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C72-MPB氟醚磷酸膽堿表面活性劑表面張力、泡沫/潤濕性能測定(二)
來源:化學學報 瀏覽 456 次 發(fā)布時間:2025-01-14
2結果與討論
2.1氟醚磷酸膽堿的合成
我們合成了一種短鏈氟醚磷酸膽堿C72-MPB(圖2),結果如下。
圖2 C72-MPB磷酸膽堿的合成
我們將原料1和C72-OH等物質(zhì)的量比混合,以超干四氫呋喃(THF)為溶劑,在0℃下進行反應,2 h后通過核磁氫譜(1H NMR)觀測到有產(chǎn)物生成。但原料C72-OH的轉(zhuǎn)化率僅為50%(表1,Entry 1)。因此,我們對反應物的比例、反應時間做進一步優(yōu)化。結果顯示:在原料1與原料C72-OH物質(zhì)的量比為2∶1,反應時間為2 h的條件下,原料C72-OH可完全轉(zhuǎn)化(表1,Entry 3)。接下來,我們將中間體C72-P與3 equiv.三甲胺(2 mol/L in THF)溶解在乙腈中,在70℃下反應48 h,高產(chǎn)率得到目標產(chǎn)物C72-MPB.用類似方法合成了結構相似的氟碳表面活性劑6:2-MPB(表2),并對比了C72-MPB與6:2-MPB的表面活性性能。
表1第一步反應條件篩選
表2文獻中報道的磷酸膽堿表面活性劑
2.2表面張力測試
分別配制C72-MPB和6:2-MPB水溶液,測試不同濃度下的表面張力,如圖3和表3所示,C72-MPB和6:2-MPB的臨界膠束濃度均為1.1 g/L。然而,兩種表面活性劑在臨界膠束下的表面張力(γcmc)有明顯差距,C72-MPB和6:2-MPB的γcmc分別為17.1 mN/m和22.6 mN/m(圖3)。
圖36:2-MPB和C72-MPB的γ-lg c曲線
表3磷酸膽堿氟表面活性劑的表面活性數(shù)據(jù)
我們將文獻中的氟磷酸膽堿進行對比,如表2所示,6:2-MPB與化合物2、3、4對比,疏水鏈段含氟量越高(2<6:2-MPB<3<4),降低表面張力的能力越強,即γcmc越低。然而,對比化合物4與帶有氟醚疏水鏈段的C72-MPB,發(fā)現(xiàn)化合物4的含氟量大于C72-MPB,但4(γcmc=18.1 mN/m)的γcmc卻大于C72-MPB(γcmc=17.1 mN/m)。含有氟醚鏈段的C72-MPB降低表面張力的能力更強,我們認為氧原子的插入使膠束結構排布發(fā)生改變,是影響表面張力的主要因素。
2.3表面性能的探究
我們進一步探究了C72-MPB與化合物6:2-MPB表面性能的差異,使用Gibbs方程對rcmc的值進行計算,由rcmc進一步計算在cmc處每個分子在空氣~水界面的表面活性劑所占面積,即Amin:
氟磷酸膽堿為兩性表面活性劑,其n值為1,R為氣體常數(shù)(8.314 J?mol-1?K-1),T為絕對溫度,γ和c分別為表面活性劑的表面張力和水溶液濃度。NA是阿伏加德羅常數(shù)(6.022×1023 mol-1)。
結果表明:兩個化合物雖然疏水碳鏈長度相似,但rmax和Amin差異很大。6:2-MPB的Amin與rmax(0.4 nm2,4.5×10-10 mol/cm2)與C72-MPB(1.1 nm2,1.6×10-10 mol/cm2)變化一倍左右,進一步說明氧原子的插入改變了分子在水~空氣界面上的排列方式。因此,兩種含氟鏈段的磷酸膽堿呈現(xiàn)出截然不同的表面活性,因此它們在實際應用中也會各有所長。C72-MPB表現(xiàn)出更強的降低表面張力的能力,因此我們進一步對C72-MPB的泡沫性能進行探究。
2.4泡沫性能的探究
泡沫發(fā)泡性和穩(wěn)定性是表征泡沫性能的重要參數(shù)。我們配制了不同質(zhì)量分數(shù)的C72-MPB水溶液,對其泡沫性能進行測試。
2.4.1泡沫發(fā)泡倍數(shù)的測定
泡沫的發(fā)泡倍數(shù)、泡沫高度、泡沫體積是評價泡沫性能的重要指標。發(fā)泡倍數(shù)α的計算公式為:
其中V1為表面活性劑溶液的最大發(fā)泡體積,V0為表面活性劑溶液的初始體積。
實驗結果表明,1 g/L的C72-MPB和2 g/L的C72-MPB的表面活性劑溶液發(fā)泡倍數(shù)分別為3.3和3.5(見表4),屬于低倍泡沫液,不同濃度下泡沫高度與泡沫體積隨時間變化見圖4a,4b.
表4 C72-MPB的泡沫性能參數(shù)
圖4表面活性劑水溶液中泡沫性能的表征。(a)泡沫高度的比較。(b)泡沫體積比較。(c)表面活性劑中液體含量的比較。(d)平均氣泡面積的比較