第6章-两性表面活性剂课件.ppt

1、.6.1 两性表面活性剂概述6.2 两性表面活性剂的性质6.3 两性表面活性剂的合成6.4 两性表面活性剂的应用第6章 两性表面活性剂.两性表面活性剂开发较晚。上世纪四十年代中期。1950年以后，各国才逐渐重视两性表面活性剂的研究和开发工作 我国在二十世纪七十年代前后开始对两性表面活性剂进行研究和生产 研究与开发内容（1）改造现有品种的分子结构，使其性能更加优异，产品更加实用（2）设计、合成新型结构的活性剂品种（3）利用其能够和所有其它类型的表面活性剂复配的特性，产生各种加和增效作用，达到最佳的配方效果（4）研究两性表面活性剂结构与性能的关系，为开拓新型结构的两性表面活性剂品种，扩大其应用领域

2、提供重要的理论指导.定义：广义上讲，是指在分子结构中，同时具有阴离子、阳离子和非离子中的两种或两种以上离子性质的表面活性剂-同时含有阴离子和阳离子亲水基团NCH2COORCH3CH3R-NH-CH2-COOH-同时具有阴离子和非离子亲水基团ROCH2CH2OnSO3-Na+ROCH2CH2OnCH2COO-Na+-同时具有阳离子和非离子亲水基团NR(CH2CH2O)pH(CH2CH2O)qHCH3-同时具有阳离子、阴离子和非离子亲水基团RO(CH2CH2O)CH2CHOHCH2NCH2CH3CH3COOn6.1 两性表面活性剂概述.6.1.1 两性表面活性剂的特性 具有等电点 pH值低于等电点

3、，带正电荷，表现为阳离子表面活性剂的性能 pH值高于等电点，带负电荷，表现为阴离子表面活性剂的性质配伍性好：几乎可以同所有其它类型的表面活性剂进行复配，在一般情况下都会产生加和增效作用毒性和刺激性小：具有较低的毒性和对皮肤、眼睛刺激性耐硬水和耐高浓度电解质性能极好对织物有优异的柔软平滑性和抗静电性乳化性和分散性良好润湿性和发泡性很好有一定的杀菌性和抑霉性有良好的生物降解性.6.1.2 两性表面活性剂的分类 分类方法（1）按照阴离子部分的种类分类（2）按照整体化学结构分类.6.1.2.1 按阴离子部分的亲水基类型分类 羧酸盐型：COOM 结构通式:氨基酸型 R-NH-CH2CH2COOH 甜菜碱

4、型 R-N+(CH3)2-CH2COOCNRCCH2N(CH2)3COOCH2CH2OHH2咪唑啉型 磺酸盐型：SO3M 结构通式：氨基酸型 R-NHCH2CH2CH2SO3Na 甜菜碱型 R-N+(CH3)2-CH2CH2CH2SO3咪唑啉型 R CNH2CN+CH2CH2CH2OH(CH2)3SO3-分为羧酸盐型、磺酸盐型、硫酸酯盐型和磷酸酯盐型.硫酸酯盐型：OSO3M 结构通式:氨基酸型 R-NHCH2(OH)-CH2OSO3Na 甜菜碱型 R-N+(CH3)2-CH2CH2OSO3咪唑啉型 R CNH2CN+CH2CH2CH2OH(CH2)3OSO3-磷酸酯盐型：单酯R3NR1R2CH

5、2CH2OPOHOO双酯R3NR1R2CH2CH2OPOROO.6.1.2.2 按整体化学结构分类 主要分为甜菜碱型、咪唑啉型、氨基酸型和氧化胺型等1.甜菜碱型NCH2COORCH3CH3阴离子部分：磺酸基、硫酸酯基等阳离子：磷和硫等咪唑啉型CNRCCH2NCH2COOCH2CH2OHH2氨基酸型氧化胺型RNH2CH2CH2COON-烷基-氨基丙酸RCHCOONH2RN-烷基-亚氨基羧酸R1N+R2R3O-.6.2 两性表面活性剂的性质 6.2.1 两性表面活性剂的等电点6.2.2 临界胶束浓度与pH值的关系6.2.3 pH值对表面活性剂溶解度和发泡性的影响6.2.4 在基质上的吸附量及杀菌性

6、与pH值的关系6.2.5 甜菜碱型两性表面活性剂的临界胶束浓度与碳链长度的关系6.2.6 两性表面活性剂的溶解度和krafft温度点6.2.7 表面活性剂结构对钙皂分散力的影响6.2.8 去污力.定义：在一个狭窄的pH值范围内，两性表面活性剂以内盐的形式存在，此时将该表面活性剂的溶液放在静电场中时，溶液中的双离子将不向任何方向移动，即分子内的净电荷为零。此时溶液的pH值被称为该表面活性剂的等电点（或等电区，等电带）6.2.1 两性表面活性剂的等电点p I=2ppKbKa 两性表面活性剂的等电点可以反映该活性剂正、负电荷中心的相对解离强度-若pI7.0，表明负电荷中心解离强度大于正电荷中心解离强

7、度-若pI7.0，表明正电荷中心离解强度较大.实例：-N-烷基氨基羧酸型两性表面活性剂在酸性和碱性介质中呈现如下的电离平衡：HOHHOHRNHCH2CH2COO RNHCH2CH2COOH RNH2CH2CH2COOHpH4pH 4pH4-在pH值大于4的介质，呈现阴离子表面活性剂的特征-在pH值小于4的介质，呈示阳离子表面活性剂的特征-而在pH值为4左右的介质中，活性剂以内盐的形式存在.大部分两性表面活性剂的等电点在29之间 阴离子和阳离子基团的种类、数量及位置不同，它们的等电点也有很大差别RC12C14的混合物纯C12纯C18等电点pH值24.56.67.26.87.5 表6-1 N-烷基

8、-氨基丙酸的等电区（pH值）R-NHCH2CH2COOH.表6-2 甜菜碱型活性剂的等电点活性剂结构RC12C18C12C18C8C10C12等电区5.16.14.86.84.77.54.67.65.59.56.19.56.79.5 羧酸咪唑啉型两性表面活性剂的等电区在pH值68之间（大约为7）甜菜碱型两性表面活性剂的等电区根据其结构不同而有所差别NCH2CH2COORCH3CH3NCH2COORCH2CH2OHCH2CH2OHNCH3CH3CH3CHCOOR.6.2.2 临界胶束浓度与pH值的关系 一般两性表面活性剂的临界胶束浓度随着溶液pH值的增加而增大溶液pH值247911cmc（g/1

9、00mL）0.250.500.750.94100表6-3 N-十二烷基-N,N-双乙氧基氨基醋酸钠的临界胶束浓度（25）NCH2COOC12H15CH2CH2OHCH2CH2OH.6.2.3 pH值对表面活性剂溶解度和发泡性的影响 2468101214050100150200250溶 解 度pH图6-1 水溶性与pH值的关系 246810121401020304050泡 沫量pH图6-2 发泡性与pH值的关系 等电点时溶液的pH值约为4 在等电点时，活性剂以内盐形式存在，溶解度及泡沫量均最低 当介质的pH值大于4，即高于等电点时，呈现阴离子表面活性剂的特征，发泡快，泡沫丰富而且松大，溶解度迅速

10、增加 当介质的pH值小于4，即低于等电点时，呈现阳离子表面活性剂的特征，泡沫量和溶解度也较高.6.2.4 在基质上的吸附量及杀菌性与pH值的关系 在pH值低于等电点的溶液中，显示阳离子表面活性剂的特征，在羊毛和毛发上的吸附量大，亲合力强，杀菌力也比较强 在pH值高于等电点的溶液中，以阴离子的形式存在，杀菌性能不理想.6.2.5 甜菜碱型两性表面活性剂的临界胶束浓度与碳链长度的关系 临界胶束浓度与烷基R碳链长度的关系式.logcmcA-Bn 随着烷基链碳数的增加，临界胶束浓度明显降低n烷基长碳链中碳原子的个数A1.52，B29R的碳原子数111315cmc（mmol/L）1.80.170.015

11、表6-4 甜菜型两性表面活性剂的临界胶束浓度（23）nN(CH2)COORCH3CH3 季铵盐型高于季鏻盐型 COO-SO3-OSO3-.6.2.6 两性表面活性剂的溶解度和krafft温度点 羧酸甜菜碱分子中的羧基与氮原子之间的碳原子数由1增加至3时，对其溶解度和krafft点影响不大 烷基取代基的结构相同时，磺酸甜菜碱和硫酸酯甜菜碱的krafft温度点明显高于羧酸甜菜碱，溶解度较低 除自身的结构外，电解质的存在对表面活性剂的krafft温度点也有影响X Krafft点（）n2n3COO44SO327OSO390表6-5 阴离子对krafft温度点的影响C16H33N+(CH3)2-(CH2

12、)nX.6.2.7 表面活性剂结构对钙皂分散力的影响 钙皂分散力（LSDR,lime soap disporsing rate）或钙皂分散性是指100g油酸钠在硬度为333mgCaCO3/L的硬水中维持分散，恰好无钙皂沉淀发生时所需钙皂分散剂的质量 钙皂分散剂是指具有能防止在硬水中形成皂垢悬浮物功能的物质 LSDR数值越低，表面活性剂对钙皂的分散能力越高.烷基R的碳链增长，或氮原子与羧基间的碳原子数n由1增加至3时，活性剂的钙皂分散力有所提高，LSDR值降低n123LSDR（g）201711表6-6 烷基链对表面活性剂钙皂分散力的影响C12H25N(CH3)2-(CH2)nCOO 表面活性剂分

13、子中引入酰胺基或将羧基转换成磺酸基或硫酸酯基时，钙皂分散力大大改善，LSDR数值降低表6-7 部分两性表面活性剂的钙皂分散力两性表面活性剂LSDR（g）两性表面活性剂LSDR（g）C12H25N(CH3)2CH2CH2COO17C12H25N(CH3)2CH2COO20C12H25N(CH3)2CH2CH2SO34C11H23CONHC3H6N(CH3)2CH2COO7C16H33N(CH3)2CH2CH2COO16C16H33N(CH3)2CH2COO16C16H33N(CH3)2CH2CH2OSO34C15H31CONHC3H6N(CH3)2CH2COO6.6.2.8 去污力 N-烷基-N

14、,N-二甲基磺酸甜菜碱 RN(CH3)2CH2CH2CH2SO3 图6-3 在棉上的去污力 图6-4 在聚酯/棉混纺上的去污力.6.3 两性表面活性剂的合成6.3.1 羧酸甜菜碱型两性表面活性剂的合成6.3.2 磺酸甜菜碱的合成6.3.3 硫酸酯甜菜碱的合成6.3.4 含磷甜菜碱的合成6.3.5 咪唑啉型两性表面活性剂的合成6.3.6 氨基酸型表面活性剂的合成.6.3.1 羧酸甜菜碱型两性表面活性剂的合成 甜菜碱型两性表面活性剂多用于抗静电剂、纤维加工助剂、干洗剂或香波中的成分 天然甜菜碱主要存在于甜菜中 羧酸甜菜碱型两性表面活性剂结构通式为：(CH3)3NCH2COONCH2COORCH3C

15、H3.6.3.1.1 氯乙酸钠法合成羧酸甜菜碱 所谓氯乙酸钠法是用氯乙酸钠与叔胺反应制备羧基甜菜碱的方法,使用最为广泛 十二烷基甜菜碱（BS-12）最常用、最重要的品种 具有良好的润湿性和洗涤性，对钙、镁离子具有良好的螯合能力，可在硬水中使用ClCH2COONa H2OpH 4+ClCH2COOH NaOH+NCH2COOC12H25CH3CH3NC12H25CH3CH3+ClCH2COONaNaCl50150510h+.十四烷基甜菜碱和十六烷基甜菜碱：改变叔胺中的长碳链烷基 烷基链中带有酰胺基或醚基的羧基甜菜碱：首先合成含有酰胺基和醚基的叔胺 再进一步与氯乙酸钠反应+RCOOH H2NCH2

16、CH2CH2N(CH3)2 RCONHCH2CH2CH2N(CH3)2H2OClCH2COONaNCH2COORCONHCH2CH2CH2CH3CH3OCH2CH2OCH2CH2ClCCH2CH3CH3CCH3CH3CH3NH(CH3)2NOCH2CH2OCH2CH2CCH2CH3CH3CCH3CH3CH3CH3CH3ClCH2COONaNCH2COOOCH2CH2OCH2CH2CH3CH3C8H17t.6.3.1.2 卤代烷和氨基酸钠反应合成羧酸甜菜碱 胺与氯乙酸钠反应制备氨基酸钠，然后再与卤代烷反应制备甜菜碱+ClCH2COONaCH2NHCH395%乙醇40CH2NCH2COONaCH3

17、NCH2COORCH3H2CRBr,无水乙醇回流-N-甲基苄基胺与氯乙酸钠按物质的量比:3:1-反应溶剂：95%的乙醇-反应温度：40.6.3.1.3 卤代烷与氨基酸酯反应再经水解合成羧酸甜菜碱 用于制备长碳链中含有酰胺基的甜菜碱，如N,N,N-三甲基-N-酰基赖氨酸等 合成过程主要包括以下五个步骤RCONH(CH2)4CHCOON(CH3)3 RCOOH H2N(CH2)4CHCOOH NH2 RCONH(CH2)4CHCOOHNH2+RCONH(CH2)4CHCOOHNH2CH3OHH2O RCONH(CH2)4CHCOOCH3NH2 RCONH(CH2)4CHCOOCH3 HCHO H2

18、NH22+RCONH(CH2)4CHCOOCH3N(CH3)2 RCONH(CH2)4CHCOOCH3 CH3IN(CH3)2RCONH(CH2)4CHCOOCH3IN(CH3)3+RCONH(CH2)4CHCOON(CH3)3 RCONH(CH2)4CHCOOCH3.IN(CH3)3NaOH水解.6.3.1.4-溴代脂肪酸与叔胺反应合成羧酸甜菜碱 用于制备-烷基取代的甜菜碱C14H29CH2COOH +Br290，6hrHBrC14H29CHCOOHBr25%三甲胺CHC14H29COON(CH3)3CHC14H29COOH N(CH3)3Br+48hRCHCOOHBrN+RCHCOON.6

19、.3.1.5 长链烷基氯甲基醚与叔氨基乙酸反应合成羧酸甜菜碱 主要用于制备含有醚基的甜菜碱ROH +HCHO +HCl ROCH2Cl510苯溶剂NCH2COOHCH3CH3NCH2COOROCH2CH3CH3ROCH2Cl+醇溶剂NaOH.6.3.1.6 不饱和羧酸与叔胺反应合成羧酸甜菜碱 以丙烯酸、顺丁烯二酸等不饱和羧酸为烷基化试剂，经N-烷基化反应制备羧酸甜菜碱NCH2CH2COOC12H25CH3CH3C12H25N(CH3)2 CH2=CHCOOH+HCCOOHHCCOOHNRR1R2RNCHCOOR1RCH2COOH2.6.3.2 磺酸甜菜碱的合成 结构通式 氯乙基磺酸法N(CH2

20、)SO3RCH3CH3nClCH2CH2Cl+Na2SO3 ClCH2CH2SO3NaRN(CH3)2 ClCH2CH2SO3Na+NCH2CH2SO3RCH3CH3NCH2CH2SO3RCH3H2C+ClCH2CH2SO3CH2NHCH3CH2NCH2COONaCH3RBrN-烷基-N-甲基-N-苄基铵乙基磺酸ClCH2CHCH2 NaHSO3OClCH2CHCH2SO3NaOH+NCH2RCH3CH3CHCH2SO3OHClCH2CHCH2SO3NaOH+RN(CH3)2+NaCl.磺酸环内酯法+RN(CH3)2ClCH2CH=CH2NCH2CH2SO3RCH3CH3NCH2CH=CH2.

21、ClRCH3CH3NaHSO3+RN(CH3)2NCH2CH2CH2SO3RCH3CH3H2CH2CSOCH2O2 亚硫酸氢钠直接磺化法.6.3.3 硫酸酯甜菜碱的合成 结构通式 合成方法主要有三种 叔胺和氯醇反应引入羟基后，再进行硫酸酯化N(CH2)OSO3RCH3CH3nn=23HSO3Cl,NaOH2N(CH2)OH.ClRCH3CH3+RN(CH3)2Cl(CH2)OHnnN(CH2)OSO3RCH3CH3n.OCH2H2C(m+n)+RNH2RN(CH2CH2O)mH(CH2CH2O)nHNR(CH2CH2O)mH(CH2CH2O)nHRXRXSO3酯化NR(CH2CH2O)mH(C

22、H2CH2O)nSO3R-卤代烷与带有羟基的叔胺反应，然后用三氧化硫酯化+C12H25CH2ClN CH2CH2OHCH3CH3N CH2CH2OH.ClCH2CH3CH3C12H25SO3酯化NCH2CH2OSO3CH2CH3CH3C12H25-高级脂肪族伯胺与环氧乙烷反应，再经卤代烷季铵化和三氧化硫酯化.6.3.4 含磷甜菜碱的合成 含磷甜菜碱型两性表面活性剂可用来改进洗涤功能PR1R2R3+H2CH2CSOCH2O2PCH2CH2CH2SO3R1R2R3.6.3.5 咪唑啉型两性表面活性剂的合成 优点 具有极好的生物降解性能，能迅速完全地降解，无公害产生 对皮肤和眼睛的剌激性极小 发泡性

23、很好 应用 化妆品助剂、香波、纺织助剂等 石油、冶金、煤炭等工业领域的金属缓蚀剂、清洗剂、破乳剂等 据统计，在美国生产的两性表面活性剂中，咪唑啉衍生物占其总量的60%以上.代表品种：CH2NNCH2CH2COOCH2CH2OHRCH2NNCH2RHOCH2CH2CH2COO2-烷基-N-羧甲基-N-羟乙基咪唑啉 2-烷基-N-羧甲基-N-羟乙基咪唑啉 RCONHCH2CH2NHCH2CH2OH+RCONCH2CH2NH2CH2CH2OHRCNHCH2OCH2HNCH2CH2OH+RCONCH2CH2OHCH2CH2H2N脱水环合RCNNCH2CH2CH2OHCH2HEAI2烷基N羟乙基咪唑啉C

24、H2NNCH2RHOCH2CH2CH2COOCH2NNCH2CH2CH2OHRClCH2COONa+RCOOH+H2NCH2CH2NHCH2CH2OH脱水H2OAZZA.6.3.6 氨基酸型表面活性剂的合成 由高级脂肪胺与丙烯酸甲酯反应，再经水解制得 由高级脂肪胺与丙烯腈反应，再经水解制得 由高级脂肪胺与氯乙酸钠反应制得C12H25NHCH2COOCH3+NaOH C12H25NHCH2CH2COONa+CH3OHC12H25NH2+CH2=CH-COOCH3 C12H25NHCH2CH2COOCH3 RNH2+ClCH2COONa RNHCH2COONa C18H37NHCH2CH2COONaC18H37NH2+CH2CNC18H37NHCH2CH2CNNaOHH2O硬脂胺十八胺丙烯腈.6.4 两性表面活性剂的应用 洗涤剂及香波组分 适用于较广范围pH值的使用介质，耐硬水性好 刺激性小，毒性低 与其它类表面活性剂成分配伍性好，易产生加和增效的协同作用 不与香精发生作用 杀菌剂：杀菌能力强，毒性低 纤维柔软剂：效果好，适用范围广 缩绒剂 抗静电剂：选择限制性小，适用范围广 金属防锈剂 电镀助剂 CH2NNCH2C17H35HOCH2CH2CH2COONCH2C17H35CONH(CH2)3C2H4OHC2H4OHPOHOO