第1期化 学 世 界 ・19・
磺基咪唑啉甜菜碱表面活性剂的合成和性能
陈洪龄
(南京化工大学化学工程系 南京210009)
葛 灵
(南京大学化学化工学院化工系 南京210093)
摘 要 以22溴乙基磺酸钠为亲水基物料和烷基咪唑啉合成了磺基咪唑啉甜菜碱表面活性剂,讨论了该化合物在水中的结构,并对其水溶液的表面张力、、临界胶束浓度进行了测试和分析。
关键词 咪唑啉 表面活性剂 磺酸盐
SynthesisandPropofiBetaineSurfactants
Hongling
(micalEineering,NanjingUniversityofChemicalTechnology,Nanjing,210009)
GeLing
(CollegeofChemistryandChemicalEngineering,NanjingUniversity,Nanjing,210093)
Abstract Thesodium22bromoethylsulfonateissynthesizedandtakenasamaterialtointroducehydrophilicradical,whichreactswithalkylimidazolinetoformsulfoimidazoline.Thestructuresofthesurfactantmoleculesandthepropertiesofthesur2betainesurfactants
factants,suchassurfacetension,foamaswellascriticalmicellizationconcentrationinaque2oussolutionarediscussed.
Keywords imidazoline surfactant sulfonate
咪唑啉甜菜碱表面活性剂是表面活性剂中一重要系列,近年来,它的优良性能越来越受到人们的重视,并得到日益广泛的应用[1,2]。目前国内形成批量生产的咪唑啉两性表面活性剂,都是乙酸盐型的。虽然此类产品的研究工作已有许多报道[2,3],然而对于磺基咪唑啉两性表面活性剂的研究工作的报道仍涉及甚少,且国内尚无厂家正式批量生产。本文以22溴乙基磺酸钠(SBES)作为引入亲水基物料,和烷基咪唑啉环(HEAI)连接,合成了新的磺基咪唑啉甜菜碱表面活性剂,并对其性能进行了测试分析。1 实验部分1.1 药品和仪器
药品:所用药品均为化学纯。
仪器:磨口玻璃仪器,JYZ2200表面张力仪,罗氏泡沫仪,DOS211A型电导率仪,CHN2O2RAPID型元素分析仪。1.2 22溴乙基磺酸钠的合成[4]
在装有搅拌、滴液漏斗和回流冷凝器的500mL圆底烧瓶中,投入1,22二溴乙烷61.5g,95%乙醇125mL,
水50mL,开启搅拌并加热至沸腾,通过滴液漏斗,向烧瓶中滴加50mL水溶解12.5g无水亚硫酸钠成的溶液,约2h加完。继续反应回流2h后,蒸出乙醇和过量的二溴乙烷,剩余物倒入蒸发皿并在水浴上蒸发干燥,得22溴乙基磺酸钠粗品。将粗产物用95%乙醇重结晶3次,最
・20・ 化 学 世 界1999年
后结晶产物在110°C干燥至恒重,得22溴乙基磺酸钠52.5g,产率76%。产物元素分析结果见表1。
表1 实验制得22溴乙基磺酸钠元素分析结果(%)
碳元素理论值
11.38
1.5 表面张力的测定用JYZ2200型表面张
力仪进行。
1.6 发泡能力采用罗氏泡沫仪测试。被测溶液浓度为1.00×10-3M,温度40°C,pH为8.0～8.5。1.7 临界胶束浓度CMC的测定[6]
a.表面张力法作浓度2表面张力图,找
氢元素理论值
1.91
实验值
11.36
实验值
1.93
1.3 12羟乙基222十一烷基咪唑啉的合成按
文献[2]、[3]进行
。
1.4 22溴乙基磺酸钠与烷基咪唑啉的缩合
称取烷基咪唑啉(0.2mol)和22溴乙基磺酸钠(0.2mol),蒸馏水20mL置于一个带有搅拌和回流装置的圆底烧瓶中,加热至80～90°C,慢慢滴加(0.2mol)水溶液,22溴乙基磺酸钠的摩尔比,。
2H4OH
R
22
+H2O
R2H4NH2
出CMC值。
b.电导率法作电导率2,从图中找出CMC值。22.。Hein等人通过光谱分析法首先提出,在碱性条件下,咪唑啉环水解开环,呈线性结构,这一提法得到了许多研究者的认同和实验的证实[1]。在水溶液中,咪唑啉按如下两种形式开环[1,3,5]:
(1)
HC2H4NHC2H4OH (2)
C2H4OH
反应(1)和(2)进行得很快,因而22溴乙基磺酸钠和咪唑啉环的反应,实质上是和(1),(2)
开环产物的反应:
2H4OHR
R
H
2H4NHC2H4OH+BrCH2CH2SO3Na+NaOH
R
2H4NH2+BrCH2CH2SO3Na+NaOH
R
2H4OH2H4NHC2H4SO3Na+NaBr+H2OH
2H4OH
2H4 +NaBr+H2O
CH2CH2SO3Na
(4)(3)
反应(3),(4)的产物若遇到物料中未反应的22溴乙基磺酸钠,它们则可能继续反应,生成更为复杂的产物:
2H4OHR
2H4NH
2H4SO3Na+BrC2H4SO3Na+NaOH
R
2H4OH2H4N
C2H4SO3Na
R
H
2H4OH2H4CH2CH2SO3Na
+BrCH2CH2SO3Na
R
H
2CH2SO3Na2H+42H4OHBr-(6)
2H4SO3Na
+NaBr+H2O
(5)
CH2CH2SO3Na
第1期化 学 世 界 ・21・
可以预见,随着22溴乙基磺酸钠用量的增加,反应(5)和(6)发生的可能性更大。
从以上分析可以看出,烷基咪唑啉和22溴乙基磺酸钠的反应最终产物是含有多种结构的表面活性剂的混合物。2.2 降低水的表面张力得的CMC为2.85×10-3mol・L-1,电导率法测出的CMC为3.35×10-3mol・L-1。两者有一定的差异,这是因为临界胶束浓度应是一狭窄的浓度范围,在这一狭窄的浓度范围内,不同物化性质的转折点所对应的浓度有所不同。故该表面活性剂的临界胶束浓度约为3.0×10-3mol・L-1。
有关的实验结果见表2。由表2得知,此类磺酸盐咪唑啉两性表面活性剂能很好地降低水的表面张力。当22溴乙基磺酸钠用量增加时,表面张力略有增加,即表面活性剂的能力降低,这可能是由于22溴乙基磺酸钠用量的增加,反应(5)和(6)发生的可能性更大,表面活性剂分子中引入更多的亲水基,其降低水的表面张力的能力下降。[]表21
228.341∶1.5
330.001∶2
429.061∶2.5
表面张力10-5
第1期化 学 世 界 ・19・
磺基咪唑啉甜菜碱表面活性剂的合成和性能
陈洪龄
(南京化工大学化学工程系 南京210009)
葛 灵
(南京大学化学化工学院化工系 南京210093)
摘 要 以22溴乙基磺酸钠为亲水基物料和烷基咪唑啉合成了磺基咪唑啉甜菜碱表面活性剂,讨论了该化合物在水中的结构,并对其水溶液的表面张力、、临界胶束浓度进行了测试和分析。
关键词 咪唑啉 表面活性剂 磺酸盐
SynthesisandPropofiBetaineSurfactants
Hongling
(micalEineering,NanjingUniversityofChemicalTechnology,Nanjing,210009)
GeLing
(CollegeofChemistryandChemicalEngineering,NanjingUniversity,Nanjing,210093)
Abstract Thesodium22bromoethylsulfonateissynthesizedandtakenasamaterialtointroducehydrophilicradical,whichreactswithalkylimidazolinetoformsulfoimidazoline.Thestructuresofthesurfactantmoleculesandthepropertiesofthesur2betainesurfactants
factants,suchassurfacetension,foamaswellascriticalmicellizationconcentrationinaque2oussolutionarediscussed.
Keywords imidazoline surfactant sulfonate
咪唑啉甜菜碱表面活性剂是表面活性剂中一重要系列,近年来,它的优良性能越来越受到人们的重视,并得到日益广泛的应用[1,2]。目前国内形成批量生产的咪唑啉两性表面活性剂,都是乙酸盐型的。虽然此类产品的研究工作已有许多报道[2,3],然而对于磺基咪唑啉两性表面活性剂的研究工作的报道仍涉及甚少,且国内尚无厂家正式批量生产。本文以22溴乙基磺酸钠(SBES)作为引入亲水基物料,和烷基咪唑啉环(HEAI)连接,合成了新的磺基咪唑啉甜菜碱表面活性剂,并对其性能进行了测试分析。1 实验部分1.1 药品和仪器
药品:所用药品均为化学纯。
仪器:磨口玻璃仪器,JYZ2200表面张力仪,罗氏泡沫仪,DOS211A型电导率仪,CHN2O2RAPID型元素分析仪。1.2 22溴乙基磺酸钠的合成[4]
在装有搅拌、滴液漏斗和回流冷凝器的500mL圆底烧瓶中,投入1,22二溴乙烷61.5g,95%乙醇125mL,
水50mL,开启搅拌并加热至沸腾,通过滴液漏斗,向烧瓶中滴加50mL水溶解12.5g无水亚硫酸钠成的溶液,约2h加完。继续反应回流2h后,蒸出乙醇和过量的二溴乙烷,剩余物倒入蒸发皿并在水浴上蒸发干燥,得22溴乙基磺酸钠粗品。将粗产物用95%乙醇重结晶3次,最
・20・ 化 学 世 界1999年
后结晶产物在110°C干燥至恒重,得22溴乙基磺酸钠52.5g,产率76%。产物元素分析结果见表1。
表1 实验制得22溴乙基磺酸钠元素分析结果(%)
碳元素理论值
11.38
1.5 表面张力的测定用JYZ2200型表面张
力仪进行。
1.6 发泡能力采用罗氏泡沫仪测试。被测溶液浓度为1.00×10-3M,温度40°C,pH为8.0～8.5。1.7 临界胶束浓度CMC的测定[6]
a.表面张力法作浓度2表面张力图,找
氢元素理论值
1.91
实验值
11.36
实验值
1.93
1.3 12羟乙基222十一烷基咪唑啉的合成按
文献[2]、[3]进行
。
1.4 22溴乙基磺酸钠与烷基咪唑啉的缩合
称取烷基咪唑啉(0.2mol)和22溴乙基磺酸钠(0.2mol),蒸馏水20mL置于一个带有搅拌和回流装置的圆底烧瓶中,加热至80～90°C,慢慢滴加(0.2mol)水溶液,22溴乙基磺酸钠的摩尔比,。
2H4OH
R
22
+H2O
R2H4NH2
出CMC值。
b.电导率法作电导率2,从图中找出CMC值。22.。Hein等人通过光谱分析法首先提出,在碱性条件下,咪唑啉环水解开环,呈线性结构,这一提法得到了许多研究者的认同和实验的证实[1]。在水溶液中,咪唑啉按如下两种形式开环[1,3,5]:
(1)
HC2H4NHC2H4OH (2)
C2H4OH
反应(1)和(2)进行得很快,因而22溴乙基磺酸钠和咪唑啉环的反应,实质上是和(1),(2)
开环产物的反应:
2H4OHR
R
H
2H4NHC2H4OH+BrCH2CH2SO3Na+NaOH
R
2H4NH2+BrCH2CH2SO3Na+NaOH
R
2H4OH2H4NHC2H4SO3Na+NaBr+H2OH
2H4OH
2H4 +NaBr+H2O
CH2CH2SO3Na
(4)(3)
反应(3),(4)的产物若遇到物料中未反应的22溴乙基磺酸钠,它们则可能继续反应,生成更为复杂的产物:
2H4OHR
2H4NH
2H4SO3Na+BrC2H4SO3Na+NaOH
R
2H4OH2H4N
C2H4SO3Na
R
H
2H4OH2H4CH2CH2SO3Na
+BrCH2CH2SO3Na
R
H
2CH2SO3Na2H+42H4OHBr-(6)
2H4SO3Na
+NaBr+H2O
(5)
CH2CH2SO3Na
第1期化 学 世 界 ・21・
可以预见,随着22溴乙基磺酸钠用量的增加,反应(5)和(6)发生的可能性更大。
从以上分析可以看出,烷基咪唑啉和22溴乙基磺酸钠的反应最终产物是含有多种结构的表面活性剂的混合物。2.2 降低水的表面张力得的CMC为2.85×10-3mol・L-1,电导率法测出的CMC为3.35×10-3mol・L-1。两者有一定的差异,这是因为临界胶束浓度应是一狭窄的浓度范围,在这一狭窄的浓度范围内,不同物化性质的转折点所对应的浓度有所不同。故该表面活性剂的临界胶束浓度约为3.0×10-3mol・L-1。
有关的实验结果见表2。由表2得知,此类磺酸盐咪唑啉两性表面活性剂能很好地降低水的表面张力。当22溴乙基磺酸钠用量增加时,表面张力略有增加,即表面活性剂的能力降低,这可能是由于22溴乙基磺酸钠用量的增加,反应(5)和(6)发生的可能性更大,表面活性剂分子中引入更多的亲水基,其降低水的表面张力的能力下降。[]表21
228.341∶1.5
330.001∶2
429.061∶2.5
表面张力10-5