Cellodextrine: Struktur und Mechanismen der Direktlösung
Abstract
Cellulose, ein Hauptbestandteil der Zellwände höherer Pflanzen, ist das häufigste natürliche Polymer. Wegen der speziellen Eigenschaften findet Cellulose eine Vielzahl von Anwendungen, vor allem in der Papier- und Zellstoffindustrie, aber auch in Lebensmitteln, in Pharmazeutika zum Wirkstofftransport, in Kosmetika und vielen Spezialmaterialien. Cellulose existiert in verschiedenen, weitgehend ineinander umwandelbaren Polymorphen (Cellulose I - IV), die sich in verschiedenen Strukturparametern, wie z.B. Packung der Ketten, Wasserstoffbrücken-Netzwerk und Orientierung der primären OH-Gruppen, unterscheiden. Die Aufklärung der Struktureigenschaften von Cellulose ist die Grundlage für ein Verständnis der Funktionalität in allen Anwendungen. Viele Strukturparameter des Polymers Cellulose können jedoch nicht direkt erhalten werde, sondern werden aus Strukturen niedermolekularer Modellverbindungen (Cellodextrinderivate) abgeleitet, die als Analoga kurzkettiger Cellulosefragmente fungieren. Besonders Quellungs- und Lösungsprozesse, die beide eng mit Veränderungen im cellulosischen H-Brücken-Netzwerk verbunden sind, bleiben auf molekularer Ebene weitgehend unverstanden, obwohl es sich um fundamentale Prozesse von großer industrieller Relevanz handelt, z.B. in der Direktlösung von Cellulose im Lösungsmittel N-Methylmorpholin-N-oxid (NMMO), dem sogenannten Lyocell-Process. Im vorliegenden Projekt werden Cellodextrin-Derivate synthetisiert und in verschiedenen Polymorphen kristallisiert: zuerst ein Disaccharid, das in Analogie zu den I-alpha und I-beta Polymorphen der nativen Cellulose (für die keine reinen Kristallformen erhalten werden können) in zwei Phasen kristallisiert, danach ebenso ein Trisaccharid mit bzw. ohne hydrophobe Endgruppe. Zusätzlich wird synthetische Cellulose durch kationische Ringöffnungspolymerisation hergestellt. Sowohl die niedermolekularen Modellverbindungen als auch die Cellulose selbst werden als isotopenmarkierte Verbindungen (13C, 2H) synthetisiert, was eine direkte und vollständige Signalzuordnung in der Festkörper-Kernresonanz-Spektroskopie (Festkörper-NMR) erlaubt. Erstmalig wird so eine direkte Beobachtung des H-Brücken-Netzwerks möglich, weil an Kohlenstoff gebundene H-Atome durch Deuterierung ausgeblendet sind, während die H-Brücken aus detektierbaren 1H-Isotopen gebildet werden. Die Ergebnisse können nun mit Röntgenbeugungsdaten korreliert werden. Weiters werden isotopenmarkierte (15N, 2H) Quellungs- und Lösungsmittel für Cellulose synthetisiert. In Kombination mit den markierten Modellverbindungen oder der markierten Cellulose können nun Wechselwirkungen auf molekularer Ebene mit Hilfe von Festkörper-NMR verfolgt werden, insbesondere im Hinblick auf die konkreten Orte der Wechselwirkung und die Umstrukturierung des H-Brücken-Netzwerks.
Cellulose Cellodextrine Nachwachsende Rohstoffe H-Brückenbindungsnetzwerk Kristallstrukturanalyse
Publikationen
Synthesis of methyl 4'-O-methyl-ß-D-cellobioside-13C12 from D-glucose-13C6
Autoren: Yoneda, Y., Kawada, T., Rosenau, T., Kosma, P. Jahr: 2005
PUBLIZIERTER Beitrag für wissenschaftliche Veranstaltung
Synthesis of methyl 4'-O-methyl-13C12-beta-D-cellobioside from 13C6-D-glucose. Part 1: reaction optimization and synthesis.
Autoren: Yoneda, Y; Kawada, T; Rosenau, T; Kosma, P Jahr: 2005
Originalbeitrag in Fachzeitschrift
Synthesis of methyl 4'-O-methyl-beta-D-cellobioside-13C12 from D-glucose-13C6. Part 2: solid-state NMR studies.
Autoren: Malz, F; Yoneda, Y; Kawada, T; Mereiter, K; Kosma, P; Rosenau, T; Jäger, C Jahr: 2007
Originalbeitrag in Fachzeitschrift
Mitarbeiter*innen
Thomas Rosenau
Univ.Prof. Dipl.-Chem. Dr.rer.nat. DDr.h.c. Thomas Rosenau
thomas.rosenau@boku.ac.at
Tel: +43 1 47654-77411, 77471
Projektleiter*in
01.04.2005 - 31.12.2008
Ute Henniges
Assoc. Prof. Dr. Ute Henniges
ute.henniges@boku.ac.at
Projektmitarbeiter*in
01.04.2005 - 31.12.2008