Bài học

Cấu tạo và tính chất vật lí của cellulose

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em mô tả được cấu tạo mạch thẳng không phân nhánh của cellulose, viết được công thức mắt xích $[C_6H_7O_2(OH)_3]_n$ với ba nhóm OH tự do, và so sánh được cellulose với tinh bột về cấu tạo, tính tan và phản ứng với iot.

Kiến thức nền cần nhớ

Same-grade bridge: chương trước đã học tinh bột là polime của α-glucose, liên kết chủ yếu bằng α-1,4-glycosic, tan một phần trong nước nóng và cho màu xanh tím với iot. Cellulose cũng là polime của glucose và cùng công thức chung $(C_6H_{10}O_5)_n$ — nhưng khác một chi tiết cấu tạo nhỏ khiến toàn bộ tính chất vật lí đảo ngược hoàn toàn.

Khởi động

Bông vải, giấy viết, thân cây gỗ đều chứa phần lớn là cellulose — cùng công thức phân tử tổng quát như tinh bột trong hạt gạo. Nhưng con người tiêu hoá được cơm mà không tiêu hoá được sợi bông hay tờ giấy, trong khi trâu bò lại nhai rơm rạ (chủ yếu cellulose) làm thức ăn chính. Cùng là polime của glucose, vì sao cơ thể người xử lý được chất này mà không xử lý được chất kia?

Kiến thức trọng tâm

Cellulose cũng có công thức chung $(C_6H_{10}O_5)_n$ giống tinh bột, nhưng thường được viết ở dạng mắt xích chi tiết hơn: $[C_6H_7O_2(OH)_3]_n$ , nhấn mạnh mỗi mắt xích glucose trong cellulose mang ba nhóm −OH tự do. Cách viết này quan trọng cho chương trình vì chính ba nhóm OH tự do đó sẽ quyết định phản ứng ester hoá của cellulose ở bài sau — khác hẳn cách viết gọn $(C_6H_{10}O_5)_n$ của tinh bột vốn không nhấn mạnh số nhóm chức.

Về cấu tạo, cellulose cũng xây dựng từ đơn vị glucose nối bằng liên kết glycosic, nhưng là liên kết β-1,4-glycosic (khác kiểu liên kết α trong tinh bột). Sự khác biệt α/β này khiến mạch cellulose hoàn toàn thẳng, không phân nhánh, không xoắn thành ống như amylose — trái lại, nhiều mạch cellulose song song nằm cạnh nhau, liên kết với nhau bằng vô số liên kết hydro giữa các nhóm OH của mạch này với mạch kề bên, bó chặt thành từng bó sợi dài và bền chắc. Chính cấu trúc bó sợi song song liên kết hydro dày đặc này giải thích vì sao cellulose:

không tan trong nước kể cả khi đun nóng (khác amylose tan trong nước nóng), vì các liên kết hydro giữa các mạch quá bền để nước phá vỡ được;
không cho phản ứng màu với iot (khác tinh bột), vì mạch thẳng không xoắn thành ống nên không có khoang chứa phân tử $I_2$ ;
có độ bền cơ học rất cao, chịu kéo tốt — đây là lý do cellulose là thành phần chính tạo nên độ dai, độ bền của thành tế bào thực vật, của sợi bông, sợi gai, và của gỗ.

Về mặt sinh học, cơ thể người không có enzyme cắt được liên kết β-1,4-glycosic (chỉ có enzyme cắt liên kết α như trong tinh bột), nên con người không tiêu hoá được cellulose — chất xơ trong rau củ chính là cellulose đi qua hệ tiêu hoá gần như nguyên vẹn, có lợi cho nhu động ruột nhưng không cung cấp năng lượng trực tiếp. Ngược lại, trong dạ cỏ của trâu bò có hệ vi sinh vật tiết ra enzyme cellulase cắt được liên kết β-1,4-glycosic, nên chúng tiêu hoá được cellulose trong rơm cỏ làm nguồn năng lượng chính. Chất xơ trong khẩu phần ăn của người — chủ yếu là cellulose từ rau, củ, quả, ngũ cốc nguyên cám — tuy không sinh năng lượng nhưng vẫn được khuyến nghị ăn đều đặn vì kích thích nhu động ruột, hỗ trợ tiêu hoá và tạo cảm giác no lâu hơn.

**Cellulose** cũng có công thức chung $(C_6H_{10}O_5)_n$ giống tinh bột, nhưng thường được viết ở dạng mắt xích chi tiết hơn: $[C_6H_7O_2(OH)_3]_n$, nhấn mạnh mỗi mắt xích glucose trong cellulose mang **ba nhóm −OH tự do**. Cách viết này quan trọng cho chương trình vì chính ba nhóm OH tự do đó sẽ quyết định phản ứng ester hoá của cellulose ở bài sau — khác hẳn cách viết gọn $(C_6H_{10}O_5)_n$ của tinh bột vốn không nhấn mạnh số nhóm chức. Về cấu tạo, cellulose cũng xây dựng từ đơn vị glucose nối bằng liên kết glycosic, nhưng là liên kết **β-1,4-glycosic** (khác kiểu liên kết α trong tinh bột). Sự khác biệt α/β này khiến mạch cellulose **hoàn toàn thẳng, không phân nhánh, không xoắn** thành ống như amylose — trái lại, nhiều mạch cellulose song song nằm cạnh nhau, liên kết với nhau bằng vô số liên kết hydro giữa các nhóm OH của mạch này với mạch kề bên, bó chặt thành từng bó sợi dài và bền chắc. Chính cấu trúc bó sợi song song liên kết hydro dày đặc này giải thích vì sao cellulose: - **không tan trong nước** kể cả khi đun nóng (khác amylose tan trong nước nóng), vì các liên kết hydro giữa các mạch quá bền để nước phá vỡ được; - **không cho phản ứng màu với iot** (khác tinh bột), vì mạch thẳng không xoắn thành ống nên không có khoang chứa phân tử $I_2$; - có **độ bền cơ học rất cao**, chịu kéo tốt — đây là lý do cellulose là thành phần chính tạo nên độ dai, độ bền của thành tế bào thực vật, của sợi bông, sợi gai, và của gỗ. Về mặt sinh học, cơ thể người không có enzyme cắt được liên kết β-1,4-glycosic (chỉ có enzyme cắt liên kết α như trong tinh bột), nên con người không tiêu hoá được cellulose — chất xơ trong rau củ chính là cellulose đi qua hệ tiêu hoá gần như nguyên vẹn, có lợi cho nhu động ruột nhưng không cung cấp năng lượng trực tiếp. Ngược lại, trong dạ cỏ của trâu bò có hệ vi sinh vật tiết ra enzyme cellulase cắt được liên kết β-1,4-glycosic, nên chúng tiêu hoá được cellulose trong rơm cỏ làm nguồn năng lượng chính. Chất xơ trong khẩu phần ăn của người — chủ yếu là cellulose từ rau, củ, quả, ngũ cốc nguyên cám — tuy không sinh năng lượng nhưng vẫn được khuyến nghị ăn đều đặn vì kích thích nhu động ruột, hỗ trợ tiêu hoá và tạo cảm giác no lâu hơn.

Ví dụ

Xác định số nhóm OH tự do trong một phân tử cellulose

1
Một phân tử cellulose có $n = 5\,000$ mắt xích. Xác định số nhóm −OH tự do có trong toàn bộ phân tử đó.
Một phân tử cellulose có $n = 5\,000$ mắt xích. Xác định số nhóm −OH tự do có trong toàn bộ phân tử đó.
2
Theo công thức mắt xích $C_6H_7O_2(OH)_3$ , mỗi mắt xích mang đúng 3 nhóm −OH tự do.
Theo công thức mắt xích $C_6H_7O_2(OH)_3$, mỗi mắt xích mang đúng 3 nhóm −OH tự do.
3
Phân tử có $n = 5\,000$ mắt xích, vậy tổng số nhóm OH tự do là $3n = 3 \times 5\,000 = 15\,000$ nhóm.
Phân tử có $n = 5\,000$ mắt xích, vậy tổng số nhóm OH tự do là $3n = 3 \times 5\,000 = 15\,000$ nhóm.
4
Vậy phân tử cellulose này mang $15\,000$ nhóm OH tự do. Con số 3n này sẽ được dùng trực tiếp ở bài sau khi tính lượng $HNO_3$ cần dùng cho phản ứng ester hoá cellulose — mỗi nhóm OH phản ứng với đúng một phân tử $HNO_3$ .
Vậy phân tử cellulose này mang $15\,000$ nhóm OH tự do. Con số 3n này sẽ được dùng trực tiếp ở bài sau khi tính lượng $HNO_3$ cần dùng cho phản ứng ester hoá cellulose — mỗi nhóm OH phản ứng với đúng một phân tử $HNO_3$.

Ví dụ

So sánh cellulose và tinh bột bằng thực nghiệm

1
Có hai mẫu bột màu trắng không nhãn: một mẫu là tinh bột, một mẫu là bông (cellulose) đã nghiền mịn. Đề xuất một thí nghiệm đơn giản để phân biệt hai mẫu, có giải thích hiện tượng dự đoán.
2
Cho một lượng nhỏ mỗi mẫu vào hai ống nghiệm chứa nước, đun nóng nhẹ; sau đó nhỏ vài giọt dung dịch iot vào mỗi ống.
3
Mẫu tinh bột: thành phần amylose tan một phần tạo dung dịch keo (hồ tinh bột), hỗn hợp hơi sánh. Mẫu cellulose: không tan, vẫn ở dạng huyền phù rắn lơ lửng trong nước, vì liên kết hydro giữa các mạch quá bền.
4
Ống chứa tinh bột: xuất hiện màu xanh tím đặc trưng do amylose xoắn giữ phân tử $I_2$ . Ống chứa cellulose: không đổi màu, vì mạch cellulose thẳng, không xoắn thành khoang chứa iot.
Ống chứa tinh bột: xuất hiện màu xanh tím đặc trưng do amylose xoắn giữ phân tử $I_2$. Ống chứa cellulose: không đổi màu, vì mạch cellulose thẳng, không xoắn thành khoang chứa iot.
5
Vậy mẫu tan một phần trong nước nóng và cho màu xanh tím với iot là tinh bột; mẫu không tan và không đổi màu với iot là cellulose (bông). Hai phép thử — tính tan và phản ứng với iot — cùng cho kết quả nhất quán, củng cố kết luận.

Sai lầm thường gặp

Vì cùng công thức chung $(C_6H_{10}O_5)_n$ và cùng là polime của glucose, nhiều học sinh nghĩ cellulose có tính chất vật lí giống hệt tinh bột — kể cả cho rằng cellulose cũng đổi màu xanh tím với iot. Hãy nhớ: khác kiểu liên kết glycosic (α ở tinh bột, β ở cellulose) dẫn đến mạch thẳng không xoắn, nên cellulose không tan trong nước và KHÔNG có phản ứng màu với iot.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Cellulose $[C_6H_7O_2(OH)_3]_n$ : mạch thẳng, liên kết β-1,4-glycosic, mỗi mắt xích 3 nhóm OH tự do. Không tan trong nước, không đổi màu với iot — trái ngược tinh bột dù cùng là polime của glucose. Người không tiêu hoá được (thiếu enzyme cellulase), trâu bò tiêu hoá được nhờ vi sinh vật trong dạ cỏ.

Cellulose $[C_6H_7O_2(OH)_3]_n$: mạch thẳng, liên kết β-1,4-glycosic, mỗi mắt xích 3 nhóm OH tự do. Không tan trong nước, không đổi màu với iot — trái ngược tinh bột dù cùng là polime của glucose. Người không tiêu hoá được (thiếu enzyme cellulase), trâu bò tiêu hoá được nhờ vi sinh vật trong dạ cỏ.

Bài cuối chương này khai thác chính ba nhóm OH tự do vừa xác định để viết phản ứng ester hoá của cellulose — phản ứng tạo ra cellulose trinitrat (thuốc súng không khói) và tơ axetat, hai ứng dụng công nghiệp quan trọng nhất của cellulose.