СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О СТРОЕНИИ ЦЕЛЛЮЛОЗ

Реклама
Химия растительного сырья. 2001. №1. С. 5–36.
УДК 541.64
СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О СТРОЕНИИ ЦЕЛЛЮЛОЗ
(ОБЗОР)

*
Л.А. Алешина , С.В. Глазкова, Л.А. Луговская, М.В. Подойникова, А.Д. Фофанов,
Е.В. Силина
Петрозаводский государственный университет, пр. Ленина 33,
Петрозаводск, 185640 (Россия)
e-mail: [email protected]
В работе представлен обзор современных литературных данных по изучению структуры аморфной и
кристаллической составляющих целлюлоз. К настоящему времени можно считать установленным, что в нативных
целлюлозах сосуществуют 2 фазы: Iα, которая имеет моноклинную ячейку с одним целлобиозным фрагментом, и Iβ,
на моноклинную ячейку которой приходится 2 целлобиозных фрагмента. Для целлюлозы Iβ предложено 3
различные модели атомного строения: параллельная “вверх”, параллельная “вниз” и антипараллельная. Кроме того,
установлено существование еще четырех полиморфных модификаций: целлюлозы III1 III2 IV1 IV2. Приведены
результаты исследования аморфной составляющей целлюлозы.
Чистая целлюлоза имеет эмпирическую формулу (С6Н10О5)n, которую с учетом трех гидроксильных
групп в элементарном звене можно представить в виде [С6Н7О2(ОН)3]n. Еще в 1858 г. von Nageli, как
отмечается в работе [1], предположил, что целлюлоза является кристаллическим веществом. Только 70
лет спустя это было подтверждено методом порошковой рентгенографии в работах Meyer-Misch [2]. В
предложенной ими модели структуры целлюлозы рами в основу пространственной решетки был
положен элементарный параллелепипед в виде моноклинной ячейки с параметрами а = 8.35, b = 10.38,
c = 7.95 Å, β = 84°. Элементарная ячейка содержала две цепочки: одну центральную и одну угловую
(рис. 1).
Авторами этой модели было предположено, что последовательно расположенные глюкопиранозные
звенья цепочки ориентированы относительно оси b по разному. Впоследствии такую модель строения
назвали антипараллельной. В модели Meyer и Мisch длине двух глюкопиранозных звеньев, образующих
целлобиозный фрагмент, соответствовал период идентичности b. Уже тогда эти исследователи
объяснили тот факт, что период элементарной ячейки b меньше, чем длина полностью вытянутого
целлобиозного остатка, предположив, что он изогнут. В настоящее время установлены форма и размеры
целлюзной цепочки (рис. 2 [3]), лежащей в основе моделей кристаллической структуры целлюлозы. Угол
изгиба цепочки (угол связи С1-О1-С4') составляет величину порядка 115°. Образующий цепочку
целлобиозный фрагмент имеет винтовую ось симметрии второго порядка (21), направленную вдоль
длины цепочки (оси волокна). Поворот вокруг этой оси производится таким образом, чтобы верхнее и
нижнее звенья целлобиозного фрагмента совместились. На рисунке 2 проиллюстрирована трансляция
*
Автор, с которым следует вести переписку.
Л.А. АЛЕШИНА, С.В. ГЛАЗКОВА, Л.А. ЛУГОВСКАЯ, М.В. ПОДОЙНИКОВА …
6
атома О1', находящегося в нижнем фрагменте цепочки: поворот на 180° вокруг оси 21 и последующая
трансляция на 1/2 длины цепочки (5.18 Å) переводят данный атом в положение О1, затем поворот на
180° вокруг оси 21 и последующая трансляция на 1/2 длины цепочки (5.18 Å) переводят атом О1 в
положение О1', находящееся в верхнем фрагменте цепочки.
К настоящему времени в литературе имеются сведения о шести полиморфных модификациях
целлюлозы: I, II, IIII, IIIII, IVI и IVII [1, 4]. Целлюлоза I, или нативная целлюлоза, – это форма,
обнаруженная в природных материалах, которая, по последним данным, имеет две полиморфных
модификации: Iα и Iβ. Целлюлоза II, вторая наиболее интенсивно исследуемая форма, может быть
получена из целлюлозы I одним из двух методов: а) регенерацией, представляющей собой процесс
растворения целлюлозы I в растворителе с последующим повторным осаждением при разведении водой;
б)
мерсеризацией,
которая
представляет
собой
процесс
разбухания
нативных
волокон
в
концентрированном гидроксиде натрия. Целлюлозы IIII и IIIII образуются (в обратимом процессе) из
целлюлозы I и II соответственно, при обработке в жидком аммонии или некоторых аминах и
последующем выпаривании избытка аммония. Полиморфы IVI и IVII могут быть получены путем отжига
целлюлоз IIII и IIIII соответственно при температуре порядка 200°С в глицерине или растворе щелочи.
Взаимные превращения полиморфных модификаций целлюлозы показаны на рисунке 3.
Работы по рентгеновской и электронной дифракции внесли ясность в строение элементарных ячеек
полиморфов целлюлозы I—IV. Обнаружено, что полиморфы можно разделить на 2 группы: те, у которых
элементарные ячейки подобны элементарной ячейке нативной целлюлозы (I, IIII и IVI), и те, у которых
элементарные ячейки подобны целлюлозе II ( II, IIIII и IVII).
Рис. 1. Элементарная ячейка модели Meyer-Misch
Рис. 2. Модель целлюлозной цепочки [3]:
а) Обозначения атомов в целлобиозном
фрагменте; б) Длины и углы связей в цепочке
СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О СТРОЕНИИ ЦЕЛЛЮЛОЗ …
7
Е
Рис. 3. Взаимные превращения полиморфных
модификаций целлюлозы
1. Нативная целлюлоза – целлюлоза I
Целлюлоза I – модель структуры нативной целлюлозы, атомное строение которой изучалось многие
годы, она является модификацией, которая встречается в природных материалах: хлопке, рами и
большинстве древесных целлюлоз. Долгое время результаты всех исследований интерпретировались на
основе модели Meyer-Misch [3]. Обсуждались лишь два возможных варианта упаковки цепочек:
поскольку ось 21 совпадает с осью цепи, то две цепи, входящие в состав элементарной ячейки,
оказываются симметрически друг с другом не связаны, т.е. они могут идти как параллельно, так и
антипараллельно [1, 4]. Последний вариант показан на рисунке 1. Описанная выше структура целлюлозы
обозначалась как целлюлоза I.
Анализ параметров модели Meyer-Misch, использованной для интерпретации данных для различных
по происхождению природных целлюлоз, был проведен в работе Wellard [5]. Данные Wellard для
целлюлозы I приведены в таблице 1. Угол γ, приведенный в таблице 1, соответствует углу (180-β)° в
модели Meyer-Misch. Величина периода с для всех рассматриваемых объектов составляла (10.34±0.02) Е,
т.е. ось с направлена вдоль оси фибриллы. Следует отметить, что за ось волокна в настоящее время
принимают ось с элементарной ячейки, а единственный, не равный 90°, угол обозначают через γ. Более
того, в ранних работах этот угол был записан как острый, а в современной кристаллографии
используется тупой угол.
Таблица 1. Периоды, угол и объем (V) элементарной ячейки для различных видов нативных целлюлоз [5]
a, Е
b, Е
γ°
V, Е 3
Bacterial
8.205±0.035
7.908±0.01
98°09′±11′
664±4
Linen
8.181±0.039
7.873±0.025
97°14′±24′
663±5
Ramie
8.171±0.032
7.846±0.019
96°23′±08′
660±4
Cotton
8.174±0.007
7.869±0.019
96°32′±00′
662±1
Gladoflora prolifera
8.283
7.963
96°27′
677
Valonia
8.212
7.882
96°39′
666
Тип целлюлозы
8
Л.А. АЛЕШИНА, С.В. ГЛАЗКОВА, Л.А. ЛУГОВСКАЯ, М.В. ПОДОЙНИКОВА …
Автор [5] отметил, что наблюдаются значительные различия в параметрах решетки различных типов
целлюлоз: значения величины a находятся в интервале 8.17–8.283 Å (а модели Meyer-Misch), b – в
интервале 7.85–7.963 Å (с модели Meyer-Misch), а значение угла β, соответствующего углу модели
Meyer-Misch, – в интервале 81.8–83.7° (180-γ)°. Считая, что рассматриваемая модель строения целлюзы
применима к описанию структуры всех указанных видов нативных целлюлоз, Wellard объяснил различия
параметрах элементарной ячейки нативных целлюлоз различными источниками целлюлозы и различной
влажностью при проведении эксперимента.
Спустя два десятилетия Honjo и Watanabe [6] показали, что картины электронной дифракции от
целлюлозы морских водорослей не могут быть объяснены на основе модели Meyer-Misch. Они
предложили так называемую сверхячейку с периодами а = 15.76, b = 16.42, c (ось фибриллы) = 10.34 Å,
γ = 96.8°, содержащую 8 цепочек, находящихся в параллельной ориентации (рис. 4).
В 1974 г. в работах [7–9, 10] был предложен второй вариант взаимной ориентации цепочек в
элементарной ячейке целлюлозы I. Предполагалось, что две цепочки, образующие элементарную ячейку,
находятся в параллельной ориентации. Со стереохимической точки зрения параллельная упаковка
целлюлозных цепочек вполне возможна: поскольку винтовая ось 21 совпадает с осью цепи, то две цепи,
входящие в состав элементарной ячейки, оказываются симметрически друг с другом не связаны, т.е. они
могут идти как параллельно, так и антипараллельно [1, 5]. Были рассмотрены [7-10] два возможных типа
параллельного расположения цепочек в ячейках целлюлозы: параллельно «вверх» (up) и параллельно
«вниз» (down). Согласно Gardner и Blackwell [9] up-плоскости состоят из целлюлозных цепочек, у
которых координата z кислорода О5 больше, чем z углерода С5, в то время как down плоскости содержат
целлюлозные цепочки, у которых z кислорода О5 меньше, чем z углерода С5.
На рисунке 5 представлены модели, иллюстрирующие атомно-молекулярные конфигурации,
предложенные различными авторами для целлюлозы I. Для построения рисунка 5 координаты атомов,
Рис. 4. Проекция ячейки целлюлозы I, предложенной
Honjo и Watanabe, на плоскость bc [1]
СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О СТРОЕНИИ ЦЕЛЛЮЛОЗ …
Е
9
Рис. 5. Модели структуры целлюлозы I [12]:
A – Sarko и Muggli [7]; B – Woodcock и Sarko
[8]; C – Cardner и Blackwell [9–11]; D – Miller
и Li [13]; E – French [14]; F – система
координат, в которой выполнены все
построения
приведенные в работах [9–14], были пересчитаны French и Howley [12] так, чтобы исключить влияние
выбора системы координат. Использованное ими расположение координатных осей показано на
рисунке 5 F. При рассмотрении в единой системе координат модели, предложенные для целлюлозы
валония Sarko и Muggli [7] (рис. 5 А) и для целлюлозы рами Woodcock и Sarko [8] (рис. 5 B), были
классифицированы как параллельные up. Модели Gardner и Blackwell [9, 10] для целлюлозы валония
(рис. 5 C) и целлюлозы рами Miller и Li [13] (рис. 5 D), были классифицированы как параллельные down.
Модель E, предложенная French в [14] для целлюлозы рами и исправленная в [12], является
антипараллельной, т.е. соответствует модели Meyer-Misch. Таким образом, элементарная ячейка
содержит параллельные цепочки, если направление связи О1→С4 одно и то же в обеих цепочках, и
антипараллельные, если в одной цепочке направление связи О1→С4 соответствует положительному
направлению оси волокна, а во второй направление связи О1→С4 соответствует отрицательному
направлению оси волокна (рис. 5). Соответствующие конфигурации в элементарной ячейке
представлены на рисунке 6 в виде диаграммы: край каждой цепочки показан как прямоугольник, в
котором пара углов обозначена сочетанием букв А и В, расположенных в определенном порядке.
Оказалось, что для целлюлозы валония предлагаются две различные модели строения элементарной
ячейки: параллельная up и параллельная down, а для целлюлозы рами – три: параллельная up,
параллельная down и антипараллельная.
10
Л.А. АЛЕШИНА, С.В. ГЛАЗКОВА, Л.А. ЛУГОВСКАЯ, М.В. ПОДОЙНИКОВА …
Авторы [15] предположили, что различия в структурах различных целлюлоз (например, рами,
валония, хлопковой и древесной) могут быть связаны с порядком или беспорядком в упаковке двух
типов плоскостей, up и down. В [16] исследовали целлюлозу различных биологических разновидностей,
главным образом местных деревьев, и наблюдали заметную разницу в угле моноклинности γ; они
сделали вывод, что величина γ коррелирует с таксономией растений.
Результаты исследований с использованием метода ядерного магнитного резонанса (ЯМР),
проведенные в целой серии работ [17–21], привели к новому предположению: кристаллическая
структура нативной целлюлозы состоит из двух различных кристаллических модификаций: Iα и Iβ.
Присутствие двух кристаллических фаз в нативной целлюлозе было доказано также методами
дифракции электронов [22], инфракрасной спектроскопии [23] и микродифракции электронов [24].
Согласно этим работам и компьютерным моделям, построенным в [25–34], с целлюлозой Iα была
идентифицирована одноцепочечная триклинная элементарная ячейка со следующими размерами:
а = 6.74, b = 5.93, c = 10.36 Å, α = 117°, β = 113°, γ = 81°. Пространственная группа симметрии Р1.
Структура фазы Iβ описывается моноклинной элементарной ячейкой с размерами: а = 8.01, b = 8.17,
c = 10.36 Å, γ = 97.3°. Пространственная группа симметрии Р21. Параллельные и антипараллельные
модели пространственного расположения атомов в Iα и Iβ фазах были построены в [27–33] двумя
методами: методом молекулярной механики с использованием пластичной модели пространственного
расположения атомов в кольцах и методом PLMR, предложенным Пертсиным и Китайгородским [25,
26], в котором сохраняется жесткая структура кольца. Были рассчитаны и проанализированы значения
потенциальных энергий для рассматриваемых упаковок. Учитывались все атомы, включая атомы
водорода. Исходная конфигурация была построена методом компьютерной графики с учетом
стереохимических соотношений.
Было показано [27], что в одноцепочечной модели целлюлозы Iα цепочки упакованы параллельно
(рис. 7), и если существуют обычные внутримолекулярные водородные связи О3-Н…О5 и О2-Н…О3, то
гидроксиметильные группы находятся в tg конформации и все параллельные цепочки связаны
межцепочечными связями О6-Н…О3 (рис. 7). Расчет энергии упакованной таким образом структуры
дает значение 19.5 ккал/моль.
Рис. 6. XY проекция элементарных ячеек
Рис. 7. Модель целлюлозы Iα [27]: О – атомы
целлюлозы, упаковка цепочек в которых
кислорода; • – сетка водородных связей.
а) параллельная «up», б) параллельная «down»;
c) антипараллельная [1]
СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О СТРОЕНИИ ЦЕЛЛЮЛОЗ …
Е
11
Оказалось [27], что для целлюлозы Iβ как параллельные, так и антипараллельные модели могут легко
согласовываться со значениями экспериментально определенных периодов и углов элементарных ячеек.
Если предположить, что внутри- и межмолекулярные водородные связи в модели моноклинной
двухцепочечной структуры, предложенной для целлюлозы Iβ в работе [24], идентичны таковым для
описанной выше модели целлюлозы Iα, то рассчитанное значение энергии решетки целлюлозы Iβ
немного отличается от приведенного выше значения для целлюлозы Iα и составляет –19.9 ккал/моль. В
предположении об антипараллельной ориентировке цепей при сохранении того же характера
водородных связей (обычные внутримолекулярные водородные связи О3-Н…О5 и О2-Н…О3,
гидроксиметильные группы находятся в tg-конформации, антипараллельные цепочки связаны
межцепочечными связями О6-Н…О3 (рис. 8)) энергия моноклинной решетки целлюлозы Iβ выше:
-15.5 ккал/моль. Таким образом, на основании энергетических расчетов, проведенных в работах [28–34],
предпочтение следует отдать параллельной ориентировке цепей в решетке целлюлозы Iβ. Аналогичный
результат был получен недавно Kroon-Batenburg и Kroon [35] при моделировании структуры фазы Iβ
методом молекулярной динамики. В работе [35] отмечается, что упаковка цепочек β-фазы целлюлозы I
соответствует модели, описанной в предыдущих работах как параллельная down.
Рассмотрим более подробно результаты экспериментальных работ, подтверждающих двухфазную
структуру нативных целлюлоз.
Впервые на существование двух кристаллических форм нативной целлюлозы I указали Atalla и
Vanderhart [17]. В 1988 г. Simon и др. [36] постулировали, что тип кристаллической целлюлозы,
находящейся вблизи поверхности кристалла, отличается по структуре от такового в центре кристалла. В
1987 г. Horii и др. [19], исследуя методом ЯМР нативные целлюлозы, наблюдали два 13С ЯМР спектра и
предположили, что они соответствуют резонансам областей двух- и восьмицепочечных элементарных
ячеек полиморфов целлюлозы.
Позднее эти две кристаллические фазы были названы целлюлозами Iα и Iβ [19]. Было высказано
мнение, что в целлюлозах, полученных из примитивных организмов, преобладает низкосимметричная
фаза Iα, тогда как в целлюлозах, полученных из высших растений, преобладает Iβ фаза. Все отражения,
наблюдающиеся по рентгенограмме триклинной фазы, были замечены и на рентгенограмме
моноклинной, но не наоборот. Таким образом, было сделано заключение, что существуют две различные
кристаллические фазы.
Рис. 8. Модель целлюлозы Iβ [27]: О – атомы
кислорода; • – сетка водородных связей
12
Л.А. АЛЕШИНА, С.В. ГЛАЗКОВА, Л.А. ЛУГОВСКАЯ, М.В. ПОДОЙНИКОВА …
При исследовании ЯМР спектров целлюлоз валония и Tunicin [20, 37, 38] было установлено, что
целлюлоза Tunicin имеет более простой спектр, чем целлюлоза валония. Спектр целлюлозы валония
содержал два перекрывающихся спектра, соответствующих Iα и Iβ. Соотношение Iα : Iβ в целлюлозе
валония Vanderhart и Atalla оценили как 65 : 35 [17]. Целлюлоза Tunicin дает более простой спектр, если
используются образцы с высокой степенью кристалличности, и в этом случае состоит только из β-фазы.
В спектрах ЯМР, полученных Erаta и др. [39] для целлюлозы Cladophora, обнаружились различия между
коррелирующими друг с другом пиками целлюлоз Iα и Iβ, указывающие на некоторые структурные
различия. Как уже отмечалось, компьютерное моделирование целлюлоз Iα и Iβ дает различные картины
распределения водородных связей и упаковки молекул [1, 29–34].
Поскольку ни в одном образце нативной целлюллозы не было обнаружено чистой целлюлозы Iα, то
был сделан вывод, что эта низкосимметричная триклинная форма целлюлозы I является метастабильной.
Тем не менее Lee и др. [40] утверждают, что этот метастабильный полиморф может быть синтезирован.
Сосуществование двух полиморфов, имеющих различную стабильность, будет влиять
на
реакционную способность нативной целлюлозы: так как Iα метастабильна, то ее реакционная
способность выше, чем у Iβ, и Iα фаза будет участком первичной реакции. Результаты исследований,
проведенных в работах [41, 42], показали, что путем отжига в различных средах фаза Iα может быть
превращена в более стабильную фазу Iβ. Так, отжиг при 270оС переводит большую часть целлюлозы Iα в
Iβ.
Две различные фазы нативной целлюлозы были выявлены также методами электронной дифракции и
инфракрасной спектроскопии [23, 24].
Показано, что наивысший процент фазы Iα (∼70%) имеет бактериальная целлюлоза. Yamomoto и
Horii [21] обнаружили, что доля целлюлозы Iα варьируется от 64% в целлюлозе валония и бактериальной
целлюлозе до 20% в рами и хлопковой. Обнаружено также [22], что присутствие карбоксилометильной
целлюлозы или ксилоглюкана уменьшает содержание Iα и что содержание фазы Iα в целлюлозе
возрастает при низких температурах.
В предположении о двухфазности структуры нативных целлюлоз прецизионное определение
межплоскостных расстояний и соотношения фаз Iα и Iβ в различных образцах нативных целлюлоз было
успешно выполнено методами дифракции синхротронного излучения (рентгеновский диапазон) и
дифракции нейтронов от квазипорошковых образцов [43]. Использованные для исследований образцы
целлюлозы представляли собой целлюлозу: из морских водорослей Валония ventricosa, Cladophora sp. и
Chaetomorpha crassa; бактериальную Halocynthia roretzi (животная); хлопковые коробочки ACALA SJ-2;
волокна луба рами и kouzo; беленую бумажную массу из древесины (NBKR). Все образцы, кроме NBKR,
были погружены на ночь в 0.05N HCl при комнатной температуре. Затем они были очищены путем
отбеливания в 0.3% NaClO2 при 70°С в течение 4 ч, последовавшего за погружением на всю ночь в 5%
KOH при комнатной температуре. Эти обработки были повторены дважды, и образцы были совершенно
белые. Очищенные образцы были измельчены в двухцилиндровом гомогенизаторе на малые фрагменты
и высушены путем замораживания в вакууме. Рентгеновские дифракционные пики были разделены
методом развертки с использованием 6 типов функций, описывающих форму профиля: Гаусса,
промежуточной, модифицированной и стандартной функций Лоренца, функций псевдо-Войт и Пирсон
СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О СТРОЕНИИ ЦЕЛЛЮЛОЗ …
13
Е
VII. По значениям R факторов наилучшее совпадение с экспериментом достигалось при использовании
функции псевдо-Войт (рис. 9).
В таблице 2 приведены значения межплоскостных расстояний, рассчитанных из положений трех
типичных экваториальных отражений с использованием различных профильных функций. Видно, что
тип профильной функции не влияет на значения межплоскостных расстояний.
Рис. 9. Подгонка профиля с использованием
Гауссиана (а) и функция псевдо-Войт (б) и
различие между расчитанным и наблюдаемыми
профилями для целлюлозы Halocynthia [43]
Таблица 2. Межплоскостные расстояния (d, Å), рассчитанные из положений трех типичных
экваториальных отражений, показанных на рисунке 9 при использовании каждой из 6 функций для
аппроксимации профиля
Valonia ventricosa
Bacterial cellulose
Halocynthia roretzi
Cotton
Ga
Lb
iLc
mLd
pVe
P7f
d1
6.10
6.10
6.10
6.10
6.10
6.10
d2
5.31
5.31
5.31
5.31
5.31
5.31
d3
3.92
3.92
3.92
3.92
3.92
3.92
d1
6.14
6.15
6.14
6.14
6.14
6.14
d2
5.32
5.29
5.30
5.31
5.30
5.31
d3
3.94
3.94
3.94
3.94
3.94
3.94
d1
6.01
6.01
6.01
6.01
6.01
6.01
d2
5.36
5.35
5.35
5.35
5.35
5.35
d3
3.90
3.90
3.90
3.90
3.90
3.90
d1
6.00
6.01
6.01
6.01
6.01
6.00
d2
5.35
5.37
5.36
5.36
5.36
5.37
d3
3.94
3.93
3.93
3.93
3.93
3.93
a – Гауссиан; b – Лоренц; c – intermediate Лоренц; d – модифицированный Лоренц; e – псевдо-Войт; f – Пирсон VII.
Л.А. АЛЕШИНА, С.В. ГЛАЗКОВА, Л.А. ЛУГОВСКАЯ, М.В. ПОДОЙНИКОВА …
14
Размеры кристаллитов были оценены путем подстановки ширины на половине высоты в уравнение
Шеррера [44, 45]. Полученные значения приведены в таблице 3, из которой видно, что измеренные
межплоскостные расстояния различаются для целлюлоз типа водорослевой – бактериальной и
хлопковой-рами. Авторы считают, что эти различия обусловлены главным образом существованием
двухфазной системы и в меньшей степени размерами кристаллитов.
Значения d1 для группы водорослевых – бактериальных целлюлоз (богатых триклинной фазой Iα)
были больше, чем d1 для группы целлюлоз хлопок-рами (табл. 2). В последних отражение 1, из которого
рассчитывается d1, состоит из отражения (100) триклинной и (1-10) моноклинной фазы, а d100 триклинной
фазы больше, чем d1-10 моноклинной. С другой стороны, величина d2 группы водорослевых –
бактериальных целлюлоз была меньше, чем d2 для целлюлоз хлопок – рами (табл. 2). Этот результат
также объясним на основе предположения, что отражение 2 состоит из отражения (010) триклинной и
(110) моноклинной фаз, а d010 триклинной фазы меньше, чем d110 моноклинной. Значения d3
уменьшаются в следующем порядке: бактериальная целлюлоза и волокна луба > хлопковая целлюлоза >
водорослевые целлюлозы > Halocynthia. Такой порядок указывает на то, что величина d3 уменьшается с
возрастанием размеров кристаллитов, как указывалось ранее в работе [46]. Отражение 3 состоит из
линии (110) триклинной и (200) моноклинной фаз. Следовательно, d110 триклинной фазы больше, чем d200
моноклинной, как ранее сообщалось Yamamoto и др. [41]. Возможно, причиной такого соотношения
межплоскостных расстояний является различие между упаковками целлюлозных цепочек в триклинной
и моноклинной фазах.
После классификации нативных целлюлоз на группы водорослевых-бактериальных и хлопковой-рами
было оценено соотношение фаз Iα и Iβ в каждом типе целлюлозы. Наличие малого количества Iα фазы
было установлено в целлюлозах типа хлопковая-рами методом
13
С ЯМР [20, 47]. Ранее, однако, при
исследованиях методом дифракции электронов на дифракционной картине целлюлоз типа хлопковаярами не было обнаружено никаких отражений α фазы [48, 49]. Исходя из этого авторы [43] делают
Таблица 3. Межплоскостные расстояния и размеры кристаллитов нативных целлюлоз
Нативная
целлюлоза
Межплоскостные расстояния d (Å)
Размеры кристаллитов (Å)
d1
d2
d3
c1
c2
c3
Valonia
6.10
5.31
3.92
104
130
127
Сladophora
6.11
5.31
3.92
117
146
147
Chaetomorpha
6.08
5.30
3.91
95
117
122
Bacterial
6.14
5.30
3.94
52
79
58
Mean
6.11
5.31
3.92
(25×10 )
(05.8×10 )
(12.6×10-3)
Halocyntia
6.10
5.35
3.90
81
107
100
Cotton
6.10
5.36
3.93
43
55
54
Rami
5.97
5.34
3.94
37
46
43
Kouzo
5.96
5.34
3.93
37
45
41
Mean
5.99
5.35
3.93
(26.3×10-3)
(9.6×10-3)
(18.9×10-3)
SD
SD
-3
-3
СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О СТРОЕНИИ ЦЕЛЛЮЛОЗ …
15
Е
вывод, что Iα фаза в целлюлозах типа хлопок-рами не может быть обнаружена и методом дифракции
синхротронного рентгеновского излучения, поскольку этот метод основан на тех же дифракционных
принципах, что и дифракция электронов. Вследствие этого содержание Iα фазы определялось только в
водорослевых целлюлозах с высокой степенью кристалличности, которые богаты фазой Iα. Для
определения с хорошей точностью межплоскостных расстояний из этих же отражений в предположении
о сосуществовании в ней двух типов фаз был использован метод разделения профиля с помощью
функции псевдо-Войт. Как указывалось выше, отражения 1и 2 состоят из отражений (100) триклинной и
(1-10) моноклинной фаз и (110) моноклинной и (010) триклинной соответственно. Эти два отражения
были разделены на 4 независимых пика: (100) Iα, (1-10) Iβ,(110) Iβ и (010) Iα. Процесс разделения в
предположении о том, что профили всех отражений описываются функцией псевдо-Войт, проводился
методом наименьших квадратов (МНК). На рисунке 10 приведены разделенные отражения для
целлюлозы валония вместе с профилями экспериментальной и рассчитанной интенсивностей. В процессе
расчета были определены межплоскостные расстояния, соответствующие отражениям от плоскостей
(100) Iα, (1-10) Iβ, (110) Iβ, (010) Iα. Содержание Х целлюлозы Iα было рассчитано из следующего
уравнения:
Χ =
Ι Ια 10 0
Ι Ια 10 0 + Ι Ια 01 0
,
+ Ι Ιβ 1 1 0 + Ι Ιβ 11 0 + Ι Ια 01 0
где I – интегральная интенсивность отражения, указанного в индексе. Значения d и X приведены в
таблице 4. Как следует из таблицы, значения d для целлюлоз валония, Cladophora и Chaetomorpha почти
одни и те же.
Рис. 10. Разделение максимумов
дифрактограммы синхротронного
рентгеновского излучения от целлюлозы
валония на четыре отражения
Таблица 4. Межплоскостные расстояния Iα и Iβ фаз водорослевой целлюлозы, полученные из
дифрактограммы
Водорослевая
целлюлоза
d (Å)
Iα фаза
Iα(100)
Iβ(1-10)
Iβ(110)
Iα(010)
Х
Valonia
6.13
6.03
5.35
5.29
6.5
Cladophora
6.13
6.02
5.35
5.29
7.0
Chaetomorpha
6.13
6.01
5.35
5.26
6.1
Л.А. АЛЕШИНА, С.В. ГЛАЗКОВА, Л.А. ЛУГОВСКАЯ, М.В. ПОДОЙНИКОВА …
16
Этот результат показывает, что разделение пиков имеет очень хорошую воспроизводимость.
Концентрация Iα находилась в пределах от 0.6 до 0.7. Полученные значения Х немного выше, чем
величина 0.58, найденная Debzi и др. [42] методом
13
С ЯМР для целлюлозы валония, но почти равны
данным, полученным Yamamoto и Horii [21] для целлюлозы валония тем же методом (13С ЯМР).
Таким образом, результаты выполненных различными методами экспериментальных работ
показывают, что нативные целлюлозы двухфазны и, по-видимому, именно по этой причине долгое время
существовала неопределенность в интерпретации кристаллографических и дифракционных данных.
2. Целлюлоза II
Целлюлоза II привлекает внимание исследователей, будучи второй
наиболее изучаемой формой
целлюлозы [1].
В одной из первых работ по исследованию структуры целлюлозы II Andress [50] предложил
элементарную ячейку, состоящую из двух молекул (рис. 11), с периодами a = 8.14, b = 9.14, c = 10.3 Å и
углом моноклинности γ = 62о. На рисунке 11 представлено расположение молекул в ячейке Andress в
проекции на плоскость cb.
Сведения о размерах элементарной ячейки целлюлозы II были собраны и проанализированы в работе
[5]. Данные Wellard [5] приведены в таблицах 5, 6. На примере вискозы (целлюлоза II), выделенной в
отдельную таблицу (табл. 6), показано, насколько могут отличаться размеры ячейки, определенные для
различных партий одного и того же волокна.
Нужно помнить, что целлюлоза II может быть получена из целлюлозы I двумя различными
способами, а именно мерсеризацией (обработка в щелочи) и регенерацией (растворение и повторная
кристаллизация). Хотя элементарные ячейки подобны друг другу, они различаются. Параметр а для
целлюлозы II, полученной регенерацией целлюлозы рами, был равен 8.0662 Å, а для целлюлозы II,
полученной мерсеризацией целлюлозы рами, 8.0588 Å [1, 5]. Значение угла γ больше для образцов,
полученных мерсеризацией. Известно, что регенерация приводит к более полному превращению
целлюлозы I в целлюлозу II. В работе [3] были проведены рентгенографические исследования образцов,
полученных регенерацией Calanese Fibers Co. Было показано, что моноклинная ячейка исследуемой
целлюлозы II имеет размеры: а = 8.01, b = 9.04, с = 10.36 Å и угол γ = 117.1о. Пространственная группа
симметрии Р21. Упаковка цепочек антипараллельная. На рисунке 12 показана сетка водородных связей
регенерированной целлюлозы.
Ориентировка групп –CH2OH угловых цепочек ближе к gt-конформации, тогда как те же группы
центральной цепочки находятся в tg-ориентации. В обеих цепочках имеются внутримолекулярные связи
О3-Н…О5'. Кроме того, в центральной цепочке имеется внутримолекулярная связь О2'-Н…О6.
Межмолекулярные связи лежат в плоскостях (002): О6-Н…О2 для угловых цепочек и О6-Н…О3 для
центральных и в плоскостях (110) между О2-Н угловых цепочек и О2' центральных (рис. 12).
Водородные связи между угловыми и центральными цепочками – главное отличие регенерированной
целлюлозы II от нативной целлюлозы I. Авторы [3] предполагают, что именно эти связи стабилизируют
целлюлозу II, делая фазовый переход I – II необратимым.
СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О СТРОЕНИИ ЦЕЛЛЮЛОЗ …
17
Е
Рис. 11. Проекция целлюлозных
Рис. 12. Меж- и внутрицепочечные связи в целлюлозе II:
цепочек целлюлозы II на плоскость bc
а) в плоскости 020 для «down»-цепочек; б) в плоскости 020
[1, 3]
для «up»-цепочек; в) в плоскости 110 (вид со стороны
начала элементарной ячейки) [3]
Таблица 5. Периоды, угол и объем (V) элементарной ячейки различных видов целлюлозы II [5]
a, Е
b, Е
β°
V, Е 3
Mercerized bacterial
8.014±0.041
9.149±0.022
117°34′±09′
672±7
Mercerized ramie
7.97±0.055
9.219±0.038
117°46′±10′
672±10
Mercerized linen
8.059±0.019
9.382±0.030
118°15′±15′
687±6
Viscose manufacture A
7.911±0.024
9.134±0.025
117°01′±1′
667±2
B
7.834±0.072
9.291±0.070
116°47′±12′
672±13
C
7.965±0.077
9.154±0.079
117°24′±19′
670±11
D
7.883
9.161
117°23′
663
7.831
9.186
116°49′
665
Cupramonnion rayon
7.955±0.024
9.167±0.109
116°57′± 5′
665±8
Fortissan
7.917±0.027
9.083±0.040
117°18′± 9′
662± 6
Tenasko
7.936±0.0730
9.077±0.005
117°00′±1 ′
664± 3
Laboratory filament 0.25-0.5 mm
7.950±0.014
9.167±0.064
117°33′±18′
668± 7
Cellatetraose
8.037±0.021
9.052±0.008
116°50′± 3′
670± 2
Cellapentaose
8.001
9.061
116°37′
670
Тип целлюлозы
(Japanese)
diam. (viscose process)
Есть две работы [51, 52], в которых сообщается о том, что существует природная целлюлоза II.
Nyburg [51] обнаружил ее в роде Halicystis, Kuga и др. [52] – в мутантах рода Acetobacter xylinium,
которые содержат нативную целлюлозу II в виде изогнутых цепочек.
Однако Buleon и Chanzy считают, что рентгеновские данные для целлюлозы II менее надежны, чем
для целлюлозы I из-за большого числа перекрывающихся отражений [53]. По данным дифракции
нейтронов [54] элементарная ячейка целлюлозы II состоит из 8 молекул и имеет периоды а = 15.92,
b = 18.22, с (ось молекулы) = 10.31 Å; γ = 117° с симметрией, близкой к P21.
Л.А. АЛЕШИНА, С.В. ГЛАЗКОВА, Л.А. ЛУГОВСКАЯ, М.В. ПОДОЙНИКОВА …
18
Таблица 6. Периоды, угол и объем (V) элементарной ячейки для различных партий одного и того же
волокна вискозы (целлюлоза II) [5]
Партия
a, Е
b, Е
β°
V, Е 3
A
7.888
9.170
117° 2′
668
B
7.894
9.149
117° 2′
666
C
7.942
9.118
117° 2′
667
D
7.882
9.147
117° 1′
666
E
7.921
9.088
117° 1′
664
F
7.938
9.153
116° 58′
669
Среднее
7.911±0.024
9.134±0.025
117°1′±1′
667± 2
В исследованиях направлений цепочек преобладает мнение о том, что 2-целлюлозные цепочки
антипараллельны [3, 7, 55].
3. Целлюлоза III
Целлюлозы IIII и IIIII [56] могут быть обратимо получены из целлюлозы I и II при обработке в жидком
аммонии или некоторых аминах и последующем выпаривании избытка аммония [57–59]. Установлено
[60, 61], что полярность целлюлозных цепочек сохраняется той же самой, что и в исходном материале.
Для целлюлозы III была предложена гексагональная элементарная ячейка с периодом с, направленным
вдоль оси фибриллы и равным 10.34 Å [1, 5]. Периоды а и объемы элементарных ячеек целлюлоз III,
полученных из различных исходных материалов, приведены в таблице 7 [5].
В работе [58] для целлюлозы IIII была установлена моноклинная ячейка со значениями параметров:
а = 10.25; b = 7.78; с (ось фибриллы) = 10.34 Å, γ=122.4°.
Обратимый переход целлюлозы I целлюлозу IIII активно исследовался различными методами:
13
С
ЯМР [58], рентгеновской и электронной дифракции [56, 61], электронной микроскопии [62],
трансмиссионной электронной микроскопии [63], анализа упаковки [64].
Для исследований перехода целлюлозы I в целлюлозу IIII через I-ЕДА-комплекс, выполненых в
работах Sarko и др. [58], Roche и Chanzy [62] и Reis и др. [65], было использовано существование
жидкокристаллического состояния целлюлозы. Превращение целлюлозы валония I в валония IIII
протекало как обширная (экстенсивная) декристаллизация
и фрагментация кристаллов. При
превращении обратно в целлюлозу I частичная рекристаллизация имела место, но искажения и
фрагментация кристаллов были необратимы. Электрондифракционный анализ показал, что процессы
разбухания
и промывания, являющиеся этапами синтеза целлюлозы IIII, приводят к тому, что
Таблица 7. Период a и объем (V) элементарной ячейки для различных видов целлюлозы III
a, Е
V, Е 3
Сell. III1 from bacterial cell
8.578±0.026
662 ± 4
Сell. III1 from cell ramie
8.662±0.050
671 ± 8
Сell. III1 from bacterial cell Fortsian
8.546±0.030
654 ± 5
Сell. III11 from Merserisied ramie
8.588±0.012
662
Тип целлюлозы
СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О СТРОЕНИИ ЦЕЛЛЮЛОЗ …
Е
19
микрофибриллы исходной целлюлозы I изгибаются (скручиваются) и степень кристалличности
становится малой. После прохождения гидротермальной обработки области кристалличности
увеличиваются, но площадь поверхности остается выше, чем в исходном сырье. Вследствие этого
активность целлюлозы IIII выше, чем активность целлюлозы I.
Рентгенографические исследования [56], ставили своей целью сравнение дифракционных картин,
полученных от целлюлоз III, IV, синтезированных из различных видов целлюлоз I и II. Целлюлоза III
была изготовлена из целлюлоз рами, хлопковой, пеньки, мерсеризованной рами, fortizan, высокопрочной
и нормальной вискозы путем обработки в жидком аммонии при температуре порядка –80оС и
выпаривании аммония при температуре порядка –15°С. Было получено два вида дифрактограмм,
которые авторы назвали «меридиональные» и «экваториальные». Оба типа рентгенограмм получены в
геометрии на отражение. Для получения меридиональных рентгенограмм фибриллы образца располагали
перпендикулярно поверхности держателя. Экваториальные рентгенограммы – фибриллы образца лежали
в плоскости держателя. На pисунках 13, 14 приведены оба типа рентгенограмм.
Рис. 13. Экваториальные рентгенограммы для
Рис. 14. Меридиональные рентгенограммы для
целлюлозы III, синтезированной их целлюлоз (А)
целлюлозы III, синтезированной их целлюлоз (А)
рами, (B) хлопковой, (C) пеньки, (D) fortisan, (E)
рами, (B) хлопковой, (C) пеньки, (D) fortisan, (E)
высокопрочной вискозы, (F) нормальной вискозы,
высокопрочной вискозы, (F) нормальной вискозы,
(G) мерсеризованной рами
(G) мерсеризованной рами
Л.А. АЛЕШИНА, С.В. ГЛАЗКОВА, Л.А. ЛУГОВСКАЯ, М.В. ПОДОЙНИКОВА …
20
Авторы
отмечают,
что,
несмотря
на
сходство
экваториальных
рентгенограмм,
анализ
меридиональных позволяет уловить различие в структуре целлюлоз III, синтезированных из целлюлоз I
и II.
4. Целлюлоза IV
Целлюлозы IVI и IVII получаются из целлюлоз I и II соответственно. В последнем случае лучше
использовать регенерированную целлюлозу [66]. Целлюлоза III, как сообщалось выше, очень близка по
структуре к гексагональной. Превращение в целлюлозу IV в большинстве случаев происходит только
частично, затрудняя получение однозначных результатов при интерпретации дифракционных картин
[67]. Для одного из исследованных авторами [67] образцов были получены следующие значения
периодов элементарной ячейки: а = 8.068; b = 7.946 Е; β=90°. Полиморфы IVI и IVII [68, 69] могут быть
получены путем отжига целлюлоз IIII и IIIII соответственно при 206° в глицероле. В работе Gardiner и
Sarko [69] показано, что оба полиморфа IVI и IVII кристаллизуются в почти одинаковых ортогональных
элементарных ячейках с периодами:
для целлюлозы IVI : а = 8.03; b = 8.13; с (ось фибриллы) = 10.34 Е;
для целлюлозы IVII : а = 7.99; b = 8.10; с (ось фибриллы) = 10.34 Е.
Для обоих полиморфов предложена пространственная группа Р1.
5. Щелочная целлюлоза
Как следует из приведенных выше данных, установлено, что в решетке целлюлозы I цепочки
находятся в параллельной ориентации, а в решетке целлюлозы II – в антипараллельной. Тем не менее,
вопрос о различии в направленности (полярности) целлюлозных цепочек в целлюлозах постоянно
обсуждается в литературе по мере получения новых данных. В процессе получения целлюлозы II из
целлюлозы I путем обработки последней в щелочи (мерсеризации) не наблюдается растворения, что, повидимому,
означает,
что
структура
волокон
должна
сохраняться.
Исследования
изменений,
происходящих в целлюлозе I при обработке ее щелочью, с целью изучения характера фазовых переходов
целлюлозы были проведены в работах [70–74]. Было обнаружено, что с хорошей воспроизводимостью
можно получить пять типов щелочных целлюлоз и что на основе длины трансляции вдоль
кристаллографической оси, совпадающей с осью фибрилл, можно выделить две группы: Na-целлюлозы I,
III и IV характеризуются длиной трансляции 1 нм, тогда как Na-целлюлозы II A и II B имеют величину
трансляции 15 Å, и форму цепочки в виде трехвитковой спирали, не обнаруженную в обычных
целлюлозах [70]. Все щелочные целлюлозы имеют высокую степень кристалличности и высокую степень
ориентировки фибрилл [1].
Поскольку Na-целлюлоза I не может быть превращена в целлюлозу I , то предположили, что Naцеллюлоза I имеет антипараллельное расположение цепочек, т.е. такое же, как и в целлюлозе II.
Pентгенографические исследования Na-целлюлоза I были проведены в работе [73]. Было установлено,
что на элементарную ячейку с пространственной группой Р2I приходится четыре цепочки. Ячейка
орторомбическая с периодами а = 8.83, b = 25.28, с (ось фибриллы) = 10.29 Е. Авторы предпочли
антипараллельное распределение цепочек параллельному. Было обнаружено, что гидроксиметильные
группы имеют tg конфигурации в "up" цепочках и gt в "down" цепочках.
СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О СТРОЕНИИ ЦЕЛЛЮЛОЗ …
21
Е
Таким образом, на атомно-молекулярном уровне целлюлоза имеет целый ряд
кристаллических
модификаций, достаточно подробные сведения о которых имеются в литературе. Тем не менее,
исследования структурного состояния целлюлоз не является задачей тривиальной в силу того, что их
рентгенограммы очень размыты. Вследствие этого сейчас существует несколько представлений о
надмолекулярной
структуре
целлюлозы:
теория
аморфного,
кристаллического
и
аморфно-
кристаллического строения.
6. Надмолекулярная структура целлюлозы
Надмолекулярная структура является одним из основных факторов, определяющих свойства
полимеров.
В последние годы уделяется большое внимание теории паракристаллического строения полимеров,
выдвинутой Hosemann [75]. Согласно этой теории, основанной на малоугловом рассеянии рентгеновских
лучей, полимер состоит из зон, построенных по принципу складчатого кристалла, перемежающихся с
аморфными участками. Длина кристаллитов колеблется в широких пределах: от 100 до 200 Å.
Получается, что одна молекулярная цепь проходит через несколько областей порядка и беспорядка.
Сложным является вопрос о природе, размерах, форме и локализации аморфных областей в
целлюлозе. Во многих схемах предусматриваются нарушения порядка внутри структурных элементов
(дислокации
решетки,
повороты
цепей,
их
окончания,
более
протяженные
области
между
кристаллитами). Причем распределение этих дефектов по объему носит статистический характер.
Из всех существующих схем тонкой структуры ни одна достаточно полно не отражает наблюдаемые
экспериментально структурные особенности целлюлозы. Вряд ли возможно создание универсальной
модели для описания всех видов целлюлоз. Более логично, используя следующие основные принципы,
разрабатывать конкретные модели:
1.
Макромолекулы целлюлоз обладают выпрямленной конформацией.
2.
Первичными элементами в надмолекулярной структуре
являются микрофибриллы.
В
микрофибриллах макромолекулы образуют области с различной степенью упорядоченности.
3.
Распределение аморфных зон по длине микрофибрилл носит статистический характер.
4.
Аморфные зоны целлюлоз проявляются в основном в виде нарушения порядка внутри
микрофибрилл, изолированных цепей между ламеллами, а также между микрофибриллами.
Теории аморфного строения целлюлозы придерживались Каргин и его сотрудники [76]. Они считали,
что
наблюдаемые
рентгенограммы
обусловлены
не
существованием
кристаллов,
имеющих
определенную кристаллографическую решетку, а вызваны лишь ориентированными молекулярными
цепями. Эти фиксированные цепи не образуют правильной кристаллической решетки, а лишь имеют
преимущественное направление, совпадающее с осью волокна. Высокоориентированное состояние
целлюлозы, приближающееся к кристаллическому, не является устойчивым (равновесным) [77]. Оно
может появиться лишь в особых условиях, например, при вытяжке волокна. Таким образом, в структуре
целлюлозы, согласно этой теории, отсутствует дальний порядок.
С другой стороны, существует тенденция рассматривать целлюлозу как однофазную систему,
состоящую из одной кристаллической фазы с дефектами кристаллической решетки. Она опирается на
полученные
прямые
доказательства
существования
равновесного
кристаллического
состояния
Л.А. АЛЕШИНА, С.В. ГЛАЗКОВА, Л.А. ЛУГОВСКАЯ, М.В. ПОДОЙНИКОВА …
22
целлюлозы, на успехи в получении монокристаллов эфиров целлюлозы и даже самой целлюлозы, на
наличие фазовых переходов в целлюлозе, устанавливаемое по резкому изменению некоторых
термодинамических
показателей.
Кроме
того,
обнаружено
самопроизвольное
упорядочение
макромолекул в препаратах аморфной целлюлозы [77, 78]. Плотность кристаллов целлюлозы можно
рассчитать из кристаллографических данных, приведенных выше для различных полиморфных
модификаций. Она равна 1.55–1.59 г/см3 и соответствует значениям плотности, полученным в [79]. И
наконец, еще в 1949 г. Hermans и Weidnger [80] предположили, что целлюлоза – аморфнокристаллический полимер и оценили из рентгеновских данных степень кристалличноcти нативной
целлюлозы. Она составляла максимум 70%. Оставшаяся 30%-я часть целлюлозы аморфна.
Согласно теории аморфно-кристаллического строения целлюлозы, целлюлоза в растительных
клеточных стенках находится в виде фибрилл – нитевидных частиц, состоящих в свою очередь из
микрофибрилл, представляющих собой пачки жестких молекул [1, 81–85]. Микрофибриллы состоят из
кристаллических (высокоупорядоченных) и аморфных (разупорядоченных) участков. Трехмерный
дальний порядок в расположении цепей поддерживается за счет межмолекулярных сил – сил Ван-дерВаальса и, главным образом, водородных связей. По З.А. Роговину кристаллиты – это отдельные участки
цепей, в которых расстояние между цепями минимальны, и которые, вследствие этого, обладают высшей
кристаллографической ориентацией и максимальной энергией связи [83].
В аморфных участках стройный трехмерный порядок отсутствует, сохраняется лишь общая
направленность цепей. В этих участках довольно легко могут проходить реакции взаимодействия
целлюлозы с другими веществами.
Кристаллические и аморфные участки не имеют четких границ. Переход от упорядоченного
состояния к менее упорядоченному происходит постепенно. С этой точки зрения целлюлоза является
ориентированным полимером, поскольку все кристаллиты ориентированы в одном направлении вдоль
микрофибрилл, которые располагаются в целлюлозном волокне также в одном направлении.
По мере разработки методик особенности строения фибрилл рассматривались более детально.
Высокоразрешающая электронная микроскопия свидетельствует, что в фибриллах дерева целлюлоза
является кристаллической. Dennis и Preston [86], разрушая фибриллы путем химической обработки,
получили коллоидные целлюлозы. Получившиеся частицы целлюлозы состояли в длину приблизительно
из 135 глюкозных остатков. Посчитали, что они представляют собой кристаллиты микрофибрилл.
Несмотря на развитие микроскопических методов, таких как сканирующая электронная микроскопия
[87], атомно-силовая микроскопия [88] и сканирующая туннельная микроскопия [89] длину цепочки
такой большой фибриллы, как целлюлоза, еще довольно трудно измерить. Длина целлюлозной
фибриллы в дереве была определена Fengel и Wegner [90] путем взвешивания выделенных различными
методами целлюлозных молекул и составила приблизительно 35000-50000 Å в зависимости от степени
полимеризации. Рентгеновский анализ дает размер кристаллита от 20 до 200 Å в ширину и от 20 до 170 Å
в толщину, в зависимости от образцов.
Таким образом, если опираться на теорию аморфно-кристаллического строения целлюлозы, то ее
надмолекулярная
степенью
структура может быть охарактеризована кристаллографическими параметрами,
кристалличности,
размерами
кристаллитов
и
их
дефектностью,
структурными
СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О СТРОЕНИИ ЦЕЛЛЮЛОЗ …
Е
23
характеристиками аморфных областей, размерами фибриллярных образований и другими параметрами
[1]. Проследим некоторые этапы развития настоящих представлений.
Frey-Wissling [91, 92] выдвинул модель микрофибриллы как агрегата из нескольких элементарных
фибрилл (образований из 36 целлюлозных цепочек), также названного мицеллярными "пачками",
которые вставлены в паракристаллическую целлюлозу, представляющую собой разупорядоченную
кристаллическую [93, 94]. Существование этих элементарных фибрилл в микрофибриллах целлюлозы
оставалось под вопросом, и как сообщили, наименьшая фибрилла – это такая микрофибрилла, которая
содержит только один массив упорядоченных целлюлозных цепочек [1]. Другой моделью является
модель бахромчатой мицеллы (Astbury [95]), по которой полностью упорядоченные кристаллические
области без какой-либо характерной границы переходят в разупорядоченные, или аморфные, области. По
этой модели считается, что одиночная молекула проходит из одной кристаллической области в другую
через аморфную матрицу. Считалось, что микрофибриллы 10-20 нм шириной, наблюдаемые в
электронном микроскопе, объединены в большие фибриллы, или ламеллы, чтобы образовать волокна.
Было обнаружено, что разупорядоченные целлюлозные молекулы так же, как и гемицеллюлоза и лигнин,
локализованы в пространстве между микрофибриллами. В аморфных областях молекулы целлюлозы
ориентированы в том же самом направлении, что и микрофибриллы целлюлозы [96]. В своей ранней
работе Fengel [97] предложил модель ультраструктуры компонентов стенок ячеек дерева, согласно
которой несколько слоев гемицеллюлозных молекул находится между фибриллами (размеры 12 нм), а
мономолекулярный слой гемицеллюлозы находится между элементарными фибриллами. Лигнин
рассматривался как окружение всей системы микрофибрилл, как показано на рисунке 15.
Fengel [97] и Taylor и Wallace [98] обсуждали наличие гемицеллюлозного ксилоглюкана,
связывающего фибриллы. Степень ассоциации (объединения) целюлозы и ксилоглюкана зависит от
источника целлюлозы [99]. Связи с ксилоглюканами рассматривали как регулятор размера фибрилл
целлюлозы [100].
Рис. 15. Поперечное сечение модели
ультраструктуры компонентов стенок ячеек дерева
[1, 97]
24
Л.А. АЛЕШИНА, С.В. ГЛАЗКОВА, Л.А. ЛУГОВСКАЯ, М.В. ПОДОЙНИКОВА …
Недавно Lenz и Schurz [101] сообщили о наличии элементарных фибрилл. Gardner и Blackwell [102],
Okuda и др. [103] наблюдали в микроскопe полосы или пятна на поверхности микрофибрилл и также
предположили, что микрофибриллы состоят из более мелких единиц, или элементарных микрофибрилл.
Однако Boureet и др. [104] и Chanzy [105] оспаривают этот факт, так что противоречивость взглядов на
строение фибриллярной
целлюлозы
сохраняется. Было показано, что ширина микрофибриллы
целлюлозы валония соответствует ширине кристаллита, в то время как длина составляет (как было
определено) выше 1000 Å без какой-либо продольной периодичности. Tsekos [106] показал (методом
электронной микроскопии), что в ряде разновидностей водорослей микрофибриллы могут состоять из
двух, трех или четырех линейных субкомпонент – элементарных фибрилл. В некоторых разновидностях
было видно, что 2 или 3 микрофибриллы связаны вместе. На основе электронно-микроскопических
исследований стенок ячеек водорослей Fujino и Itoh [107] предположили, что существуют слои
аморфных целлюлозных фибрилл, имеющих размеры 80–100 Å, и кристаллических микрофибрилл с
размерами 150–170 Å. Эти слои соединены между собой мостиками с поперечным сечением, равным
приблизительно 20–40 Å.
Целый ряд работ был выполнен по изучению этой зависимости. Методом трансмиссионной
электронной микроскопии Chanzy [105] обнаружил, что в целлюлозе валония поперечное сечение
микрофибриллы имеет форму квадрата. Этим же методом были исследованы волокна древесной массы
[67] и хлопка [108] и были обнаружены отдельные микрофибриллы, но из-за плохой разрешающей
способности не удалось достоверно определить форму их поперечного сечения. Только в нескольких
случаях было видно близкое к квадратному поперечное сечение. На основе информации, полученной в
этих работах, было установлено, что ширины стенки вторичной ячейки целлюлоз валония, Tunicin, рами
и древесины равны 200, 100, 50, 30–40 и 18–20 Å соответственно [64, 105, 109–111]. Однако Fink и др.
[112] обнаружили, что, исключая бактериальную целлюлозу, размеры кристаллитов, измеренные из
рентгеновских дифракционных картин, заметно меньше, чем размеры, наблюдаемые методом
электронной микроскопии. Они предположили, что необходимо учесть искажения решетки и наличие
двух полиморфов в нативной целлюлозе.
Первые исследователи ожидали, что целлюлозные цепочки подобно другим полимерам имеют
спиральную структуру. Bittiger и Huseman [114, 115] исследовали возможную изогнутость целлюлозных
цепочек и обнаружили, что образцы со степенью полимеризации 7000, 4200, 1620 и 1200 при осаждении
образовывали родлеты (стержни) с длиной 700 Å. Эта длина соответствует ожидаемой длине цепочки из
135 глюкозных единиц, и на основании этого было решено, что молекулы были изогнуты через
регулярные интервалы, не зависящие от их молекулярного веса. По этой теории считается доказанным,
что процесс осаждения приводит к разрыву цепочки в местах изгибов.
Кристалл из изогнутых цепочек представляет собой метастабильную фазу, и предполагается, что
один и тот же полимер может существовать как в виде кристалла из вытянутых, так и в виде кристалла из
изогнутых цепочек, в зависимости от условий кристаллизации. Эти факты указывают на вероятность
существования изогнутой конформации в производных целлюлозы, но не в нативной целлюлозе [1]. На
основе экспериментальных данных прямые целлюлозные молекулы были идентифицированы Muggli и
др. [116] в волокнах рами.
СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О СТРОЕНИИ ЦЕЛЛЮЛОЗ …
Е
25
Обзор различных моделей целлюлозных цепочек, основанных на механических связях, был сделан
Mark [117]. Он установил, что конформация в виде вытянутых цепочек приводит к постоянной
аксиальной жесткости, сравнимой с данными эксперимента. Переход к модели изогнутых цепочек дает
максимальные жесткости, не совпадающие с экспериментом.
Вклад в дальнейшее понимание проблемы существования изогнутых цепочек внесли Sarko и
Marchessault [118]. Они предположили, что изогнутые цепочки появляются при кинетически
контролируемом зародышевом механизме кристаллизации. Было высказано предположение, что модель
неизогнутых целлюлозных цепочек может быть моделью, которая
исключает возможность
кристаллизации. Эта теория была опровергнута в последних работах, когда основанный на
энергетических принципах компьютерный анализ был применен к изучению целлюлозы. Было
обнаружено, что одиночные прямые, вытянутые, цепочки термодинамически менее стабильны, но
построенная на их основе кристаллическая структура имеет более низкую энергию. Совсем недавно
появились сообщения [119–121], что в стенках ячеек растений целлюлоза имеет геликоидальную
структуру.
Hermans и Weidinger [80] предположили, что нарушения непрерывности фибриллярной структуры
можно объяснить наличием дислокаций (рис. 16), т.е. нарушений порядка в близкой к совершенству
кристаллической решетке, но эта модель еще не доказана. Для того, чтобы она была справедлива,
требуется либо наличие разрывов в целлюлозных цепочках, либо необходимо, чтобы цепочки в
микрофибрилле были разной длины. Rowland и Roberts [122] предположили, что микрофибриллы
целлюлозы состоят из полностью кристаллических областей с различного типа несовершенствами,
такими как искаженные поверхности и двойниковые или напряженные области в кристаллических
элементарных фибриллах.
Ориентация целлюлозных цепочек относительно поверхности микрофибрилл и стенки ячейки
изучались дифракционными методами [5, 106, 123] в течение многих десятилетий. Все работы приводят
к одинаковым выводам: все целлюлозные цепочки лежат параллельно плоскости 020, а плоскость 110
параллельна поверхности микрофибриллы и поверхности плазменной мембраны ячейки (рис. 17).
Рис. 16. Структурная модель элементарной фибриллы
Рис. 17. Схема слоя (110) кристаллической
целлюлозы с цепочкой дислокаций [1, 122]
целлюлозы I
Л.А. АЛЕШИНА, С.В. ГЛАЗКОВА, Л.А. ЛУГОВСКАЯ, М.В. ПОДОЙНИКОВА …
26
Из приведенных выше данных видно, что нет согласия в экспериментальных результатах по
определению размеров, природы и формы фибрилл и микрофибрилл. Возможно, это связано с
зависимостью структуры целлюлозы от ее источника.
7. Аморфная целлюлоза
Подтверждением предположения о существовании аморфных целлюлоз в нативных объектах считали
тот факт, что на дифракционных картинах, полученных методом микродифракции вдоль целлюлозной
микрофибриллы, наблюдались темные и светлые области, которые и отнесли к кристаллической и
аморфной целлюлозе соответственно. Результат был объяснен на основе простейшей модели, по которой
«правильные» целлюлозные цепочки изотропно распределялись в аморфной матрице [124]. В [125] при
объяснении аналогичной дифракционной картины была обоснована модель изогнутых и твистующих
цепочек. Однако в более поздней работе [105] было показано, что слабый изгиб микрофибриллы влечет
за собой появление чередования областей, в которых выполняется и не выполняется условие Брэгга, что
и приводит к появлению светлых и темных участков вдоль оси микрофибриллы. Это означает, что
микрофибрилла целлюлозы на самом деле может быть полностью кристаллической и нельзя
использовать наблюдения темных и светлых участков на микродифракционных картинах как
доказательства существования аморфных областей. Например, известно [1], что микрофибрилла
целлюлозы валония может содержать от 600 до 1000 параллельных цепочек и только 6–7% аморфной
фазы.
Vеrlhac и др. [126] предположили, что аморфная фаза существует главным образом в цепочках,
лежащих
на
поверхности
микрофибриллы.
Это
предположение
уже
лучше
согласуется
с
экспериментальными данными: в большой микрофибрилле целлюлозы валония доля цепочек,
находящихся на поверхности, оказывается малой.
Для меньших микрофибрилл, подобных древесным, процент поверхностных областей выше и
приблизительно равен содержанию аморфной фазы: 30% поверхностных гидроксилов и 33% аморфной
фазы [1].
Бактериальная целлюлоза имеет степень кристалличности порядка 75% [127], и ее кристаллы
составляют 50–60 Å в диаметре. Если предположить, что эти кристаллы имеют поперечное сечение,
близкое к квадрату, то на кристалл приходится около 100 цепочек, из которых примерно 36 цепочек
находятся на поверхности.
Таким образом, в принципе теория Vеrlhac практически подтверждается результатами исследования
целлюлоз различного типа.
Попытки получить аморфную целлюлозу и определить ее структурные характеристики были сделаны
в работах [124, 125]. В работе [124] исследовались два типа образцов: образцы целлюлозы, обозначенные
А (целлюлоза I) и В (целлюлоза II), были аморфизированы путем продолжительного размола в шаровой
мельнице. Образцы целлюлозы, обозначенные С, изготовили путем омыления триацетата целлюлозы
[125]. Конформационный порядок в цепочках и надмолекулярная структура аморфной целлюлозы
изучались путем сравнения экспериментальных результатов с расчетами по моделям. В работе [125]
исходным материалом целлюлозы I был linter порошок целлюлозы, полученный путем гидролиза в
кислоте и последующего механического измельчения в вибрационной стальной шаровой мельнице в
СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О СТРОЕНИИ ЦЕЛЛЮЛОЗ …
Е
27
течение 250 часов. Для получения образца целлюлозы II порошок был обработан в 18% (вес %) жидким
NaOH при 20о в течение 2 часов, нейтрализован, промыт и высушен на воздухе.
Структура аморфных целлюлоз I и II исследовалась методом рассеяния рентгеновских лучей. Из
картины рассеяния, полученной в широком угловом интервале, рассчитывались функции радиального
распределения электронной плотности.
Методика проведения экспериментальных исследований была одинакова в обеих работах [124, 125].
Измерения проводились на горизонтальном дифрактометре с постоянным шагом в симметричной
геометрии на просвет, с использованием Cu и MoKα-излучений монохроматизированных кристаллом
LiF. Область углов измерений составляла от 2° до 52° с шагом 0.1° и от 1° до 52° с шагом 0.3° в θ
(половина угла рассеяния) для Cu и MoKα-излучений соответственно. Относительная статистическая
ошибка была меньше 1.4% для CuKα и меньше 2% для MoKα излучения.
Образцы целлюлозы размещались между полиэстерными пленками и имели толщину 2 мм.
Измерения фактора поглощения образца проводились следующим образом: в падающих лучах
устанавливался фильтр и измерялась интенсивность прошедшего пучка без образца и в его присутствии.
Паразитное рассеяние, включая рассеяние пленкой, измерялось в отсутствие образца целлюлозы.
На рисунке 18 (кривая (а)) приведена дифракционная картина исходной целлюлозы I [125]. Это
типичная картина рассеяния порошком кристаллической целлюлозы I, у которой наиболее интенсивным
является отражение от плоскостей (002) и соответствующая длина области когерентности составляет
45 Å. Доля кристаллической фазы составляла от 50 до 60% в зависимости от метода, используемого для
определения.
Критерием аморфного состояния служило отсутствие на дифракционной картине образца отражений,
характерных для кристаллической фазы. Типичная картина рассеяния приведена на рисунке 18 (кривая б)
для размолотого образца целлюлозы I. На рисунке 19 сравниваются экспериментальные кривые
интенсивности рассеяния для размолотых (аморфных) образцов целлюлоз I и II, видно, что кривые
аналогичны. Следует отметить, что интенсивность малоуглового рассеяния для аморфной и
кристаллической целлюлоз различалась очень сильно (рис. 20), свидетельствуя о возрастании среднего
размера негомогенностей.
Анализировались s-взвешенные интерференционные функции (si(s)) и рассчитанные из них кривые
D ∗ ( r ) = 4 πr 2ρ( r ) − 4 πr 2ρ 0 ∑ K m =
m
2r ∞
∫ si ( s ) sin( rs ) ds .
π 0
Экспериментальные кривые сравнивались с аналогичными модельными кривыми, рассчитанными из
координат атомов, согласующихся со следующими конформационными моделями цепочек:
а) изогнутая цепочка целлюлозы I, предложенная Gardner and Blackwell [9] (рис. 21 а);
б) изогнутая центральная цепочка модели Kolpak and Blackwell [3] для целлюлозы II;
в) изогнутая и скрученная (твистующая) цепочка модели целлюлозы II Watanabe and Hayashi [128]
(рис. 21 б);
г) простейшая модель аморфной целлюлозы: одноцепочечная модель с правильными целлюлозными
цепочками, изотропно разориентированными в образце.
28
Л.А. АЛЕШИНА, С.В. ГЛАЗКОВА, Л.А. ЛУГОВСКАЯ, М.В. ПОДОЙНИКОВА …
Рис. 18. Экспериментальные дифракционные
Рис. 19. Экспериментальные кривые
картины для целлюлозы I: а) – перед помолом;
распределения интенсивности рассеяния для
(b) – после помола
размолотых (аморфных) образцов целлюлоз I и II
Рис. 20. Распределение интенсивности МУР для
Рис. 21. Модели (а) и (б) целлюлозных цепочек
целлюлозы I до помола (кристаллической –•–) и
после помола (аморфной –––)
Модельные расчеты были выполнены как для одиночных цепочек, имеющих указанные выше
различные конфигурации (вариации внутримолекулярных расстояний), так и для различных упаковок
цепочек (вариации межмолекулярных расстояний).
На рисунке 22а представлены экспериментальные кривые si(s), полученные на МоKα излучении для
всех трех типов образцов. Здесь же (рис. 22б) продемонстрировано влияние возрастания длины цепочки
на кривые si(s) для модели (a). При возрастании длины цепочки наблюдалось расщепление пиков, также
возникает дополнительный максимум в области 6<s<7 Е-1 в результате этого эффекта. Из сравнения
модельных и экспериментальных кривых (рис. 22) был сделан вывод, что длина правильных сегментов
цепочки в образце А, вероятно, меньше, чем в образцах В и С.
Сравнение результатов расчета кривых D*(r) и межплоскостных расстояний для моделей а-с
показало, что до r ~ 5 Е нет различий между моделями. В этих же пределах практически совпадают
СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О СТРОЕНИИ ЦЕЛЛЮЛОЗ …
29
Е
межплоскостные расстояния для моделей и эксперимента (табл. 8 [125]). В области r > 5 Е наблюдаются
различия как между моделями, так и модельными расчетами экспериментальными результатами.
Таблица 8. Межатомные расстояния, рассчитанные из модельных D(r), (Е)
Модель (а)
Модель (в)
Модель (с)
Эксперимент
одна
четыре
одна
четыре
одна
четыре
А
В
С
цепочка
цепочки
цепочка
цепочки
цепочка
цепочки
1.5
1.5
1.5
1.5
1.5
1.5
1.4
1.4
1.4
2.4
2.4
2.4
2.4
2.4
2.4
2.4
2.4
2.4
3.0
2.9
3.0
3.0
3.0
3.0
2.9
2.9
2.9
3.7
3.7
3.7
3.7
3.7
3.7
3.6
3.6
3.6
4.3
4.3
4.3
4.3
4.2
4.0
4.3
4.2
4.2
4.8
4.9
4.9
4.9
4.8
4.8
4.9
4.8
4.8
5.4
5.6
5.7
5.6
5.7
5.7
5.5
5.3
6.4
6.5
6.5
6.5
6.5
6.4
6.5
6.5
7.0
7.3
7.2
7.9
7.9
7.8
5.8
6.6
5.8
7.0
8.0
7.6
5.7
7.7
7.7
8.2
8.1
7.6
8.1
8.0
8.6
8.3
8.4
8.7
8.9
8.9
8.1
8.8
8.9
9.1
9.1
9.1
9.3
9.4
9.3
8.9
9.3
10.3
10.3
10.3
10.3
10.3
11.0
11.0
11.5
11.5
11.5
11.5
11.5
9.5
9.9
10.3
11.0
11.4
Рис. 22. Экспериментальные кривые si(s) а), кривые si(s) для моделей (а) б)
10.3
10.0
10.3
10.8
10.7
11.1
30
Л.А. АЛЕШИНА, С.В. ГЛАЗКОВА, Л.А. ЛУГОВСКАЯ, М.В. ПОДОЙНИКОВА …
Рис. 23. Кривые радиального
распределения для образцов B и C и для
моделей (b), (c)
Расстояния между цепочками в аморфных целлюлозах возрастают по сравнению с данными
расстояниями в кристаллическом состоянии. Сравнение кривых D*(r) для образцов В и С и кривых D*(r)
для одноцепочечных моделей (в) и (с) показано на рисунке 23. Здесь положение максимумов в области 4
< r < 5 Е на экспериментальной кривой лучше согласуется с моделью (с). Авторы считают, что
наблюдаемые в этой области смещения пиков связаны с изменениями структуры, происходящими при
переходе от образца А к образцам В и С, можно объяснить изменениями основной конфигурации от
изогнутой до изогнутой и скрученной.
Таким образом, целлюлоза представляет собой объект, атомно-молекулярное строение которого
зависит от типа нативных целлюлоз и от условий получения чистой целлюлозы. К настоящему времени
можно считать установленными следующие факты: для нативных целлюлоз справедлива модель
аморфно-кристаллического строения, причем кристаллическая составляющая двухфазна; целлюлоза
имеет целый ряд полиморфных модификаций как с обратимыми, так и с необратимыми переходами
между ними; создан целых ряд моделей атомного строения целлюлозы. Однако следует отметить, что в
последнем случае пока нет однозначности в интерпретации экспериментальных данных для одного и
того же типа целлюлоз, проведенных на основе этих моделей.
Список литературы
1.
O'Sullivan A.C. Cellulose: the struscture slowly unravels // Cellulose. 1997. V. 4. P. 173–207.
2.
Meyer K.H., Misch L. 31. Positions des atomes dans le nouveau modele spatial de la cellulose // Helvetica Chimica
Acta. 1937. V. 20. P. 232–245.
3.
Kolpak F.J., Blackwell J. Determination of the structure of Cellulose II. // Macromolecules. 1976. V. 9. P. 273–278.
4.
Петрова В.В. Рентгенография целлюлоз. Петрозаводск, 1994.
5.
Wellard H.J. Variation in the lattice spacing of cellulose // J. Polymer Sci. 1954. V. 13. P. 471–476.
6.
Honjo G., Watanabe M. Examination of cellulose fiber by the low-temperature specimen method of electron diffraction
end electron microscopy // Nature. 1958. V. 181. P. 326–328.
7.
Sarko A., Muggli R. Packing analysis of carbohydrates and polysaccharides. III. Valonia cellulose and cellulose II //
Macromolecules. 1974. V. 7. P. 486–494.
СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О СТРОЕНИИ ЦЕЛЛЮЛОЗ …
8.
31
Е
Woodcock, Sarko А. Packing analysis of carbohydrates and polysaccharides. III. Molecular and crystall structure of
native cellulose ramie // Macromolecules. 1980. V. 13. P. 1183–1187.
9.
Gardner K.H. and Blackwell J. The structure of native cellulose // Biopolymers. 1974. V. 13. P. 1975–2001.
10. Gardner K.H., Blackwell J. Hydrogen bonding in native cellulose // Biochimica et Biophysica Acta. 1974. V. 343.
P. 232–237.
11. Claffey W., Blackwell J. Electron Diffraction of Valonia Cellulose. Quantitative Interpretation // Biopolymers. 1974.
V. 15. P. 1093–1915.
12. French A.D., Howley P.S. Comparisons of strutures proposed for cellulose // Cellulose 1989. P. 159–167.
13. Miller D.P., Li A. Refinement of the crystal-structure of ramie cellulose I with additional meridional X-ray intensities /
In Cellulose and Wood-Chemistry and Technology, Proceedings of the Tenth Cellulose Conference (C. Schuerch, ed.).
New York, 1989. P. 139–157.
14. French A.D. The crystal structure of native ramie cellulose // Carbohydrate Research 1978. V. 61. P. 67–80.
15. Takahashi Y., Matsunaga H. Crystal structure of native cellulose // Macromolecules. 1991. V. 24. P. 3968–3969.
16. Okano T., Koyanagi A., Kondo Y., Sarko A. Structural variation of native cellulose related to its source / In Cellulose
and Wood: Chemistry and Technology, Proceedings of the Tenth Cellulose Conference (C. Schuerch, ed.). New York,
1989. P. 53–65.
17. Hart D.L. van der, Atalla R.H. Studies of microstructure in native celluloses using solid-state
13
C NMR //
Macromolecules. 1984. V. 17. P. 1465–1472.
18. Atalla R.H., Vanderhart D.L. Studies on the structure of cellulose using Raman spectroscopy and solid state 13C NMR /
In Cellulose and Wood: Chemistry and Technology, Proceedings of the tenth Cellulose Conference (C. Schuerch, ed.).
New York, 1989. P. 169–187.
19. Horii F., Hirai A., Kitamura R. CP/MAS
13
C NMR spectra of the crystalline components of native celluloses //
Macromolecules. 1987. V. 20. Р. 2117–2120.
20. Yamamoto H., Horii F. CP/MAS
13
C NMR analysis of the crystal transformation induced for Valonia cellulose by
annealing at high temperatures // Macromolecules. 1993. V. 26. P. 1313–1317.
21. Yamamoto H., Horii F. In Situ crystallization of bacterial cellulose I. Influence of polymeric additives, stirring and
temperature on the formation celluloses Iα and Iβ as revealed by cross polarisation/magic angle spinning (CP/MAS) 13C
NMR spectroscopy // Cellulose. 1994. V. 1. Р. 57-66.
22. Sugiyama J., Okano T., Yamamoto H., Horii F. Transformation of Valonia cellulose crystals by an alkaline
hydrothermal treatment // Macromolecules. 1990. V. 23. P. 3196–3198.
23. Sugiyama J., Persson J., Chanzy H. Combined IR and electron diffraction study of the polymorphism of native cellulose
// Macromolecules 1991. V. 24. P. 2461–2466.
24. Sugiyama J., Vuong R., Chanzy H. Electron diffraction study on the two crystalline phases occurring in native cellulose
from an algal cell wall // Macromolecules 1991. V. 24. P. 4168–4175.
25. Pertsin A.J., Nugmanov O.K., Marchenko G.N., Kitaigorodsky A.I. // Macromolekules, 1991. V. 24. P. 771.
26. Pertsin A.J., Nugmanov O.K., Marchenko G.N. Crystal structure of cellulose polymorphs by potential energy
calculationы: 2. Regenerated and native cellulose // Polymer. 1986. V. 27. P. 597–601.
27. Mikelsaar R.H., Aabloo A. Parallel and antiparallel models for crystalline phases of native cellulose. Tartu University:
Preprint 1994. 8 p.
28. Aabloo A., Pertsin A.J., Mikelsaar R.H. Calculation of potential energy of the cellulose crystal structure / In Cellulosics:
Chemical, Biochemical and Material Aspects, Eds J.F.Kennedy, G.O.Phillips, P.A.Williams. Ellis Horwood Series
Polymer Science and Technology. Elli Horwood, New York., 1993 P. 61–65.
29. Aabloo A., French A.D., Mikelsaar R.H., Pertsin A.J. Studies of crystalline native cellulose using potential–energy
calculations // Cellulose. 1994.V. 1. P. 161–168.
Л.А. АЛЕШИНА, С.В. ГЛАЗКОВА, Л.А. ЛУГОВСКАЯ, М.В. ПОДОЙНИКОВА …
32
30. 30. Mikelsaar R.H., Aabloo A. Antiparallel molecular models of crystalline cellulose. In Cellulosics: Chemical,
Biochemical and Material Aspects, Eds J.F. Kennedy, G.O.Phillips, P.A.Williams. Ellis Horwood Series Polymer
Science and Technology. Elli Horwood, New York, 1993. Р. 57–60.
31. Aabloo A., French A.D. Preliminary potential energy calculations of cellulose Ia crystal structure // Macromoleсular
Chem., Theory and Simulating. 1994. V. 2. P. 119–125.
32. French A.D., Miller d.P. , Aabloo A. Miniature models of cellulose polymorphs and other carbohydrates // Int. J. Biol.
Macromol. 1993. V. 15. P. 30–36.
33. French A.D., Roughead W.A., Miller d.P. // ACS Symposium Series. 1987. V. 340. P. 15.
34. Aabloo, A. Studies of crystalline native cellulose using potential–energy calculations. Ph. D. Thesis. Tartu. 1994. 46 P.
35. Kroon–Batenburg L. M. J., Kroon J. The crystal and molecular structure of cellulose I and II // Glycoconjugate Journal.
1997. V. 14. P. 677–690.
36. Simon I., Scheraga H.A., Manley R.St.J. Structure of cellulose. 1. Low–energy conformations of single chains //
Macromolecules. 1988. V. 21. P. 983–990.
37. Belton, P. S., Tanner, S. R, Cartier, N. and Chanzy, H. High–Resolution solid–state "C NMR spectroscopy of Tunicin,
an animal cellulose // Macromolecules, 1989. V. 22. P. 1615–1617.
38. Sugiyamo J. Crystal forms of native cellulose // Mokuzai Gakkaishi, 1992. V. 38. P. 723–731.
39. Erata T., Shikano T., Takai M. and Hayashi J. NMR–studies on the structure of cellulose two dimensional solid–state
NMR approach // Macromolecular Symposia, 1995. V. 99. P. 25–29.
40. Lee J.H., Brown R.M.Jr., Kuga S., Shoda S.–I., Kobayashi, S. Assembly of synthetic cellulose I // Proc. Nati Acad. Sci.
USA. 1994. V. 91. P. 7425–7429.
41. Yamamoto H., Horii F., Odani H. Structural changes of native cellulose crystals induced by annealing in aqueous
alkaline and acidic solutions at high temperatures // Macromolecules. 1989. V. 22. P. 4130–4132.
42. Debzi E.M., Chanzy H., Sugiyama J., Tekely P., Exoffier G. The Iα → Iβ transformation of highly crystalline cellulose
by annealing in various mediums // Macromolecules 1991. V. 24. Р. 6816–6822.
43. Masahisa Wada and Takeshi Okano, Junji Sugiyama. Synchrotron–radiated X–ray and neutron diffraction study of
native cellulose // Cellulose. 1997. V. 4. Р. 221–232.
44. Alexander L.E. X–ray Diffraction Methods in Polymer Science / Humington, New York, 1979. Р. 423–424.
45. Wada M., Sugiyama J., Okano T. The monoclinic phase is dominant in wood cellulose // Mokuzai Gakkaishi. 1994.
V. 40. Р. 50–56.
46. Wada M., Sugiyama J., Okano T. Native celluloses on the basis of two crystalline phase (Iα/Iβ) system // J. Appl. Polym.
Sci. 1993. V. 49. Р. 1491–1496.
47. Horii F., Yamamoto H., Kitamaru R., Tanahashi M., Higuchi T. Transformation of native cellulose crystals induced by
saturated steam at high temperatures // Macromolecules. 1987. V. 20. Р. 2946–2949.
48. Wada M., Okano T., Sugiyama J., Horii F. Characterization of tension and normally lignified wood cellulose in Populus
maximowiczii // Cellulose. 1995. V. 2. Р. 223–233.
49. Wada M., Sugiyama J., Okano T. Two crystalline phase (Iα/Iβ) system of native celluloses in relation to plant
phylogenesis // Mokuzai Gakkaishi. 1995. V. 41. №2. Р. 186–192.
50. Andress K. R. The X–ray diagramm of mercerized cellulose // Zietschrift Physicalische Chemie. Abstracts 1929. B. 4.
P. 190–206.
51. Nyburg S.C. Fibrous macromolecular substances. In X–ray. Analysis of Organic Structures (L. F. Fieser and M. Fieser,
eds). New York, 1961, P. 302–314
52. Kuga S., Takagi S., Brown R.M.Jr. Native folden–chain cellulose II // Polymer. 1993. V. 34. P. 3293–3297.
53. Buleon A., Chanzy H. Single crystals of cellulose II // J. Polymer Sci.: Polymer Physics Edition. 1978. V. 16. P. 833–
839.
СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О СТРОЕНИИ ЦЕЛЛЮЛОЗ …
Е
33
54. Ahmed A.U., Ahmet N., Aslam J., Butt N., Khan Q.H., Atta M.A., Neutron diffraction on studies of the unit cell of
cellulose II // J. Pol. Sci., Polymer Letters Edition 1976. V. 14. P. 561–564.
55. Stipanovic A.J., Sarko A. Packing analysis of carbohydrates and polysaccharides. 6. Molecular and crystal structure of
regenerated cellulose II // Macromolecules. 1976. V. 9. P. 851–857.
56. Hayashi J., Sufoka A., Ohkita J., Watanabe S. The conformation of existence of cellulose III1, III2, IV1 and IV2 by X–
ray method // J. Polymer Sci.: Polymer Letters Edition. 1975. V. 1. P. 23–27.
57. Davis W.E., Barry A.J., Peterson F.C. and King A.J. X–ray studies of reactions of cellulose in non–aqueous systems. II.
Interaction of cellulose and primary amines. // J. Am. Chem.Soc. 1943. V. 65. P. 1294–1300.
58. Sarko A., Southwick J., Hayashi J. Packing analysis of carbohydrates and polysaccharides 7. Crystal structure of
cellulose III(I) and its relationship to other cellulose polymorphs // Macromolecules. 1976. V. 9. Р. 857–863.
59. Sarko A. Cellulose–How much do we know about its structure. In Wood and Cellulosics: Industrial utilization,
biotechnology, structure and properties (J.F. Kennedy, ed.). Chichester, 1987. P. 55–70.
60. Sarko A. What is the crystalline structure of cellulose // Tappi. 1978. V. 61. P. 59–61.
61. Sugiyama J., Okano T. Electron microscopic and X–ray diffraction study of cellulose III1 and cellulose I. In Cellulose
and Wood / Chemistry and Technology, Proceedings of the Tenth Cellulose Conference (C. Schuerch, ed.). New York,
1989. P. 119–127.
62. Roche E., Chanzy H. Electron microscopy study of the transformation of cellulose I into cellulose III(I) in Valonia // Int.
J. Biol. Macromolecules 1981. V. 3. P. 201–206.
63. Chanzy H., Henrissat B. and Vuong R. Structural changes of cellulose crystals during the reversible transformation
cellulose I–>III1 in Valonia // Hoizforschung. 1986. V. 40. P. 25–30.
64. Chanzy H., Henrissat B., Vincendon M., Tanner S.F. and Belton P. S. Solid–state C–13–NMR and electron microscopy
study on the reversible cellulose I – cellulose III1 transformation in Valonia // Carbohydrate Res. 1987. V. 160. P. 1–11.
65. Reis D., Vian B., Chanzy H., Roland J.–C. Liquid crystal–type assembly of native cellulose–glucuronoxylans extracted
from plant cell wall // Biology of the Cell 1991. V. 73. P. 173–178.
66. Zeronian S.H., Ryu H.–S. Properties of cotton fibres containing the cellulose IV crystal structure // J. Appl. Polymer Sci.
1987. V. 33. P. 2587–2604.
67. Buleon A. and Chanzy H. Single crystals of cellulose IV2: Preparation and properties // J. Polymer Sci.: Polymer Physics
Edition. 1980. V. 18. P. 1209–1217.
68. Hess K., Kissig H. Zur Kenntnis der Hochtemperatur – Modifikation der Cellulose (Cellulose IV) // Zietschrift
Physikalische Chemie. 1941. V. 49. P. 235–239.
69. Gardiner E.S. and Sarko A. Packing analysis of carbohydrates and polysaccharides. 16. The crystal structures of
celluloses IV1 and IV2 // Can. J. Chemistry. 1985. V. 63. P. 173–180.
70. Okano T., Sarko A. Mercerization of cellulose. I. X–ray diffraction evidence for intermediate structures // J. Appl.
Polymer Sci. 1984. V. 29. P. 4175–4182.
71. Okano T., Sarko A. Mercerization of cellulose. II. Alkali–cellulose intermediates and a possible mercerization
mechanism // J. Appl. Polymer Sci. 1985. V. 30. P. 325–332.
72. Hayashi J., Yamada T. and Shimizu Y.–L. Memory phenomenon of the original crystal structure in allomorphs of Na–
cellulose. In Cellulose and Wood: Chemistry and Technology, Proceedings of the Tenth Cellulose Conference (C.
Schuerch, ed.). New York, 1989. P. 77–102.
73. Nishimura H., Okano T., Sarko A. Mercerization of cellulose. 5. Crystal and molecular structure of Na–cellulose I //
Macromolecules. 1991. V. 14. P. 759–770.
74. Nishimura H., Okano T., Sarko A. 1991b, Mercerization of cellulose. 6. Crystal and molecular structure Na–cellulose IV
// Macromolecules. 1991. V. 14. P. 771–778.
75. Hosemann R. // Naturwissenschaften. 1954. V. 19. P. 440.
Л.А. АЛЕШИНА, С.В. ГЛАЗКОВА, Л.А. ЛУГОВСКАЯ, М.В. ПОДОЙНИКОВА …
34
76. Каргин В.А. Структура целлюлозы и ее место среди других полимеров // Высокомолекулярные соединения.
1960. Т. 2. №2. C. 466–468.
77. Джонс Д.В. Дифракция рентгеновских лучей и электронов. Структурные исследования // Целлюлоза и ее
производные. М., 1974. C. 119-154.
78. Marx-Figini M. Comparison of the biosynthesis in vitro and in vivi in cotton bolls // J. Polymer Science. 1969. V. 28.
P. 57.
79. Hermans P. H. Physics and Chemistry of Cellulose Fibres. New York, 1949. P. 13–20.
80. Hermans P. H., Weidinger A. X–ray studies on the crystallinity of cellulose // J. Polymer Sci. 1949. V. 4. P. 135–144.
81. Тарчевский Н.А., Марченко Г.Н. Биосинтез и структура целлюлозы. М., 1985. 280 с.
82. Fray-Wissling A. The ultrastructure and biogenesis of native cellulose //Fortschr. Chem. org. Naturst. 1963. Bd. 27.
P. 1–30.
83. Роговин З.А. О фазовом состоянии целлюлозы // Высокомолекулярные соединения. 1960. Т. 2. №10. С. 1588–
1592.
84. Оболенская А.В., Щеголев В.П. Химия древесины и полимеров. М., 1980.
85. Леонович А.А. Оболенская А.В. Химия древесины и полимеров. М., 1988.
86. Dennis D.T., Preston R.D. Constitution of cellulose microfibrils // Nature. 1961. V. 191. P. 667–668.
87. Fengel D. and Stoll M. Crystals of cellulose grown from TFA solution // Wood Sci. Technol. 1989. V. 23. P. 85–94.
88. Hanley S. J., Giasson J., Revol J.–F., Gray D.G. Atomic force microscopy of cellulose microfibrils – comparison with
transmission electron–microscopy // Polymer 1992. V. 33. P. 4639–4642.
89. Kuutti L., Peltonen J., Pene J., Teleman O. Identification and surface–structure of crystalline cellulose studied by atomic
force microscope // Journal of Microscopy. 1995. V. 178. P. 1–6.
90. Fengel D., Wegner G. In Wood: Chemistry, infrastructure, Reactions. Berlin, New York, 1989. P. 66.
91. Frey-Wyssling A. Submicroscopic structure of the elementary fibers of cellulose // Experintia. 1953. V. 9. P. 181–183.
92. Frey-Wyssling A. The fine structure of cellulose microfibrils // Science. 1954. V. 119. P. 80–82.
93. Kratky O., Mark H. Supermolecular structure of fibers // Papier–Fabr. 1938. V. 36. P. 345–348.
94. Nickerson R.F. Hydrolysis and catalytic oxidation of cellulosic materials. Hydrolysis of natural regenerated and
substituted celluloses // Ind. Engin. Chem. 1941. V. 33. P. 1022–1027.
95. Astbury W.T. Some problems in the X–ray analysis of the structure of animal hairs and and other protein fibres //
Transactions of the Faraday society. 1933. V. 29. P. 193–211.
96. Preston R.D., Cronshaw J. Constitution of the fibrillar and non–fibrillar components of the walls Valonia ventricosa //
Nature. 1958. V. 181. P. 248–250.
97. Fengel D. Ideas on ultrastructural organisation of cell–wall components // J. Polymer Science: Part C. 1971. V. 36.
P. 383–392.
98. Taylor I.E.P. , Wallace J.C. The structural association between cellulose and xyloglucan in the primary cell wall of
beans / In Cellulose and Wood: Chemistry and Technology, Proceedings of the Tenth Cellulose Conference (C.
Schuerch, ed.). New York, 1989. P. 273–282.
99. Hayashi T., Maclachlan G. Pea xyloglucan and cellulose // Macromolecular Organisation. Cell Physiology. 1984. V. 75.
P. 596–604.
100. Sasaki K., Taylor I.E.P. Specific labelling of cell–wall polysaccharides with myo–[2–H–3]– inositol during germination
and growth of phaseolus–vulgaris L. // Cell Physiology 1984. V. 25. P. 989–997.
101. Lenz J., Schurz I. Fibrillar structure and deformation behaviour of regenerated cellulose fibres. Part II: Elementary
fibrils and deformation // Cellulose Chem. Technol. 1990. V. 24. P. 679–692.
102. Gardner K.H. and Blackwell J., The substructure of crystalline cellulose and chitin microfibrils // J. Polymer Sci.: Part
C. 1971. V. 36. P. 327–340.
СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О СТРОЕНИИ ЦЕЛЛЮЛОЗ …
Е
35
103. Okuda K., Tsekos L., Brown R.M.Jr. Cellulose microfibril assembly in Erythrocladia subintegra Rosen V.: an ideal
system for understanding the relationship between synthesising complexes (TCs) and microfibril crystallization //
Protoplasma. 1994. V. 180. P. 49–58.
104. Bourret A., Chanzy H., Lazaro R. Crystallite features of Valonia cellulose by electron diffraction and dark–field electron
microscopy // Biopolymers. 1972. V. 11. P. 893–898.
105. Chanzy, H. Aspects of cellulose structure. In Cellulose Sources and Exploitation: industrial utilisation biotechnology
and physico–chemical properties (J. F. Kennedy, G. 0. Phillips and P. A. Williams, eds). Chichester, 1990. P. 3–12.
106. Tsekos I., Reiss H.D., Schnepf E. Cell–wall structure and supramolecular organization of the plasma membrane of
marine red algae visualized by freeze–fracture // Acta Botanica Neerlandica. 1993. V. 42. P. 119–132.
107. Fujino T. and Itoh T. Architecture of the cell–wall of a green–alga // Oocystis–apiculata, Protoplasma. 1994.V. 180. P.
39–48.
108. Naslund P., Vuong R., Chanzy H., Jesior J.C. 1988, Diffraction contrast transmission electron–microscopy on flax fiber
ultrathin cross–sections // Textile Research Journal. 58, 414–417.
109. Chanzy H. Proceedings of the International Symposium on Wood and Pulp Chemistry I, 1987. P. 235–242.
110. Chanzy H., Vuong R. In Polysaccharides. Topics in structure and morphology (E. D. T. Atkins, ed.). Basingstoke, 1985.
50 P.
111. Chanzy H., Imada K., Mollard A., Vuong R. and Bamoud F. Crystallographic aspects of sub–elementary cellulose fibrils
occurring in the wall of rose cells cultured in vitro // Protoplasma. 1979. V. 100. P. 303–316.
112. Kuga S., Brown R.M.Jr. Lattice imaging of ramie cellulose // Polymer Communications / 1987. V. 28. P. 311–314.
113. Fink H.-P, Hofmann D., Philipp B. Some Aspects of lateral chain order in cellulosics from X–ray scattering // Cellulose.
1995. V. 2. P. 51–70
114. Bittiger H., Husemann E. Electron microscopic nvestigation of single–molecule crystals of cellulose tricarbanilates //
Die Makromoleculare Chemie. 1964a. V. 75. P. 222–224.
115. Bittiger, H. and Husemann, E. Electron microscopic investigation of the formation of monomolecular cellulose
tricarbanilate crystals // Die Makromoleculare Chemie. 1964b. V. 80. P. 239–241.
116. Muggli R., Elias H.–G., Muhlethaler K., Zum feinbau der Elementarfibrillen der Cellulose // Die Makromolekulare
Chemie. 1969. VIA. P. 290–294.
117. Mark R– E. Mechanical behaviour of cellulose in relation to cell wall theories // J. Polymer Sci.: Part C. 1971. V. 36.
P. 393–406.
118. Sarko A., Marchessault R.H. Supermolecular structures of polysaharides // J. Polymer science: Part C. 1969. V. 28.
P. 317–321.
119. Wolters–Arts A.M.C., van Amstel T., Derksen J. Tracing cellulose microfibril orientation in inner primary cell walls //
Protoplasma. 1993. V. 175. P. 102–111.
120. Emons A.M.C. Winding threads around plant cells: a geometric model for microfibril deposition // Plant Cell and
Environment. 1994. V. 17. P. 3–14
121. Emons A.M.C. and Kieft H. Winding threads around plant cells: Applications of the geometrical model for microfibril
deposition // Protoplasma. 1994. V. 180. P. 59–69.
122. Rowland S.0., Roberts E.J. The nature of accessible surfaces in the microstructure of native cellulose // J. Polymer Sci.
Part A1. 1972. V. 10. P. 2447–2461.
123. Frey-Wyssling A. and Miihiethaler K. The fine structure of cellulose // Fortschritte der Chemie Organischer Naturstoffe.
1951. V. 8. P. 1–27
124. Fink H.–P, Philipp B., Paul D., Serimaa R. and Paakkari T. The structure of amorphous cellulose as revealed by wide–
angle X–ray scattering // Polymer. 1987. V. 28. P. 1265–1270.
125. Paakkari T., Serimaa R., Fink H.–P. The structure of amorphous cellulose // Acta Polymerica. 1989. V. 40. P. 731–734.
36
Л.А. АЛЕШИНА, С.В. ГЛАЗКОВА, Л.А. ЛУГОВСКАЯ, М.В. ПОДОЙНИКОВА …
126. Verlhac C., Dedier J., Chanzy H. Availability of surface hydroxyl groups in Valonia and bacterial cellulose // J. Polymer
Sci.: Part A: Polymer Chemistry. 1990. V. 28. P. 1171–1177.
127. Kulshreshta A.K., Dweltz N.E. Paracrystalline lattice disorder in cellulose I. Reappraisal of application of 2–phase
hypothesis to analysis of powder X–ray diffractograms of native and hydrolysed cellulosic materials // J. Polymer Sci.:
Polymer Physics Edition. 1973. V. 11. P. 487–497.
128. Watanabe S., Hayashi J. // Kogyo Kagaku Zasshi 1970. V. 73. P. 1890.
Поступило в редакцию 10 января 2001 г.
Скачать