Cellulose - Neues von einem „alten“ Polymer


Forschende der BOKU haben entdeckt, dass die allgegenwärtige Wassernanoschicht in cellulosischen Materialien Reaktionen ermöglicht, die in Wasser selbst unmöglich wären. Das Prinzip kann zum Beispiel genutzt werden, um organische Lösungsmittel zu vermeiden und Polysaccharidchemie in Zukunft deutlich nachhaltiger zu gestalten. Die Ergebnisse wurden im Fachjournal Nature Communications publiziert.

Biochemische Reaktionen in der Natur haben eine beeindruckende Effizienz, sogar und gerade in wässriger Umgebung. Dies ist unter anderem möglich, da Wasser an die Oberfläche von Proteinen gebunden ist, und in diesem speziellen Zustand Reaktionen effizienter machen kann. In der Studie wurde erstmals demonstriert, dass oberflächen-gebundenes Wasser, das von Natur aus in Zellulosefasern vorhanden ist, ähnliche Eigenschaften hat. Diese Wasserschicht kann als Reaktionsmedium genutzt werden kann, um eine einzigartige chemische Reaktivität an der Celluloseoberfläche zu erreichen. Die Publikation, ein Resultat einer internationalen Kooperation mit Finnland und Kanada unter der Federführung des Instituts für Chemie Nachwachsender Rohstoffe der BOKU, wurde nun in Nature Communications veröffentlicht.

Im Vergleich zur Acetylierung von Cellulose im trockenen Zustand erhöht solch Wasser die Reaktionsgeschwindigkeit und die Effizienz um das 8-fache bzw. 30 %. Darüber hinaus ermöglicht Oberflächenwasser die Kontrolle über die chemische Zugänglichkeit ausgewählter Hydroxylgruppen durch das Ausmaß der Hydratation, was regioselektive Reaktionen ermöglicht, die immer noch eine große Herausforderung bei der Modifikation von Cellulose darstellen. Die durch oberflächengebundenes Wasser vermittelten Reaktionen sind nachhaltig und übertreffen die in organischen Lösungsmitteln ablaufenden Reaktionen in Bezug auf Effizienz und natürlich Umweltverträglichkeit bei weitem. Die Ergebnisse zeigen das ungenutzte Potenzial von an Cellulose-Nanostrukturen gebundenem Wasser bei Oberflächenveresterungen. Das Prinzip kann auf eine Vielzahl anderer nanoporöser polymerer Strukturen und Reaktionen ausgeweitet werden.

 

Nähere Informationen unter:

Marco Beaumont, Paul Jusner, Notburga Gierlinger, Alistair W. T. King, Antje Potthast, Orlando Rojas, Thomas Rosenau

Nature Comm. 2021, 12, 2513. Unique Reactivity in Surface-Confined Water of Hierarchically Structured Biopolymers. https://doi.org/10.1038/s41467-021-22682-3


31.05.2021