CN101450295A - 一种高效两性双子表面活性剂及其合成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高效两性双子表面活性剂及其合成方法。该表面活性剂为N，N’－二甲基羧基甜菜碱，具有如右结构式，本发明具有优良的水溶性、较高的表面活性、良好的协同效应以及其他独特的性能，可广泛用于高性能复合材料，医药，和纺织助剂等各个领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种高效两性双子表面活性剂的合成方法
背景技术
表面活性剂是指一类在很低浓度时就能显著降低水的表面张力的化合物，达到一定浓度后可缔合形成胶团，从而具有润湿或抗粘、乳化或破乳、起泡或消泡以及增溶、分散、洗涤、防腐、抗静电等一系列物理化学作用及相应的实际应用，成为一类灵活多样、用途广泛的精细化工产品。表面活性剂依其结构特性可分为两性表面活性剂、双子表面活性剂和甜菜碱系的表面活性剂。
(1)两性表面活性剂
两性表面活性剂是整个表面活性剂中的一个重要组成部分。两性表面活性剂是指在同一分子结构中有可能同时存在被桥链(碳氢链、碳氟链等)连接的一个或多个正、负电荷中心(或偶极中心)的表面活性剂。换言之两性表面活性剂也可以被定义为具有表面活性的分子残基中同时包含彼此不可被电离的正负电荷中心(或称偶极中心)的表面活性剂。上述定义可以将两性表面活性剂与阴离子或阳离子表面活性剂严格区分开来。
1937年英国最早出现两性表面活性剂的专利报道，1940年杜邦公司首次报道甜菜碱(Betaine)两性表面活性剂。自此，各国开始研究开发包括甜菜碱系在内的两性表面活性剂，尽管这类表面活性剂在表面活性剂中所占比例不大，但其发展速度较快。
(2)双子表面活性剂
近年来，一种新型表面活性剂——双子表面活性剂在化学界引起了人们的广泛关注和研究兴趣.双子(Gemini)表面活性剂是一类新型的表面活性剂，分子中含有两个或两个以上亲水亲油基团。从分子结构上看，双子表面活性剂类似于两个单链表面活性剂分子的聚结。是由两个双亲分子的离子头基经联结基团通过化学键连接而成的，其分子结构顺序为长的碳氢链、离子头基、联结基团、第二个离子头基、第二个碳氢链。双子表面活性剂的亲水基团可以是阳离子、阴离子、非离子和两性离子。该类表面活性剂的联结基团可以是刚性链也可以是柔性链，按联结基团的极性还可以分为极性链和非极性链。
双子表面活性剂的结构特殊，表面活性更高，能有效地降低表面张力，易形成胶束、易溶解、润湿性良好，因而成为研究的热点。甜菜碱型双子表面活性剂是一种目前研究较多的阳离子型双子表面活性剂，对它的合成以及物理化学性能已有深入的研究。但甜菜碱系两性双子表面活性剂在国内外文献中鲜有报道。
(3)甜菜碱系两性双子表面活性剂
甜菜碱(Betaine)无毒，广泛存在于动物、植物和微生物体内，化学名称是羧甲基三甲基铵氢氧化内酯，是一种季铵型水溶性生物碱。它在新陈代谢中起着重要作用，现已广泛应用于医药、日化等领域。作为甜菜中的“有害氮”的主要成分之一，它对酸、碱、热的稳定性很强，以原有的形式转入糖蜜中，再经过色谱分离工艺提取制得。在20世纪40～50年代，它就被确定为一种生物碱，而在70年代才逐渐确认其独特的性质和效能。我国对甜菜碱的应用是从80年代才开始的，其生产方面自1995年以后才有少量化学合成品。而后相继有不少学者对甜菜碱的分离和综合利用做过研究。
甜菜碱的衍生物种类较多，主要有烷基甜菜碱、烷基酰胺甜菜碱、硫酸酯甜菜碱、磺基甜菜碱等类型。徐海涛等探索了烷基酰胺丙基甜菜碱的合成方法。所用原料主要有油脂或其深加工产品(主要使用丙烯腈)、N，N-二甲基-1，3-丙二胺、氯乙酸钠等。丙烯腈与二甲胺反应得N，N-二甲胺基丙腈，经加氢制得N，N-二甲基-1，3-丙二胺，再与不同脂肪酸甲酯缩合得烷基酰胺丙基甜菜碱系列产品。梁志能等采用十二烷基二甲基胺、一氯乙酸和NaOH为原料。反应分两步进行：首先用一氯乙酸与NaOH反应制取一氯乙酸钠，然后加入十二烷基二甲胺继续反应合成十二烷基二甲基甜菜碱(十二烷基二甲基胺乙内酯)。其他的衍生物象磺基甜菜碱等的合成也有报道。
目前甜菜碱系的表面活性剂大多是单链的，双子型的种类很少，而且国外生产的双子表面活性剂价格昂贵，国内开发的双子表面活性剂品种十分有限，使得该类表面活性剂难以得到大规模的推广使用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高效两性双子表面活性剂及其合成方法。该表面活性剂原料价廉易得；合成方法简单、反应条件温和易于控制；容易提纯、分离，效果良好，可增加双子表面活性剂的应用范围，满足不同应用条件对于双子表面活性剂的要求，具有现实意义。
本发明所述高效两性双子表面活性剂是具有如下结构式的N，N’-二甲基羧基甜菜碱：
本发明的合成方法包括以下步骤：
(1)烷基化反应：以强碱NaOH为催化剂，将1～3倍摩尔量的无水乙醇和分别为无水乙醇2～3倍摩尔量的甲胺、1～2倍摩尔量的二溴乙烷于55～60℃的条件下反应10个小时，得到的浅黄色透明液体即N，N’-二甲基乙二胺。
本步骤所涉及的化学反应如下：
(2)中间体的合成：将N，N’-二甲基乙二胺和其2.0～2.5倍摩尔量的溴代十六烷、2倍摩尔量的异丙醇在80～85℃下反应10小时，得到得到N，N’-二甲基二溴代十六烷基乙二胺；
本步骤所涉及的化学反应如下：
(3)目标产物的合成：在N，N’-二甲基二溴代十六烷基乙二胺中加入蒸馏水并加热溶解，升温至70℃～80℃左右，再滴加为N，N’-二甲基二溴代十六烷基乙二胺2倍摩尔量的氯乙酸钠试剂，搅拌并升温至80℃，反应1小时，调节体系pH值在8～9之间，升温至90℃，反应6～7小时，反应结束后减压到50Pa蒸馏即得到白色粉末状固体N，N’-二甲基十六烷基羧基两性双子表面活性剂产物。
本步骤所涉及的化学反应如下：
步骤1)和步骤2)均在在干燥的反应器中进行；步骤3)蒸溜水的用量以能完全溶解掉N，N’-二甲基二溴代十六烷基乙二胺即可。
本发明由于其特殊的二聚结构赋予了双子表面活性剂较相应的传统单头基、单烷烃链表面活性剂更为优越的性能，如高表面活性、低Krafft点和好的水溶性，在降低水的表面张力方面表现出更高的效率与能力，和单体表面活性剂间的复配能产生更强的协同效应和良好的钙皂分散能力，对油的增溶能力强，对皮肤的刺激性小。
附图说明
图1为表面张力与浓度关系图
具体实施方式
实施例1
(1)N，N’-二甲基乙二胺的合成
在DF-1型集热式恒温水浴磁力搅拌器中用铁架台固定一只100ml三口烧瓶，加入18.8g(0.1mol)1，2-二溴乙烷和9.4g(o.3mol)含量30％的甲胺，再加入4.6g(0.1mol)的无水乙醇，使1，2-二溴乙烷、甲胺在无水乙醇中充分混合，在滴液漏斗中加入26.7g(0.67mol)30％的氢氧化钠溶液，将带瓶塞的滴液漏斗安装在圆底烧瓶上并用铁架台固定，开启电源，将搅拌速度调至250转/分，将温度调至40℃，慢慢滴加氢氧化钠溶液，反应20分钟后圆底烧瓶内溶液变成乳白色浑浊液，待氢氧化钠溶液滴加完毕，将温度调至55℃反应8小时，圆底烧瓶内溶液变成浅黄色透明液体。将反应装置改为减压蒸馏装置，蒸馏除去水分和过量甲胺，真空抽滤除去白色溴化钠晶体，再用无水硫酸镁干燥滤液，再次真空抽滤得N，N’-二甲基乙二胺30.2g，产率65％。
(2)中间体的合成
取2.20g(0.025mol)N，N’-二甲基乙二胺置于带有冷凝管、温度计、磁子和滴液漏斗的100ml三口烧瓶中，加入15.27g(0.05mol)十六烷基溴和3.00g(0.05mol)异丙醇，搅拌均匀，在恒压滴液漏斗中加入25ml含量30％的氢氧化钠水溶液，打开磁力搅拌器，控制好搅拌速度。先调节温度在40℃时慢慢滴加氢氧化钠溶液，待氢氧化钠溶液滴加完毕，将温度升至80℃并控温，使温度保持在110℃，加快回流水，反应10小时，结束反应，将装置改为减压精馏装置，先脱尽溶剂异丙醇，得到N，N’-二甲基-二溴代十六烷基乙二胺粗产品，然后在丙醇与乙醇的混合溶剂中(体积比为1:3)重结晶3次，所得结晶置于真空干燥箱中，在55℃条件下干燥10小时，得到N，N’-二甲基二溴代十六烷基乙二胺纯品。
(3)新型高效两性双子表面活性剂的合成
称取9.5g(0.1mol)氯乙酸用100ml容量瓶配成1mol/L的氯乙酸标准溶液，再称取4g(0.1mol)NaOH用100mL容量瓶配成1mol/L的NaOH标准溶液，中和氯乙酸和NaOH的标准溶液配成pH为7的氯乙酸钠溶液。
取14.8g(0.03mol)N，N’-二甲基二溴代十六烷基乙二胺置于100mL三口烧瓶中，加入20ml蒸馏水并加热溶解，搅拌下温度升高至70℃，慢慢滴加预先配制好的氯乙酸钠溶液，滴加完毕后，加快搅拌速度，搅拌均匀后，升温至80℃，反应1小时，调节pH值至8，升温至90℃，反应6小时，结束反应，溶液变成浅黄色透明液体，减压蒸馏得白色粉末状固体N，N’-二甲基十六烷基羧基两性双子表面活性剂粗产物12.0g，粗产物用无水乙醇和乙酸乙(3:1)重结晶3次得较纯产品，将其放置真空干燥箱中50℃干燥5小时，产率达56％。
实施例2
(1)N，N’-二甲基乙二胺的合成
在DF-1型集热式恒温水浴磁力搅拌器中用铁架台固定一只100ml三口烧瓶，加入18.8g(0.1mol)1，2-二溴乙烷和9.4g(0.3mol)含量30％的甲胺，再加入4.6g(0.1mol)的无水乙醇，使1，2-二溴乙烷、甲胺在无水乙醇中充分混合，在滴液漏斗中加入26.7g(0.67mol)含量30％的氢氧化钠溶液，将带瓶塞的滴液漏斗安装在圆底烧瓶上并用铁架台固定，开启电源，将搅拌速度调至合适，将温度调至40℃，慢慢滴加氢氧化钠溶液，反应20分钟后圆底烧瓶内溶液变成乳白色浑浊液，待氢氧化钠溶液滴加完毕，将温度调至60℃反应8小时，圆底烧瓶内溶液变成浅黄色透明液体。将反应装置改为减压蒸馏装置，蒸馏除去水分和过量甲胺，真空抽滤除去白色溴化钠晶体，再用无水硫酸镁干燥滤液，再次真空抽滤得N，N’-二甲基乙二胺30.2g，产率66.2％。
(2)中间体的合成
取2.20g(0.025mol)N，N’-二甲基乙二胺置于带有冷凝管、温度计、磁子和滴液漏斗的100ml三口烧瓶中，加入19.08g(0.0625mol)十六烷基溴和3.00g(0.05mol)异丙醇，搅拌均匀，在恒压滴液漏斗中加入25ml含量30％的氢氧化钠水溶液，打开磁力搅拌器，控制好搅拌速度。先调节温度在40℃时慢慢滴加氢氧化钠溶液，待氢氧化钠溶液滴加完毕，将温度升至85℃并控温，使温度保持在110℃，加快回流水，反应10小时，结束反应，将装置改为减压精馏装置，先脱尽溶剂异丙醇，得到N，N’-二甲基-二溴代十六烷基乙二胺粗产品，然后在丙醇与乙醇的混合溶剂中(体积比为1:3)重结晶3次，所得结晶置于真空干燥箱中，在55℃条件下干燥10小时，得到N，N’-二甲基二溴代十六烷基乙二胺纯品。
(3)新型高效两性双子表面活性剂的合成
称取9.5g(0.1mol)氯乙酸用100ml容量瓶配成1mol/L的氯乙酸标准溶液，再称取8.4g(0.1mol)NaHCO3用100mL容量瓶配成1mol/L的NaHCO3标准溶液，中和氯乙酸和NaHCO3的标准溶液配成pH为7的氯乙酸钠溶液。
取14.8g(0.03mol)N，N’-二甲基二溴代十六烷基乙二胺置于100mL三口烧瓶中，加入20ml蒸馏水并加热溶解，搅拌下温度升高至70℃，慢慢滴加预先配制好的氯乙酸钠溶液，滴加完毕后，加快搅拌速度，搅拌均匀后，升温至80℃，反应1小时，调节pH值至9，升温至90℃，反应7小时，结束反应，溶液变成浅黄色透明液体，减压蒸馏得白色粉末状固体N，N’-二甲基十六烷基羧基两性双子表面活性剂粗产物12.8g，粗产物用无水乙醇和乙酸乙(3:1)重结晶3次得较纯产品，将其放置真空干燥箱中50℃干燥5小时，产率达57.2％。
验证例：表面活性的测定
表面张力的测定方法很多，本发明采用了圈环法。通过表面张力(mN/m)—浓度(g/mL)曲线，可以看出在水中加入少量的本发明所述之甜菜碱型双子两性表面活性剂，引起表面张力急剧下降。但在某一临界浓度之后(溶液的表面吸附即达到饱和)，溶液的表面张力几乎不再随溶液浓度的上升而变化。此时的浓度成为表面活性剂的临界胶束浓度(cmc)，该双子表面活性剂的临界胶束浓度：cmc＝0.04×10-2g·L-1，此时表面张力σ＝38.4mN·m-1。具体测定结果见图1。
Claims (4)
1、一种高效两性双子表面活性剂，其特征在于是具有如下结构式的N，N’-二甲基羧基甜菜碱：
2、权利要求1所述高效两性双子表面活性剂的合成方法，其特征在于包括以下步骤
(1)以强碱NaOH为催化剂，将1～3倍摩尔量的无水乙醇和分别为无水乙醇2～3倍摩尔量的甲胺、1～2倍摩尔量的二溴乙烷于55～60℃的条件下反应10个小时，得到的浅黄色透明液体即N，N’-二甲基乙二胺；
(2)将N，N’-二甲基乙二胺和其2.0～2.5倍摩尔量的溴代十六烷、2倍摩尔量的异丙醇在80～85℃下反应10小时，得到得到N，N’-二甲基二溴代十六烷基乙二胺；
(3)在N，N’-二甲基二溴代十六烷基乙二胺中加入蒸馏水并加热溶解，升温至70℃～80℃，再滴加为N，N’-二甲基二溴代十六烷基乙二胺2倍摩尔量的氯乙酸钠试剂，搅拌并升温至80℃，反应1小时，调节体系pH值在8～9之间，升温至90℃，反应6～7小时，反应结束后减压到50Pa蒸馏即得到白色粉末状固体N，N’-二甲基十六烷基羧基两性双子表面活性剂产物。
3、如权利要求2所述的方法，其特征在于步骤1)和步骤2)均在干燥的反应器中进行。
4、如权利要求2所述的方法，其特征在于步骤3)蒸溜水的用量以能完全溶解掉N，N’-二甲基二溴代十六烷基乙二胺即可。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20090610 |