表面活性剂及水溶性功能高分子的NMR研究

核磁共振（NMR）技术是研究表面活性剂在溶液中聚集状态的一种非常有用的工具,本文运用多种NMR技术研究了几种不同类型表面活性剂及水溶性功能高分子在水溶液中的聚集行为： 1. 季铵盐型双子表面活性剂16-4-16的聚集行为季铵盐型双子表面活性剂N,N′-双(十六烷基二甲基)-α,ω-丁烷溴化铵(16-4-16)分子中联接基团及靠近离子头的质子位于胶束的壳层, 运动受到一定限制. 而距离离子头较远的烷烃链位于胶束的内部,运动相对自由. 与对应的单链表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)相比,16-4-16形成的胶束堆积更为紧密. 通过NOESY谱中交叉峰强度的定量计算,认为16-4-16在胶束中分子以上下交错排列的方式形成球形聚集体.  2. 脱氧胆酸钠与十六烷基三甲基溴化铵的相互作用在脱氧胆酸钠(NaDC)溶液中,NaDC质子H3与其他质子不同,其横向弛豫时间(T₂)表现为双指数衰减,表明此质子可能存在两种不同的状态. 实验证明,其它胆酸盐的H3的横向弛豫也呈现双指数衰减. 因此推测在胆酸盐的稀溶液中,3-OH质子和羰基氧之间有可能存在氢键作用,形成了头尾相连的分子对结构.  在NaDC和CTAB的混合溶液中,两者形成1∶1的混合胶束. 用NOESY和ROESY研究混合胶束的结构,显示CTAB的离子头位于NaDC的羧酸基团附近. 这可能是正负离子之间的静电性相互作用的结果.  3. 丙烯酰胺/丙烯酸模板共聚物的微结构研究了不同pH值条件下,丙烯酰胺和丙烯酸共聚物分子在水溶液中的聚集形态. 在酸性溶液中,分子内的氢键致使聚集体形成较为紧密的堆积,侧链的苯氧基团运动受阻;随着溶液pH值的增大,丙烯酸电离产生的阴离子使得分子间的静电斥力增大,分子链变得伸展,分子间的氢键作用导致了聚集体体积变大. 当溶液呈强碱性,丙烯酸完全电离,氢键作用力被破坏,分子呈现自由伸展的状态,侧链的苯氧基团运动相对自由.     

单链和gemini表面活性剂的NMR研究

应用核磁共振技术,对几种典型的表面活性剂在水溶液中的聚集行为、结构特征、动力学特性和相互作用等进行了研究. 
利用1D ¹H NMR方法测得4-癸基萘磺酸钠（SDNS）在313 K温度时的临界胶束浓度（CMC）在0.82~0.92 mmol/L之间,与报道的298 K时的CMC范围相同. 弛豫时间和2D NOESY实验结果表明,与298 K时的SDNS胶束相比,313 K温度时,SDNS胶束中烷烃链排列得更紧密,其中与萘环相连的第一和第二个亚甲基参与了胶束紧密层的形成,更紧密地堆积在萘环之间. SDNS质子T₂值随温度的变化表明,在单体和胶束两种状态下,质子运动对温度的敏感性明显不同. 由自扩散系数分析得到,SDNS胶束的水合半径约为其单体水合半径的5.3倍. 而在十二烷基磺酸钠（SDSN）胶束中,由于静电排斥力的作用,在同样温度下SDSN的胶束紧密层排列比SDNS更疏松. 
NMR实验表明,在SDNS/Triton X-100 (TX-100)和SDNS/SDSN体系中形成了混合胶束. 在SDNS/TX-100混合胶束中,TX-100的苯环靠近SDNS的烷烃链,而它的聚烷氧链除与苯环相连的第一个乙氧基基团以外都被限制在SDNS的萘环附近. 在SDNS/SDSN混合胶束中,SDSN的磺酸基比SDNS分子更靠近胶束内部. 而SDNS的萘环将SDSN的磺酸基分隔开,在降低带负电荷的磺酸基极性头之间的静电排斥力中起到了积极的作用,有助于混合胶束的形成.
从自扩散系数、横向弛豫和质子距离等NMR测定参数推测,在浓度为0.26 mmol/L（318 K）的N,N′-双(十六烷基二甲基)-α,ω-丙烷溴化铵(16-3-16)溶液中形成了近似球形的胶束,胶束表面的带正电荷的铵基极性头呈锯齿状排列以减弱分子间静电排斥力的影响. 弛豫时间测定表明,与N,N′-双(十六烷基二甲基)-α,ω-丁烷溴化铵(16-4-16)相比,16-3-16在胶束表面的spacer链段更僵硬, 在胶束核区的烷烃侧链排列的更紧密. NMR共振峰的线形分析表明,16-3-16和16-4-16侧链末端的甲基在胶束中位于两个不同的位置.      

双子表面活性剂的NMR研究现状与展望

双子表面活性剂是一类新型的表面活性剂, 其分子由化学键通过联接基团将两个单链表面活性剂的离子头联接构成. 由于其结构的特殊性, 使其具有特殊的性质, 如高表面活性, 特殊的聚集形态等. 多年来的研究结果表明, 联接基团的结构和长度对双子表面活性剂的活性影响最大. 与其它研究手段相比, NMR在从分子水平上研究双子表面活性剂溶液中胶束的形成以及自聚集状态, 有着独特的优势.     

NMR方法监测季铵型双子表面活性剂的胶束交换动力学（英文）

本文应用DNMR的方法测量了双子表面活性剂12-s-12和14-s-14(s=2, 3, 4)单体在溶液和胶束间的分子交换动力学参数,根据DNMR理论的简化公式,变温条件下测量了表面活性剂分子的逸出速率常数(k~-),根据阿伦尼乌斯公式拟合得到了逸出活化能(E_a~-).结果显示14-s-14和12-s-12的逸出速率常数分别在10~1和10~3 s~(-1)数量级,逸出活化能分别为54.04～73.64 kJ/mol和33.42～47.09 kJ/mol.随着联结基团长度的增大,14-s-14和12-s-12的逸出速率常数增大,逸出活化能减小.结合荧光探针实验测量微极性的结果,揭示了双子表面活性剂分子从胶束中逸出时经历了构象变化,支持了双子表面活性剂的两步分子交换机制.     

有部分峰重叠时NOESY谱的全弛豫矩阵分析

采取用理论计算的NOESY峰强度代替NOESY谱中重叠的对角峰或交叉峰强度,用理论计算值和实验数据相结合的方法解决峰强度矩阵的完整化问题,用全弛豫矩阵分析法定量分析了谱中有部分峰重叠的天然有机化合物冬凌草乙素的相敏NOESY谱,计算出冬凌草乙素分子中各质子间的交叉弛豫速率,根据1/r_ij⁶∝σ_ij计算出相应的质子间距离,结果表明:用全弛豫矩阵分析法计算出的质子间距与分子力学计算得到的质子间距离完全一致。该方法能够用于谱中有部分峰重叠的天然有机化合物的NOESY谱的定量处理,可以为核磁共振方法确定分子在溶液中的三维空间结构提供可靠的结构参数     

季铵盐型双子表面活性剂在空气-水界面的单分子膜

利用Langmuir膜天平测定不对称双子表面活性剂12-2-16和对称双子表面活性剂12-2-12在空气-水界面上形成单分子膜的表面压,通过单分子膜的π-A等温线、微分等温线和静态弹性,分析其相转变和成膜特性.结果表明,与传统阳离子表面活性剂DTAB比较,12-2-16、12-2-12比DTAB单分子膜的分子极限面积大,崩溃压高,并有较高的静态弹性,因而具有较高的凝聚性和稳定性,其中12-2-16单分子膜的凝聚性和稳定性最高.     

正十二烷基硫酸钠在聚丙烯酰胺溶液中聚集的1H NMR研究

利用核磁共振自旋-晶格弛豫时间（T₁）、自旋-自旋弛豫时间（T₂）、自扩散系数（D）以及二维核Overhause增强谱（2D NOESY）技术研究了表面活性剂正十二烷基硫酸钠（SDS）在聚丙烯酰胺（PAM）浓度固定为10 g/L水溶液中的聚集. 结合与SDS水溶液体系核磁共振实验数据比较,得到了如下信息：（1） 当溶液中有PAM存在时,SDS分子的运动性下降,临界聚集浓度提前;（2） 随着SDS浓度的增加,PAM分子的自扩散性能下降,同时分子链的柔软性也下降了;（3） 2D NOESY谱结果表明,PAM与SDS分子间未发生直接的缔合作用.     

表面活性剂在水溶液中聚集状态的1H NMR研究

表面活性剂在水溶液中的自扩散系数,¹H化学位移和自旋晶格弛豫的NMR测量表明,上述参数随表面活性剂浓度而变化,并在某一浓度开始有转折点.这一转折点恰好对应着各自的临界胶团浓度.表面活性剂分子的不同基团的质子化学位移随其浓度变化幅度的不同提供胶团形成的分子水平描述.     

羟基对界面水分子的扰动与其对非离子型氢氟烃杂化表面活性剂聚集行为的改变

本文合成并比较了具有和不具有羟基的两种非离子型氢氟烃杂化表面活性剂，它们均表现出良好的热稳定性和优异的表面活性. 实验观察到羟基对改变其溶液的表面张力和所形成胶束的形态具有较大的影响. 该作用可归因于烷烃基团从空气/水表面上方到其下方的重排以及由羟基诱导的界面水结构的扰动. 本工作提供了一种通过修改界面处的取向结构来弱化碳氢链和碳氟链之间的不混溶性，从而利于设计具有不同界面性质表面活性剂的策略.     

Spectral Properties and Solubilization Location of 2''-Ethylhexyl 4-(N,N-Dimethylamino)benzoate in Micelles

在阳离子、非离子和阴离子表面活性剂胶束溶液中,研究了4-(N,N-二甲氨基)苯甲酸2'-乙基己基酯(EHDMAB)的双重荧光和紫外吸收．当EHDMAB增溶在不同的胶束溶液中,紫外吸收增强,在离子型胶束溶液中,可观察到具有较长波长的EHDMAB分子内扭转电荷转移(TICT)荧光,相反,在非离子型胶束溶液中,可观察到具有较短波长TICT荧光,特别是位于阳离子胶束Stern层中的吡啶阳离子可强烈猝灭EHDMAB分子的双重荧光,所吸收的紫外辐射主要通过TICT荧光和非辐射去活化衰减．按照EHDMAB分子TICT荧光在有机溶剂中的极性依赖性,EHDMAB分子的4-(N,N-二甲氨基)在离子型胶束和非离子型胶束中处于不同的极性环境;根据EHDMAB和表面活性剂分子的结构和大小分析,EHDMAB分子的4-(N,N-二甲氨基)应朝向胶束的极性头基团,而2'-乙基己基链则朝向疏水性的胶束内核．动态荧光猝灭测量为EHDMAB分子在不同胶束中的位置进一步提供了佐证．     

PAM/POEA无规共聚物水溶液中自聚集机制的NMR研究

¹H NMR谱和二维核Overhauser效应谱(2D NOESY)研究结果表明新型疏水缔合丙烯酰胺/2-苯氧乙基丙烯酸酯无规共聚物(PAM/POEA)在水溶液中的自聚集主要发生在酚基间以及酚基与主链的相互作用上,在PAM/POEA自聚集体中酚基主要位于丙烯酰胺主链骨架附近.     

测定核间距的不对称2D NOESY方法Ⅲ.从不对称2D NOESY重叠峰强度求取完整混合系数矩阵

建立了包括重叠峰在内的不对称2D NOESY峰强度来求取完整混合系数矩阵的方法。并应用数值模拟方法验证了其正确性。该方法充分利用了不对称2D NOESY重叠峰强度来求解完整混合系数矩阵,这对大分子体系中核间距的准确计算是有价值的。     

测定核间距的不对称2D NOESY方法——1.从不对称2D NOESY峰强度求取完整的混合系数矩阵

本文提出不对称2D NOESY实验方法来测定完整的2D NOESY混合系数矩阵。理论研究表明,不对称2D NOESY实验信澡比要比传统2D NOESY的高,不对称2D NOESY峰强度矩阵是非对称的,因此可以只用不对称2D NOESY的非对角峰强度来求得完整的2D NOESY混合系数矩阵,避免测量大分子等复杂自旋系统的严重重叠的对角峰强度所引起的困难,而这是传统2D NOESY实验方法所无法作到的。本文最后应用数值模拟方法对理论研究结果进行了计算验证。     

从单个混合时间的2D NOESY峰强度矩阵求取核间距

提出了从单个混合时间的2D NOESY峰强度或混合系数矩阵直接求取核间距的新方法。该方法分成二步进行。第一步采用规范化2D NOESY峰强度或对称化混合系数矩阵来计算对称化核交叉弛豫速率矩阵。其优点是计算过程简单且普适。第二步直接用对称化核交叉弛豫速率来求取核间距。该过程考虑到分子内部运动的贡献。本文方法是自治的,只要能测出单个混合时间的2D NOESY峰强度或混合系数矩阵即可直接求出自旋系统的核间距了。     

测定核间距的不对称2D NOESY方法——1.从不对称2D NOESY峰强度求取完整的混合系数矩阵

本文提出不对称2D NOESY实验方法来测定完整的2D NOESY混合系数矩阵。理论研究表明,不对称2D NOESY实验信澡比要比传统2D NOESY的高,不对称2D NOESY峰强度矩阵是非对称的,因此可以只用不对称2D NOESY的非对角峰强度来求得完整的2D NOESY混合系数矩阵,避免测量大分子等复杂自旋系统的严重重叠的对角峰强度所引起的困难,而这是传统2D NOESY实验方法所无法作到的。本文最后应用数值模拟方法对理论研究结果进行了计算验证。     

PS_(3000)-b-PAA_(5000)球形胶束温度效应的原位小角X射线散射技术研究

应用小角X射线散射技术(SAXS)对两亲嵌段共聚物聚苯乙烯聚丙烯酸(PS-b-PAA)胶束形貌的温度影响进行了原位表征.SAXS结果表明:随着水含量的增加,粒子尺寸相应增加;对于水含量10%的PS_(3000)-b-PAA_(5000)胶束溶液,发现了明显的SAXS双峰现象;双峰的位置不随着温度的变化而改变,但是peak 1和peak 2的相对强度随着温度发生了减弱和增强的交错变化;相邻的SAXS双峰说明在PS_(3000)-b-PAA_(5000)胶束溶液中最初形成的粒子尺寸并不是均匀的,主要分为尺寸极其相近的两种球形粒子;随着温度的升高,粒径大小不同的两种粒子存在着一种消融和生长的过程,并且保持着一个相同的归一化动态平衡速率.     

测定核间距的不对称2DNOESY方法Ⅲ．从不对称2DNOESY重叠峰强度求取完整混合系数矩阵

建立了包括重叠峰在内的不对称２ＤＮＯＥＳＹ峰强度来求取完整混合系数矩阵的方法。并应用数值模拟方法验证了其正确性。该方法充分利用了不对称２ＤＮＯＥＳＹ重叠峰强度来求解完整混合系数矩阵，这对大分子体系中核间距的准确计算是有价值的。