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ESCUELA UNIVERSITARIA DE INGENIERIA TECNICA INDUSTRIAL. UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA CARACTERIZACIÓN DE RESIDUOS INSOLUBLES DE ACETILACIÓN DE CELULOSAS AUTOR DEL PROYECTO: CRISTINA SABATÉ GAYÁN DIRECTOR DEL PROYECTO: FERNANDO NAVARRO GOMEZ DEPARTAMENTO DE QUÍMICA ORGÁNICA Caracterización de residuos insolubles de acetilación de celulosas 2 INDICE: CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS .............................................. 3 1.1 Introducción ................................................................................................................................. 3 1.2 Objetivos ....................................................................................................................................... 5 1.3 Estructura del proyecto: .............................................................................................................. 6 CAPÍTULO 2 LA CELULOSA ......................................................................... 8 2.1 Polisacáridos naturales: Celulosa ............................................................................................... 8 2.2 Biosíntesis de la celulosa. ........................................................................................................... 10 2.3 Estructura de las fibras de celulosa .......................................................................................... 12 2.3.1 El nivel molecular ................................................................................................................... 13 2.3.2 La estructura supramolecular .................................................................................................. 17 2.3.3 El nivel macroestructural o morfológico ................................................................................. 24 2.4 Estructuras microfibrilares de celulosa de algas, tunicados y bacteriana. .......................... 31 2.4.1 Celulosa de algas y tunicados. ................................................................................................. 31 2.4.2 Celulosa bacteriana.................................................................................................................. 33 2.5 Celulosa microcristalina y nanocelulosa (celulosa microfibrilada y nanocristales de celulosa). .................................................................................................................................................... 36 2.5.1 Celulosa microcristalina. ......................................................................................................... 36 2.5.2 Nanocelulosa: celulosa microfibilada y celulosa nanocristalina ............................................. 38 2.6 El mecanismo heterogéneo de disolución de celulosay sus derivados. ................................... 41 CAPÍTULO 3 PARTE EXPERIMENTAL. RESULTADOS Y DISCUSIÓN. ... 47 3.1 Introducción. .............................................................................................................................. 47 3.2 Resultados y Discusión. .............................................................................................................. 48 CAPÍTULO 4 CONCLUSIONES ................................................................... 74 Caracterización de residuos insolubles de acetilación de celulosas 3 CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS 1.1 Introducción La celulosa es el material biorrenovable más abundante, con una amplia base tecnológica establecida [24-25]. Sus productos derivados presentan una gran variedad y cantidad de importantes aplicaciones en numerosas industrias, entre las que cabe destacar las de, papel, fibras, membranas, polímeros, etc. [26-27]. Los esteres de celulosa y en especial, los acetatos de celulosa son productos industriales con muchas aplicaciones comerciales bien conocidas como fibra textil, filtros de cigarrillos, membranas de filtración, soporte de películas fotográficas, etc. [28-31]. En la actualidad, existe una voluntad creciente de mejorar los procesos establecidos de derivatización de la celulosa y de desarrollar materiales celulósicos nuevos, dado que la celulosa es un recurso extraordinariamente abundante, además de renovable y biodegradable y que por consiguiente, sus derivados pueden presentar un impacto ambiental mucho menor que los polímeros obtenidos de fuentes fósiles. No obstante, muchas de las tecnologías utilizadas normalmente en el procesamiento de celulosa son consideradas no verdes. Particularmente, los procesos de obtención de acetatos de celulosa exigen un esfuerzo continuado de investigación básica. En este sentido, este proyecto es continuación de otro proyecto fin de carrera EUITIZ [32], que revisó algunos de los principales nuevos métodos de acetilación de celulosa aparecidos en la bibliografía en los últimos cinco años y que aparentemente, suponen mejoras considerables de los procesos convencionales, especialmente desde el punto de vista medioambiental [33- 46]. En este proyecto se pretende continuar con el estudio iniciado en dicho PFC anterior [32], de aquellos procesos que producen una baja degradación de la celulosa, utilizando disolventes y catalizadores de bajo impacto medioambiental. En particular, el método que utiliza yodo como catalizador [38-46]. Caracterización de residuos insolubles de acetilación de celulosas 4 La acetilación de celulosa se puede realizar en ausencia de disolvente con catalizador yodo, que no presenta impacto ambiental negativo y puede recuperarse fácilmente. Sin embargo, hemos podido comprobar que al ser un catalizador poco efectivo requiere del empleo de cantidades elevadas del mismo, además de temperaturas elevadas y/o tiempos de reacción elevados. En especial, comprobamos que las temperaturas elevadas producen una considerable reducción del peso molecular de la celulosa. Además, durante la acetilación no se conserva la estructura fibrosa original de la celulosa [41-42]. Por tanto, en este proyecto se continua con el estudio del método desarrollado en el PFC anterior [32], que consiste en la acetilación de celulosa en fase sólida con yodo como catalizador, conservando intacta la totalidad de la estructura fibrosa de la celulosa y sin reducción de su peso molecular. El estudio de la acetilación en fase sólida de celulosa con yodo, se realizará en comparación con métodos convencionales de acetilación de celulosa, que emplean pequeñas cantidades de catalizadores ácidos minerales fuertes y muy efectivos, como el ácido perclórico. Principalmente, las comparaciones las realizaremos con el proceso de acetilación en fase sólida catalizada con HClO4, que a temperatura ambiente, permite conservar la estructura fibrosa de la celulosa y evita el consumo de los reactivos y el uso de disolventes adicionales para la precipitación de los acetatos de celulosa disueltos en el medio de reacción de los procesos homogéneos [25-27]. En particular, este PFC se centra en el estudio comparativo de los subproductos de estas dos reacciones de acetilación de celulosas. Estos subproductos son oligómeros peracetilados solubles en acetona y residuos insolubles de celulosa sin acetilar, celulosa acetilada parcialmente y celulosa degradada. Caracterización de residuos insolubles de acetilación de celulosas 5 Principalmente, se trata de conocer la influencia de las diferentes variables de la reacción de acetilación en la cantidad, proporción y composición de estos subproductos. La caracterización de los residuos insolubles de celulosa sin reaccionar, celulosa parcialmente acetilada y celulosa degradada, se realiza mediante microscopia óptica con luz polarizada. Estas celulosas presentes en los residuos insolubles, muestran diferentes formas, birrefringencias, solubilidades y comportamientos distintos frente a los disolventes, que permiten caracterizarlas con el microscopio óptico con luz polarizada. 1.2 Objetivos El objetivo principal de este proyecto consiste en llegar a comprender la influencia que las diferentes variables de la reacción de acetilación de celulosa tienen en la aparición de ciertos subproductos de reacción. Especialmente, los oligómeros peracetilados solubles en acetona y sobre todo, los residuos insolubles en diclorometano. Estos últimos presentan una composición compleja, cuyos componentes principales se pueden agrupar en las siguientes tres clases generales: celulosa sin reaccionar, celulosa parcialmente acetilada y celulosa degradada. Incluso pequeñas modificaciones de cualquiera de las variables de la activación y acetilación de celulosa producen cambios significativos en las cantidades, proporciones y composición de estos subproductos y en particular, en las correspondientes de los residuos insolubles de celulosa. Por consiguiente, resulta esencial disponer de un método práctico de caracterización de estos residuos insolubles. Este es el otro objetivo principal de este proyecto. Es decir, desarrollar y utilizar de forma rutinaria y eficaz la microscopia óptica con luz polarizada, como método de caracterización de los complejos residuos insolubles de la acetilación de celulosas. Estos objetivos principales se dividen en los siguientes parciales: Caracterización de residuos insolubles de acetilación de celulosas 6 1.- Efecto de las diferentes condiciones de activación y acetilación de diferentes celulosas (celulosas de algodón de diferentes orígenes y celulosa microcristalina). Como activantes se emplean ácido acético y agua. La reacción de acetilación se realiza en fase sólida, a temperatura ambiente, con ácido perclórico como catalizador y tolueno como no disolvente. 2.- Efecto de las diferentes condiciones de activación y acetilación de diferentes celulosas (celulosas de algodón de diferentes orígenes y celulosa microcristalina). Como activantes se emplean ácido acético y agua. La reacción de acetilación se realiza a 50ºC, con yodo como catalizador y tolueno como no disolvente. 3.- Caracterización mediante microscopía óptica con luz polarizada de los productos de las reacciones anteriores y en especial los residuos insolubles en diclorometano. 4.- Estudio detallado mediante microscopía óptica con luz polarizada, de la microestructura de las fibras parcialmente acetiladas presentes en los residuos insolubles en diclorometano. 1.3 Estructura del proyecto: El proyecto consta de las siguientes partes: 1º.- La primera parte (capítulo 2) consiste en una introducción elemental a la estructura y propiedades de la celulosa y sus principales derivados. En este capítulo, es de particular interés el último apartado que introduce muy brevemente, los diferentes mecanismos de hinchado y disolución de fibras de celulosa y derivados 2º.- La segunda parte (capítulo 3), es la parte experimental del proyecto, en la que se exponen en forma de 10 tablas las condiciones y los resultados obtenidos de los experimentos realizados, siempre tratando de analizarlos, explicarlos y discutirlos. Caracterización de residuos insolubles de acetilación de celulosas 7 En este capítulo se presentan, como caracterización detallada de los residuos insolubles, algunas microfotografías representativas de las fibras parcialmente acetiladas de diferentes residuos insolubles en diclorometano. 3º.- En la tercera parte (capítulo 4), se exponen las conclusiones obtenidas. 4º.- Bibliografía. Caracterización de residuos insolubles de acetilación de celulosas 8 CAPÍTULO 2 LA CELULOSA 2.1 Polisacáridos naturales: Celulosa Los glúcidos son las biomoléculas más abundantes en la naturaleza y sus unidades básicas son los monosacáridos. La condensación covalente de monosacáridos permite obtener moléculas de mayor tamaño, los oligosacáridos, que están formados por 2-20 monosacáridos y los polisacáridos con más de 20 monosacáridos (macromoléculas). Monosacáridos: Los monosacáridos son polihidroxialdehídos o polihidroxicetonas. El más abundante es la dextrosa. Oligosacáridos: Los oligosacáridos más sencillos y más representativos desde el punto de vista biológico, son los disacáridos. Los disacáridos se forman por la unión de dos monosacáridos a través de un enlace covalente, el enlace glucosídico. Este enlace se da entre un hemiacetal y un alcohol. El disacárido más conocido es la sacarosa o azúcar de caña, formado por los azúcares de D-glucosa y D-fructosa. Polisacáridos: Son glúcidos que contienen más de 20 unidades de monosacáridos. Los polisacáridos no tienen una masa molecular específica sino que muestran una gama de pesos moleculares relativos muy distintos, porque la cantidad de monosacáridos que los componen varía. Los distintos polisacáridos difieren en la cantidad, naturaleza de sus unidades repetitivas, en los tipos de enlace entre las unidades y en su grado de ramificación. Los polisacáridos formados por un solo tipo de monosacárido, se denominan homopolisacáridos y los formados por dos o más tipos, heteropolisacáridos. La posibilidad de más de un enlace glucosídico por monosacárido, permite que se produzcan estructuras ramificadas. Los polisacáridos naturales más abundantes y mejor conocidos son el almidón, la celulosa, el glucógeno y la quitina. Las funciones biológicas de los polisacáridos son: elemento estructural de vegetales y madera (celulosa) y del esqueleto animal (quitina) y almacenamiento de energía (almidón y glucógeno). Glucógeno: La molécula de glucógeno está formada por 8 a 12 glucosas unidas por enlace 1- 4 con ramificaciones en 1- 6. En los mamíferos el glucógeno es acumulado en el citoplasma de células del hígado y del músculo como reserva de carbono y energía. Caracterización de residuos insolubles de acetilación de celulosas 9 Almidón: El almidón constituye alrededor del 65% de la materia seca de los granos de cereales y es muy abundante en tubérculos como la papa. La mayoría de los almidones contienen de 20 a 30% de amilosa y de 70 a 80% de amilopectina y se almacenan dentro de los cloroplastos, reserva a corto plazo, o en amiloplastos, reserva a largo plazo, en forma de gránulos. Quitina: La quitina es también un polisacárido estructural que constituye el exoesqueleto de los artrópodos y es uno de los componentes principales de las paredes celulares de los hongos. Esta molécula, no ramificada, está formada por residuos de N-acetil glucosamina unidos por enlace 1-4. Figura 1:Quitina Celulosa: Es el polisacárido más ampliamente distribuido en la naturaleza. Es sintetizado por plantas, algas, bacterias y animales marinos y es el principal constituyente de la materia vegetal. Se encuentra en plantas, madera y fibras naturales, por lo general, combinada con otras sustancias (lignina, hemicelulosas, pectinas, etc.). La madera contiene aproximadamente un 50% de celulosa. Es un polímero lineal compuesto por unidades de glucosa (anhidroglucosa o anhidroglucopiranosa), unida por enlaces β-glucosídicos. Se encuentra en forma prácticamente pura únicamente, en las fibras de algodón y en las secreciones extracelulares (celulosa bacteriana) de ciertas especies de bacterias como por ejemplo, acetobacter. Figura 2: Celulosa Caracterización de residuos insolubles de acetilación de celulosas 16 Figura 8. Tabla 2. En la tabla 2 puede observarse que los DPs más elevados corresponden a celulosa de algas de la clase Valonia (25 – 27 ·103), esto no es debido únicamente a su origen, sino también al suave proceso de aislamiento de la celulosa de las algas. Sobre todo, si lo comparamos con los drásticos procesos mecánico - químicos comúnmente empleados en el aislamiento de la celulosa de la madera. El DP de la celulosa bacteriana es muy elevado (16 – 20 ·103) sin embargo, solo el mero proceso de secado de los geles de celulosa producidos por Acetobacter xylinum reduce su DP a 1/3. c) Enlaces hidrógeno intramoleculares Los 3 grupos hidroxilo de la AGU son capaces de interactuar y formar puentes de hidrógeno por medio de interacciones intramoleculares e intermoleculares. La fuerza de estos enlaces de hidrogeno es de alrededor de 25 KJ/mol (fuerzas de Van der Waals 0,15 KJ/mol y enlace covalente O-H 460 KJ/mol) Caracterización de residuos insolubles de acetilación de celulosas 17 Figura 9: enlaces de hidrógeno más probables en la celulosa. Estos enlaces de hidrógeno intramoleculares son los principales responsables de la rigidez de las cadenas de celulosa. Aunque, la conformación silla del anillo de piranosa de la unidad AGU y los enlaces β-glucosídicos favorecen también, la rigidez y linealidad de la macromolécula. 2.3.2 La estructura supramolecular Debido a la constitución química y conformación espacial, las cadenas de celulosa tienen una fuerte tendencia a agregarse y alinearse en entidades altamente ordenadas como son las fibrilas, microfibrilas y macrofibrilas. La base molecular de esta tendencia a formar estructuras ordenadas es una extendida red de enlaces de hidrogeno, los enlaces intramoleculares e intermoleculares mencionados anteriormente. Puede entenderse gráficamente viendo la figura 9. Los enlaces de hidrógeno intermoleculares son los principales responsables de Caracterización de residuos insolubles de acetilación de celulosas 18 la cohesión entre cadenas de celulosa, esta cohesión se ve favorecida por la alta regularidad espacial de los puentes de hidrogeno y por la participación de los tres grupos hidroxilo en la red de enlaces de hidrógeno. a) La estructura fibrilar Como se discutió anteriormente, en las plantas superiores, la celulosa se sintetiza en la membrana plasmática por un anillo de seis complejos dispuestos sobre seis enzimas de celulosa sintasa (CESAs): el complejo de la celulosa sintasa (CSC), también llamado "roseta". En este reactor, salen seis cadenas adyacentes, producidas por cada uno de los seis complejos CESAs, que probablemente comiencen a asociarse por fuerzas de Van der Waals y finalmente se unan por puentes de hidrogeno. Esta primera unidad básica se llama “fibrilla elemental”. Estas unidades se unen hasta que la fibra se va haciendo más y más grande y forma la pared celular. Las fibrilas elementales, conformadas por seis cadenas de glucano, se agregan en microfibrilas, que consisten en 36 a 90 cadenas de glucano en las plantas de tierra y en algunas algas verdes, es decir, seis o más fibrilas elementales, sin embargo, en algunas algas verdes, como Valonia Macrophysa, las microfibrilas pueden contener hasta 1400 cadenas de glucano. La dimensión de las microfibrilas es altamente dependiente de la estructura del CSC. La agregación de las fibrilas elementales en microfibrilas forma unidades cristalinas llamadas cristalitas elementales. En la figura 8 se representa lo anteriormente dicho de manera gráfica. Caracterización de residuos insolubles de acetilación de celulosas 19 Figura 10. La figura 11 ilustra una representación de un modelo que trata de describir la organización interna de la estructura fibrilar. Este asume regiones amorfas y cristalinas ordenadas según un modelo de micela a franjas. En una micela coexisten franjas de zonas cristalinas alineadas, agrupadas en haces y embebidas en una matriz amorfa. Según este modelo, las fibrilas elementales se agregan en cristalitas elementales formando microfibrilas y macrofibrilas, esta supraestructura cohesionada por la red de puentes de hidrogeno presenta defectos como las zonas desordenadas de la microfibrila, los intersticios entre fibrilas en las microfibrilas y los grandes espacios vacios entre microfibrilas en las macrofibrilas. Caracterización de residuos insolubles de acetilación de celulosas 20 Figura 11. Dependiendo del origen de las microfibrilas, sus diámetros varían ampliamente, normalmente de 2 a 20 nm, pero pueden alcanzar hasta varios cientos de nm. Como no incluyen pliegues de las cadenas de celulosa y presentan un número muy bajo de defectos, cada microfibrila se puede considerar compuesta de una serie de franjas cristalinas alternando con zonas amorfas (o zonas cristalinas menos ordenadas). Las microfibrilas aisladas, presentan un modulo y resistencia a la tracción similares al de un cristal perfecto de celulosa nativa (150 GPa y 10 GPa, respectivamente, valores parecidos a los de Kevlar y fibras de carbono). b) Polimorfismo de la celulosa La celulosa presenta diferentes formas cristalinas, o polimorfismos, dependiendo de su origen natural o de los tratamientos artificiales a que es sometida. La figura 10 muestra un esquema resumido que ilustra el polimorfismo de la celulosa. Figura 12. Se conocen cuatro polimorfos o alomorfos, Celulosas I II, III y IV, y han sido identificadas subclases para todas (p.ej. celulosa Iα y celulosa Iβ), excepto para la celulosa II. La forma molecular y el modo general de empaquetamiento en estas diferentes formas son similares. La celulosa nativa se presenta casi por completo, como la forma I y se transforma en la forma II mediante un proceso de importancia industrial (mercerizado). Las formas III y IV tienen una importancia práctica mucho menor. La celulosa Iα y la celulosa Iβ son dos formas diferentes o alomorfos de celulosa I que tienen similares sistemas de enlaces de hidrógeno y empaquetamiento cristalino. Caracterización de residuos insolubles de acetilación de celulosas 21 Celulosa Iα es metaestable y se puede transformar mediante tratamiento térmico (anelado) en la fase celulosa Iβ termodinámicamente más estable. La mayor parte de las celulosas nativas son mezclas de estos dos alomorfos de celulosa I, en una proporción que varía ampliamente según las especies [8-11]. La celulosa Iβ es la más importante en las plantas superiores y los animales marinos tunicados, mientras que la celulosa Iα es la más importante en organismos más primitivos como algas y bacterias. La celulosa Iα está presente únicamente en un 10- 20% en las plantas celulósicas superiores como por ejemplo, en el algodón y en animales marinos Halocynthia. Sin embargo, también existen sistemas bifásicos que contienen elevadas cantidades de las dos fases, como en la pared celular del alga verde Microdictyon tenuius donde coexisten simultáneamente en dos fases, celulosa Iα y celulosa Iβ, dentro de la misma microfibrila en dominios discretos bien definidos. Parece ser que en este caso, los dominios de Iα y Iβ alternan a lo largo de cada microfibrila, mientras que en Valonia o Cladophora, la situación es más complicada, pues en estas algas dominios de Iα y Iβ (dominios discretos de unos tamaños sustanciales y bien separados) aparecen a lo largo y a lo ancho de las microfibrilas. En estos casos se ha encontrado que la fase Iα es más reactiva que la Iβ frente a la acetilación y degradación enzimática y por el contrario, durante su desacetilación la fase termodinámicamente más estable Iβ aparece más rápidamente. [8-15]. Tabla 2. Estos dos alomorfos celulosa Iα y celulosa Iβ, se pueden convertir de forma irreversible en la forma más estable celulosa II, mediante mercerización o regeneración. Ampliamente empleado desde hace más de 150 años, el proceso de mercerizado consiste en tratar el algodón tejido con álcali diluido (típicamente en el laboratorio NaOH 18%, una hora a 0ºC - 25ºC), lavarlo (neutralizarlo) y secarlo. Mediante este tratamiento, los tejidos adquieren una apariencia sedosa, su resistencia a la tensión aumenta considerablemente y se produce una drástica modificación Caracterización de residuos insolubles de acetilación de celulosas 22 polimórfica del estado cristalino, que va de la celulosa I a la celulosa II. La misma forma cristalina celulosa II se obtiene cuando las disoluciones de celulosa nativa (forma I) se precipitan, hilan o regeneran (así que esta forma se conoce también como celulosa regenerada y celulosa mercerizada) o cuando acetato de celulosa se desacetila mediante saponificación [5]. La celulosa mercerizada es menos reactiva que la nativa y únicamente resulta más reactiva que la I, por ejemplo frente a la acetilación, si se activa previamente con agua o con acido acético (con ácido acético requiere de un tiempo prolongado). Otro proceso industrial de mucha menor importancia, que afecta profundamente a las propiedades de los tejidos de algodón es el tratamiento con amoniaco líquido, que mejora su suavidad y facilidad de teñido. En este caso, la modificación polimórfica del estado cristalino, va de la celulosa I a la celulosa IIII.y de la celulosa II a la celulosa IIIII. El tratamiento (hinchado) de celulosa con amoniaco líquido o con aminas, diaminas o poliaminas, produce este cambio de fase y resulta, un procedimiento muy efectivo para aumentar la accesibilidad y reactividad de la celulosa cristalina (celulosa I y celulosa II) al convertirse en la forma celulosa III. Las moléculas de estos disolventes hinchan la celulosa al penetrar en sus cristales, produciendo no solo una drástica distorsión de los cristales, sino que también modifican la conformación de los grupos hidroximetileno (-CH2OH) dentro de la red cristalina. De manera, que cuando de los cristales hinchados se retiran estas moléculas, dejan una morfología cristalina distorsionada (arrugada) y los grupos hidroximetileno desordenados. Es decir una estructura más accesible a las moléculas de reactivos. Actualmente, se sabe que la celulosa I y la celulosa II están formadas por cadenas de celulosa empaquetadas paralelas y antiparalelas, respectivamente. Sin embargo, no se comprende cómo se produce esta transición irreversible sin un estado intermedio de dispersión de las cadenas de celulosa. (Paralelas quiere decir por ejemplo, que los grupos terminales reductores de las cadenas quedan siempre en el mismo lado, dentro de los dominios cristalinos. Mientras que antiparalelas, es cuando quedan alternando uno a cada lado). Aunque la forma termodinámicamente más estable es la celulosa II esta forma es producida naturalmente por muy pocos organismos (principalmente algas marinas y ciertas bacterias mutantes de Gluconacetobacter xylinum). Por ejemplo, la bacteria productora de celulosa Acetobacter xylinum, produce dos tipos de entramados de Caracterización de residuos insolubles de acetilación de celulosas 23 celulosa con dos diferentes estructuras cristalinas (celulosa I y celulosa II), dependiendo del medio de cultivo. En el medio de Hestrin-Schramm a 28ºC, la célula bacteriana extrude un entramado de fibrillas de celulosa en forma de cinta paralelo al eje axial de la célula. Esta cinta esta retorcida en forma de α-hélice y contiene cristales de celulosa Iα (64%) y celulosa Iβ (36%). Por el contrario, esta misma bacteria y en este mismo medio pero a 4ºC (o a 28ºC pero con este medio solidificado), produce un entramado de celulosa en forma de bandas que contiene cristales del tipo de celulosa II. [16]. c) Enlaces hidrógeno intermoleculares Como se explicó en el apartado 3.3.1 c, las moléculas de celulosa podrían tener uno o dos enlaces de hidrógeno intramoleculares. Esto deja la posibilidad de una vinculación por otro enlace de hidrogeno intramolecular entre el hidroxilo O-3-H y el O- 6 de la cadena vecina. El empaquetamiento de las cadenas de celulosa es pues, un empaquetamiento muy denso, donde los hidroxilos en los cristales no son fácilmente accesibles. Figura 13: enlaces de hidrogeno intramoleculares e intermoleculares en celulosa I y celulosa II Caracterización de residuos insolubles de acetilación de celulosas 24 En celulosa I, la posición de los hidroxilos favorece la formación de enlaces de hidrógeno intermoleculares. Los enlaces intramoleculares son similares a la celulosa I, en consecuencia, la celulosa II es más densa y las moléculas de celulosa están fuertemente unidas con una longitud promedio de enlace más corto que en celulosa I. 2.3.3 El nivel macroestructural o morfológico a) Estructura de la pared celular de las fibras naturales de celulosa La morfología de la celulosa puede ser entendida como una arquitectura bien organizada de elementos fibrilares. En las fibras naturales de celulosa se encuentra con una jerarquía de las entidades fibrilares, generalmente organizada en diferentes capas que difieren en su textura. Las microfibrilas y macrofibrilas representan las unidades de construcción de la arquitectura de la pared celular de las fibras de celulosa. Esta morfología de la pared celular se caracteriza por diferentes capas en la textura fibrilar, como se muestra esquemáticamente en la figura 14. [6] Figura 14: esquema de la arquitectura morfológica de una fibra de algodón y de madera. Las dos fibras están formadas de capas de celulosa de distinto grosor y diferente orientación microfibrilar. A pesar del diferente origen y función de estas fibras de celulosa, tienen muchas similitudes morfológicas en su arquitectura. Ambas consisten en fibras de diferentes capas. En la capa exterior, la pared primaria, llamada P, las fibrilas, de unos 10 nm de diámetro, se colocan en sentido transversal a una capa de alrededor de 50 Caracterización de residuos insolubles de acetilación de celulosas 25 nm. Este posicionamiento en cruz posiblemente impide una inflamación de la pared secundaria interior. La pared secundaria (S) se compone de dos capas, S1 y S2, el espesor de la capa S1, en el caso del algodón, es de unos 100 nm, en el caso de una fibra de celulosa de la madera, de 300 nm. Las fibrilas están alineadas en paralelo formando una hélice, la dirección de la cual será la opuesta en la siguiente capa. La capa S1 puede impedir la inflamación de la capa S2 debajo de ella. El espesor de esta capa asciende a varios µm, y por tanto contiene la mayor parte de la masa de celulosa. En la fibra de algodón, existe una estructura en capas de S2 debido a las fluctuaciones de la densidad durante el crecimiento, con una distancia media de 100- 200 nm. Finalmente la ultima capa, llamada la capa terciaria (T) en las fibras de madera y S3 en las de algodón, no siempre está presente, es muy delgada (menos de 100 nm) y tiene las fibrilas alineadas en una espiral plana. Microfibril diameter (nm) Bacterial cellulose 4 - 7 Cotton linters 7 - 9 Ramie 10 - 15 Disolving pulp 10 - 30 Valonia cellulose 10 - 35 Tabla 3: rango de diámetros de las microfibrilas en distintos tipos de celulosa. b) Componentes de la pared celular de las fibras de celulosa La pared primaria es la más compleja de la pared celular, además de celulosa y hemicelulosa, puede contener pectinas (30%), proteínas (20%) y ácidos fenólicos. Las microfibrilas de celulosa están colocadas aleatoriamente y unidas a hemicelulosa por puentes de hidrogeno, que ayudan al posicionamiento de las microfibrilas, las proteínas ayudan a la elongación de la pared primaria. Se supone que las proteínas Caracterización de residuos insolubles de acetilación de celulosas 32 red de microfibrilas de un ancho 20 -30 nm) de una partícula de celulosa de alga Cladophora, con la de una partícula de celulosa microcristalina de algodón [27-28]. Figura 23: celulosa de alga Cladophora. Figura 24: celulosa microcristalina de algodón. Aunque actualmente se conocen bien pocas celulosas de algas, la celulosa extraída del alga Valonia se ha estudiado extensivamente y se caracteriza por presentar un grado de polimerización y de cristalinidad muy elevados. Las siguientes imágenes SEM muestran las microfibrilas de la pared celular de dos diferentes algas verdes Valonia ventricosa. Caracterización de residuos insolubles de acetilación de celulosas 33 Figura 25. Figura 26. 2.4.2 Celulosa bacteriana. Las bacterias aeróbicas (del vinagre) Acetobacter xylinum (y otros géneros, Agrobacterium, Gluconacetobacter, Rhizobium y Sarcina) extruyen nanofibrilas de celulosa pura extracelular (sin hemicelulosa ni lignina) que se agregan, formando un gel fuertemente hidratado que contiene más del 99% de agua. La siguiente figura muestra (c) una imagen SEM de Gluconacetobacter xylinum produciendo una fibra de celulosa por agregación de numerosas microfibrilas (cintas de 50 nm de ancho), las flechas indican el grosor de estas microfibrilas. [29] Caracterización de residuos insolubles de acetilación de celulosas 34 Figura 27. Las células de Gluconacetobacter xylinum tienen en sus membranas mas de cien poros que extruyen una cadena de celulosa cada uno. 36 de estas cadenas se agregan para formar una fibrila elemental o nanofibrila en forma de cinta plana (de una anchura 7-13 nm). Alrededor de 50 de estas cintas nanofibrilares se unen mediante enlaces de hidrogeno formando microfibrilas con forma de cintas o bandas mayores (delgadas y planas, de una anchura 70-150 nm). Finalmente, estas microfibrilas de cientos de nm de longitud se enroscan entre sí, formando una fibra que en la superficie del medio de cultivo se enreda con otras incorporando agua, para formar la red tridimensional que constituye el pseudo-hidrogel de celulosa bacteriana. Se trata de una ultraestructura compuesta de nanofibrilas (rango 1 nm) agregadas en microfibrilas (rango 10 nm), las cuales unidas por cadenas de celulosa producen las cintas (rango 100 nm) que son la unidad básica de la estructura densamente reticulada de la celulosa bacteriana estabilizada por numerosos enlaces de hidrogeno. Esta estructura presenta un grado de cristalinidad una orientación cristalina muy elevadas, como resultado del elevado número de puentes de hidrogeno entre cadenas de celulosa que crean una ordenación cristalina regular. Consecuencias de esta particular estructura son por ejemplo, los elevados módulos de Young entre 16 y 30 GPa y el elevado grado de absorción de agua de las películas preparadas secando el gel de celulosa bacteriana. La siguiente figura (izquierda) compara un esquema muy simplificado del modelo de celulosa bacteriana con el modelo de micela a franjas propuesto para la celulosa vegetal. (derecha) imagen TEM de cintas de 60 nm de celulosa bacteriana. [29] Caracterización de residuos insolubles de acetilación de celulosas 35 Figura 28. La siguiente tabla muestra algunas aplicaciones de celulosa bacteriana en industrias alimenticias, farmacéutica, papelera, etc.[29]. Tabla 5. Caracterización de residuos insolubles de acetilación de celulosas 36 2.5 Celulosa microcristalina y nanocelulosa (celulosa microfibrilada y nanocristales de celulosa). La arquitectura de la celulosa nativa se puede desestructurar en sus componentes elementales; cristales, microfibrilas y fibrilas y cristalitas elementales. Si se realiza mecánicamente se obtiene celulosa microfibrilada compuesta de nanofibrilas (Ø = 10-40 nm) que conservan la parte amorfa y cristalina de las microfibrilas de la celulosa original, pero que presenta la estructura de una fina red tridimensional de nanofibrilas interconectadas. Si la desestructuración de la celulosa se realiza por medios químicos, mecánico-químicos o enzimáticos, que eliminan la parte amorfa de las macrofibrilas, se obtienen cristales de celulosa de distinto tamaño según el proceso empleado. Cuando celulosa se trata con HCl diluido se obtiene celulosa microcristalina formada por cristales de celulosa de dimensiones > 1 m. Si se trata con sulfúrico concentrado (65%), se obtienen nanocristales o whiskers de celulosa de 2 a 20 nm de diámetro. La tabla siguiente muestra las dimensiones de las partículas de estas microcelulosas y nanocelulosas. Tabla 6. 2.5.1 Celulosa microcristalina. Celulosa microcristalina es una forma no fibrosa de celulosa parcialmente despolimerizada, que se presenta como un sólido pulverulento cristalino compuesto de partículas porosas (normalmente con un tamaño 10-15 m). Se prepara tratando con ácidos minerales diluidos -celulosa obtenida como pulpa fibrosa, a partir de todo tipo de materiales celulósicos y lignocelulósicos. Se emplea en industrias de cosméticos, alimentación y sobre todo farmacéutica, como excipiente pues permite preparar tabletas muy robustas que sin embargo, se desintegran rápidamente en agua, debido Caracterización de residuos insolubles de acetilación de celulosas 37 al gran poder de absorción de agua de las partículas microcristalinas de celulosa. En el laboratorio se utiliza como fase estacionaria en cromatografías y como producto de partida para la preparación de derivados de celulosa. En medio ácido diluido, (como por ejemplo, 2.5M HCl, 100ºC, 15 minutos), los enlaces glucosídicos β(1-4) de la celulosa se hidrolizan selectivamente, produciendo la disminución de su grado de polimerización (DP). Típicamente, el DP de la celulosa microcristalina es de 200 a 400 mientras que el DP de las celulosas de partida suelen ser mayores de 1000. El ácido penetra mucho más rápidamente en las regiones amorfas que en las cristalinas, hidrolizando las primeras para producir oligómeros solubles en agua. El tiempo de hidrólisis se limita de manera que las regiones cristalinas resulten muy poco afectadas. [30-31]. Las siguientes figuras muestran la disminución del DP de celulosas de diferentes orígenes en función de la [HCl] y la temperatura [30-31]. Puede observarse que los DPs disminuyen rápidamente al principio de la hidrólisis acida, debido a la degradación de la celulosa amorfa. Poco después, cuando la celulosa amorfa desparece, se produce una estabilización de los DPs, correspondiente a los DPs de las cadenas de celulosa de las zonas cristalinas resistentes a la hidrólisis acida. Figura 29 Caracterización de residuos insolubles de acetilación de celulosas 38 2.5.2 Nanocelulosa: celulosa microfibilada y celulosa nanocristalina a) Celulosa microfibrilada Microfibrilas y nanofibrilas han sido extraídas de una gran variedad de materiales celulósicos de diferentes orígenes. La separación de las microfibrilas de celulosa resulta un proceso dificultoso, pues requiere la rotura de la red de puentes de hidrogeno interfibrilares. Generalmente, se emplea un proceso mecánico intensivo de homogenización a alta presión sobre suspensiones de fibras de celulosa en agua. Cuando las suspensiones acuosas contienen > 1% de celulosa se convierten en un gel homogéneo, debido a la formación de una fina red tridimensional de microfibrilas y nanofibrilas interconectadas. Las enormes fuerzas de cizalla producen la desfibrilación de las fibras de celulosa produciendo la separación de las microfibrilas. Las microfibrilas y nanofibrilas generadas se agregan a través de puentes de hidrogeno interfibrilares, formando una fina red tridimensional de microfibrilas y nanofibrilas interconectadas entre sí. [32]. Debido a esta estructura reticulada y aunque, las microfibrilas conservan gran parte de sus dominios amorfos, la celulosa microfibrilada presenta un área específica superficial, capacidad de absorción de agua, relación longitud a diámetro, modulo y resistencia a la tracción, mucho mayores que la fibra de celulosa original. Debido a estas propiedades la celulosa microfibrilada se emplea como modificador reológico en la industria farmacéutica, de alimentos, pinturas y cosméticos y como relleno en materiales compuestos y papel. Celulosa microfibrilada de pulpa de madera y de celulosa bacteriana son comercializadas bajo el nombre de Cellish® y Cellulon®, respectivamente. [32] La figura muestra imágenes SEM del proceso de desfibrilación de macrofibrilas de celulosa mediante un homogeneizador de alta presión [32]. a) las macrofibrilas después de 5 pases por el homogeneizador de alta presión. Puede observarse que no se produce desfibrilación suficiente como para producir nanofibrilas. b, c y d) después de 10, 15 y 20 pases, respectivamente. Puede observarse como a medida que la desfibrilación aumenta se va produciendo una densa red de nanofibrilas interconectadas. Caracterización de residuos insolubles de acetilación de celulosas 39 Figura 30. b) Celulosa nanocristalina Numerosos nanocristales de celulosa o whiskers se han preparado disolviendo, mediante hidrólisis ácida (H2SO4 65%), los dominios menos ordenados o amorfos de las microfibrilas de celulosas de diferentes orígenes. El tratamiento ácido corta la microfibrilas en cada defecto, obteniéndose verdaderos nanocristales de celulosa que conservan intactas las propiedades morfológicas y cristalinas de la celulosa original. Las regiones cristalinas aisladas presentan forma de fina aguja con dimensiones que dependen de la fuente de celulosa y del proceso de hidrólisis. Normalmente, longitudes de 100-600 nm y diámetros de 2-20 nm. En especial, los whiskers de tunicados pueden tener varias m de longitud (típicamente, 26 nm × 2.2 μm). Además presentan un área superficial específica de unos 200 m2/g una relación longitud/diámetro de 100. Debido a la casi perfecta ordenación cristalina existente en los nanocristales de celulosa, estos whiskers de tunicados presentan un modulo de unos 140 GPa y se utilizan como elemento de refuerzo (extraordinariamente efectivo) en materiales compuestos (nanocomposites). [33-35] Una vez dispersados en agua, y debido a su forma de varilla rígida, forman suspensiones coloidales estables, que aparecen birrefringentes cando se observan con luz polarizada. Cuando se secan delgadas películas de estas suspensiones, se Caracterización de residuos insolubles de acetilación de celulosas 40 obtienen filmes de celulosa muy robustos y estables, utilizados en como membranas de diálisis y en medicina regenerativa. La siguiente figura muestra de izquierda a derecha, un imagen SEM de un film de whiskers de tunicado Styela clava y la formación de dominios birrefringentes en una suspensión coloidal estable (acuosa al 0.5%), polarizadores cruzados. [33-35] Figura 31. La siguiente figura muestra de izquierda a derecha, whiskers de celulosa de algodón (5 nm × 500 nm), whiskers de tunicado Halocynthia roretzi (15 nm × 1000 nm) y la birrefringencia de una suspensión de estos últimos whiskers (0.5% en agua) cuando se observa entre polarizadores cruzados. [33-35] Figura 32. Caracterización de residuos insolubles de acetilación de celulosas 41 2.6 El mecanismo heterogéneo de disolución de celulosay sus derivados. Las fibras vegetales nativas desprovistas de cutícula, pero que conservan sus paredes primaria y secundaria, presentan un mecanismo heterogéneo de hinchamiento y disolución que se caracteriza por un gradiente de solubilidad que aumenta hacia el interior de la fibra. Siendo la capa S2 de la pared secundaria más soluble que la S1 y esta más que la pared primaria P1. Probablemente, debido a que S2 está formada de celulosa pura, mientras que S1 y P1 contienen pequeñas proporciones de hemicelulosas formando un entramado con las fibrilas de celulosa que resulta más insoluble. El fenómeno más significativo de este mecanismo de hinchamiento y disolución es el de (ballooning) la formación de grandes balones, donde la capa S1 gelificada forma una membrana que retiene la celulosa disuelta de la capa S2. La pared primaria acaba rompiéndose debido a la presión del hinchamiento, formando collares y espirales alrededor y entre los balones, dando lugar a estrechamientos y gruesas hélices. Dependiendo de la calidad del disolvente; 1.- la fibra puede quedar en este estado, similar a un collar de perlas, 2.- los balones pueden acabar reventando liberando la celulosa S2 disuelta y después se disuelven, primero la membrana S1 rota y finalmente las partes más insolubles, las hélices espirales, collares y cilindros de P1. Las siguientes figuras muestran varios esquemas representativos del mecanismo heterogéneo del hinchado y disolución de fibras naturales de celulosa y sus derivados. Estos derivados deben de ser obtenidos mediante procedimientos heterogéneos que preserven la estructura fibrosa original de la celulosa. En todos los casos, las fibras desprovistas de cutícula, deben de tener formadas y conservadas sus paredes primaria y secundaria. Caracterización de residuos insolubles de acetilación de celulosas 48 3.2 Resultados y Discusión. La siguiente Tabla 1 muestra las condiciones de reacción y los resultados obtenidos en 8 experimentos de acetilación heterogénea de muestras idénticas de celulosa de algodón puro (0.55g, experimentos 241 - 272), con anhídrido acético (Ac2O, reactivo acetilante), tolueno (no disolvente) y ác. acético (AcOH, activante). Como catalizador se emplea la misma concentración de (C) = HClO4 (60%) en cuatro experimentos, mientras que en los otros cuatro se emplea (S) = H2SO4 (98%), también a concentración constante. Sin embargo, la concentración de (S) es más del triple de la de (C) y dos experimentos con cada catalizador contienen el doble de catalizador que los otros dos. También, dos experimentos con cada catalizador contienen además de AcOH, agua H2O como agente activante. Todas las acetilaciones se realizaron a 30 ºC y durante el tiempo necesario para observar una considerable reducción de la birrefringencia de las fibras (en el microscopio óptico con polarizadores cruzados). Los rendimientos de celulosa acetilada bruta, son muy elevados en todos los casos, pero menores para catalizador S (88 – 95%) que para catalizador C (93 – 98%). Además en todos los casos, la celulosa acetilada con catalizador S presenta importantes cantidades de residuo insoluble en Cl2CH2 a ebullición (determinado mediante microscopia óptica con luz polarizada). Mientras que con catalizador C, no se observan residuos insolubles o únicamente muy pequeñas cantidades. Estos resultados indican que en las condiciones de acetilación empleadas, el catalizador S es menos efectivo que el C. Por otra parte, puede observarse que cuando se emplea H2O como agente activante, no aparecen residuos de celulosa degradada. Sin embargo, los rendimientos en celulosa acetilada bruta, los residuos de celulosa sin reaccionar y los tiempos de reacción son similares a los obtenidos en ausencia de agua. Estos resultados ilustran la utilidad del agua como agente activante. Finalmente, en las acetilaciones con ác. perclórico se observa un considerable aumento de la proporción de oligomeros peracetilados (solubles en acetona a ebullición) con el aumento del tiempo de reacción y de la cantidad de catalizador (aunque su concentración permanezca constante). Caracterización de residuos insolubles de acetilación de celulosas 49 Las siguientes microfotografías muestran fragmentos de fibras representativas (parcialmente acetiladas) del residuo insoluble del experimento 241. Este experimento, presenta muy poco residuo insoluble, compuesto únicamente de fibras de celulosa sin reaccionar y otras parciamente acetiladas. En el centro de la foto superior, puede observarse la apariencia de collar de perlas de una fibra, en la que la pared P1 se ha roto formando collares (estrangulamientos), que impiden el hinchamiento homogéneo de la fibra. Las perlas transparentes contienen la celulosa acetilada disuelta de la capa S2 englobada por la membrana gelatinosa que formada por la capa S1. En primer plano y a la izquierda, aparece una fibra con pequeño hinchamiento homogéneo, en la que pueden apreciarse la disposición helicoidal de las microfibrilas de la capa S1. Sin embargo, en el centro y en último plano de esta misma foto, puede observarse (bastante difuminada, puesto que está casi disuelta) una fibra fragmentada (abajo, justo entre las dos fibras anteriores), que presenta un gran hinchamiento homogéneo. Puede apreciarse, que las microfibrilas espirales de la capa S1 han sido desplazadas hasta una disposición transversal, debido al aumento de la presión osmótica en el interior de la fibra. En la foto inferior, puede observarse el pequeño hinchamiento heterogéneo de una fibra, que presenta pequeñas perlas separadas por grandes tramos estrangulados por la pared P1. Su apariencia contrasta fuertemente con la de la figura superior que muestra un gran hinchamiento con grandes perlas casi juntas. La diferencia entre las dos podría ser debida a las distintas madureces de las fibras de celulosa originales. El grosor de la capa S2 aumenta con la madurez de la fibra, mientras que la pared P1 y la capa S1 pueden estar completamente formadas desde muy tempranos estadios de desarrollo de la fibra. A mayor grosor de S2 mayor hinchamiento, puesto que la presión que origina el hinchamiento aumenta con la cantidad disuelta de acetato de celulosa de las capas S2. Caracterización de residuos insolubles de acetilación de celulosas 50 Caracterización de residuos insolubles de acetilación de celulosas 51 TABLA 1 Muestra Peso (g) AcOH (mL) H2O (mL) Tolueno (mL) Ac2O (mL) Vol. Tot. (mL) Cata. (mg) [Cata.] (mg/mL) T (oC) tiempo (h) Pes. Fin. (g) SA (g) IA (g) Residuo Insoluble 241 0.55 0.4 0.1 2 2 4.5 2.5(C) 0.333 30 24 0.93 0.1 0.8 Ce-/H- 242 0.55 0.8 0.2 4 4 9 5(C) 0.333 30 24 0.92 0.1 0.8 0 251 0.55 0.5 0 2 2 4.5 2.5(C) 0.333 30 60 0.91 0.2 0.7 0 252 0.55 1 0 4 4 9 5(C) 0.333 30 60 0.90 0.4 0.5 D- 261 0.55 0.4 0.1 2 2 4.5 5(S) 1.089 30 60 0.92 0.2 0.7 Ce m/H+ 262 0.55 0.8 0.2 4 4 9 10(S) 1.089 30 40 0.90 0.2 0.7 Ce m/H+ 271 0.55 0.5 0 2 2 4.5 5(S) 1.089 30 60 0.88 0.2 0.7 Ce+/D m 272 0.55 1 0 4 4 9 10(S) 1.089 30 60 0.85 0.2 0.7 D+ Catalizadores (C) = HClO4 (60%), (S) = H2SO4 (98%) en reacción acetilación Ac2O/Tolueno/AcOH con o sin agua. Pes. Fin. = peso de celulosa acetilada bruta. SA = parte de la celulosa acetilada bruta soluble en acetona a ebullición, IA = parte de la celulosa acetilada bruta insoluble en acetona a ebullición. Contenido y composición aproximados del Residuo Insoluble en Cl2CH2 a ebullición: Ce = celulosa sin reaccionar, D = celulosa degradada y H = Celulosa parcialmente acetilada (cantidad aproximada: + = mucha, m = media y - = poca). Residuo Insoluble caracterizado mediante microscopia óptica con luz polarizada. Caracterización de residuos insolubles de acetilación de celulosas 52 En la siguiente Tabla 2, se muestra las condiciones de reacción y los resultados obtenidos en 9 experimentos de acetilación heterogénea (que conserva la estructura fibrosa de las muestras acetiladas). La muestras acetiladas en fase sólida son muestras idénticas de celulosa de algodón puro (0.52g, experimentos 20 – 40A), con anhídrido acético (Ac2O, reactivo acetilante), tolueno (no disolvente) y ác. acético (AcOH, activante). Como catalizador se emplea la misma concentración de ác. perclórico en 6 experimentos 0.333 mg/mL, mientras que en los otros 3 se emplea solo la mitad de este catalizador. También, 3 de los experimentos con [HClO4] = 0.333 mg/mL, contienen además de AcOH, agua como agente activante. Todas las acetilaciones se realizaron a 30 ºC y durante el tiempo necesario para observar una considerable reducción de la birrefringencia de las fibras (en el microscopio óptico con polarizadores cruzados). Los rendimientos de celulosa acetilada bruta, son muy elevados en todos los casos > 95%. Sin embargo cuando se utiliza agua (experimentos 20A – 40A), estos rendimientos se consiguen en la mitad de tiempo de reacción, sin que se genere ningún residuo insoluble y con la obtención de cantidades similares de oligómeros peracetilados a las que se obtienen empleando el doble de catalizador en ausencia de agua (experimentos 20B – 40B). En ausencia de agua como agente activante, las cantidades residuos insolubles de celulosa degradada y de oligomeros peracetilados, se incrementan con la cantidad/concentración de catalizador empleada (a igualdad del resto de variables de reacción, experimentos 20 – 40B). Estos resultados coinciden con algunos de los principales resultados obtenidos en los experimentos listados en la Tabla 1. En especial, en cuanto a la utilidad del agua para reducir tiempos de reacción y eliminar/reducir subproductos solubles e insolubles y también, en cuanto al aumento de la cantidad de estos subproductos con el incremento de la cantidad de catalizador. Caracterización de residuos insolubles de acetilación de celulosas 53 TABLA 2 Muestra Peso (g) AcOH (mL) H2O (mL) Tolueno (mL) Ac2O (mL) Vol.. Tot. (mL) Catal. (mg) [Catal.] (mg/mL) T oC t (h) Pes. Fin. (g) SA (g) IA (g) RI % 20 0.52 2 0 8 8 18 10(C) 0.333 30 48 0.88 0.6 ---- --- 30 0.52 3 0 12 12 27 15(C) 0.333 30 48 0.86 0.5 0.3 Dm+ 40 0.52 4 0 16 16 36 20(C) 0.333 30 48 0.86 0.5 0.3 Dm+ 20B 0.52 2 0 8 8 18 5(C) 0.167 30 48 0.85 0.25 0.6 Dm 30B 0.52 3 0 12 12 27 7.5(C) 0.167 30 48 0.86 0.3 0.54 Dm 40B 0.52 4 0 16 16 36 10(C) 0.167 30 48 0.85 0.35 0.5 Dm 20A 0.52 1.6 0.4 8 8 18 10(C) 0.333 30 24 0.88 0.3 0.56 0 30A 0.52 2.4 0.6 12 12 27 15(C) 0.333 30 24 0.88 0.35 0.53 0 40A 0.52 3.2 0.8 16 16 36 20(C) 0.333 30 24 0.87 0.4 0.47 0 Catalizador (C) = HClO4 (60%) en reacción acetilación Ac2O/Tolueno/AcOH con o sin agua. Pes. Fin. = peso de celulosa acetilada bruta. SA = parte de la celulosa acetilada bruta soluble en acetona a ebullición, IA = parte de la celulosa acetilada bruta insoluble en acetona a ebullición. Contenido y composición aproximados del (RI) Residuo Insoluble en Cl2CH2 a ebullición: D = celulosa degradada (cantidad aproximada: + = mucha, m = media y - = poca), caracterizado mediante microscopia óptica con luz polarizada. Caracterización de residuos insolubles de acetilación de celulosas 54 En la siguiente Tabla 3 se muestra las condiciones de reacción y los resultados obtenidos en 12 experimentos de acetilación heterogénea (que conserva la estructura fibrosa de las muestras acetiladas). La muestras acetiladas en fase sólida son muestras idénticas de celulosa de algodón puro (0.50g, experimentos E5a – E20d), con anhídrido acético (Ac2O, reactivo acetilante) y tolueno (como no disolvente). Como catalizador se emplea una concentración aproximadamente constante de ác. perclórico, que en 6 experimentos (series a y b) está comprendida entre 0.212 - 0.270 mg/mL, mientras que en los otros 6 (series c y d) se emplea aproximadamente solo la mitad (entre 0.126 y 0.162 mg/mL). Las muestras se activaron con ác. acético previamente a su acetilación. Seis muestras (series b y d) con AcOH 100% y las otras seis con AcOH 90% (series a y c). Todas las acetilaciones se realizaron a 30 ºC y durante el mismo tiempo 45h. En este tiempo, en todos los experimentos se observo una reducción de la birrefringencia de las fibras muy considerable (en el microscopio óptico con polarizadores cruzados). Los rendimientos de celulosa acetilada bruta, son muy elevados prácticamente en todos los casos > 94%. En los 6 experimentos con muestras activadas con AcOH acuoso del 90% (series a y c) no se obtiene ningún residuo insoluble. Excepto en el E5c, que presenta un residuo insoluble con un contenido elevado tanto en celulosa sin acetilar como en parcialmente acetilada. Esto es debido, a la menor cantidad de catalizador empleada en este experimento. En cualquier caso, en ninguno de estos experimentos se obtuvieron residuos insolubles de degradación de celulosa. Por el contrario, en casi todos los experimentos con muestras activadas sin agua se obtuvieron residuos insolubles con cantidades apreciables de celulosa degradada. Sin embargo, las cantidades de oligomeros peracetilados (solubles en acetona caliente) no dependen esencialmente de la forma de activación de las muestras. Es decir, de que las muestras se activen con AcOH glacial o acuoso. Igualmente que en los experimentos mostrados en las tablas anteriores 1 y 2, las cantidades de estos subproductos solubles aumentan con el incremento de la cantidad de catalizador, aun a concentraciones de catalizador aproximadamente constantes. Estos resultados coinciden con algunos de los principales resultados obtenidos en los experimentos listados en las Tablas 1 y 2. En especial indican, Caracterización de residuos insolubles de acetilación de celulosas 55 que independientemente de que la activación de las muestras se realice previamente a la acetilación o se produzca in situ; 1.- la presencia de agua conduce a la eliminación/reducción de subproductos insolubles y 2.- la cantidad de subproductos solubles en acetona aumenta con el incremento de la cantidad de catalizador. Las dos microfotografías de la página siguiente muestran varios fragmentos de fibras representativas (parcialmente acetiladas) del residuo insoluble del experimento E5d. Este experimento presenta muy poca cantidad de residuo insoluble, compuesto únicamente de fragmentos de fibras de celulosa parciamente acetiladas con forma de varilla rígida, junto con trazas de fibras de celulosa sin reaccionar. La fotografía superior se realizó con luz polarizada con el polarizador superior cruzado solo 20º con respecto al inferior, mientras que en la foto de abajo, el polarizador superior se cruzo hasta formar un ángulo de 60º con el polarizador inferior. En el centro de las fotografías y en especial en el fragmento vertical, puede observarse claramente trozos de la pared P1 (algo deshilachados y sin birrefringencia) adheridos a la membrana que forma la capa S1. Las capas más interiores de celulosa acetilada de S2 aparecen disueltas (hueco central no birrefringente) de las fibras. Mientras que la doble hélice birrefringente que discurre a lo largo de toda la fibra rodeando al hueco central, se debe a la disposición helicoidal de las capas hinchadas más exteriores de S2 (en estado casi gel). El aumento de la presión osmótica en el interior de la fibra llega a orientar las capas de S2 paralelas al eje de la fibra, mientras que las microfibrilas espirales de S1 quedan dispuestas transversamente. Estas disposición perpendicular de las microfibrilas de S1 y S2, puede apreciarse en el fragmento más pequeño (a la izquierda, fotografía inferior). Caracterización de residuos insolubles de acetilación de celulosas 56 Caracterización de residuos insolubles de acetilación de celulosas 57 TABLA 3 Muestra Peso (g) AcOH (mL) H2O (mL) Tolen (mL) Ac2O (mL) V. tot (mL) Catal. (mg) [Catal.] (mg/mL) T (oC) t (h) Pes. Fin. (g) SA (g) IA (g) RI % E5a 0.5 2.10 -- 2.5 2.5 7.10 2.5(C) 0.212 30 45 0.85 0.127 0.725 0 E10a 0.5 2.40 -- 5 5 12.40 5(C) 0.242 30 45 0.85 0.270 0.583 0 E20a 0.5 2.44 -- 10 10 22.44 10(C) 0.268 30 45 0.85 0.480 0.368 0 E5b 0.5 1.96 0 2.5 2.5 6.96 2.5(C) 0.216 30 45 0.85 0.160 0.725 0 E10b 0.5 2.15 0 5 5 12.15 5(C) 0.246 30 45 0.84 0.340 0.523 D- E20b 0.5 2.00 0 10 10 22.00 10(C) 0.270 30 45 0.79 0.530 0.270 Dm E5c 0.5 2.28 -- 2.5 2.5 7.28 1.5(C) 0.126 30 45 0.83 0.080 0.790 Ce+/H+ E10c 0.5 2.07 -- 5 5 12.07 3(C) 0.150 30 45 0.83 0.213 0.650 0 E20c 0.5 2.35 -- 10 10 22.35 6(C) 0.162 30 45 0.83 0.350 0.520 0 E5d 0.5 2.19 0 2.5 2.5 7.19 1.5(C) 0.126 30 45 0.85 0.045 0.805 Ce-/H+ E10d 0.5 1.95 0 5 5 11.95 3(C) 0.150 30 45 0.85 0.165 0.706 Dm E20d 0.5 2.48 0 10 10 22.48 6(C) 0.162 30 45 0.85 0.320 0.531 D+ Catalizador (C) = HClO4 (60%). Muestras series a y c, activadas con 100 mL AcOH 90% durante 1h, prensadas y después intercambiadas con AcOH 100% durante 15 minutos y vueltas a prensar. Muestras series b y d, activadas con 100 mL AcOH 100% durante 1h y 15 minutos, y después prensadas. (Los prensados se realizan hasta que el peso de la muestra queda entre 2.5 y 3g). La cantidad de agua presente en las muestras de las series a y c es desconocida. Pes. Fin. = peso de celulosa acetilada bruta. SA = parte de la celulosa acetilada bruta soluble en acetona a ebullición, IA = parte de la celulosa acetilada bruta insoluble en acetona a ebullición. Contenido y composición aproximados del Residuo Insoluble (RI) en Cl2CH2 a ebullición: Ce = celulosa sin reaccionar, D = celulosa degradada y H = Celulosa parcialmente acetilada (cantidad aproximada: + = mucha, m = media y - = poca). Residuo Insoluble caracterizado mediante microscopia óptica con luz polarizada. Caracterización de residuos insolubles de acetilación de celulosas 64 En la Tabla 8 se muestra las condiciones de reacción y los resultados obtenidos en 6 experimentos de acetilación de muestras de celulosa de algodón puro (discos de 6 cm de diámetro y peso 0.66 - 0.57g, experimentos I1 – I6), con anhídrido acético y yodo como catalizador. Este catalizador es mucho menos efectivo que el HClO4 y se suele emplear en concentraciones unas 30 veces mayores. También, se utiliza una temperatura de acetilación (50ºC), considerablemente mayor que en el caso de utilizar HClO4 como catalizador (30ºC). Cuatro muestras se activaron con AcOH previamente a su acetilación (I1 – I4). Las dos primeras muestras (I1 - I2) se activaron con ác. acético AcOH acuoso 90% y las dos siguientes (I3 – I4) con AcOH 100% (ausencia de agua). Finalmente, las dos últimas muestras no recibieron ninguna activación, ni previa, ni durante la reacción de acetilación. El tiempo de reacción 46 h, es igual para todas las muestras y suficiente para que en todos los experimentos se observase una considerable reducción de la birrefringencia de las fibras de celulosa (en el microscopio óptico con polarizadores cruzados). Durante este tiempo, las muestras activadas con AcOH se disuelven en la mezcla de reacción. Mientras que en las no activadas, únicamente una pequeña parte de la muestra se disuelve, observándose una reducción de su diámetro del 30 al 50%. Los rendimientos de celulosa acetilada bruta, son muy elevados en todos los casos 91-95%, excepto en las muestras no activadas 80-84%. También son las no activadas las únicas que presentan productos solubles en acetona (aunque casi despreciables) y residuos insolubles de celulosa sin reaccionar y degradada. Todos estos resultados ilustran claramente la influencia del AcOH en las reacciones de acetilación con yodo como catalizador. Con menores cantidades de catalizador yodo y en presencia de AcOH, se consiguen mayores rendimientos en triacetato de celulosa libre de subproductos solubles e insolubles. A diferencia de la gran mayoría de las acetilaciones con HClO4 expuestas hasta aquí (tablas 1 - 6), estas acetilaciones con yodo no producen oligómeros solubles en acetona (o cantidades despreciables). Caracterización de residuos insolubles de acetilación de celulosas 65 TABLA 8 Muestra Peso (g) AcO H (mL) H2O (mL ) Ac2 O (mL ) Vol.To t (mL) Cat. (mg) [Catal.] (mg/mL) T (oC) t (h) Øi cm Øf cm Pes. Fin. (g) SA (mg) IA (g) RI % I1 0.665 3.325 --- 5 8.325 50(I) 6.000 50 46 6 0 1.069 0 1.069 0 I2 0.566 2.995 --- 5 8.995 50(I) 6.250 50 46 6 0 0.936 0 0.936 0 I3 0.604 3.376 0 5 8.376 50(I) 5.970 50 46 6 0 1.008 0 1.008 0 I4 0.585 3.245 0 5 8.245 50(I) 6.064 50 46 6 0 0.956 0 0.956 0 I5 0.645 0 0 5 5 50(I) 10 50 46 6 4 0.995 60 0.935 C+/D+ + I6 0.575 0 0 5 5 50(I) 10 50 46 6 4 0.895 37 0.858 C+/D+ Catalizador (I) = I2 (mg). Muestras I1 e I2 activadas con 100 mL AcOH 90% durante 6 días a 5 oC, prensado y después intercambiado con AcOH 100% durante 15 min y vuelto a prensar, hasta que el peso de la muestra queda entre 2.5 y 3.5g. Muestras I3 e I4 activadas con 100 mL AcOH 100% durante 15 min a 20 oC, y después prensadas hasta que el peso de la muestra queda entre 2.5 y 3.5g. Pes. Fin. = peso de celulosa acetilada bruta. SA = parte de la celulosa acetilada bruta soluble en acetona a ebullición, IA = parte de la celulosa acetilada bruta insoluble en acetona a ebullición. Contenido y composición aproximados del Residuo Insoluble (RI) en Cl2CH2 a ebullición: D = celulosa degradada (cantidad aproximada: + = mucha, m = media y - = poca). Residuo Insoluble caracterizado mediante microscopia óptica con luz polarizada. Ø diámetro inicial y final de la muestra en cm. Øf = 0 cm, la muestra se disuelve en la mezcla de reacción. Esta se diluye con Cl2CH2 y se precipita en metanol. Caracterización de residuos insolubles de acetilación de celulosas 66 En la Tabla 9 se muestra las condiciones de reacción y los resultados obtenidos en 5 experimentos de acetilación en fase sólida, de muestras de celulosa de algodón puro (discos de 6 cm de diámetro y 0.5g, experimentos IA – I300), con anhídrido acético, tolueno (no disolvente) y yodo como catalizador. Todas las muestras fueron activadas idénticamente, con AcOH 100% (previamente a la acetilación). En todos los casos la temperatura de reacción fue de 50ºC. El primer experimento (IA) muestra que en las condiciones indicadas y con una concentración moderada de yodo como catalizador (5.22 mg/mL) son necesarios largos tiempos de acetilación (120 h) para acetilar las fibras de celulosa en fase sólida, con un buen rendimiento (de celulosa acetilada bruta >92%). Sin residuos insolubles y con cantidades de oligómeros peracetilados solubles en acetona prácticamente despreciables. En el resto de experimentos (I35 – I300) se incrementa la concentración de yodo, de 2.86 a 24.51 mg/mL, mientras se disminuye proporcionalmente el tiempo de reacción de 144 a 24h. Al igual que en todos los experimentos de la anterior tabla 8, en ninguno de los de la tabla 9 aparecen cantidades significativas de oligómeros solubles en acetona. Todos los experimentos presentan rendimientos de celulosa acetilada bruta muy elevados >94%, excepto el primero I35 (84%) debido a su tiempo de reacción extraordinariamente largo (144 h). A pesar de su prolongado tiempo de reacción, I35 presenta un residuo insoluble con cantidades apreciables de celulosa sin reaccionar y parcialmente acetilada. Esto indica claramente que la cantidad de yodo utilizada en este I35 fue insuficiente. Al aumentar la cantidad de catalizador en el resto de experimentos (I65B y I140) desaparece la celulosa sin reaccionar, pero la parcialmente acetilada persiste. Finalmente, en el último experimento la concentración de yodo es tan grande que aparecen cantidades apreciables de celulosa degradada, aun a pesar de su reducido tiempo de reacción (24h). Todos estos resultados confirman que el yodo resulta un catalizador mucho más suave que el HClO4. A diferencia de este, el yodo no conduce a la formación de residuos de celulosa degradada, excepto si es utilizado en concentraciones extraordinariamente elevadas y aun en este caso, no aparecen cantidades significativas de oligómeros solubles en acetona. Caracterización de residuos insolubles de acetilación de celulosas 67 Las siguientes microfotografías muestran fragmentos de fibras representativas del residuo insoluble del experimento I65B. Este experimento, presenta muy un residuo insoluble compuesto únicamente de fibras parciamente acetiladas. En el centro de la foto superior y en primer plano (polarizadores cruzados 30º), puede observarse el aspecto de cebolla que presenta una fibra, donde el tallo corresponde al estrangulamiento creado por la resistente pared P1, mientras que el bulbo y las raíces se corresponden con el hinchamiento y la fragmentación de la fibra, respectivamente. En bulbo y raíces, pueden apreciarse con toda claridad las capas de S2 paralelas al eje de la fibra. El estrangulamiento resistente al disolvente, aparece fuertemente birrefringente, mientras que las capas de S2 van perdiendo birrefringencia conforme se van disolviendo. En el interior del bulbo, pueden apreciarse fragmentos birrefringentes de las capas de S2. Este hecho indica que el acetato de celulosa de estas capas es disuelto en el interior de la fibra mediante fragmentación. En el centro de la foto inferior y en primer plano (polarizadores paralelos), puede observarse otra fibra que también presenta aspecto de cebolla. Sin embargo en esta foto, pueden apreciarse con mayor claridad y en el interior de la fibra, los fragmentos birrefringentes de las capas de S2 (en las zonas de raíces y tallo). Caracterización de residuos insolubles de acetilación de celulosas 68 Caracterización de residuos insolubles de acetilación de celulosas 69 Las siguientes microfotografías muestran dos fibras representativas de las fibras de celulosa parcialmente acetiladas del residuo insoluble del experimento I35. Este experimento, presenta un residuo insoluble compuesto de pequeñas cantidades de fibras de celulosa sin reaccionar y fibras de celulosa parciamente acetiladas, estas últimas presentes en mayor abundancia. Las dos fotografías muestran las mismas dos fibras. Aunque, ambas coexisten, mostrando un hinchamiento heterogéneo con estrangulamientos muy aparentes producidos por la rotura de la pared primaria P1, cada una de estas fibras presenta características diferentes. La foto superior enfoca en la fibra de la izquierda, para mostrar un detalle del estrangulamiento en forma de codo cilíndrico. Esta fibra muestra tan apenas una débil birrefringencia entre polarizadores cruzados. Por el contrario, la fibra de la izquierda (que aparece desenfocada en esta foto) muestra fragmentos fuertemente birrefringentes incluso con polarizadores paralelos. La foto inferior enfoca en la fibra central (en primer plano) mostrando detalles de los fragmentos birrefringentes presentes en el interior de la fibra. En especial, en interior de los dos ensanchamientos superiores puede apreciarse, como los fragmentos birrefringentes de las capas de S2 van perdiendo birrefringencia, conforme se van disolviendo hacia el centro del ensanchamiento. Muy probablemente cuando finalmente, todos los fragmentos birrefringentes de las capas de S2 de esta fibra central se hayan disuelto, la fibra resultante mostrara un aspecto muy similar a la de la izquierda. Todas estas observaciones indican que el acetato de celulosa de estas fibras se disuelve en primer lugar, en las capas de S2 más interiores y que el mecanismo de disolución de estas capas de celulosa pura en el interior de la fibra, es mediante la fragmentación de las microfibrilas en fragmentos en forma de varilla rígida. Caracterización de residuos insolubles de acetilación de celulosas 70 Caracterización de residuos insolubles de acetilación de celulosas 71 TABLA 9 Muestra Peso (g) AcOH (mL) Tolu. (mL) Ac2O (mL) Vol.Tot (mL) Cat. (mg) [Catal.] (mg/mL) T (oC) t (h) Øi cm Øf cm Pes. Fin. (g) SA (mg) IA (mg) RI % IA 0.485 2.46 6 4 12.46 65 5.22 50 120 6 5.5 0.795 47 748 0 I35 0.500 2.24 7 3 12.24 35 2.86 50 144 6 6 0.747 52 695 Ce/H++ I65B 0.500 2.24 7 3 12.24 65 5.31 50 78 6 6 0.833 57 776 H++ I140 0.500 2.24 7 3 12.24 140 11.45 50 50 6 6 0.835 40 795 H+ I300 0.500 2.24 7 3 12.24 300 24.51 50 24 6 6 0.833 27 806 Ce/Dm Catalizador (I) = I2 (mg). Muestras impregnadas con 15-20 mL AcOH 100% durante 15 min a 20oC, y después prensadas hasta que el peso de la muestra queda entre 2 y 3g. Ø diámetro inicial y final de la muestra en cm. Pes. Fin. = peso de celulosa acetilada bruta. SA = parte de la celulosa acetilada bruta soluble en acetona a ebullición, IA = parte de la celulosa acetilada bruta insoluble en acetona a ebullición. Contenido y composición aproximados del Residuo Insoluble (RI) en Cl2CH2 a ebullición: Ce = celulosa sin reaccionar, D = celulosa degradada y H = Celulosa parcialmente acetilada (cantidad aproximada: + = mucha, m = media y - = poca). Residuo Insoluble caracterizado mediante microscopia óptica con luz polarizada. Caracterización de residuos insolubles de acetilación de celulosas 72 En la siguiente Tabla 10, se muestra las condiciones de reacción y los resultados obtenidos en 8 experimentos de acetilación de celulosa microcristalina (MCC) con anhídrido acético (Ac2O, reactivo acetilante), tolueno (no disolvente) y ác. acético (AcOH, activante). Estos experimentos son similares a algunos de los expuestos en la Tabla 2, para celulosa de algodón. Siendo el tiempo de reacción, la principal diferencia entre los de algodón y MCC, pues en estos últimos (21 h) es menos de la mitad que en los primeros (48 h). Como catalizador, se emplea la misma concentración de ác. perclórico en todos los experimentos 0.167 mg/mL. Sin embargo, las mezclas de acetilación de los 4 primeros contienen AcOH, pero no agua (como agentes activantes), mientras que el resto contiene además de AcOH, agua como agente activante. Todas las acetilaciones se realizaron a 30 ºC y durante el tiempo necesario para observar una considerable reducción de la birrefringencia de los cristales de MCC (en el microscopio óptico con polarizadores cruzados). En presencia de agua, los rendimientos de celulosa acetilada bruta son muy elevados en todos los casos. Además y debido también a los cortos tiempos de reacción, la presencia de subproductos solubles e insolubles es casi despreciable. Por el contrario, en ausencia de agua los rendimientos son más bajos < 90%, mientras que las cantidades de oligómeros solubles es muy elevada y la de residuo insoluble esta significativamente compuesta exclusivamente por celulosa degradada. . Estos resultados coinciden con algunos resultados obtenidos en los experimentos listados en las tablas anteriores. En especial en las tablas 1 y 2, ilustrando la utilidad del agua para reducir subproductos solubles e insolubles. Sin embargo, aunque la aunque las tendencias de los IA y SA son similares para estas celulosas independientemente de su origen, la proporción IA / SA es mucho menor para MCC. Este hecho confirma, que la reactividad de las fibras de celulosa frente a la acetilación puede variar considerablemente con su origen. TABLA 10 Muestra Peso (g) AcOH (mL) H2O (mL) Tolu (mL) Ac2O (mL) Vol. Tot (mL) Catal. (mg) [Catal.] (mg/mL) T (oC) t (h) Pes. Fin (mg) Rend. % SA (mg) IA (mg) RI % M5 0.5 0.5 0 2 2 4.5 1.25 0.167 30 21 750 85 ---- ---- Cem M10 0.5 1 0 4 4 9 2.50 0.167 30 21 746 84 420 250 D- M20 0.5 2 0 8 8 18 5.00 0.167 30 21 760 86 480 240 D= M30 0.5 3 0 12 12 27 7.50 0.167 30 21 780 88 525 200 D= M5a 0.5 0.4 0.1 2 2 4.5 1.25 0.167 30 21 831 94 100 640 Ce- M10a 0.5 0.8 0.2 4 4 9 2.50 0.167 30 21 900 100 100 680 0 M20a 0.5 1.6 0.4 8 8 18 5.00 0.167 30 21 835 94 100 510 0 M30a 0.5 2.4 0.6 12 12 27 7.50 0.167 30 21 879 99 100 765 0 Catalizador (C) = HClO4 (60%) en reacción acetilación Ac2O/Tolueno/AcOH con o sin agua. Pes. Fin. = peso de celulosa acetilada bruta. SA = parte de la celulosa acetilada bruta soluble en acetona a ebullición, IA = parte de la celulosa acetilada bruta insoluble en acetona a ebullición. Contenido y composición aproximados del (RI) Residuo Insoluble en Cl2CH2 a ebullición: Ce = celulosa sin reaccionar, D = celulosa degradada (cantidad aproximada: + = mucha, m = media y - = poca), caracterizado mediante microscopia óptica con luz polarizada. Caracterización de residuos insolubles de acetilación de celulosas 80 [33] Lifeng Yan, Wan Li, Zhonghui Qi and Shaoyang Liu. Solvent-free Synthesis of Cellulose Acetate by Solid Superacid Catalysis. Journal of Polymer Research 2006, 13, 375-378 [34] Tim Liebert, Thomas Heinze. Solvents and reaction media for the modification of cellulose. Bioresources, 2008, 3(2), 576-601. [35] Yan Cao, JinWu, Jun Zhang, Huiquan Li, Yi Zhang, Jiasong He. Room temperature ionic liquids: A new and versatile platform for cellulose processing and derivatization. Chemical Engineering Journal. 2009, 147, 13–21. 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