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Cellodextrine: Struktur und Mechanismen der Direktlösung

Projektleitung
Rosenau Thomas, Projektleiter/in
Laufzeit:
01.04.2005-31.12.2008
Art der Forschung
Grundlagenforschung
Mitarbeiter/innen
Adelwöhrer Christian, Projektmitarbeiter/in (bis 30.11.2007)
Henniges Ute, Projektmitarbeiter/in
Yoneda Yuko, Projektmitarbeiter/in (bis 31.03.2008)
Beteiligte BOKU-Organisationseinheiten
Abteilung für Chemie nachwachsender Rohstoffe (Chemie NAWARO)
Gefördert durch
Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung (FWF) , Sensengasse 1, 1090 Wien, Österreich
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.
Schlagworte
Cellodextrine; Cellulose; H-Brückenbindungsnetzwerk; Kristallstrukturanalyse; Nachwachsende Rohstoffe;
Publikationen

Yoneda, Y., Kawada, T., Rosenau, T., Kosma, P. (2005): Synthesis of methyl 4'-O-methyl-ß-D-cellobioside-13C12 from D-glucose-13C6.
[Japanese-European Workshop on Cellulose and Functional Polysaccharides, Wien, September 11-14]

In: Department of Chemistry, BOKU: Japanese-European Workshop on Cellulose and Functional Polysaccharides, September 11-14, Wien, 86

** Yoneda, Y; Kawada, T; Rosenau, T; Kosma, P Synthesis of methyl 4'-O-methyl-13C12-beta-D-cellobioside from 13C6-D-glucose. Part 1: reaction optimization and synthesis..

Carbohydr Res. 2005; 340(15):2428-2435 WoS PubMed FullText FullText_BOKU

** Malz, F; Yoneda, Y; Kawada, T; Mereiter, K; Kosma, P; Rosenau, T; Jäger, C Synthesis of methyl 4'-O-methyl-beta-D-cellobioside-13C12 from D-glucose-13C6. Part 2: solid-state NMR studies..

Carbohydr Res. 2007; 342(1):65-70 WoS PubMed FullText FullText_BOKU

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