环糊精和表面活性剂的相互作用

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本文主要研究了环糊精(CD)和表面活性剂的相互作用。主要包括以下几个方面: 用1HNMR和19FNMR结合的方法研究β-CD与等摩尔/非等摩尔烷基硫酸钠(CnH2n+tSO4Na,CnSO4,n=8,10,12,14)和全氟辛酸钠(SPFO)混合物的相互作用。发现在同电性的碳氢.碳氟表面活性剂混合物中β-CD优先包结氟表面活性剂,不管碳氢表面活性剂CnSO4的疏水性是大于还是小于SPFO。这种对氟表面活性剂的选择性的程度随着CnSO4的碳链增长而降低。包结过程随着β-CD浓度增加可以定性分为三个阶段:首先,形成1:1β-CD/SPFO包结物;然后,形成1:1β-CD/CnSO4包结物;最后,形成2:1β-CD/SPFO包结物。对于β-CD/SPFO/C12SO4体系,在所研究浓度范围内,最后一个阶段中2:1β-CD/C12SO4包结物和2:1β-CD/SPFO包结物同时生成。对较短的碳氟链表面活性剂的选择性可以归结于碳氟链的尺寸和刚性,和碳氢表面活性剂相比其大小更加匹配从而有更好的主客体间相互作用。这个因素要超过随着碳氢表面活性剂链长增加而造成的疏水性增加所带来的影响。 而同样对α-CD与等摩尔C10SO4/SPFO混合物进行研究发现,和β-CD对碳氟表面活性剂的选择性相反,α-CD优先选择性包结碳氢表面活性剂,甚至在2:1α-CD/C10SO4包结物形成达到饱和之后才和SPFO的尾端有弱的相互作用。这和α-CD的空腔较小无法容纳碳氟链有关。 用1HNMR、19FNMR、表面张力和电导研究β-CD与等摩尔碳氢-碳氟正负离子表面活性剂混和体系辛基三乙基溴化铵(C8NE)和SPFO混合物的相互作用。结果表明β-CD通过选择性包结SPFO能破坏正负离子碳氢-碳氟表面活性剂的混合胶团。全过程为:β-CD优先包结SPFO形成1:1β-CD/SPFO包结物;随着SPFO的包结几乎达到饱和,混合胶团破坏并且所有C8NE分子暴露在水中;之后1:1β-CD/CsNE包结物和2:1β-CD/SPFO包结物同时生成。表面张力的拟和发现包结物参与到了表面吸附层中,这归因于该体系的特殊性:在正负离子表面活性剂混合物中选择性包结其中一个组分,致使SPFO包结物由于大大过量的反电性C8NE通过静电作用将其驱使到表面吸附层中。 而同样对α-CD与等摩尔C8NE-SPFO混合物的研究则发现α-CD破坏混合胶团的能力要弱于β-CD,其C8NE-SPFO混合胶团破坏所α-CD的浓度要大于β-CD。随着α-CD浓度增加C8NE-SPFO混合物的表面张力增加幅度较小。这可能是由于α-CD/C8NE包结物中阳离子头基完全暴露在空腔外仍扮演着阳离子表面活性剂的角色和SPFO存在协同作用。 对α-CD、β-CD和等摩尔、等链长的正负离子碳氢表面活性剂混合物CnH2n+1N(C2H5)3Br-CnH2n+1SO3,4(CnNE-CnSO3,4,n=8,10,12)的相行为进行研究。CD不仅能通过形成1:1包结物破坏正负离子表面活性剂的沉淀,根据浓度、CD种类、表面活性剂链长不同,也能通过形成2:1包结物生成沉淀。2:1包结物的沉淀归结于静电吸引和CD分子间氢键的协同作用。对于初始混浊的C12NE-C12SO4体系,开始加入β-CD溶液变清,随着β-CD继续加入生成沉淀,但是加入α-CD只会引起沉淀生成。这说明,α-CD和C12分别比β-CD和C10更利于形成2:1包结物的沉淀。XRD表明沉淀具有孔道结构。升温导致沉淀溶解,是由于沉淀溶解性的提高而不是包结物的破坏。外加盐能溶解沉淀,是由于其对反电性头基的屏蔽作用。盐溶解沉淀的能力的顺序NaI>KBr>NaBr>NaCl和Hofmeister序列一致。 通过1D1HNMR、COSY、ROESY手段研究了β-CD和表面活性剂(C10H21SO3Na,C10H21N(CH3)3Br,C10H21N(C2H5)3Br,分别简写为C10SO3,C10NM,C10NE)形成包结物的构象。通过对等链长的具有不同头基大小的表面活性剂的包结物的研究发现,头基从SO3-、N(CH3)3+增大到N(C2H5)3+其包结物构象有明显变化:C10SO3由于头基小,碳链在环糊精空腔中指向具有随机性。C10NM头基大,其头基主要朝向β-CD大口边。C10NE的头基由于太大距离β-CD空腔较远,碳链在β-CD空腔中指向具有随机性。 尝试通过主客体相互作用、利用烷烃和CD分别作为疏水基和亲水基设计一种新型的表面活性剂--“主客体型表面活性剂”。但是α-,β-CD溶液和癸烷、十六烷形成白色沉淀,XRD证实该沉淀为孔道结构的包结物。选用溶解性更高的羟丙基-β-CD(HP-β-CD)和甲基-β-CD(M-β-CD)作主体分子发现和烷烃形成具有表面活性的包结物。但是,和一般氟表面活性剂相比,对于M-β-CD/C12F26和M-β-CD/C8F17SO2F混合物没有观察到明显的表面活性。考虑空腔尺寸的关系,α-CD只能包结碳氢链而不能容纳碳氟链,所以我们合成了两段的客体分子CaF17SO2NHC8H17并和溶解性好的HP-α-CD作用。HP-α-CD/C8F17SO2NHC8H17包结物的溶液表现出很高的表面活性(溶液最低表面张力17.7mN/m)。这种新型的“主客体型表面活性剂”和传统的表面活性剂有本质不同,其亲水基和疏水基是由非共价键作用连接的。 通过1HNMR和19FNMR研究全氟辛酸铵(APFO)/全氟辛酸四烷基铵(C7F15COON(CnH2n+1)4,TAAPFO,n=1,2,3,4,分别简写为TMAPFO,TEAPFO,TPAPFO.TBAPFO)的胶团化作用。发现cmc随着反离子增大而减小,其中结合的反离子由于其对头基间的静电排斥的屏蔽作用以及自身的疏水性对胶团化起到重要作用。从化学位移变化直接证明了,反离子烷基链越长、全氟辛酸根的头基和反离子的接触越紧密。与高浓度的氯化四烷基铵的1HNMR结果对比,发现全氟辛酸根离子对反离子核磁化学位移的影响要比反离子自聚的效应大得多。提出反离子结合到胶团表面的两种可能的构象。通过化学位移相对值的分析,推断长链反离子(N(C3H7)4+和N(C4H9)4+)的疏水性和结构导致折叠或插入构象,而不是烷基链对称伸展的理想模犁。
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