Cellulose

1.1 Vorkommen

Die Cellulose kommt in den Pflanzen als Gerüststoff vor und bildet den wichtigsten Baustoff der Zellwände. In jungen Pflanzen bestehen die Zellwände nur aus Cellulose. Je stärker die Zellwände einer Pflanze beim Wachsen mechanisch beansprucht werden, um so mehr „verholzen“ sie durch Einlagerung von Stützsubstanzen, die aber keine Kohlenhydrate sind, von denen das Lignin, der „Holzstoff“, der wichtigste ist. Diese Stützsubstanzen lassen sich chemisch entfernen. Es bleibt dann reine Cellulose zurück (ca. 40-60% des trockenen Holzes). Besonders rein ist die Cellulose in den Samenhaaren der Baumwolle und der aus ihnen hergestellten Watte. Auch die Fasern von Hanf und Flachs, Binsen und Papyrusmark sowie Fließpapier sind fast reine Cellulose.

1.2 Eigenschaften

Cellulose ist ein weißer Stoff, der sowohl in Wasser als auch in verdünnten Säuren und Laugen völlig unlöslich ist. Nur in einer Lösung, die Tetraminkupferionen enthält, kann Cellulose aufgelöst werden. Diese Tetraminkupfer-II-hydroxidlösung (Cu(NH3)4)(OH)2 heißt nach ihrem Entdecker, Mathias e. Schweizer (1818-1860; Chemiker in Zürich), Schweizer-Reagenz. Beim Eingießen einer solchen Lösung in Schwefelsäure fällt diese gelöste Cellulose in farblosen Flocken wieder aus. Der Niederschlag bildet nach dem Trocknen ein weißes Pulver. Bei der sauren Hydrolyse (mit konzentrierten Mineralsäuren) wird die Cellulose in der Siedehitze bis zur b-D-Glucose abgebaut. Dies ist der einzige Baustein der Cellulose. Das Hydrolysat reduziert daher Fehlinglösung. Cellulose kann durch die Blaufärbung einer Chlorzinkiodlösung (besteht aus 15 Teilen ZnCl2, 5 Teilen KI und 1 Teil Iod in 8 Teilen destilliertem H2O) nachgewiesen werden. Die OH-Gruppen der Cellulose lassen sich verestern. Man gewinnt so verschiedene Produkte wie z.B. Explosivstoffe (Nitrocellulose), Kunstfasern, Kollodium, Filme, Papier usw. Nitrocellulose erhält man beispielsweise, indem man Nitriersäure (1 Teil HNO3, 2 Teile H2SO4) etwa 24 Stunden einwirken läßt, dann dan Reagenz gut wässert und danach trocknet.

1.3 Molekülstruktur

Cellulose hat die gleiche Verhältnisformel wie die Stärke (C6H10O5)m, wobei m größer ist als das n der Stärkemoleküle. Im Gegensatz zu Stärke, deren Moleküle aus a-Glucosebausteinen bestehen, ist die Cellulose aus b-D-Glucosemolekülen aufgebaut, die 1,4-glucosidisch verknüpft sind. Dadurch kommt es im Makromolekül der Cellulose zu einer alternierenden Anordnung der Sauerstoffbrücken. Diese Baueigentümlichkeit ermöglicht die Ausbildung gestreckter Kettenmoleküle und damit die Bildung von Bündeln (Mizellen) aus zahlreichen, parallelliegenden Molekülen. Innerhalb der Mizellen sind die Moleküle durch Wasserstoffbrücken aneinander gebunden und da die Ketten sich überlagern, können die Pflanzenfasern eine beträchtliche Länge erreichen. Der scheinbar geringfügige Unterschied im Aufbau der Stärke- und Cellulosemoleküle (a- bzw. b-Glucose) bedingt die großen Unterschiede zwischen den Eigenschaften des Nährstoffes Stärke und der Gerüstsubstanz Cellulose.

1.4 Gewinnung

Cellulose wird in großem Umfang aus Fichten und Kiefernholz gewonnen. Das geschnittene, geschliffene und schließlich zermahlene Holz, der Holzschliff, wird in Lösungsmitteln, z.B. Calciumhydrogensulfit Ca(HSO3)2 oder Natronlauge gekocht, die alle Bestandteile außer der Cellulose in lösliche Stoffe überführen. Der Rückstand besteht aus lockeren Cellulosefasern. Gewaschen und gebleicht dienen sie als Rohstoff für die Celluloseindustrie (Zellstoff).

1.5 Bestandteile des Holzes

1.6 Experimente

Des weiteren können folgende Versuche durchgeführt werden:

1.7 Kunstseiden aus Cellulose

1.7.1 Acetatverfahren

Cellulose wird mit Essigsäure vollständig verestert. Dabei entsteht Cellulosetriacetat, das in Aceton gelöst wird und danach mittels des Trockenspinnverfahrens zu einer Faser verarbeitet wird.