季铵盐型双子表面活性剂的合成和性能
2015-07-09 12:35阅读：
季铵盐型双子表面活性剂的合成和性能
摘要：以烷基二甲基叔胺R(CH3)2N(R为C12H25、C14H29和C26H33)、盐酸、环氧氯丙烷为原料合成了系列季铵盐型双子表面活性剂GnCl2(n=12，14，16)，样品经核磁共振及元素分析证实其结构。研究了其水溶液的表面活性、泡沫性能和杀菌性能。结果表明，所合成的双子阳离子表面活性剂具有较高的表面活性，烷基链越长，临界胶束浓度越小；不同链长的GnCl2体系中，G12Cl2溶液的起泡和稳泡效能最高，起泡和稳泡效率最低；通过纸片扩散法测定其杀菌性能表明，双季铵盐型表面活性剂具有优良的杀菌能力。
关键词：季铵盐双子表面活性剂；表面活性；泡沫性能；杀菌性能
双子表面活性剂可视为两个普通表面活性剂分子由一个连接基团相连的二聚体，与普通表面活性剂相比，双子表面活性剂具有更高降低表面张力的能力、更低的临界胶束浓度、特殊的流变学性质等独特性能，因此在洗涤、杀菌、乳化、分散、防腐以及化妆品、印染、三次采油、有序介孑L材料的合成等领域具有较大的应用潜力
。20世纪90年代以来，这种表面活性剂在世界范围内引起了广泛关注，合成新产品和进行性能测定的报道也相继出现。为此，作者参照文献并对合成条件进行改进，以烷基二甲基叔胺R(CH3)2N(R
为
C12H25
、C14H29和C26H33)及环氧氯丙烷为原料，合成了季铵盐型双子阳离子表面活性剂GnCl2(n=12
，14，16)，用相应的仪器鉴定其结构，并考察了其水溶液的表面活性、泡沫性能和杀菌性能。
1
实验部分
1．1
主要试剂与仪器
烷基二甲基叔胺，工业品，使用前蒸馏处理，山东富斯特化工有限公司；环氧氯丙烷，化学纯，天津化学试剂三厂；二次蒸馏水。RE52CS型旋转蒸发仪，上海亚荣生化仪器厂；PE一元素分析仪，美国PE公司；XP一201型偏光显微镜，南京光学仪器厂；MP一400型核磁共振仪，美国Varian公司；CDR一4P差动热分析仪，上海精科仪器有限公司。
1．2
合成和纯化
向250
mL四口瓶中加人20
mL正丙醇、0．04
mol烷基二甲基叔胺，搅拌，滴加0．04
tool盐酸，出现白色烟雾，约5
min一6
min后，再滴加正丙醇20
mL，冷却到反应液透明无色，pH近中性，待瓶内白色烟雾消失后，滴加0．04
mol环氧氯丙烷，加热至回流，再滴加烷基二甲基叔胺0．08
tool，保持回流4
h，待反应液呈茶色停止，旋转蒸发，得到白色黏稠状物质。产物进行三次重结晶，并转移至真空干燥箱中干燥。称量最终产物，产率85％。
1．3
仪器分析
不同链长的产物分别用D20和CDCl3为溶剂，在MP一400型核磁共振仪上进行
HNMR表征；利用
PE一元素分析仪进行元素分析。
1．4
Kram
点和熔点的测定
配制5
mL一定质量分数的产物水溶液，用超级恒温槽和低温浴槽缓慢加热和降温，肉眼观察溶解度增大的温度，确定Krafft点。
称量5
mg产物样品，在差动热分析仪上进行程序升温，测定各样品的熔点。
1．5
表面活性的测定
利用滴体积法测定产物的表面张力
，根据y—lg
c曲线求出临界胶束浓度(cmc)、临界胶束浓度时的表面张力(y。
)以及吸附效率(pc20)，即使水的表面张力降低20
mN／m时所需要的表面活性剂体相浓度的负对数。
1．6
泡沫性能的测定
配制不同浓度的产物溶液，用气流法测定溶液的泡沫性能。在起泡管(自制)中加入5
mL试液，待温度恒定后，通人气速(S)为4．17
mL／s的氮气，测定生成15
mL泡沫的进气时问(t)，并以生成泡沫的体积与进气体积之比R
作为起泡性参数.
1．7
杀菌性能的测试
菌种为聊城大学生命科学学院培养的大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、绿脓杆菌。杀菌试验采用纸片扩散法⋯测定所合成的不同浓度的样品对3种菌的杀菌效果，以硫酸链霉素作为参比，接触时间12
h。
2
结果与讨论
2．1
HNMR和元素分析结果
各元素含量测定值与理论值十分接近，‘HNMR的化学位移(
与所期望的质子数能很好地吻合，说明所合成的物质是目标产物。
2．2
表面活性
系列产物水溶液在25℃
时表面张力(r)随溶液浓度对数(1g
C)的变化曲线。3种产物的曲线均无最低点，说明样品的纯度较高。通过对曲线拟合可求得产物的cmc。当c
2．3
泡沫性能
溶液的起泡性和稳泡性随溶液浓度的增大而迅速上升，当浓度达到一定值后起泡性和稳泡性趋于稳定，此时的浓度均高于cmc，说明只有溶液形成胶束以后，溶液的起泡性和稳泡性才能达到最好。
达到稳定值之前，相同浓度溶液的起泡性随碳链长度的增加而增加，而稳泡性的规律性稍差。到达稳定值之后，相同浓度溶液的起泡性和稳泡性均随碳链长度的增加而降低。一般来讲，溶液的起泡性和稳泡性与表面张力和cmc有关，表面张力越低、cmc越小的体系越易于起泡，泡沫较多且较稳定。因而产物的起泡性和稳泡性与溶液的表面张力正好有对应关系，即对于不同碳链长度的表面活性剂，表面张力低的溶液起泡性和稳泡性较好。
2．4
杀菌性能
采用纸片扩散法原理分别测定了G12C12、G14C12和G16C12对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、绿脓杆菌的抗菌性，硫酸链霉素的抑菌片扩散直径为1cm。
一般来说，细胞表面带有负电荷，阳离子
杀菌剂分子中所带的正电荷的密度越大，吸到细菌细胞表面的能力越强。双季铵盐
杀菌剂具有较强的杀菌活性，一方面是由于分子中具有两个长链疏水基团，另一方面是由于分子中有两个带正电荷的N
离子，通过诱导作用使分子中的季氮上的正电荷密度增加，使
杀菌剂分子在带负电的细菌表面吸附，从而改变细胞壁的通透性，使菌体细胞内组分漏出而死亡。此外，
杀菌剂吸附到菌体表面后，其疏水与亲水基能分别深入菌体细胞类脂层与蛋白层，导致酶失去活性和蛋白质变性，由于这两种作用的联合效应，导致该类
杀菌剂具有较强的杀菌活性
J。双子表面活性剂的两条烷烃链同时与细胞类脂层发生疏水结合，比单烷烃链的疏水作用强，也增强了杀菌效果
。G12C12、G14C12、G16C12对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、绿脓杆菌均有抑菌作用，且在同浓度下杀菌能力随链长的增加而增加。这是因为溶液的表面张力随碳链长度的增加而减小，而G16Cl2溶液此时已接近cmc，界面上聚集的表面活性剂分子最多，因而吸附到细菌表面上的分子也较多，杀菌作用最强。比较对3种菌的杀菌效果，大肠杆菌>金黄色葡萄球菌>绿脓杆菌。
为证实表面活性剂形成胶束对杀菌效果的影响，以G12C12溶液为例，测定了不同浓度的G12C12溶液对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、绿脓杆菌的抗菌性。显示出3种菌的抑菌片扩散直径对不同浓度的G12C12溶液变化，可以看出杀菌效果随着G12C12溶液浓度的增大而增大，尤其是胶束形成以后，抑菌效果更加明显，从而验证了上述的分析。
3
结论
1)该系列季铵盐双子表面活性剂具有较高的表面活性，其cmc随碳链长度的增加而降低，但cmc时的表面张力y。
随烷基链长的增加而增大。
2)季铵盐双子表面活性剂的泡沫性能良好，在溶液浓度较低时，G16C12溶液的起泡性能最好。达到稳定值后，3个体系中，G12C12溶液的起泡和稳泡效能最高，但起泡和稳泡效率却最低。
3)利用纸片扩散法测定3种表面活性剂的抗菌性表明，所合成的季铵盐双子表面活性剂具有优良的抗菌性，其抗菌性随烷基链长及浓度的增加而增强。
系列杀菌剂、防腐剂、防霉剂、消毒剂、抗菌剂
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