超长链羧酸甜菜碱表面活性剂的制备及溶液性能研究

• 作 者: 冯丹
• 机 构: 中国科学院大学
• 出 处: 中国科学院研究生院 中国科学院大学
• 发表日期: 2012年期
• 关键词: 超长链羧酸甜菜碱表面活性剂 合成工艺 结构表征 化学活性 反应机理

甜菜碱表面活性剂是非常重要的一类两性表面活性剂,其中以羧酸甜菜碱和磺酸甜菜碱应用最为广泛。出于溶解性的考虑,过去人们对两性表面活性剂的研究多集中在易溶于水且材料来源广泛的疏水尾链碳原子数为C8～C16的短链表面活性剂上。近年来,尾链长度超过C18的超长链表面活性剂(ultra-long-chain surfactant)由于具有优良的表面活性、低临界胶束浓度(cmc)、独特的流变性等诸多优良性质而引起了人们的广泛关注,成为表面活性剂领域的一大研究热点。　　
本研究团队最近合成并研究了系列超长链磺酸甜菜碱两性表面活性剂(n-DAS),构建了它们的结构一性能关系,但在合成的过程中使用了剧毒强致癌的丙烷磺酸内酯,对环境非常不友好,使其工业化生产受到了一定程度的限制。羧酸甜菜碱与磺酸甜菜碱同属甜菜碱型两性表面活性剂,但目前对其研究报道甚少,更无其结构与性能关系的研究。因此,本文试图利用对环境更加友好的原料来制备羧酸甜菜碱表面活性剂,并研究其结构与性能的关系。　　
首先,设计了结构参数可调的系列超长链羧酸甜菜碱表面活性剂的分子结构((U)CnDAB):　　
(Ⅰ)疏水尾链长度(Cn);　　
(Ⅱ)疏水尾链中是否含有不饱和双键(Ucn)。　　
其次,利用超长链脂肪酸与N,N-二甲基-1,3-丙二胺(DMPDA)在无溶剂条件下,通过酰胺化反应得到长链烷基酰胺基叔胺中间产物,再用氯乙酸钠对叔胺中间体季铵化得到目标产物。然后用核磁共振氢谱(1H NMR)、高分辨质谱(HRMS)对产物的结构进行了表征,用离子色谱(IC)对产物中可能残存的副产物NaC1以及未完全反应的原料C1CH2COONa的含量进行定量确定。考察了所制备的羧酸甜菜碱表面活性剂的结构参数(疏水尾链长度、疏水尾链是否含有不饱和键)与其Krafft温度(TK)、表面活性之间的关系。　　
通过以上研究得到了如下结论:　　
(1)通过合成得到了两个系列的超长链羧酸甜菜碱型两性表面活性剂,且都具有较高的收率;　　
(2)随着疏水尾链的延长,羧酸甜菜碱表面活性剂的cmc大幅降低,水溶性变差,TK显著升高,满足线性关系,TK=kn+b,k值为6.0,表明疏水尾链每增加2个CH2,羧酸甜菜碱表面活性剂的TK大约增加12℃。　　
(3)疏水尾链中顺式不饱和双键的引入使表面活性剂的TK急剧减小,而cmc却略有减小。