009.

Список литературы

[1]	Vanderhart, D.L. Studies of microstructure in native cellulose using solid-state ^13C NMR / D.L. Vanderhart, R.H. Atalla // Macromolecules. – 1984. – V.17. P.1465-1472.
[2]	Ono, H. Spin-lattice relaxation behavior of water in cellulose materials in relation to the tablet forming ability of microcrystalline cellulose particles / H. Ono, M. Inamoto, K. Okajima // Cellulose. – 1997. – V.4. – P.57-73.
[3]	Алёшина, Л.А. Современные представления о строении целлюлозы (обзор) / Л.А. Алешина, С.В. Глазкова, Л.А. Луговская, М.В. Подойникова, А.Д. Фофано. Е.В. Силина // Химия растительного сырья. – 2001. – №1. – С.5–36.
[4]	Chenzy, H. Aspects of cellulose structure. In Cellulose Sources and Exploitation: industrial utilisation biotechnology and physico–chemical properties / H. Chenzy, J.F. Kennedy, G.0. Phillips, P.A. Williams // Chichester. – 1990. – P.3–12.
[5]	O'Sullivan, A.C. Cellulose: the struscture slowly unravels / A.C. O'Sullivan // Cellulose. – 1997. – V.4. – P.173-207.
[6]	Fink, H.-P. The structure of amorphous cellulose as revealed by wide–angle X–ray scattering / H.-P. Fink, B. Philipp, D. Paul, R. Serimaa, T. Paakkari // Polymer. – 1987. – V.28. – P.1265–1270.
[7]	Paakkari, T. The structure of amorphous cellulose / T. Paakkari, R. Serimaa, H.-P. Fink // Acta Polymerica. – 1989. – V.40. – P.731–734.
[8]	Трипп, В.У. Определение кристалличности / В.У. Трипп // Целлюлозы и её производные. – М.: 1974. – 500с.
[9]	Hanley, S.J. Atomic force microscopy and transmission electron microscopy of cellulose from Micrasterias denticulata; evidence for a chiral helical microfibril twist / S.J. Hanley, J.-F. Revol, L. Godbout, D.G. Grey // J. Cellulose. – 1997. – V.4. – P.209-2
[10]	Baker, A.A. New insight into cellulose structure by atomic force microscopy shows the Ia crystal phase at near-atomic resolution / A.A. Baker, W. Helbert, J. Sugiyama, M.J. Miles // Biophysical Journal. – V.79. – 2000. – P.1139-1145.
[11]	Sugiyama,J. Electron microscopic and X–ray diffraction study of cellulose IIII and cellulose I. In Cellulose and Wood / J. Sugiyama, T. Okano // Chemistry and Technology, Proceedings of the Tenth Cellulose Conference (C. Schuerch, ed.). – New York: 1989. – P.119–127.
[12]	Грунин, Ю.Б. Модели надмолекулярной структуры целлюлозы / Ю.Б. Грунин, Л.Ю. Грунин, Е.А. Никольская, В.И. Таланцев // Журнал Казанского государственного университета «Бутлеровские сообщения». – 2010. – Т.20. № 6. – С.35-51.
[13]	Грунин, Ю.Б. Надмолекулярная структура целлюлозы / Ю.Б. Грунин, Л.Ю. Грунин, Е.А. Никольская, В.И. Таланцев, Д.С. Масас // Журнал Казанского государственного университета «Бутлеровские сообщения». – 2011. – Т.24. № 4. – С.35-52.
[14]	Грунин, Ю.Б. Импульсный метод ЯМР для определения термодинамических характеристик адсорбционных процессов в биополимерах / Ю.Б. Грунин, Л.Ю. Грунин, Е.А. Никольская // Журнал физической химии. – 2007. – том 81, №7. – С.1324-1328.
[15]	Жбанков, Р.Г. Инфракрасные спектры целлюлозы и её производных / Р.Г. Жбанков. – Минск: Наука и техника, 1964. – 338 с.
[16]	Жбанков, Р.Г. Инфракрасные спектры и структура углеводов / Р.Г. Жбанков. – Минск: Наука и техника, 1972. – 456 с.