纤维素酸水解[优质PPT]
纤维素的水解
纤维素的水解一、目的与要求掌握纤维素水解实验的操作技能和演示方法二、实验原理纤维素在一定温度和酸性催化剂条件下，发生水解，最终生成葡萄糖：（C6H10O5）n+nH2nC6H12O6葡萄糖分子中含有醛基，故具有较强的还原性，在碱性条件下能将新制得的氢氧化铜还原为红色的Cu2O沉淀；能和银氨溶液发生银镜反应。
三、主要仪器与药品烧杯、石棉网、试管、试管夹、酒精灯、玻璃棒。
滤纸、浓H2SO4、NaOH、5﹪NaOH溶液、无水Na2CO3、pH试纸、2﹪AgNO3溶液、5﹪CuSO4溶液、2﹪氨水、蒸馏水。
四、实验内容1.按浓H2SO4与水7:3（体积比）的比例配制H2SO4溶液20ml于50ml的烧杯中。
2.取滤纸一片撕碎，向小烧杯中边加边用玻璃棒搅拌，使其变成无色粘稠状的液体，然后将烧杯放入水浴中加热约10min，直到溶液显棕色为止。
（若加入滤纸搅拌后，溶液颜色即显棕色，则不用加热即可。
）3.取出小烧杯，冷却后将棕色溶液倾入另一盛有约20ml蒸馏水的烧杯中，取该溶液20ml于另一烧杯中，用固体NaOH中和溶液，直至溶液变为黄色，再加Na2CO3调节溶液pH至9。
4.洗干净试管，配制银氨溶液（取2-3ml 2﹪AgNO3溶液于试管中，加入2﹪氨水，至沉淀刚好消失为止）。
将3中溶液取2-3ml滴加到盛有银氨溶液的试管中，水浴加热，管壁附积一层银镜。
水浴加热CH2OH(CHOH)4CHO＋2Ag(NH3)OH CH2OH(CHOH)4COONH4＋2Ag↓＋3NH3＋H2O5.配制好Cu（OH）2（取2-3ml 5﹪CuSO4溶液于试管中，加入5﹪NaOH溶液至出现蓝色沉淀）后，使溶液pH＞11，取3中溶液2-3ml于新制的Cu（OH）试管中，酒精灯上加热，可见到红色沉淀Cu2O生成。
2水浴加热CH2OH(CHOH)4CHO＋2Cu(OH)2＋NaOH CH2OH(CHOH)4COONa＋Cu2O↓＋3H2O五、注意事项1.整个实验所用之水均为蒸馏水，以免引起副反应而干扰银镜反应。
纤维素的水解
纤维素的水解一、实验目的1.掌握纤维素水解实验的操作技能。
2.熟悉纤维素水解的演示技能。
二、实验原理纤维素是多糖，它可在一定温度和酸性催化剂条件下，发生水解，最终生成葡萄糖：（C6H10O5）n+nH2O 加热，酸性 nC6H12O6(纤维素) （葡萄糖）葡萄糖分子中含有醛基，故具有较强的还原性，在碱性条件下能将新制的氢氧化铜还原为红色的Cu2O沉淀；能使银氨溶液发生银镜反应。
CH2OH(CHOH)4CHO+2Ag(NH3)2OH 加热 2Ag+ CH2OH(CHOH)4COONH4+3NH3↑+H2OCH2OH(CHOH)4CHO+2Cu(OH)2加热 Cu2O+CH2OH(CHOH)4COOH+2H2O三、主要仪器与药品烧杯、石棉网、三脚架、试管、试管夹、酒精灯、玻璃棒、滤纸；浓硫酸、NaOH溶液（5%）、固体NaOH、pH试纸、无水NaCO3、2%AgNO3溶液、5%CuSO4溶液、2%氨水、蒸馏水四、实验步骤1、按浓硫酸与水7：3（体积比）的比例配制H2SO4溶液20mL于烧杯中。
2、取一片圆形滤纸撕碎，向小烧杯中边加边用玻璃棒搅拌，使其变成无色粘稠状的液体，然后将烧杯放入水浴中加热约10min，直到溶液显棕色为止。
3、取出小烧杯，冷却后将棕色溶液倾入另一盛有约20mL蒸馏水的烧杯中，用胶头滴管取该溶液约1mL 注入一大试管中。
用固体NaOH中和溶液，直至溶液变为黄色，再加NaCO3调节溶液的pH至9。
4、用蒸馏水将试管洗涤干净后，加入约2~3mL2%AgNO3溶液，再逐滴滴加氨水，直至生成的沉淀恰好消失为止，得到银氨溶液，然后将3中溶液取2~3mL滴加到银氨溶液中，水浴加热，管壁附积一层银镜。
5、配制Cu(OH)2后，使溶液的pH>11, 取3中溶液2~3mL于新配制的Cu(OH)2试管中，酒精灯上加热，可看到有砖红色沉淀Cu2O生成。
五、注意事项1、整个实验所用之水均为蒸馏水，以免引起副反应干扰银镜反应。
纤维素的水解
实验四纤维素的水解一、实验目的1.掌握纤维素水解实验的操作技能和演示方法；2.掌握銀氨溶液配制的原理和方法；3.熟练浓硫酸的稀释过程，并巩固其过程中的安全问题；4.复习含有醛基的有机物的性质。
二、实验原理纤维素是一种常见的多糖，在一定温度和酸性催化剂条件下，会发生水解，最终生成葡萄糖：（C6H10O5)n + nH2O === nC6H12O6葡萄糖分子中含有醛基，故具有较强的还原性，在碱性条件下能将新制氢氧化铜还原为红色的氧化亚铜沉淀，还能和銀氨溶液发生银镜反应。
通过这两个反应可以验证纤维素已水解为葡萄糖了。
C 5H11O5CHO + 2Cu(OH)2+ NaOH → C5H11O5COONa + Cu2O↓ + 3H2OC 5H11O5CHO + 2Ag(NH3)2OH → C5H11O5COONH4+ 2Ag↓ + 3NH3+ H2O三、实验仪器与药品烧杯，试管，试管夹，酒精灯，玻璃棒，；滤纸，浓H2SO4，NaOH，5%NaOH溶液，pH试纸，无水Na2CO3，2%AgNO3溶液，5%CuSO4溶液，2%氨水，蒸馏水。
四、实验内容（一）纤维素的水解：1.按浓H2SO4与水7:3的体积比配制H2SO4溶液20mL于50mL的烧杯中，放置一会儿，使其稍微冷却。
2.取半张滤纸，撕碎，向小烧杯中边加边用玻璃棒搅拌，使其变为无色粘稠状的液体，然后将烧杯放入水浴（用250mL烧杯代替水浴锅）中加热约10min，直到溶液显棕黄色为止。
3.取出小烧杯，冷却后将该棕黄色液体倾入另一盛有约20mL蒸馏水的烧杯中。
取1mL混合液，注入一大试管中，加入适量固体NaOH，直到溶液pH在3-5之间，再加Na2CO3调节溶液的pH至9。
（二）纤维素水解产物葡萄糖的检验：4.洗干净试管，配制銀氨溶液。
（如果试管很脏，洗不干净，可先用沸腾的碱液洗去油污，再用沸腾的酸液洗去无机盐，最后用蒸馏水冲洗干净）銀氨溶液的配制是本次实验的难点。
纤维素水解
CH2OH C HO H H C C C OH H H O
CH2OH C C C C O O H OH
CH2OH C O OH OH H H C C H OH
+H2O
C
CH2OH
CH2OH
CH2OH
烯醇式结构
酮式结构
COOH OH H H C C C CH2OH H OH CH2OH
同碳二元醇
COOH C C C OH H OH
1 纤维素的酸水解
浓酸水解纤维素 的过程如下：
浓酸 纤维素 膨胀和溶 解
浓酸水分较少， 纤维素分解生成 的是寡糖，其中 主要是纤四糖
部分水解 生成低分 子多糖和 少量单糖
加水稀释 加热
进一步水解 生成单糖
单糖进一 步分解
100~200℃ 1~3h
缺点：酸必须回收，而且回用要经济上能过关，回收过程通常是高 成本的，要求防腐蚀的容器，体积也要较大。
2、主水解阶段，将纤维素水解成寡糖和葡萄糖单体的阶段；
3、后水解阶段，它是保证寡糖水解的阶段，而寡糖中主要是纤维四糖
寡糖和葡萄糖之间的比例则决定于所用酸的浓度
1 纤维素的酸水解
1.5 酸水解纤维素性质变化
1、DP降为200左右，成粉末状； 2、吸湿能力改变，先下降后上升； 3、碱溶能力增加， 4、还原性增强； 5、机械强度下降。
1 纤维素的酸水解
小结：酸水解整体成线理解 • 浓酸水解
纤维素 酸复合物 低聚糖 葡萄糖
• 稀酸水解
纤维素 水解纤维素 可溶性多糖 葡萄糖
纤维素多相水解所得残渣为水解
纤维素，所得溶液为低聚糖和单糖 溶液。在高温作用下，降解后的单 糖分解，成为有机酸，使得溶液显 酸性。
纤维素的水解
纤维素的水解一、实验原理纤维素在一定温度和浓硫酸提供的酸性环境条件下，发生水解，最终生成葡萄糖：(C 6H 10O 5)n +nH 2O nC 6H 12O 6纤维素 葡萄糖葡萄糖分子中含有醛基，因此具有较强的还原性，在碱性条件下能将新制得的氢氧化铜还原为红色的Cu 2O 沉淀；能和银氨溶液在水浴加热下发生银镜反应。
反应方程式为：C 6H 12O 6+Cu(OH)2 (C 5H 11O 5COO)2Cu+Cu 2O ↓+H 2OC 6H 12O 6+2Ag(NH 3)2OH C 5H 11O 5COONH 4+3NH 3+2Ag↓+H 2O二、实验操作过程与实验现象1．按浓硫酸与水7:3（体积比，实际用量为14L 浓H 2SO 4和6mL 水）的比例配制H 2SO 4溶液20mL 于50mL 的烧杯中。
搅拌均匀后，冷却至室温。
2．取14张圆形滤纸半片撕碎，向小烧杯中边加边用玻璃棒搅拌，使其变成无色粘稠状的液体，然后将烧杯放入水浴（用250mL 烧杯代替水浴锅,60℃—70℃）中加热约10min ，直到溶液显棕色为止。
3．取出小烧杯，冷却后将棕色溶液倾入另一盛有约20mL 蒸馏水的小烧杯中，用量筒取该溶液1mL 注入一大试管中。
用固体NaOH 中和溶液，直至溶液pH 值达到3至5，再加无水Na 2CO 3调节溶液的pH 至9。
加入少量去离子水，将溶液稀释为约10mL 。
4．洗干净试管（加入少量碱液加热，而后用去离子水清洗干净），配置银氨溶液。
取3至5mL2% AgNO 3溶液于试管中，逐滴加入2% 氨水至生成的白色沉淀恰好溶解。
将3中溶液取3mL 滴加到盛有银氨溶液的试管里，水浴加热。
一段时间后，可观察到试管壁上有光亮的银镜生成。
将反应后液体倒入废液缸，向试管中加入少量稀HNO 3溶解银镜，回收。
5．取一只洁净试管，加入少量5% CuSO 4溶液，而后滴加5% NaOH 溶液，至溶液pH 大于11。
酸催化纤维素水解
酸催化纤维素水解是一种重要的化学过程，它可以分解纤维素为葡萄糖等小分子有机物，这对于许多生物技术领域的应用具有重要意义。
纤维素是一种由葡萄糖单元通过β-1,4-糖苷键连接而成的多糖，在酸催化水解下，纤维素会逐渐分解成较小的分子，如葡萄糖、纤维二糖等。
纤维素酸催化水解的过程可以分为三个主要步骤：酸催化脱水、分子内脱水以及分子间脱水。
在酸催化作用下，纤维素分子间的氢键被破坏，使纤维素分子分散成为自由态，同时纤维素分子间的脱水反应被促进，生成一系列的水解产物。
这个过程涉及到许多化学反应和物理过程，需要深入理解才能准确描述。
在纤维素酸催化水解中，常用的酸催化剂包括硫酸、盐酸、磷酸等。
这些酸催化剂可以提供足够的氢离子，以促进纤维素的水解。
同时，它们也可以作为脱水剂，进一步促进纤维素分子的分解。
除了酸催化剂，水也是纤维素酸催化水解中必不可少的成分。
水分子可以提供反应中所需的自由态纤维素分子，并作为溶剂，使水解产物更容易地从反应体系中分离出来。
纤维素酸催化水解的应用非常广泛。
在生物技术领域，纤维素水解产物葡萄糖等可以直接用作发酵工业的原料，用于生产酒精、有机酸等产品。
此外，纤维素水解产物还可以用于生产高分子材料、药物、食品添加剂等。
因此，纤维素酸催化水解对于生物技术的产业化具有重要意义。
然而，纤维素酸催化水解也存在一些挑战和限制。
例如，水解产物的纯度是一个重要的问题，因为它可能包含一些有害的副产物。
此外，酸催化剂的使用也可能对环境产生负面影响。
因此，需要进一步的研究和发展更环保、高效的纤维素水解方法。
总的来说，酸催化纤维素水解是一个复杂的过程，涉及到许多化学和物理过程。
它对于生物技术领域的应用具有重要意义，但也面临着一些挑战和限制。
04 第四节 纤维素的化学性质-PPT课件
② Fentons试剂法：
Fentons试剂为氧化还原系统 H2O2＋Fe2+→Fe3+ + OH- + HO• HO•＋Cell-OH →Cell-O• + H2O Cell-O• + M → 接枝共聚
接枝单体M：丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯等
四、纤维素的碱性降解
糖苷键是一种缩醛结构，对酸不稳定，一 般对碱比较稳定，高温条件下也会发生碱 性降解反应。
碱性降解反应包括碱性水解和剥皮反应。
1、碱性水解
苷键部分断裂，产生新的还原性末端基，聚合度和纤维强度 下降。水解程度与蒸煮温度、时间、用碱量有很大关系。
2、剥皮反应
定义：指在碱性条件下，纤维素具有还原性的末端 基一个个掉下来使纤维素大分子逐步降解的过程。
解决的办法： 对纤维素进行溶胀或活化处理，如在反应介质中加入 一些溶剂，使纤维素溶胀
2、均相反应的主要特点：
纤维素溶解于溶剂中，分子间和分子内氢键均断裂，反 应性能提高，有利于取代基的均匀分布
OH的反应性能：C6-OH > C2-OH > C3-OH
三、纤维素的酸水解降解
定义：指纤维素其相邻两葡萄糖单体间的碳原子 和氧原子形成的苷键被酸所裂断，纤维素聚合度 下降， 还原能力提高。
2）形成酯的交联反应 纤维素与酸酐（邻苯二甲酸酐、顺丁烯二酸酐）、
邻二羧酸酰氯等等形成二酯形式的交联。
与羟基相关的化学反应 （酯化反应、醚化反应、接枝共聚与交连等）
一、纤维素的可及度与反应性
1、纤维素的可及度
反应试剂抵达纤维素羟基的难易程度。
大部分试剂只能到达纤维素的无定形区，不能进 入结晶区 无定形区比例越大，可及度越高 溶胀剂也影响到可及度
纤维素水解反应
纤维素水解反应
纤维素是一种广泛存在于植物细胞壁中的多糖，是植物体内最主要的结构多糖之一。
由于其在自然界中的广泛分布和丰富性，纤维素的水解反应一直是研究的热点之一。
纤维素水解反应是指将纤维素分子中的β-1,4-糖苷键断裂，使其转化为可溶性的单糖或低聚糖。
这个过程需要一定的酶类催化作用，通常包括纤维素酶、β-葡萄糖苷酶、β-半乳糖苷酶等。
纤维素水解反应的应用十分广泛，其中最为重要的是生物质能源的开发利用。
生物质能源是指利用植物、动物等生物体的有机物质作为能源的一种可再生能源。
纤维素是生物质的主要成分之一，因此纤维素水解反应是生物质能源开发利用的关键技术之一。
纤维素水解反应主要有两种方法：酸水解和酶解。
酸水解是指将纤维素暴露在强酸中，使其分解为单糖或低聚糖。
这种方法具有操作简单、成本低等优点，但同时也存在着产生大量废水、废酸等环境问题。
酶解则是利用纤维素酶等酶类催化剂，将纤维素分解为单糖或低聚糖。
这种方法具有高效、环保等优点，但同时也存在着酶类催化剂价格高昂、反应时间长等问题。
纤维素水解反应的研究不仅有助于生物质能源的开发利用，还有助于解决环境问题。
纤维素水解反应可以将植物细胞壁中的纤维素转化为可溶性的单糖或低聚糖，这些产物可以被微生物利用，进而转
化为生物质能源。
同时，纤维素水解反应还可以减少植物细胞壁中的纤维素含量，从而降低植物细胞壁的难降解性，有助于提高植物生物质的可降解性。
纤维素水解反应是一项十分重要的研究领域，其应用前景广阔，有助于推动生物质能源的开发利用，同时也有助于解决环境问题。
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五、影响酸水解的因素
影响纤维素酸水解时糖的产率的主要因素是： （1）原料的种类和粉碎度； （2）酸的种类和用量； （3）液比系数； （4）水解时采用的温度和时间。
（一）原料的种类和粉碎度
原料与酸的接触面愈大，有利于酸渗入纤维束内部，水解效果愈理想。但 粉碎过细，一则会增加电能的消耗，二则在进行水解时也会因密度过大而影 响到滤出速度。一般稻草切成2~3㎝，棉子壳可以不粉碎。
四、序列阶段酸水解
美国普度大学ladish提出采用浓酸和稀酸水解的纤维素序列三阶 段酸水解法。 1、预水解，它是水解和萃取木质纤维素中的半纤维素阶段；
2、主水解阶段，将纤维素水解成寡糖和葡萄糖单体的阶段；
3、后水解阶段，它是保证寡糖水解的阶段，而寡糖中主要是纤维四糖 寡糖和葡萄糖之间的比例则决定于所用酸的浓度
六、稀酸水解的几种常用方法
纤维原 料稀酸 水解
稀酸加压水解
固定水解法 分段水解法 渗滤水解法
稀酸常压水解
固定水解法是最原始的方法。水解液是在整个水解过程完成后一 次性排出。生成糖的分解现象严重、得率低、质量差、纯度低， 但对设备和操作的要求低。 分段水解法生成糖的分解少。 渗滤水解法是将稀酸溶液从水解器上部不断淋入，水解液从下部 连续排除。 稀酸常压水解主要用于木质纤维素的预处理和玉米蕊等半纤维素 含量高的原料的酸水解，可使大部分半纤维素分解。
液比系数公式：
FABCD M
式中
A
水解过程中加入的稀酸量（㎏）
B
加热酸、原料、设备等消耗的蒸汽（㎏）
C
原料内的水分（㎏）
D
水解反应所消耗的水（㎏）
M
纤维原料的绝干量（㎏）
液比系数增加，单位原料的产糖量也增加，一般液比系数是5~10。
（四）水解时间和温度
温度愈高，纤维素酸水解的速度愈快，但已生成的单糖的分解速度也愈 快。 温度升高10℃，反应速度加快½~1倍。高温持续时间过长，单糖的分解 加剧。 采用分段水解法或渗虑水解法，以缩短生成单糖在水解器中停留时间， 达到减少单糖分解造成损失的目的。
纤维素酸水解
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酸水解主要分为：
浓酸水解 稀酸水解 序列阶段酸水解
一、植物纤维素酸水解机理
无机酸催化纤维素分解的机理:
酸在水中解离产生氢离子； 氢离子与水结合为不稳定的水和氢离子； 纤维素链上的β-1,4葡萄糖苷键与水和氢离子结合，后 者把一个氢离子交给β-1,4葡萄糖苷键上的氧，使之变为 不稳定的四价； 氧键断裂时，四价的氧与水反应生产2羟基，重新释放 出氢离子。
浓酸水分较少， 纤维素分解生成 的是寡糖，其中 主要是纤四糖
浓酸
纤维素
膨胀和溶
解
单糖进一 步分解
部分水解 生成低分 子多糖和 少量单糖
加水稀释
进一步水解
加热
生成单糖
100~200℃ 1~3h
缺点：酸必须回收，而且回用要经济上能过关，回收过程通常是高 成本的，要求防腐蚀的容器，体积也要较大。
三、稀酸水解
wayman多级水解法
2％ H2SO4，在190℃ 白杨，每阶段20 min。 每阶段水解可从纤维 素链释放约20％的 葡萄糖，如果这些糖 都能及时排出，则经 过五个阶段，还原糖 的总得率可达90％。 如右图。
优点：总成本要较浓酸低不少，酸回收 就不必要了。
缺点：糖的得率较低，能量消耗较大 和仍需要耐酸材料。
CB K1 (ek1t ek2t) a K2K1
式中 C B
生成的净还原糖量 α
起始纤维素浓度
t
时间
K 1 、K 2
反应常数
下图列示了在180℃下，
0.6％
H溶2SO液4 是酸
水解曲线
由图可知，想达到理 想水解动力曲线B， 要尽快地将从纤维素 分子链中释放出来的 糖移去。要做到这一 点，就要往水解质中 无限量的萃取液体， 使萃取液中的糖浓度 接近等于零，这对生 产实际没有意义。
其中值得注意的是：
1.氢离子浓度越低，水解速度越快。 1.2.在一定的酸浓度范围内，纤维素水解反应的速度与酸的浓度成正比。
1.3.温度增加酸水解反应的速度也加快；一般温度增加10℃，水解速度提高 2.1.2倍。
1.4.由于氢离子是由酸解离来，而强酸解离完全，故水解时都用强酸。
二、浓酸水解
浓酸水解纤维素的过程如下：
（二）酸的种类和用量
盐酸催化能力较高，但价格较高，腐蚀性也强。因此工业生产上一般使 用粗盐酸作为水解用酸。
理论上，在其他条件不变时，酸的浓度提高一倍，水解时间可缩短 1 3 ~½。通常采用稀酸常压水解时，酸的浓度为2~3％；稀酸加压水解时，酸浓度
为0.5~1％。
（三）液比系数 水解时液体和纤维素原料的比例叫比例系数
稀酸水解用的酸浓度为0.3~3％，温度为T=100~200℃。
此时 大部分 半纤维素溶解于酸 溶液中，反应速度很快； 剩下的一部分半纤维素和纤维素则 呈不溶解状态， 反应速度 很慢。
解 问决 题这
个
分阶段水解
seaman动力学
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1、酸水解动力学是 一级反应
纤维素 K 1
糖
糖
K 2 分解产物
2、动力学公式