一種Gem ini季銨鹽型陽離子表面活性劑的合成及性能測定

李莉

（中鹽安徽紅四方股份有限公司，安徽合肥231602）

Gemini型雙子活性劑又被稱為雙陽離子洗滌劑、雙季銨鹽表面活性劑和二聚表面活性劑[1]，其分子中的聯(lián)接基通過化學(xué)鍵將兩個(gè)正電性的親水基聯(lián)接起來，削弱了親水基間及其水化層間的斥力，促進(jìn)了雙子表面活性劑分子在水溶液表面的吸附和在水溶液中的自聚，從而導(dǎo)致其具有很高的表面吸附能力和聚集體形成能力。陽離子型雙子表面活性劑由于其特殊的結(jié)構(gòu)使其表現(xiàn)出許多比傳統(tǒng)表面活性劑更優(yōu)良的性質(zhì)[2-4]，如：具有生物降解性好、毒性小、較低的臨界膠束濃度、較強(qiáng)的殺菌性能、能夠更有效的降低水的表面張力、比普通表面活性劑更低的Krafft點(diǎn)、良好的皂化分散能力以及與其它表面活性劑混合時(shí)表現(xiàn)出來的良好協(xié)同效應(yīng)等，因而被稱為新一代表面活性劑[5-9]，廣泛應(yīng)用于制備新材料、殺菌劑、抑制金屬腐蝕、織物染整、石油開采等領(lǐng)域。隨著科技的發(fā)展，陽離子Gemini表面活性劑的合成與應(yīng)用領(lǐng)域還會被進(jìn)一步拓寬[10]。

本文以 N，N，N′，N′，－四甲基乙二胺和硫酸二甲酯為原料合成了季銨鹽型陽離子Gemini表面活性劑，并對其結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行了測定。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑和儀器

四甲基乙二胺，分析純，上海元吉化工有限公司；硫酸二甲酯，分析純，國藥集團(tuán)上?；瘜W(xué)試劑公司；其它試劑均為分析純市售品。

PE Spetraone B型傅立葉變換紅外光譜儀；Varian UNITY-500核磁共振儀（CDCl3為溶劑，DSS為內(nèi)標(biāo)）；JZHY-180型界面張力儀（河北承德材料實(shí)驗(yàn)機(jī)廠）。

1.2 反應(yīng)原理

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

在裝有攪拌器、溫度計(jì)、冷凝管和滴液漏斗的四口燒瓶中加入N，N，N′，N′-四甲基乙二胺和硝基乙烷，常溫下滴加硫酸二甲酯，反應(yīng)控溫45℃～50℃。滴畢，加熱回流，通過測定陽離子表面活性物的含量來確定反應(yīng)終點(diǎn)。反應(yīng)結(jié)束后進(jìn)行減壓蒸餾，分離提純，得白色易吸潮粉末。

1.4 產(chǎn)品表面活性的測定

在25℃下，用滴體積法測定了產(chǎn)物水溶液表面張力γ，求得臨界膠束濃度CMC及γCMC[11]。

2 結(jié)果與討論

2.1 實(shí)驗(yàn)條件的確定

2.1.1 不同溶劑對產(chǎn)物收率的影響

使用不同的溶劑作為反應(yīng)介質(zhì)時(shí)，反應(yīng)物在其中的反應(yīng)情況不同，對產(chǎn)物收率有很大的影響。當(dāng)分別選擇異丙醇、硝基乙烷和四氯化碳作為反應(yīng)溶劑，發(fā)現(xiàn)使用硝基乙烷時(shí)反應(yīng)進(jìn)行的最好，產(chǎn)物的收率最高。因此，選擇硝基乙烷作為反應(yīng)溶劑。

2.1.2 原料配比對產(chǎn)物收率的影響

N，N，N′，N′-四甲基乙二胺和硫酸二甲酯的原料配比不同，產(chǎn)物收率也不同。我們考查了N，N，N′，N′-四甲基乙二胺和硫酸二甲酯的不同配比對反應(yīng)收率的影響，結(jié)果見表1。

表1 不同原料配比對產(chǎn)物收率的影響

由表1可見，隨著硫酸二甲酯用量的增加，產(chǎn)物收率也逐漸增加；但當(dāng) n（N，N，N′，N′-四甲基乙二胺）：n（硫酸二甲酯）=1∶2.2時(shí)，產(chǎn)物收率變化不大，考慮經(jīng)濟(jì)成本和效益，選取 n（N，N，N′，N′-四甲基乙二胺）∶n（硫酸二甲酯）=1∶2.2為宜。

2.1.3 滴加溫度對產(chǎn)物收率的影響

硫酸二甲酯的滴加溫度對產(chǎn)物收率的影響結(jié)果見表2。

表2 硫酸二甲酯的滴加溫度對產(chǎn)物收率的影響

由表2可見，滴加溫度過高時(shí)，由于N，N，N′，N′-四甲基乙二胺易揮發(fā)，反應(yīng)不好；滴加溫度過低時(shí)，反應(yīng)不完全。所以，滴加溫度以45℃～50℃為宜。

2.2 產(chǎn)物結(jié)構(gòu)表征

合成產(chǎn)物的紅外光譜如圖1所示。

在 IR結(jié)果中，3479cm-1、1644cm-1、927cm-1為 C-N吸收峰，3041cm-1、2955cm-1、1493cm-1為 -CH3吸收峰，2841cm-1、1422cm-1為 -CH2-吸 收 峰 ，1222cm-1、1004 cm-1為S-O吸收峰，而1060cm-1為S-C吸收峰。

在1H NMR中，3.5×10-6處出現(xiàn) -N-CH3的信號，4.7×10-6處出現(xiàn)-N-CH2-CH2-N-的信號，在1.2×10-6處出現(xiàn)-CH2-的信號。

2.3 產(chǎn)物表面活性的測定

在25℃下，測定了產(chǎn)物在各濃度時(shí)的表面張力值。由γ—Lgc曲線得出產(chǎn)物的CMC為1.92×10-3mol/L，γCMC為38.1mN/m。由此可見，所合成的雙季銨鹽表面活性劑具有較高的活性，這是由于雙季銨鹽表面活性劑具有兩個(gè)親油基，連接基團(tuán)通過化學(xué)鍵將兩個(gè)親油分子連接在一起，致使兩個(gè)表面活性劑單體連接得相當(dāng)親密，這樣雙季銨鹽表面活性劑的碳?xì)滏I間更容易產(chǎn)生強(qiáng)的相互作用，即碳?xì)滏I的疏水作用得到加強(qiáng)，從而增強(qiáng)了表面活性。

3 結(jié)論

以 N，N，N′，N′-四甲基乙二胺和硫酸二甲酯為原料，硝基乙烷為溶劑，合成了N，N′-二甲基季銨鹽型陽離子Gemini表面活性劑，研究其合成工藝優(yōu)化反應(yīng)條件為：n（N，N，N′，N′-四甲基乙二胺）∶n（硫酸二甲酯）=1∶2.2，反應(yīng)溫度為45℃～50℃。通過IR、1H NMR確證了目標(biāo)產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)，并測定了CMC（1.92×10-3mol/L）和γCMC（38.1mN/m）。由此可見，所合成的Gemini型表面活性劑是一種較好的表面活性劑。

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