Computersimulationen zum Löseverhalten von Cellulose in aliphatischen Amin-N-oxiden

Der nachwachsenden Rohstoff Cellulose stellt mit einer geschätzten Biosyntheserate von 180 Milliarden Tonnen das meistvorkommende Biopolymer dar. Ein neuartiges Verfahren zur Verarbeitung von Cellulose, das Lyocell- oder Aminoxid-Verfahren verzichtet auf den Einsatz von umweltgefährdenden Lösemitteln. In diesem Verfahren wird Cellulose in einer Schmelze eines aliphatischen Amin-N-oxid-Monohydrats gelöst und durch Ausfällen in einer verdünnten wässrigen Aminoxid-Lösung regeneriert. Im technischen Prozess wird N-Methylmorpholin-N-oxid (NMMO) eingesetzt. Nicht alle aliphatischen Amin-N-oxide besitzen ein gleichermaßen gutes Lösevermögen für Cellulose, selbst innerhalb einer homologen Reihe aliphatischer Amin-N-oxide treten Sprünge im Lösevermögen für Cellulose auf, die nicht mit einer molekularen Eigenschaft der Aminoxide korreliert werden können. Ziel dieser Arbeit war es daher, das unterschiedliche Löseverhalten von Cellulose in aliphatischen Amin-N-oxiden mittels der Methode der Molekulardynamik-Simulation zu untersuchen. Zunächst wurde zur Validierung des verwendeten Kohlenhydrat-Kraftfeldes eine Simulation kristalliner Cellulose der Modifikation Cellulose II in antiparalleler Kettenorientierung zur Bestimmung des Elasitizitätsmoduls in Faserrichtung (Young-Modul) durchgeführt. Der Vergleich mit Ergebnissen von Reiling et al. zu einem Modell von Cellulose II in paralleler Kettenorientierung und experimentell ermittelten Young-Moduln gibt Anlass, eine parallele Kettenorientierung für mercerisierte Cellulose (Cellulose II) anzunehmen. Zur Untersuchung des Löseverhaltens wurden Molekulardynamik-Simulationen zweier ternärer-Systeme, eines Lösemittelsystemes (NMMO-Monohydrat) und eines Systems, das kein Lösevermögen für Cellulose besitzt (N,N,N-Trimethylamin-N-oxid-Monohydrat, TMAO-Monohydrat) durchgeführt. Die Untersuchung struktureller (radiale Paarverteilungsfunktionen, Anzahl und Struktur von Wasserstoffbrückenbindungen, N-Oxid-Sauerstoffpopulationen) und dynamischer (Diffusionskoeffizienten) Eigenschaften der Systeme ergab für NMMO im Gegensatz zu TMAO eine chelatartige Anlagerungsstruktur um das Cellohexaose-Molekül, in der die Ausbildung von zwei Wasserstoffbrückenbindungen zu beiden sekundären Hydroxylgruppen der Anhydroglucoseeinheit möglich ist