利用光化学探针技术研究长链烷烃硫酸钠水溶液中预胶束的生成

罗丹明6G与罗丹明B之间的能量转移和吖啶橙形成聚态的现象用于研究长链烷基硫酸钠(C~nH~2~n~+~1OSO~3Na,n=12,14和16)在水溶液中预胶束的生成。结果表明,烷基链的长度影响这些表面活性剂形成预胶束的能力,碳数的增加使预胶束形成浓度降低。     

在胶束形成前染料分子的能量转移与预胶束基本性质的研究

本工作对罗丹明6G(1)与罗丹明-B(2)两种染料在十二烷基硫酸钠(SLS)溶液中的能量转移进行了研究。当SLS浓度远低于它的cmc值时可明显地观察到两种染料间的能量转移, 说明在此浓度下SLS的预胶束已生成。以Ia/(Id+Ia)值表示两种染料分子间能量转移的效率, 在SLS浓度增长过程中, 存在着一个效率的极大值。当溶剂水中加入不同量的DMSO时, 发现效率极大值移向SLS的高浓度处。这一结果表明:分子间的疏水作用力是SLS分子形成预胶束的推动力。     

三种不同分子结构阴离子表面活性剂胶束微结构的NMR研究

用核磁共振测定自旋-晶格、自旋-自旋弛豫时间(t₁,t₂)、自扩散系数(D),用2DNOESY技术对正十四烷基硫酸钠、β-戊基壬烷基硫酸钠和β-戊基壬烷基聚氧乙烯醚(4)硫酸钠三类阴离子表面活性剂水溶液进行了观测,烷烃链各基团的t₂/t₁值给出了这三类分子形成各自胶束的水合层位点信息以及烷烃链在胶束内核中堆积程度的比较,自扩散系数结果表明,β-戊基壬烷基硫酸钠比正十四烷基硫酸钠形成的胶束的水合动力学半径小,但β-戊基壬烷基聚氧乙烯醚(4)硫酸钠形成的胶束水合动力学半径明显大于其它两类表面活性剂胶束,2DNOESY谱图提供了β-戊基壬烷基聚氧乙烯醚(4)硫酸钠分子中聚氧乙烯基键在胶束外层卷曲排列的信息.     

离子液体表面活性剂烷基硫酸1-丁基-3-甲基咪唑鎓盐的合成及其在水溶液中的聚集行为

采用离子交换法,由氯化1-丁基-3-甲基咪唑鎓(C_4mimCl)和烷基硫酸钠合成了一系列无卤素的阴离子表面活性离子液体—烷基硫酸1-丁基-3-甲基咪唑鎓盐[C_4mim][C_nH_(2n+1)SO_4](n=8,12,16),利用表面张力仪、稳态荧光光谱等手段考察了表面活性离子液体在水溶液表面及体相中的聚集行为。结果表明,与传统无机反离子相比,有机咪唑阳离子[C_4mim]~+作为反离子的离子液体型表面活性剂具有较高的表面活性,[C_4mim]~+产生的氢键引起的抑制分子规则排列的作用小于其促进分子有序排列的疏水作用。长烷基链的阴离子是界面膜及胶束的主要组成成分,阴离子疏水烷基碳链的增长虽然可促进胶束的形成,但却在一定程度上抑制[C_4mim]~+参与界面或胶束的形成;阴离子所带烷基链越长,越不利于阳离子[C_4mim]~+参与界面膜或胶束的形成,界面膜或胶束中表面活性剂排布越松散,即界面张力越大,体系中胶束聚集数较小。     

烷基三甲基溴化铵对羧甲基纤维素钠亚浓缠结溶液流变行为的影响

以羧甲基纤维素钠(Na CMC)-烷基三甲基溴化铵(CnTAB)复合体系为研究对象,在Na CMC亚浓缠结溶液中考察了CnTAB烷基尾链长度对CnTAB临界缔合浓度(cac)及溶液流变行为的影响.采用荧光探针法测得cac值,根据吉布斯自由能定量分析了烷基尾链对胶束缔合行为的影响.稳态流变测试结果表明,较高浓度CnTAB对Na CMC亚浓缠结溶液有强烈的增黏作用.显微观察表明,低浓度CnTAB形成孤立胶束(约5nm),而较高浓度CnTAB则形成胶束复合聚集体(约30 nm).扣除胶束电荷中和所致降黏作用后,孤立胶束表现为等效刚性球,Na CMC亚浓缠结溶液的黏度变化符合Einstein方程;相反,胶束在临界浓度以上发生逾渗,形成胶束复合聚集体,进一步形成贯穿于Na CMC分子缠结网路的胶束逾渗网络.首次揭示了复合体系增黏的实质是胶束网络逾渗,而不是由胶束吸附聚电解质链形成物理网络.增黏阶段Na CMC亚浓缠结溶液的黏度变化符合逾渗模型和平均场理论.长程静电相互作用控制胶束缔合与逾渗行为,逾渗临界胶束体积分数随CnTAB尾链长度增加而降低,临界胶束表面间距随CnTAB尾链长度增加而增大.     

自由能微扰法研究系列烷基芳基磺酸盐的胶束化焓-熵补偿现象

为了研究不同结构的表面活性剂分子在水溶液中的胶束化焓-熵补偿现象, 采用自由能微扰(FEP)法计算了系列烷基芳基磺酸盐的溶剂化自由能, 并根据胶团化过程的质量作用模型讨论了相关热力学性质. 结果表明: 自由能微扰法得到的溶剂化自由能大小与用传统热力学表面张力法测定的吉布斯自由能相近, 能够用于比较不同结构的烷基芳基磺酸盐间胶束化能力; 烷基芳基磺酸盐在水溶液中的胶束化过程是自发进行的, 且存在焓-熵补偿现象, 补偿温度范围均在(302±2) K; 随着分子结构中芳环向长烷基链中间位置移动, 胶束化能力和胶束的稳定性均下降; 而随着芳环上短烷基链或长烷基链碳数的增加, 形成胶束的能力与稳定性均提高.     

系列烷基芳基磺酸盐在水溶液中胶束化的焓-熵补偿现象

以表面张力法研究了系列烷基芳基磺酸盐在水溶液中胶束化的热力学性质,并考察了温度与分子结构对胶束化的影响.结果表明,烷基芳基磺酸盐在水溶液中胶束化是一个自发过程,主要来自熵驱动;随着温度升高,先有利于胶束化而后又不利于胶束化,且熵变对吉布斯自由能变的贡献有下降趋势,而焓变的贡献有增大趋势;胶束化存在焓-熵补偿现象,补偿温度Tc均在(306±2)K,基本不随烷基芳基磺酸盐的分子结构的改变而变化;随着芳环上短烷基链或长烷基链碳数的增加,胶束化能力和胶束的稳定性均提高,而随着芳环向长烷基链中间位置移动,胶束化能力和胶束的稳定性均下降.     

以葡萄糖为极性头基的表面活性剂的合成及苯基酮在手性胶束中的不对称还原

合成了三种长链烷基葡萄糖苷即1-O-十二烷基-β-D-葡萄糖(β-DG)、1-O-十二烷基-α-D-葡萄糖(α-DG)以及1-O-十二烷基-β-D葡萄糖醛酸钠(Sβ-DGU)、三种化合物在水中均能形成胶束, 在上述胶束中, 用硼氢化钠对一系列苯基烷基甲酮进行了还原. 在β-DG和α-DG胶束中所得到的还原产物苯基烷基甲醇均具有不同程度的光学活性, 其中苯基乙基甲酮在β-DG胶束中的还原可达到98%e.e.的立体选择性. 根据高疏水性受物不能被还原以及在阴离子胶束(Sβ-DGU)中受物难以还原的实验结果. 得出还原反应在靠近胶束极性头基层的内侧进行, 并提出了二分子糖苷与BH4^-形成的分子间负氢离子配合物是不对称还原得以产生的关键. 上述推论被加入适量的非手性阳离子表面活性剂(CTAB)与β-DG所形成的混合胶束可充分抑制还原反应的立体选择性这一实验事实所证实.     

十四烷基芳基磺酸盐形成的分子有序组合体

以表面张力法、碘光谱法、水增溶法和相态图法研究了自制的三种十四烷基芳基磺酸盐在不同条件下形成的分子有序组合体(胶束、反胶束和微乳液),并考察了分子结构、溶剂、无机盐和短链醇等对其的影响.结果表明:增加十四烷基芳基磺酸盐分子亲油基支化度,不利于其在水溶液或混合极性溶剂(乙二醇-水)中形成胶束而有利于其在非极性溶剂正庚烷中形成反胶束;溶剂极性的降低,促使表面活性剂溶液由胶束溶液→单体溶液→反胶束溶液转变;无机盐或短链醇的加入促进了水溶液中胶束的形成,且反离子价态数或醇烷基碳原子数越大,越有利于胶束形成;无机盐浓度的增加导致表面活性剂/正丁醇/正辛烷/NaCl/水形成的微乳液体系在一定温度下发生由WinsorI→WinsorIII→WinsorII型的转变.     

气态二聚体[C1~6mim]2[BF4]2纳米微观结构的理论研究

在B3LYP/6-311+G(d,p)的水平上采用密度泛函理论研究了[C_nmim]+(n=1~6)与[BF_4]~ˉ形成二聚体[C_nmim]_2[BF_4]_2(n=1~6)的微观纳米结构。通过理论计算二聚体的相互作用能量发现,阴阳离子之间存在较强的氢键作用,且随着咪唑鎓烷基链的增加相互作用能也随之增加,另外,烷基侧链的长度会影响氢键强度。当咪唑鎓烷基侧链中C的个数大于4时,烷基尾部能够发生聚合,从而形成类胶束纳米结构。通过对自然布居分析、自然键轨道以及弱相互作用的分析和计算,同样证明了二聚体中存在较强的氢键作用,烷基侧链中碳的个数影响了离子液体的微观结构。     

尾链含对硝基苯醚基团的阳离子Gemini表面活性剂的胶束化热力学

利用等温滴定微量量热法和电导法研究了具有不同疏水链长并且疏水链尾部含有对硝基苯醚基团的Gemini表面活性剂胶束化过程的热力学, 分别利用相分离模型和质量作用模型对观察焓与浓度的关系曲线进行拟合, 获得了胶束化过程的热力学参数. 两种模型获得的胶束化焓一致, 均为较大负值, 而吉布斯自由能却相差较大. 用相分离模型得到的胶束化过程的热容变化均为负值, 并随链长增加绝对值增大, 胶束化过程总的热容变化主要来自非极性的烷基链去水合产生的热容变化, 证明处于疏水链末端的对硝基苯醚基团在表面活性剂形成胶束后依然与水相接触. 质量作用模型获得的胶束聚集数随疏水链长增加逐渐下降, 这是由具有长疏水链的表面活性剂形成预胶束所导致.     

全氟辛酸钠与十二烷基三甲基溴化铵混合胶束微环境性质的NMR, ESR研究

应用表面张力法、NMR法和ESR法研究了全氟辛酸钠(SPFO)-十二烷基三甲基溴化铵(DTAB)混合体系水溶液胶束形成及混合胶束的微环境性质(微观粘度、微观极性等).结果表明,碳氟表面活性剂碳氟链和碳氢表面活性剂碳氢链之间具有强烈的相互作用,DTAB与SPFO在水溶液中形成混合胶束.DTAB与SPFO混合体系的表面活性高于单一的DTAB或SPFO,混合体系cmc较单一的DTAB和SPFO低.DTAB与SPFO混合胶束的微观粘度较DTAB胶束的大,而微观极性较DTAB的小.     

烷基取代对罗丹明的电子结构与光谱的影响

在密度泛函理论(DFT)的B3LYP水平对不同烷基在不同位置取代形成的8种罗丹明化合物进行结构优化,并在此基础上应用含时密度泛函理论(TD-DFT)和单激发组态相互作用(CIS)方法分析了取代基对罗丹明的电子结构、前线分子轨道及电子光谱的影响.计算结果表明,前线分子轨道主要分布在罗丹明分子的氧杂蒽环上,罗丹明分子中两个N端的H各只有1个H被烷基取代时,最高占据轨道(HOMO)在主要共轭环分布最多,且HOMO和最低未占据轨道(LUMO)分布比例相差最小,两个N端4个H同时被甲基取代时,能隙最窄,对气相最大吸收波长红移程度最大,两个N端4个H同时被乙基取代时,气相荧光最大,发射波长最长.     

烷基-α-D-吡喃葡萄糖苷的合成与性能

以D-葡萄糖为原料,经全乙酰化、在SnCl_4催化下与脂肪醇糖苷化、脱保护3步反应合成了7种不同碳链长度的烷基-α-D-吡喃葡萄糖苷。利用核磁共振、表面张力仪和偏光显微镜等对其进行结构、表面张力和热致液晶等性能测试,结果表明,当烷基-α-D-吡喃葡萄糖苷烷基链长(n)为6~9时,均有发泡和乳化性能,其中正壬基-α-D-吡喃葡萄糖苷具有最佳的发泡和乳化性能;烷基糖苷(n=6~9)的表面张力(γ_(CMC))及临界胶束浓度(CMC)均比较低;饱和吸附量(Γ_(max))随烷基链的增长而减小,饱和吸附面积(A_(min))随烷基链增长而增大;形成胶束时的标准自由能(ΔG_(mic))和吸附自由能(ΔG_(ads))均为负值,其绝对值随烷基链增长而越来越大,其中正辛基-α-D-吡喃葡萄糖苷的表面活性最好;烷基糖苷(n=4~9)对皮肤均无急性刺激作用;所合成的烷基糖苷均具有热致液晶行为,随烷基链长的增加,液晶相的温度范围变宽,液晶相的稳定性越好。     

离子液体表面活性剂1-丁基-3-甲基咪唑烷基硫酸酯的合成及其在水溶液中的聚集行为

采用离子交换法,由1-丁基-3甲基咪唑氯盐（C4mimCl）和烷基硫酸钠合成了一系列无卤素的阴离子表面活性离子液体—1-丁基-3-甲基咪唑烷基硫酸酯[C4mim][CnH2n 1SO4](n=8,12,16),利用表面张力仪、稳态荧光光谱等手段考察了表面活性离子液体在水溶液表面及体相中的聚集行为,结果表明,与传统无机反离子相比,有机咪唑阳离子[C4mim] 作为反离子的离子液体型表面活性剂具有较高的表面活性,[C4mim] 产生的氢键引起的抑制分子规则排列的作用小于其促进分子有序排列的疏水作用。长烷基链的阴离子是界面膜及胶束的主要组成成分,阴离子疏水烷基碳链的增长虽然可促进胶束的形成,但却在一定程度上抑制[C4mim] 离子参与界面或胶束的形成;阴离子所带烷基链越长,越不利于阳离子[C4mim]＋参与界面膜或胶束的形成,界面膜或胶束中表面活性剂排布越松散,即界面张力越大,体系中胶束聚集数较小。     

DSB显著提高羧酸盐驱油体系抗钙镁离子能力的研究

测定了工业品级的天然混合长链烷基羧酸盐(SDC)以及与3-(N,N-二甲基十二烷基胺)-2-羟基-丙磺酸(DSB)复配驱油体系的界面张力(ITFmin), 分别得出其抗钙镁离子的能力为400和5000 mg/L. 选择试剂级十二烷基羧酸钠与DSB复配, 测定了不同配比溶液的表面张力值和临界胶束浓度cmc, 结合长链烷基脂肪酸与钙离子的溶度积Ksp, 分析了对不溶性长链烷基羧酸盐形成的影响. 根据现场驱油体系配方, 计算了两者在溶液中的摩尔配比为4:1时的十二烷基羧酸盐在胶束中的摩尔分数xm1为0.51, 相互作用参数βm值为-3.11, 反映了两者有较强的相互作用. 采用量子化学方法, 对由1个十二烷基羧酸分子、1个DSB分子及1个二价钙离子组成的模型复合物进行了能量计算和电荷分布计算, 得出在长链烷基羧酸盐和DSB两者混合胶束的界面层中存在负电荷空穴, 提出二价金属离子被络合的模型, 合理地解释了实验事实.     

多嵌段共聚物(P4VP-b-PS-b-P4VP)_n的胶束化行为研究

研究了一系列具有不同链段长度和组成的聚4-乙烯基吡啶-聚苯乙烯-聚4-乙烯基吡啶多嵌段共聚物(P4VP-b-PS-b-P4VP)n在其选择性溶剂甲苯和pH<3的水中的胶束化过程,主要研究了多嵌段共聚物链段长度、溶液浓度和溶剂对其胶束形态的影响.透射电镜和原子力显微镜结果表明随着P4VP段链的相对增长,多嵌段共聚物在甲苯中的胶束形态由蠕虫链状向短棒状到球状胶束变化,而其在pH<3的水溶液中均形成球形胶束.由于特殊的链结构,聚合物的浓度对(P4VP-b-PS-b-P4VP)n多嵌段共聚物的胶束行为和胶束形态有着重要的影响.同时,(P4VP-b-PS-b-P4VP)n多嵌段共聚物分子量分布的多分散性对其在选择性溶剂中的胶束形态也有所影响.     

烷基芳基磺酸盐的分子动力学模拟与自由能微扰计算

为研究不同结构的表面活性剂分子在溶液中胶束化能力的差异, 采用分子动力学方法模拟三种烷基芳基磺酸盐在真空和水溶液环境下的结构与相互作用. 利用自由能微扰(FEP)方法计算了水合自由能, 发现与用传统热力学表面张力法测定自制的烷基芳基磺酸盐结果一致. 研究表明: 烷基芳基磺酸盐在水溶液中的胶束化过程是自发进行的, 随着分子结构中芳环向长烷基链中间位置移动, 胶束化能力和胶束稳定性均下降; 疏水基周围水分子的“冰山结构”会影响胶束的稳定性, 而水分子中氢键的生存周期是反映冰山结构变化的重要指标; 同时, 亲水基与水分子间形成氢键的数目会增强或减弱分子脱离胶束体的趋势, 从而影响胶束结构的稳定性.     

全氟辛酸钠与十二烷基三甲基溴化铵混合胶束微环境性质的NMR,ESR研究

应用表面张力法、NMR法和ESR法研究了全氟辛酸钠(SPFO)-十二烷基三甲基溴化铵(DTAB)混合体系水溶液胶束形成及混合胶束的微环境性质(微观粘度、微观极性等)。结果表明, 碳氟表面活性剂碳氟链和碳氢表面活性剂碳氢链之间具有强烈的相互作用, DTAB与SPFO在水溶液中形成混合胶束。DTAB与SPFO混合体系的表面活性高于单一的DTAB或SPFO, 混合体系cmc较单一的DTAB和SPFO低。DTAB与SPFO混合胶束的微观粘度较DTAB胶束的大, 而微观极性较DTAB的小。     

NMR研究溶液中正十四烷基硫酸钠/正十四烷基聚氧乙烯醚(3)表面活性剂之间的相互作用

采用¹HNMR弛豫、自扩散系数和二维相敏(2DNOESY)实验研究了正十四烷基硫酸钠[n-CH₃(CH₂)₁₃OSO₃Na(STS)]和正十四烷基聚氧乙烯醚(3)[n-CH₃(CH₂)₁₃O(C₂H₄O)₃H(C₁₄E₃)]在溶液中的自聚集以及二者混合后的相互作用.结果表明,STS与C₁₄E₃混合后存在相互作用,并形成混合胶束;弛豫实验表明,混合胶束中STS疏水链质子运动更加受阻,C₁₄E₃的α-(4″)和β-CH₂(3″)处链堆积紧密.C₁₄E₃的亲水端(CH₂CH₂0)₃链卷曲紧贴在疏水壳表面外链堆积较紧密处.自扩散系数测量表明,混合胶束比单一阴离子表面活性剂形成的胶束大.单一非离子型胶束和混合胶束的亲水端(CH₂CH₂0)₃(5″)链构成相应较软和松散的外壳.单一C₁₄E₃在极性溶剂氯仿溶液中,质子运动比在水中自由度大,但2DNOESY谱中出现了少量分子间的交叉峰,也可能形成了一些小的聚集体.