Gemini表面活性剂分子结构对其水溶液中聚集行为的影响

Gemini表面活性剂是通过联接基团将两个具有亲水亲油性质的两亲结构单元在其亲水头基上或靠近亲水头基处以共价键方式连接而成的一类表面活性剂。这类表面活性剂由于联接基团的引入具有比传统单链表面活性剂更高的表面活性,同时分子结构中更多的可调控因素使其在水溶液中表现出更为丰富的自聚集行为,而且分子不同部位结构的改变对分子内或分子间相互作用产生不同的影响,可实现通过分子结构的设计有效调控其自聚集能力和聚集体结构。本综述将从联接基团、烷基链、亲水头基、反离子和其它功能性基团这五个方面概述近些年Gemini表面活性剂水溶液中聚集行为方面的研究进展,总结人们对Gemini表面活性剂分子间相互作用规律的认识,期望对于进一步发展这类高效的表面活性剂体系提供有益的帮助。     

疏水相互作用引起Gemini表面活性剂柔性联接链的弯曲

为了理解gemini表面活性剂柔性烷基联接链在自组织过程中的特殊作用,我们合成了三种gemini表面活性剂烷基-a,w-二（二-十二烷基甲基溴化铵）（记为2C12-s-2C12×2Br (s=3, 6, 8)）。2C12-s-2C12×2Br在水表面构成铺展膜后,由于每个分子带有4根烷烃链,它们形成了稠密的烷烃尾链层。增强的烷烃尾链与联接链间的疏水相互作用促使联接链弯曲朝向空气一端,可发生弯曲的联接链长度要小于吸附在水溶液表面上的gemini表面活性剂C12-s-C12×2Br,后者每个分子只有2根烷烃链。由此可见,增强的烷烃尾链与联接链间的疏水相互作用可以有效地促进联接链的弯曲。     

杂双子表面活性剂的研究进展

分子结构对称的gemini 表面活性剂是通过联接链将两个相同头基和相同烷烃链的普通表面活性剂在头基或靠近头基处以化学键方式联接在一起,这种表面活性剂产生了新颖且复杂的自组织行为,引起人们的高度关注。但由于合成上的困难,迄今为止较少研究分子结构不对称的gemini 表面活性剂(又称为杂双子表面活性剂,heterogemini surfactant) 。初步研究显示heterogeminis 在分子自组织过程中具有更多可调控的分子结构因素,获得了某些新颖的结果,例如明显增大了自组织过程的焓驱动力,正-负离子头基分子构成了无反离子的体系,长-短烷烃主链分子成功地将形成的囊泡串接起来等。本文综述当前的研究进展,并提出某些潜在的研究意义。     

阴离子蠕虫胶束

本文从分析蠕虫胶束形成的分子几何条件和自由能驱动因素入手,总结了传统阴离子表面活性剂蠕虫胶束的形成和性质,指出制约其构筑和产生优良黏弹性的原因。在此基础上,介绍了Gemini表面活性剂构筑蠕虫胶束的分子结构优势,以及由此构筑阴离子蠕虫胶束的研究进展,尤其是长刚性联接链Gemini表面活性剂形成的蠕虫胶束。最后特别指出,基于新颖分子结构优势,Gemini表面活性剂可望成为蠕虫胶束构筑的主要分子对象。     

Gemini阳离子表面活性剂的合成及其胶束生成

传统的单头基单烷烃链表面活性剂由于离子头基间的电荷斥力或水化引起的分离倾向使得它们在界面或分子聚集体中难以紧密排列,造成表面活性偏低 .为克服这一缺陷进行了大量尝试,例如添加无机电解质屏蔽离子头基的电荷斥力、升高温度以降低头基的水化,甚至采用合适的二元表面活性剂复配等等 .当前一种从根本上克服头基间分离倾向的化学方法正受到关注 [1],这种方法通过化学键将二个单头基单烷烃链表面活性剂在离子头基处用联接基团（ spacer）使其联接起来,从而获得称之为 Gemini的新型表面活性剂 [2]. Gemini表面活性剂大大促进了其 "…     

含Gemini表面活性剂结构单元的新型两亲聚电解质的合成及聚集行为

分别将Gemini型单体1,3-双(二甲基十四烷基溴化铵)-2-丙烯酰氧基丙烷(14G)或1,3-双(二甲基十六烷基溴化铵)-2-丙烯酰氧基丙烷(16G)与丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DAC, D)共聚合反应, 合成了新型含Gemini表面活性剂结构单元的两亲性阳离子聚电解质(D14G和D16G). 采用稳态荧光、电导、动态光散射及透射电镜等手段研究了这些聚电解质在水溶液中的聚集行为. 结果表明, 临界聚集浓度(CAC)随着Gemini型表面活性剂单元含量的增加而减小, 同时随着Gemini型表面活性剂单元中疏水碳链长度的增加而降低. 这些聚电解质在水溶液中同时存在分子内和分子间两种类型的聚集体, 而且碳链越长, 形成分子内聚集体的倾向越强. 随着Gemini表面活性剂单元含量的增加, D14G溶液中聚集体的流体动力学半径(Rh)也有所增大, 而D16G溶液中的聚集体的流体动力学半径(Rh) 却略有减小.     

系列离子液体型Gemini咪唑表面活性剂在水溶液中的分子动力学模拟

利用分子动力学模拟方法研究了系列离子液体型Gemini咪唑表面活性剂在水溶液中的表面活性和胶束化能力. 模拟结果表明,压力张量法得到的表面张力模拟值偏小,需乘以修正系数矫正;分子动力学模拟得到的临界胶束浓度变化规律与实验相符,可以定性比较不同结构的离子液体型Gemini咪唑分子间的胶束化能力;温度的升高会加剧分子的热运动,不利于离子液体型Gemini咪唑表面活性剂在水溶液中形成胶束;此外,研究还发现联接基不同的离子液体型Gemini咪唑表面活性剂可能遵循不同的胶束化机理.S≤6时,单个分子自组装成胶球后发生聚合形成大胶团.随着咪唑上长烷烃链碳数的增加,[C_n-4-C_nim]胶束化能力提高;而随着联接链长度增加,[C₁₀-S-C₁₀im]胶束化能力降低;当S ＞6时,分子联接基弯曲并伸入其它分子烷烃链内部以减小头基分离力,从而形成稳定的胶束或胶团.随着联接基团亚甲基数的增加,头基斥力减小,附加疏水相互作用增强,[C₁₀-S-C₁₀im]胶束化能力提高.     

Gemini表面活性剂烷烃尾链在吸附和聚集过程中的疏水协同效应(英文)

以表面张力法测定了系列Gemini表面活性剂m-6-m以及对应单体表面活性剂CmTABr的临界胶束浓度(cmc)和降低水表面张力20mN·m-1需要的浓度(pC20).比较这些参数表明m-6-m胶束化和在界面吸附的能力均强于CmTABr,这被归结为Gemini表面活性剂烷烃尾链间的疏水协同效应.与不对称Gemini表面活性剂12-6-m比较,对称的Gemini结构更有利于表面活性剂的聚集和吸附.     

表面活性剂对污泥脱水性能影响的机理研究:Gemini表面活性剂与聚电解质相互作用的分子动力学模拟

表面活性剂可以与污泥表面的胞外聚合物(EPS)吸附形成胶束,释放出自由水和结合水,从而达到改善污泥脱水性能的目的.本文采用粗粒化的分子动力学模拟方法,研究了Gemini表面活性剂与EPS形成复合物的过程和结构.聚电解质链的亲疏水性对吸附过程有显著影响,亲水聚电解质链与Gemini表面活性剂吸附的主要驱动力为静电吸引,Gemini表面活性剂头基吸附在链上,尾链朝向溶剂;疏水聚电解质链与Gemini表面活性剂吸附过程由静电作用与疏水作用共同促进,Gemini表面活性剂以平行于聚电解质链的构型存在.Gemini表面活性剂联结基团长度对吸附过程的影响甚微;聚电解质链的电荷密度对亲水聚电解质链的吸附产生协同作用,对疏水聚电解质链的吸附不产生作用.     

不同电性Gemini表面活性剂界面扩张性质

利用Langmuir槽法研究了含聚氧乙烯醚链中间链的两性Gemini表面活性剂C8E4NC12、阳离子Gemini表面活性剂C12NE3NC12和阴离子Gemini表面活性剂C8E4C8在空气/水表面和癸烷/水界面上的扩张性质,考察浓度对3种Gemini表面活性剂溶液表、界面扩张性质的影响.结果表明,由于分子间存在库仑引力,两性Gemini分子表现出较高的扩张弹性和粘性,且界面扩张性质类似于表面.对于有相同电荷Gemini分子,C8E4C8分子中的刚性苯环导致其疏水长链在表面上的取向不同于C12NE3NC12分子,两者表现出不同的表面扩张性质;而油分子能改变同电荷Gemini分子中长链烷基的取向,造成其界面扩张弹性和粘性远低于表面.提出了不同电性Gemini分子在界面排布的示意图,并利用弛豫过程的特征参数进行了验证.     

不对称Gemini表面活性剂在气/液界面的吸附动力学

合成出由1个亚甲基联接羟基和季铵基头基, 且带两根不同长度烷烃链的不对称Gemini表面活性剂CmH2m+1OCH2CH(OH)CH2N+(CH3)2C8H17Br(记为CmOhpNC8, m=10, 12, 14). 用最大泡压法研究了浓度低于临界胶团浓度时, CmOhpNC8在气/液界面上的吸附动力学. 结果表明, CmOhpNC8表现出很明显的吸附动力学效应. CmOhpNC8向新鲜气/液界面吸附时由扩散过程控制; 当界面上已具有一定吸附量时, 显示出吸附能垒Ea. 随着烷烃链的增长而明显降低, 表明长烷烃链的分子到达亚层后更容易插入表面层,这被归结为分子烷烃链间的疏水相互作用随着链增长而增强所致.     

含Schiff碱基囊泡双分子膜的聚集结构与相变

研究表面活性剂分子在水溶液中的聚集行为对模拟生物膜功能和研究分子间相互作用具有重要意义"'．用于形成囊泡双分子层的表面活性剂主要是类似天然磷脂的双烷基链两亲分子,单烷基链两亲分子在引人刚性基团时亦可形成双分子膜k'．含SChiff碱基两亲分子在水溶液中的聚集性质及间、尾链长度对SChiff碱基构象的影响已有报道"'．本文报道了这类分子的另一种重要成膜性质,即改变制备条件,可选择性地得到不同聚集结构和相变温度的双分子膜·实验中所用成膜分子为：CH。（CH。）。;OPh-N-CH－PhO（CH;）n;N"（CH。）。Br－（m-4;n-…     

Gemini表面活性剂联接基团对合成硅基介孔材料结构的影响

考察了Gemini表面活性剂不同联接基团对介孔结构的影响, 通过改变联接基团碳链的长度和在联接基团中加入苯基和羟基改变链的柔性和亲水性, 可改变表面活性剂在两相界面的头基面积和电荷分布, 形成不同的表面活性剂溶液结构, 并通过自组装过程控制生成不同介孔材料的孔结构. 当联接基团链长为4~8个碳时, 得到六方相孔道结构, 而当碳链长度增加为10~12个碳时, 形成立方相孔道结构, 其中以GEM16-6-16为模板, 形成了高度有序的MCM-41, 以GEM16-12-16为模板, 则得到高度有序的MCM-48. GEM16-3(OH)-16可合成出层状结构, 但有序性较低. GEM16-(1-Ar-1)-16的cmc较低, 在水溶液中溶解度极低, 当加入共溶剂乙醇时, 得到了空心球结构.     

Gemini阳离子表面活性剂在水溶液中胶团化行为的温度效 应与焓、熵补偿

测定了Cemini阳离子表面活性剂C~m-----s-----C~m·2Br(m=8,10,12,;s=2,6及m=12;s=3,4)水溶液的电导,从电导(k)～表面活性剂浓度(c)曲线的转折点可求得临界胶团浓度cmc.实验发现,Gemini阳离子表面活性剂的胶团化倾向明显强于其“单体分子”)即单离子头基单烷烃链表面活性剂)。根据质量作用模型计算了胶经过程的吉布氏能、焓和熵的改变。结果表明Gemini表面活性剂聚集机理和其对应的“单体分子”类似,主要来自熵驱动。所有的焓/熵补偿图均呈现良好的线性关系,补偿直线在γ轴的截距随s减小而变小,这意味着具有较小s的Gemini表面活性剂倾向于生成稳定的胶团。     

动态光散射法研究季铵盐Gemini表面活性剂的胶团化行为

用动态光散射技术在10～70℃温度范围内,通过测定胶团的平均流体力学半径随温度、盐浓度和联接基团长度的变化情况,研究联接基团为聚亚甲基链的阳离子季铵盐Gemini表面活性剂胶团在无机盐介质中的长大规律.实验结果表明,增加盐量、降低温度和减小联接基团的长度均使平均流体力学半径变大,Gemini表面活性剂胶团长大时是由球状转变为棒状.从实验测定的平流体力学半径求算了支配球-棒转变的平衡常数及热力学函数值,并用NNLS(non-negatively constrainedleast square)算法对胶团的粒径分布情况进行了分析.此外,对具有短联接基团的Gemini表面活性剂胶团长大所具有的独特性质进行了讨论.     

光敏季铵盐Gemini表面活性剂a4-6-m在气/液界面的吸附

合成了3种不对称结构的季铵盐Gemini表面活性剂a4-6-m, 分子的一根疏水链是偶氮苯为端基的4个亚甲基链, 另一根是不同长度的脂肪链(m=12, 14, 16). 研究结果表明, 反式偶氮苯封端的a4-6-m在气/液界面上以直立方式排列, 偶氮苯端基间的π-π相互作用导致吸附分子较为紧密地排列, 但吸附层外表面含有偶氮苯成分使临界胶束浓度(cmc)时的表面张力(γcmc)较大. 紫外光激发使反式结构偶氮苯变为顺式结构, 这些极性较强的顺式偶氮苯夹杂在直立的烷烃链间, 增强的偶极-偶极相互作用促进了分子紧密排列, 使分子占据面积(Amin)略微减小. 增长脂肪链长度有助于降低临界胶团浓度和C20(使水的表面张力降低20 mN·m-1时所需的表面活性剂浓度), 但对γcmc影响不大.     

Gemini表面活性剂对疏水缔合聚丙烯酰胺界面吸附膜扩张流变性质的影响

采用小幅低频振荡和界面张力弛豫技术, 考察了疏水缔合水溶性聚丙烯酰胺(HMPAM)在正癸烷-水界面上的扩张黏弹性质, 研究了不对称Gemini表面活性剂C₁₂COONa-p-C₉SO₃Na对其界面扩张性质的影响. 研究发现, 疏水链段的存在, 使HMPAM在界面层中具有较快的弛豫过程, 扩张弹性显示出明显的频率依赖性. 表面活性剂分子可以通过疏水相互作用与聚合物的疏水嵌段在界面上形成类似于混合胶束的特殊聚集体. 表面活性剂分子与界面聚集体之间存在快速交换过程, 可以大大降低聚合物的扩张弹性. 同时, 聚合物分子链能够削弱表面活性剂分子长烷基链之间的强相互作用, 导致混合吸附膜的扩张弹性远低于单独表面活性剂吸附膜.     

新一代表面活性剂: Geminis

表面活性剂Gemini (或称dimeric) 是由两个单链单头基普通表面活性剂在离子头基处通过化学键联接而成, 因而阻抑了表面活性剂有序聚集过程中的头基分离力, 极大提高了表面活性。与当前为提高表面活性而进行的大量尝试, 如添加盐类、提高温度或将阴离子表面活性剂与阳离子表面活性剂混合相比较, Gemini 表面活性剂是概念上的突破, 因而被誉为新一代的表面活性剂。     

含对苯氧基联接链的羧酸盐Gemini表面活性剂合成及胶团化特性

合成了含对苯氧基联接链的羧酸盐Gemini表面活性剂,研究了其胶团化特性.结果表明,该羧酸盐Gemini表面活性剂具有很低的cmc值,给出了cmc-T(温度)以及lncmc-(m+1)(烷烃链长)的回归方程.计算了胶团化的热力学函数变化,证实胶团化过程来自熵驱动,并表现出焓/熵补偿现象,在所考察的系列中,以(m+1)=11的胶团最为稳定.     

巨型表面活性剂的本体自组装研究和分子拓扑结构效应

嵌段共聚物通过本体自组装可在纳米尺度上形成多样化的有序结构,并有望为下一代微纳加工技术的发展提供平台.近十年来,以具有三维刚性结构的笼簇状分子作为结构基元,研究者们发展了一类独特的两亲性巨型表面活性剂体系.本文系统总结了近年来巨型表面活性剂本体自组装方向的研究进展,并特别强调了其中广泛存在的分子拓扑结构效应.实验结果表明,巨型表面活性剂可在10 nm乃至5 nm以下的特征尺寸上形成高度有序的自组装结构.更加重要的是,通过精心设计的分子拓扑结构的变化,逐步揭示了若干种由分子拓扑结构主导的非常规自组装结构的形成机理,包括多尾链巨型表面活性剂中的非常规球状相以及多头基巨型表面活性剂中的高度不对称的层状相等.这些结果推进了对两亲性大分子本体自组装中的分子拓扑结构效应的理解,并为开发基于嵌段聚合物微纳加工技术提供了重要的实验基础.