Dissolution mechanism of cellulose in a benzyltriethylammonium/urea deep eutectic solvent (DES): DFT-quantum modeling, molecular dynamics and experimental investigation

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作者
Omar Azougagh,Issam Jilal,Loubna Jabir,Hayat El-Hammi,Soumya Essayeh,Nor Mohammed,Nafea Achalhi,Ridouan El Yousfi,Abderrahmane El Idrissi,Youssef El Ouardi,Katri Laatikainen,Mohamed Abou-Salama,Soufian El Barkany
出处
期刊:Physical Chemistry Chemical Physics [Royal Society of Chemistry]
卷期号:25 (34): 22870-22888 被引量:11
标识
DOI:10.1039/d3cp02335d
摘要

In this paper, a benzyltriethylammonium/urea DES was investigated as a new green and eco-friendly medium for the progress of organic chemical reactions, particularly the dissolution and the functionalization of cellulose. In this regard, the viscosity-average molecular weight of cellulose (M̄w) during the dissolution/regeneration process was investigated, showing no significant degradation of the polymer chains. Moreover, X-ray diffraction patterns indicated that the cellulose dissolution process in the BTEAB/urea DES decreased the crystallinity index from 87% to 75%, and there was no effect on type I cellulose polymorphism. However, a drastic impact of the cosolvents (water and DMSO) on the melting point of the DES was observed. Besides, to understand the evolution of cellulose-DES interactions, the formation mechanism of the system was studied in terms of H-bond density and radial distribution function (RDF) using molecular dynamics modeling. Furthermore, density functional theory (DFT) was used to evaluate the topological characteristics of the polymeric system such as potential energy density (PED), laplacian electron density (LED), energy density, and kinetic energy density (KED) at bond critical points (BCPs) between the cellulose and the DES. The quantum theory of atoms in molecules (AIM), Bader's quantum theory (BQT), and reduced density gradient (RDG) scatter plots have been exploited to estimate and locate non-covalent interactions (NCIs). The results revealed that the dissolution process is attributed to the physical interactions, mainly the strong H-bond interactions.
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