Gemini表面活性剂的性能表征及计算机模拟研究

【摘要】： 表面活性剂由于其结构的特殊性,容易在表(界)面吸附,结果降低了表(界)面张力,改变了体系的表(界)面化学性质,从而表现出多种的应用功能。而Gemini表面活性剂的两个亲水离子头基是通过化学键连接,加强了碳氢链间的疏水结合力,且离子头基间的排斥倾向受制于化学键力而大大削弱,因此具有比传统的单基表面活性剂更高的表面活性。本文对于合成出的一系列Gemini阴离子表面活性剂分别研究了临界胶束浓度、表面张力和胶束聚集数等一系列基本物化性能;通过QSAR研究了临界胶束浓度和分子结构之间的构效关系;用耗散颗粒动力学(DPD)方法研究了Gemini表面活性剂在水溶液中形成有序聚集体的微观形貌,主要内容及结论如下: 1、通过电导率法研究了Gemini表面活性剂的临界胶束浓度(cmc)。结果表明,其cmc比传统阴离子表面活性剂降低一个数量级左右,显示了很高的表面活性;对于同种性质的连接基,随着其长度的增加,cmc呈减小的趋势;而对于长度相同性质不同的连接基,具有亲水、柔性连接基的Gemini表面活性剂比具有刚性、疏水连接基的有更低的cmc;研究了Gemini表面活性剂的胶束形成热力学,结果表明,所研究的Gemini表面活性剂的胶束生成Gibbs自由能ΔG_(mic)皆为负值,显示了胶束的自发形成趋势,而ΔG_(mic)随着连接基的变化趋势与临界胶束浓度的测量显示了很好的一致性;C20的测量结果显示了Gemini表面活性剂突出的降低水的表面张力的效率。 2、利用稳态荧光猝灭法研究了一系列Gemini表面活性剂的胶束聚集数。结果表明,对于相同性质的连接基,随着长度的增加,胶束聚集数减小;对于连接基长度相同,而具有柔性、亲水性质的连接基的Gemini表面活性剂在形成胶束时更容易紧密排列,有更大的聚集数;我们可以通过改变连接基的性质,获得具有不同聚集性质的胶束来适应不同的用途。 3、利用动态光散射研究了Gemini表面活性剂在水溶液中胶束的粒径大小与分布。结果表明,具有短的连接基的Gemini表面活性剂具有较大的粒径,且为双峰,表明溶液中有不同形状的胶束共存,而具有较长连接基的Gemini A3的粒径分布为单峰,表明其仅仅形成球形胶束,即长的连接基不利于胶束的长大;利用冷冻蚀刻-透射电子显微镜(Cryo-TEM)对GeminiA3在水溶液中胶束的微观形貌进行了初探。结果表明,在低浓度时,观察不到胶束的形成,随着表面活性剂浓度的增加,逐渐观察到有球形胶束形成;且在很宽的浓度范围内皆形成球形胶束,说明了长连接基不利于胶束的长大,这与动态光散射的测量结果相一致,也说明了利用Cryo-TEM来研究此类Gemini表面活性剂在水溶液中胶束微观形貌的可行性。 4、利用QSAR方法研究了Gemini表面活性剂的临界胶束浓度与表面活性剂结构之间的构效关系,分别用PCR-PLS和GFA两种回归模型建立了回归方程。结果表明,二种方法所得的模型方程都具有较高的精度,而通过遗传算法所得方程比PLS回归方程具有更高的精度和更强的预测能力,说明通过QSAR方法可以达到准确预测具有相似结构的Gemini表面活性剂溶液性质的目的,为具有更好表面活性的Gemini分子的合成提供指导。 5、通过耗散颗粒动力学(DPD)方法对Gemini表面活性剂在水溶液中的聚集形态进行了模拟,DPD模拟的结果表明,在很低的浓度下,溶液中首先形成胶束预聚体,随着浓度的增加,逐渐形成球形胶束,继续增加浓度,球形胶束长大成为花生状胶束并进一步长大为棒状胶束;在更高的浓度下,棒状胶束相互交联形成层状相,且发现与传统的表面活性剂溶液不同,在胶束和层状相之间没有出现过渡的六方相结构;由于DPD方法采用了简化的DPD粒子模型,因此可以抓住此类双亲分子的主要结构特点,模拟体系的直观结果可以和实验结果相互印证,为设计实验方法提供理论的指导。