Введение. Поверхностно-активные вещества, вещества, способные накапливаться (сгущаться) на поверхности соприкосновения двух тел

Поверхностно-активные вещества, вещества, способные накапливаться (сгущаться) на поверхности соприкосновения двух тел, называемой поверхностью раздела фаз, или межфазной поверхностью. На межфазной поверхности ПАВ. образуют слой повышенной концентрации - адсорбционный слой. Любое вещество в виде компонента жидкого раствора или газа (пара) при соответствующих условиях может проявить поверхностную активность, т. е. адсорбироваться под действием межмолекулярных сил на той или иной поверхности понижая её свободную энергию. Однако поверхностно-активными обычно называются лишь те вещества, адсорбция которых из растворов уже при весьма малых концентрациях (десятые и сотые доли %) приводит к резкому снижению поверхностного натяжения.

Типичные ПАВ - органические соединения дифильного строения, т. е. содержащие в молекуле атомные группы, сильно различающиеся по интенсивности взаимодействия с окружающей средой (в наиболее практически важном случае - водой). Так, в молекулах ПАВ имеются один или несколько углеводородных радикалов, составляющих олео-, или липофильную, часть (она же - гидрофобная часть молекулы), и одна или несколько полярных групп - гидрофильная часть. Слабо взаимодействующие с водой олеофильные (гидрофобные) группы определяют стремление молекулы к переходу из водной (полярной) среды в углеводородную (неполярную). Гидрофильные группы, наоборот, удерживают молекулу в полярной среде или, если молекула ПАВ находится в углеводородной жидкости, определяют её стремление к переходу в полярную среду. Таким образом поверхностная активность ПАВ растворённых в неполярных жидкостях, обусловлена гидрофильными группами, а растворённых в воде - гидрофобными радикалами.

Классификация ПАВ по полярным группам

Первая классификация ПАВ основана на заряде полярной группы. Общепринято подразделять ПАВ на анионные, катионные, неионные и цвиттер-ионные. Молекулы ПАВ, входящих в последнюю группу, содержат при обычных условиях оба заряда: анионный и катионный. В литературе они часто называются «амфотерными» ПАВ, но этот термин не всегда корректен и не должен использоваться как синоним термина «цвиттер-ионное» ПАВ. Амфотерное ПАВ — это вещество, которое в зависимости от рН раствора может быть катионным, цвиттер-ионным или анионным. Наглядным примером амфотерных органических веществ служат простые аминокислоты. Подобными свойствами обладает и большинство так называемых цвиттер-ионных ПАВ. Однако некоторые цвиттер-ионные ПАВ сохраняют один из зарядов в широком диапазоне рН, например соединения, в состав которых входит катионная четвертичная аммониевая группа. Таким образом, ПАВ, содержащее карбоксилатную и четвертичную аммониевую группы, будет цвиттер-ионным вплоть до весьма низких значений рН, но не будет амфотерным.

Большинство ионных ПАВ одновалентны, но встречаются и важные представители двухвалентных анионных ПАВ. На физико-химические свойства ионных ПАВ оказывает влияние природа противоиона. В большинстве случаев у анионных ПАВ в качестве противоиона выступает ион натрия, тогда как другие катионы, например ионы лития, калия, кальция или протонированных аминов, используются в таком качестве только для специальных целей. Противоионами для катионных ПАВ обычно служат галогенид-ионы или метилсульфат-ион.

Гидрофобные группы ПАВ обычно представлены углеводородными радикалами, а также полидиметилсилоксановыми или фторуглеродными группами. ПАВ двух последних типов особенно эффективны в неводных средах.

Для небольшого числа ПАВ существует некоторая неопределенность в классификации. Например, ПАВ, содержащие аминоксиды, иногда относят к цвиттер-ионным, иногда к катионным и даже к неионным ПАВ. Заряд молекул этих веществ зависит от рН водной фазы; можно считать, что в нейтральном состоянии они несут анионные и катионные заряды или являются неионными дипольными молекулами. Этоксилированные жирные амины, содержащие атом азота аминогруппы и полиоксиэтиленовую цепь, могут быть включены в класс катионных или неионных ПАВ. Неионный характер таких ПАВ преобладает в случае очень длинных полиокси-этиленовых цепей, в то время как при коротких или средних длинах полиоксиэти-леновых цепей физико-химические свойства, как правило, соответствуют катионным ПАВ. Весьма также распространены ПАВ, содержащие в молекуле анионную группу, например сульфатную, фосфатную или карбоксилатную, и полиоксиэтиленовые цепи. Такие ПАВ, например сульфоэфиры и др., обычно содержат короткие полиоксиэтиленовые цепи, и поэтому всегда рассматриваются как анионные ПАВ.

Анионные ПАВ

Полярными группами в анионных ПАВ обычно служат карбоксилатные, сульфатные, сульфонатные и фосфатные группы. На рис. 1 представлены структуры молекул наиболее распространенных ПАВ этого класса.

Анионные ПАВ используются в значительно больших объемах, чем ПАВ других типов. По приблизительной оценке мировое производство ПАВ составляет 10 млн. т в год, из них 60% приходится на долю анионных ПАВ.

Рис. 1. Структуры некоторых типичных анионных ПАВ

Главная причина популярности этих ПАВ — простота и низкая стоимость производства. Анионные ПАВ входят в состав большинства моющих средств, причем наилучшим моющим действием обладают ПАВ с алкильными или алкиларильными группами, содержащими в гидрофобной цепи 12-18 атомов углерода.

В качестве противоионов обычно выступают ионы Na⁺, К⁺, NH4⁺, Са²⁺ и различные протонированные алкиламины. Ионы натрия и калия усиливают растворимость ПАВ в воде, в то время как ионы кальция и магния способствуют увеличению растворимости ПАВ в масляной фазе. Протонированные амины и алканоламины обеспечивают растворимость ПАВ в обеих фазах.

Мыла также составляют огромный класс ПАВ. Они производятся путем омыления природных масел и жиров. Обычно мылами называют соли щелочных металлов карбоновых кислот, получаемых из животных жиров или растительных масел. Твердые мыла, как правило, содержат жирные кислоты, которые получают из таллового, пальмового и кокосового масел. При использовании в оптимальных условиях мыла являются идеальными ПАВ. Главный их недостаток — чувствительность к жесткой воде, что и определило необходимость создания синтетических ПАВ. Весьма специфическое применение находит литиевая соль жирной кислоты, а именно 12-гидроксистеарат лития, который используется в качестве основного компонента смазок.

Алкилбензолсульфонаты составляют группу синтетических ПАВ, которые принято считать основными «рабочими лошадками». Они широко используются в моющих средствах бытового назначения, а также в самых разных областях промышленности. Их получают в процессе сульфирования алкилбензолов. В крупномасштабном синтезе в качестве сульфирующего агента чаще всего используется триоксид серы, но возможно использование и других веществ например серной кислоты, олеума, хлорсульфоновой, или амидосульфоновой кислот. В ряде случаев они оказываются даже более предпочтительными. Промышленный синтез осуществляется в непрерывном процессе с использованием пленочного аппарата со свободно стекающей пленкой. На первой стадии процесса образуется пиросульфоновая кислота, которая медленно и самопроизвольно реагирует далее, образуя сульфоновую кислоту.

Затем сульфокислоту нейтрализуют каустической содой, при этом образуется соль алкилбензолсульфоната. Из-за большого объема алкильных заместителей образуются почти исключительно и-сульфокислоты. На представленной выше схеме R — это алкильная группа, обычно содержащая 12 атомов углерода. Первоначально в качестве промежуточного продукта при синтезе ПАВ использовались разветвленные алкилбензолы, но в настоящее время они почти полностью заменены на линейные производные, поэтому такие ПАВ называют линейными алкилбензолсульфонатами. Отказ от разветвленных производных и замена их на линейные обусловлены главным образом их более быстрой биодеградацией. Алкилбензолы в свою очередь получают алкилированием бензола н-алкенами или алкилхлоридами при использовании HF или AICI3 в качестве катализаторов. В результате реакции образуется смесь изомеров с фенильной группой, присоединенной к одному из неконцевых положений в алкильной цепи.

Другим типом сульфонатных ПАВ, применяемых в составе моющих средств, являются сульфонаты парафинов и а-олефинов, последние часто называют AOS. В общих случаях получаемые ПАВ представляют собой сложные смеси веществ, различающихся по физико-химическим свойствам. Сульфонаты парафинов, или вторичные сульфонаты н-алканов, в основном производят в Европе. Их получают, как правило, сульфоокислением парафиновых углеводородов диоксидом серы и кислородом при облучении ультрафиолетовым светом. В более старом процессе, который, однако, еще используется, сульфонаты парафинов получают по реакции сульфохлорирования. Оба процесса относятся к радикальным реакциям, а так как вторичные атомы углерода образуют более стабильные свободные радикалы, чем первичные атомы углерода, сульфогруппа вводится статистически к любому неконцевому атому углерода алкановой цепи. Смесь углеводородов С₁₄-С₁₇, иногда называемая «Евро-фракция», является наиболее распространенным гидрофобным сырьем, а конечные продукты в этом случае представлены очень сложными смесями изомеров и гомологов.

Сульфонаты а-олефинов получают по реакции линейных а-олефинов с три-оксидом серы; в результате получается смесь алкенсульфонатов, 3- и 4-гидроксиалкансульфонатов и некоторого количества дисульфонатов и других веществ. В качестве исходного сырья используют в основном две оле-финовые фракции: С₁₂-С₁₆ и С₁₆-С₁₈. Отношение алкенсульфонатов к гидро-ксиалкансульфонатам в некоторой степени регулируется соотношением количеств вводимых в реакционную смесь SO₃ и олефинов: чем выше это соотношение, тем больше образуется алкенсульфоновой кислоты. Образование гидроксиалкансульфокислоты происходит через промежуточный циклический сультон, который затем расщепляется щелочью. Сультон токсичен, поэтому важно, чтобы его концентрация в конечном продукте была очень низкой. Схему получения можно записать следующим образом:

Дисульфосукцинат натрия — алкилсульфонатное ПАВ, широко используемое в исследованиях химии поверхных явлений. Это ПАВ благодаря объемной гидрофобной группе особенно удобно для получения микроэмульсий «вода в масле».

Изетионатные ПАВ с общей формулой R-COOC^C^SO^Na* являются сложными эфирами жирных кислот и соли изетионовой кислоты. Они относятся к наиболее мягким ПАВ и применяются в косметических рецептурах.

Сульфонатные ПАВ, получаемые сульфированием лигнина, нефтяных фракций, алкилнафталинов или других дешевых углеводородных фракций, находят широкое промышленное применение в качестве диспергаторов, эмульгаторов, деэмульгаторов, пеногасителей, смачивателей и т. д.

Сульфированные сирты и этоксилированные спирты составляют другую важную группу анионных ПАВ, нашедших широкое применение в моющих средствах. Это моноэфиры серной кислоты, в которых сложноэфирная связь очень лабильна и относительно легко разрывается при низких рН в результате автокаталитического гидролиза. В качестве сырья для этого типа ПАВ используют линейные и разветвленные спирты с числом атомов углерода от 8 до 16. При использовании линейного спирта с 12 атомами углерода получают додециловый эфир серной кислоты, а после нейтрализации каустической содой образуется додецилсульфат натрия — наиболее важное ПАВ такого типа. Этоксилированные спирты, обычно используемые в качестве промежуточных продуктов, представляют собой алифатические спирты с двумя или тремя оксиэтиленовыми звеньями. Процесс аналогичен рассмотренному выше сульфированию. В промышленном производстве в качестве реагента используют триоксид серы,

и аналогично сульфированию реакция протекает через стадию образования в качестве промежуточного продукта пиросульфата:

Синтез сульфатных эфиров этоксилированных спиртов проводят подобным образом. Реакция обычно сопровождается образованием заметного количества 1, 4-диоксана. Поскольку диоксан токсичен, от него необходимо освобождаться перегонкой. Такие ПАВ обычно называют этоксилированными алкилсульфатами. Они обладают хорошими пенообразующими свойствами, малотоксичны по отношению к коже и глазам и поэтому находят применение в составах моющих средств для посуды и шампуней.

Этоксилированные спирты можно превращать в карбоксилаты, т. е. этоксилированные алкилкарбоксилаты. Традиционно это делали с использованием монохлорацетата натрия:

Реакция Вильямсона обычно протекает с небольшим выходом. Более новые методы синтеза основаны на окислении этоксилированных спиртов кислородом или пероксидом водорода в щелочной среде с использованием в качестве катализатора платины или палладия. В этой реакции с хорошим выходом происходит конверсия этоксилатов, но возможна также окислительная деградация полиоксиэтиленовой цепи. Этоксилированные алкилкарбоксилаты применяются при производстве продуктов личной гигиены или в качестве ко-ПАВ в составах различных жидких моющих средств. Подобно этоксилированным алкилсульфатам, этоксилированные алкилкарбоксилаты устойчивы в очень жесткой воде. ПАВ обоих типов обладают также хорошей способностью к диспергированию кальциевых мыл, что очень важно для ПАВ, входящих в состав средств личной гигиены. Способность диспергировать кальциевые мыла обычно выражают как количество ПАВ, которое требуется для диспергирования кальциевого мыла, полученного из 100 г олета натрия в воде с жесткостью, эквивалентной 0, 0333% СаСОз.

Важнейшие сведения об анионных ПАВ

1. Анионные ПАВ — самый распространенный класс ПАВ.

2. Обычно анионные ПАВ несовместимы с катионными ПАВ.

3. Они чувствительны к жесткой воде, причем чувствительность уменьшается в ряду карбоксилаты > фосфаты > сульфаты «сульфонаты.

4. Введение короткой полиоксиэтиленовой цепи между анионной группой и углеводородным радикалом значительно увеличивает устойчивость анионных ПАВ к солям.

5. Введение короткой полиоксипропиленовой цепи между анионной группой и углеводородным радикалом увеличивает растворимость ПАВ в органических средах, но одновременно может приводить к уменьшению скорости биоразложения ПАВ.

6. Сульфатные ПАВ в результате автокаталитического гидролиза быстро гидролизуются в кислых средах. ПАВ других типов устойчивы в не слишком жестких условиях.

Все коммерческие фосфатные ПАВ содержат сложные моно- и диэфиры фосфорной кислоты, причем относительное содержание этих компонентов широко варьируется в зависимости от производителя. Поскольку физико-химические свойства алкилфосфатных ПАВ зависят от соотношения различных эфиров, алкилфосфаты от разных производителей менее взаимозаменяемы, нежели ПАВ других типов. В качестве фосфорилирующего агента для производства алкилфосфатных ПАВ можно использовать оксихлорид фосфора POCI₃. В этом случае также образуется смесь моно- и диэфиров фосфорной кислоты.

Неионные ПАВ

Неионные ПАВ в качестве полярных групп содержат либо полиэфирные, либо полигидроксильные фрагменты. В подавляющем большинстве неионных ПАВ присутсвуют оксиэтиленовые группы, получаемые полимеризацией этиленоксида. Наиболее распространены ПАВ с числом оксиэтиленовых звеньев в полярной цепи от 5 до 10, но некоторые ПАВ, например диспергаторы, часто содержат более длинные оксиэтиленовые цепи. Этоксилирование обычно проводят в щелочных средах. Этоксилировать можно любое вещество, содержащее активный водород. Обычно в качестве исходных веществ для получения оксиэтиленовых НПАВ служат алифатические спирты, алкилфенолы, жирные кислоты и алифатические амины. Сложные эфиры, например триглицеридные масла, можно этоксилировать в процессе, в котором в одном реакторе протекает щелочной гидролиз сложноэфирной связи с последующим этоксилированием образовавшихся кислоты и спирта и их частичной конденсацией. Этоксилированное касторовое масло, используемое в кормах для животных, является важным примером ПАВ, основанных на триглицеридах.

Примерами полигидроксильных ПАВ служат сложные эфиры сахарозы и сорбита, алкилглюкозиды и полиглицериды. Последние на самом деле являются комбинацией ПАВ, производных многоатомных спиртов и полиэфиров. ПАВ на основе многоатомных спиртов можно этоксилировать. Наиболее известные примеры — эфиры жирных кислот и сорбита и соответствующие этоксилированные продукты. Пятичленное кольцо структуры сорбитана образуется при дегидратации сорбита в процессе производства. ПАВ на основе сорбитана можно употреблять в пищу, поэтому они широко используются в производстве пищевых продуктов и лекарственных веществ. Ацетиленовые гликоли — это ПАВ, содержащие локализованную в центре ацетиленовую связь и гидроксильные группы у соседних атомов углерода. Такие вещества составляют особую группу гидроксильных ПАВ, применяемых в качестве антивспенивателей, особенно при производстве покрытий.

На рис. 2 представлены структуры молекул наиболее распространенных неионных ПАВ. Как будет показано ниже, ПАВ на основе оксиэтилена, представлены широким спектром соединений, гораздо более широким, чем ПАВ других классов. Этоксилаты жирных кислот дают особенно сложные смеси с высоким содержанием побочных продуктов. Наиболее важным типом неионных ПАВ являются этоксилированные алифатические спирты. Они используются в составе жидких и порошкообразных моющих средств и широко применяются в промышленности. В частности, они используются в качестве стабилизаторов эмульсий типа «масло в воде». Этоксилированные спирты можно считать устойчивыми к гидролизу в широком диапазоне рН: от 3 до 11. Они медленно окисляются на воздухе, причем продукты окисления в большей степени раздражают кожу, чем исходные ПАВ. В данной книге этоксилированные жирные спирты обозначены как С_тЕ_п, где т — число атомов углерода в алкильной цепи спирта, а п — число оксиэтиленовых звеньев в молекуле ПАВ. Некоторые общие и наиболее важные свойства неионных ПАВ приведены в табл. 1.

Таблица 1. Важнейшие сведения о неионных ПАВ

Рис. 2. Структуры некоторых типичных неионных ПАВ

В этоксилированные ПАВ можно вводить с большой точностью заданное количество оксиэтиленовых групп, пришитых к конкретному гидрофобному остатку, например к остатку алифатического спирта. Тем не менее процесс заканчивается образованием продуктов с широким распределением по длине цепи. Если все гидроксильные группы исходного спирта и образующихся гликолевых эфиров обладают одинаковой реакционной способностью, получается набор олигомеров, подчиняющийся распределению Пуассона. Так как исходный спирт несколько менее кислый, чем образующиеся гликолевые эфиры, его депротонирование менее выгодно, поэтому меньше вероятность взаимодействия с этиленоксидом.

Рис. 3. Этоксилирование жирных спиртов, катализируемое основаниями

В результате в реакционной смеси остается значительное количество непрореагировавшего спирта наряду с продуктами реакции, содержащими большее число оксиэтиленовых групп. Немало усилий исследователей было потрачено на разработку способов получения продукта с более узким распределением гомологов. На распределение продуктов влияет также выбор катализатора этоксилирования. Использование гидроксидов щелочноземельных металлов, например Ва₂ и Sr₂, приводит к получению продуктов с гораздо более узким распределением, чем при использовании КОН, по-видимому, благодаря механизму координации. Использование льюисовских кислот, например SnCU и BF₃, также позволяет получать этоксилированные ПАВ с более узким распределением. Однако этоксилирование в кислой среде имеет существенный недостаток: в качестве побочного продукта в больших количествах образуется 1, 4-диоксан. На рис. 4 представлено распределение по гомологам этоксилированного спирта при использовании в качестве катализаторов КОН, льюисовской кислоты и гидроксида стронция.

Рис. 4. Типичные распределения гомологов для продуктов реакции жирного спирта с 4 моль этиленоксида в присутствии различных катализаторов

Этоксилаты с узким гомологическим распределением занимают всё большую долю рынка. Преимущества таких этоксилатов несомненны.

1) Низкое содержание свободного спирта уменьшает запах и вероятность возникновения «оперения» во время сушки распылением.

2) Низкое содержание гомологов с малым числом оксиэтиленовых звеньев повышает растворимость НПАВ, уменьшение доли в смеси высокоэтоксилиро-ванных гомологов снижает вязкость растворов НПАВ.

3) Низкое содержание алкилсульфатов в эфирах алкилсульфатов снижает раздражающее воздействие ПАВ на кожу.

Как видно из табл. 1, неионные ПАВ, содержащие полиоксиэтиленовые цепи, обладают обратной зависимостью растворимости в воде от температуры. При повышении температуры система разделяется на две фазы. Температура, при которой это происходит, называется температурой помутнения, поскольку раствор становится мутным. Температура помутнения зависит от длины гидрофобной части и числа оксиэтиленовых групп в молекулах ПАВ и может быть определена с большой точностью. При производстве полиоксиэтиленовых ПАВ определение точки помутнения используют для контроля степени этоксилирования. Поскольку мутность системы может варьироваться с увеличением концентрации ПАВ, в стандартном тест-методе точку помутнения определяют при нагревании 1%-ного водного раствора НПАВ выше температуры помутнения и затем регистрируют температуру просветления раствора при медленном охлаждении образца. ПАВ с длинными полиоксиэтиленовыми цепями могут иметь точку помутнения выше 100°С. В последние годы резко возрос интерес к этоксилированным метиловым эфирам жирных кислот, которые получают из соответствующего метилового эфира, проводя процесс этоксилирования с использованием специального катализатора, например гидротальцита. Этоксилаты метиловых эфиров обладают рядом преимуществ по сравнению с этоксилированными спиртами, поскольку они более растворимы в воде. ПАВ, сочетающие высокую растворимость в воде с высокой поверхностной активностью, необходимы в самых разнообразных композициях.

Катионные ПАВ

Большинство катионных ПАВ содержат атом азота, несущий положительный заряд, т. е. относятся к аминам или четвертичным аммониевым соединениям. Амины проявляют свойства ПАВ только в протонированном состоянии; поэтому их нельзя использовать при высоких рН. Напротив, четвертичные аммониевые соединения нечувствительны к изменениям рН. Амины также более чувствительны к действию многозарядных анионов. Как уже упоминалось, этоксилированные амины обладают свойствами неионных и катионных ПАВ, и чем длиннее оксиэтиленовая цепь, тем больше у таких соединений выражены свойства неионных ПАВ.

На рис. 5. приведены некоторые типичные катионные ПАВ. Четвертичные аммонивые соединения со сложноэфирными группами представляют собой новый класс экологически безопасных ПАВ, вытесняющий соответствующие ди-алкильные производные в процессах мягчения тканей.

Рис. 5. Структуры некоторых типичных катионных ПАВ

Синтез неэфирных четвертичных аммониевых ПАВ проходит через образование нитрильных соединений. Жирная кислота реагирует с аммиаком при повышенной температуре, давая соответствующий нитрил. Эта реакция проходит через стадию образования промежуточного амида. Нитрил затем гидрируется до первичного амина в присутствии катализатора:

Вторичные амины получают либо непосредственно из нитрила, либо в две стадии из первичного амина. В одностадийном процессе, который проходит, по-видимому, через образование промежуточного имина, аммиак для облегчения образования вторичного амина постоянно удаляют из реакционной смеси:

Первичные амины с помощью цианоэтилирования превращают в длинноцепочечные 1, 3-диамины:

Первичные или вторичные длинноцепочечные амины можно метилировать и превращать в третичные амины, например по реакции с формальдегидом в восстановительных условиях:

В качестве алкилирующего агента для превращения первичных и вторичных аминов в третичные амины типа R-CH2N2 и 2NCH₂CH₂OH можно также использовать этиленоксид.

Четвертичные аммонивые соединения обычно получают из третичных аминов по реакции с подходящим алкилирующим агентом, например с хлористым или бромистым метилом или диметилсульфатом, причем выбор реагента определяет противоион ПАВ:

Четвертичные аммониевые ПАВ, содержащие сложноэфирные группы, получают этерификацией жирной кислоты аминоспиртом с последующим N-алкилированием, как указано выше. В качестве примера приведена реакция триэтаноламина, взятого в качестве аминоспирта, и диметилсульфата в качестве метилирующего агента:

Азотсодержащие соединения составляют основную массу катионных ПАВ. Но существуют также фосфониевые, сульфониевые и сульфоксониевыые ПАВ. Первые два типа ПАВ получают обработкой триалкилфосфина или диалкилсульфида соответственно алкилхлоридом, как показано ниже для синтеза фосфониего ПАВ:

Сульфоксониевые ПАВ получают окислением пероксидом водорода сульфониевой соли. Промышленное использование неазотных катионных ПАВ невелико, поскольку эти вещества редко обладают преимуществами по сравнению с более дешевыми азотсодержащими ПАВ. Фосфониевые ПАВ с одной достаточно длинной алкильной цепью и тремя метальными группами нашли применение в качестве биоцидов.

Большинство поверхностей — металлы, минералы, пластики, волокна, клеточные мембраны и т. д. — заряжены отрицательно. Главное использование катионных ПАВ связано с их способностью адсорбироваться на отрицательно заряженных поверхностях. Некоторые примеры приведены в табл. 3, а наиболее важные характеристики катионных ПАВ — в табл. 2.

Таблица 2. Основные характеристики катионных ПАВ

Таблица 3. Применение катионных ПАВ, обусловленное их адсорбцией на поверхностях

Цвиттер-ионные ПАВ

Цвиттер-ионные ПАВ содержат в молекулах две противоположно заряженные группы. Положительный заряд почти всегда обеспечивается аммониевой группой, а отрицательно заряженные группы могут быть разные; чаще всего отрицательный заряд обеспечивает карбоксилат-ион. Такие ПАВ нередко относят к амфотерным, но, как отмечалось выше, эти термины не идентичны. Заряды амфотерного ПАВ изменяются в зависимости от рН, при этом при переходе от кислых к щелочным рН изменяется тип ПАВ от катионного через цвиттер-ионное до анионного. Ни кислотные, ни основные группы не несут постоянного заряда и цвиттер-ионом такое ПАВ становится только в определенном интервале рН.

Изменение заряда с изменением рН амфотерного ПАВ, естественно, влияет на такие его свойства, как пенообразующая и смачивающая способности, моющее действие, т. е. главные свойства ПАВ оказываются зависимыми от рН. В изоэлектрической точке физико-химические свойства таких ПАВ аналогичны свойствам неионных ПАВ. Ниже и выше изоэлектрической точки происходит постепенный сдвиг к катионному или анионному характеру ПАВ соответственно. ПАВ с сульфатными или сульфонатными группами, обеспечивающими отрицательный заряд молекул, остаются цвиттер-ионными до очень низких значений рН вследствие очень низких значений рК_а моноалкилсерной и алкилсульфоновой кислот.

Типичными представителями цвиттер-ионных ПАВ являются N-алкилпро-изводные простых аминокислот, бетаина ₂NCH₂COOH), аминопропионовой кислоты). Такие ПАВ получают не из аминокислот, а по реакции длинноцепочечных аминов с хлорацетатом натрия или с производными акриловой кислоты, при этом образуются структуры с одним или двумя атомами углерода соответственно между азотом и карбоксилатной группой. В качестве примера ниже приведена схема реакции получения типичного ПАВ — производного бетаина из алкилдиметил-амина и монохлорацетата натрия:

Производные амидобетаина получают аналогично, исходя из амидоамина.

Другой тип цвиттер-ионных ПАВ, обычно называемых имидазолинами, синтезируют по реакции жирной кислоты с аминоэтилэтаноламином с последующей обработкой хлорацетатом. Номенклатура ПАВ этого типа оказалась немного запутанной, поскольку полагали, что конечный продукт содержит имидазольное кольцо, но позже было установлено, что пятичленное кольцо разрывается на второй стадии синтеза. Типичная последовательность реакций такова:

Цивиттер-ионные ПАВ характеризуются очень хорошими дерматологическими свойствами, не раздражают глаза и поэтому часто используются в составе шампуней и косметических средств. Поскольку суммарный заряд молекул таких ПАВ равен нулю, они, как и неионные ПАВ, не теряют своих свойств в композициях с высоким содержанием электролита. Традиционно цвиттер-ионные ПАВ используются в составе щелочных чистящих средств. На рис. 6 даны примеры типичных цвиттерионных ПАВ, а в табл.4 обобщена основная информация о ПАВ этого класса. Как уже упоминалось, аминоксидные ПАВ, или, правильнее, N-оксиды третичных аминов, относят иногда к цвиттер-ионным, иногда к неионным, а иногда к катионным ПАВ. Формально они имеют разделенные заряды на атомах азота и кислорода и обычно ведут себя как неэлектролиты, но при низких рН или в присутствии анионного ПАВ они принимают протон с образованием сопряженной катионной кислоты. 1: 1-Валентная соль образуется между анионным ПАВ и протонированным аминоксидом; такие соли обладают высокой поверхностной активностью. Оксиды аминов получают окислением пероксидом водорода соответствующего третичного амина.

Рис. 6. Структуры некоторых типичных цвиттерионных ПАВ

Таблица 4

Адсорбция поверхностно-активных веществ на межфазных границах

Поверхностно-активные вещества характеризуются ярко выраженной способностью адсорбироваться на поверхностях и на межфазных границах. Термин «межфазная граница» принято относить к границе между двумя несмешивающимися фазами, термин «поверхность» указывает на то, что одной из фаз является газ, как правило, — воздух. Таким образом, существует пять различных межфазных границ:

твердое тело - пар

твердое тело - жидкость

твердое тело - твердое тело

жидкость - жидкость

Движущей силой адсорбции ПАВ на поверхностях и на межфазных границах является снижение свободной энергии границы раздела фаз. Межфазная свободная энергия, отнесенная к единице площади, равна работе, которую необходимо совершить для увеличения поверхности. Вместо термина «межфазная свободная энергия на единицу площади» часто используют термин «межфазное натяжение». Так, поверхностное натяжение воды эквивалентно удельной свободной энергии границы между водой и воздухом. Если поверхность покрыта молекулами ПАВ, поверхностное натяжение уменьшается. Чем плотнее упаковка молекул ПАВ на поверхности, тем больше снижение поверхностного натяжения.

Поверхностно-активное вещество способно снижать поверхностное или межфазное натяжение до определенного предела. Обычно этот предел достигается, когда в растворе начинается мицеллообразование.

Природные ПАВ

К ПАВ природного происхождения прежде всего относятся полярные липиды. Они широко распространены в живых организмах. В биологических системах поверхностно-активные вещества выполняют по сути те же функции, что и синтетические ПАВ в технических системах.

Так, например, они помогают организму преодолеть проблему растворимости малорастворимых веществ, являются эмульгаторами и диспергаторами, а также модификаторами поверхности и т. д. Можно привести много интересных примеров, характеризующих роль ПАВ в биологических системах. Так, соли желчных кислот являются чрезвычайно эффективными солюбилизаторами гидрофобных компонентов крови смеси

Рис. 7. Примеры полярных липидов

фосфолипидов упаковываются в упорядоченные бислои по типу жидких кристаллов ПАВ и из таких структур состоят клеточные мембраны. На рис. 7 приведены примеры наиболее распространенных полярных липидов. Ярким примером природного ПАВ, которое непосредственно, без химических процедур, получают из природных источников, является лецитин. Лецитин экстрагируется из источников, богатых фосфолипидами.

Некоторые микроорганизмы эффективно продуцируют природные ПАВ. Можно получать с хорошими выходами как высокомолекулярные поверхностно-активные компоненты, например липополисахариды, так и низкомолекулярные полярные липиды, особенно если микроорганизмы культивируются на водонерастворимом субстрате. Уже потрачено немало усилий на улучшение существующих процессов ферментации и на разработку новых способов культивирования микроорганизмов. Несмотря на достигнутый прогресс, коммерческое использование подобных ПАВ все еще ограниченно из-за их высокой стоимости.

Дерматологическое действие ПАВ

Дерматологическое воздействие ПАВ порождает серьезные проблемы и является объектом многих современных исследований. Основные дерматологические проблемы в рабочих условиях связаны с контактом незащищенной кожи с растворами ПАВ, которые используются в качестве разнообразных чистящих средств, а также жидкостей для резки, масляных эмульсий для прокатки и т.д. Обычно эффект сводится к раздражению кожи различной тяжести, реже возникают аллергические реакции. Раздражение кожи вызывается непосредственным воздействием ПАВ, а аллергические реакции активируются побочными продуктами, присутствующими в композициях ПАВ. Хорошо известным примером тяжелой аллергической реакции является так называемая «маргариновая болезнь», обнаруженная в Нидерландах в 1960-х гг. Было установлено, что эту болезнь вызывает побочный продукт, обнаруженный в новом ПАВ, которое добавляли в маргариновые продукты для уменьшения разбрызгивания при жарке. Это ПАВ позволяет сохранять капельки воды в тонкодисперсном состоянии. Сенсибилизирующим агентом в составе ПАВ оказалось вещество с ярко выраженными электрофильными свойствами. При реакции с нуклеофильными группами белков происходит их денатурация, и организм воспринимает это вещество как чужеродный антиген. ПАВ, использованное в производстве маргарина, содержало заметное количество непрореагировавшего промежуточного продукта, в котором при попадании в организм, по-видимому, происходило раскрытие цикла при взаимодействии с аминными или тиоловыми группами белков.

Физиологическое действие ПАВ на кожу исследуется различными дерматологическими и биофизическими методами, начиная с поверхности кожи и рогового слоя с его защитными функциями до более глубокого слоя базальных клеток. Индивидуальная чувствительность или восприимчивость кожи регистрируется по осязательным ощущениям и опыту. К числу ПАВ, мягких по отношению к коже, относятся ПАВ на основе многоатомных спиртов, цвиттер-ионные ПАВ и изетионаты. Эти ПАВ часто используют в косметических средствах.

Так как увеличение длины цепи гидрофобного «хвоста» ПАВ приводит к возрастанию его поверхностной активности и к уменьшению ККМ, т. е. к уменьшению молекулярно растворенного ПАВ, при определенной длине углеводородной цепи в гомологическом ряду появляется экстремум.

Схематическое изображение молекулы поверхностно-активного вещества

К сравнительно мягким ПАВ относятся этоксилаты спиртов, но они уступают по мягкости воздействия на кожу неионным ПАВ на основе многоатомных спиртов, например алкилглюкозидам. Исследования последних лет показали, что дерматологические эффекты этоксилатов спиртов вызываются не самим ПАВ, а продуктами его окисления, происходящего в процессе хранения.

Анионные ПАВ, как правило, в большей степени воздействуют на кожу, чем НПАВ. Так, додецилсульфат натрия, используемый в составе некоторых средств личной гигиены, обладает относительно высокой токсичностью по отношению к коже. Простые эфиры алкилсульфатов.

Влияние ПАВ на кожу часто определяют, используя тест с модифицированной камерой Дюринга. На рис. 7 приведены типичные результаты такого теста для додецилсульфата натрия, децилглюкозида и их смеси. Раздражающее действие на кожу уменьшается практически линейно с увеличением в смеси глюкозидного ПАВ. В других случаях уже небольшие добавки мягкого ПАВ могут вызывать весьма существенное улучшение дерматологических свойств композиций: такой синергетический эффект, возможно, связан с сильным снижением ККМ композиции из-за образования смешанных мицелл.

Рис. 7. Тест на величину относительного раздражающего действия.

Измерения проведены с помощью модифицированной камеры Дюринга. С разрешения Wiley-VCH групп бетаинового ПАВ, превращающегося в катионное ПАВ с последующей упаковкой в смешанные мицеллы с анионными ПАВ. Таким образом, выигрыш в энергии образования смешанных мицелл приводит к протони-рованию карбоксильной группы бетаинового ПАВ уже при значениях рН, много больших рАГ_а.

Воздействие ПАВ на окружающую среду

Несмотря на то, что беспокойство о влиянии ПАВ на окружающую среду было законодательно оформлено более 20 лет назад, только совсем недавно этот фактор стал основным требованием, определяющим возможность использования ПАВ в различных композициях. Огромное количество ПАВ, использующихся в быту и промышленности, переходит в сточные воды. Скорость биодеградации в заводских отстойниках сточных вод определяет объем ПАВ, попадающих в окружающую среду. Два параметра — скорость биодеградации и степень токсичности в водной среде — определяют потенциальное влияние ПАВ на окружающую среду. Организацией экономического сотрудничества и развития разработаны правила и директивы, касающиеся

• токсичности по отношению к водоемам

• биоразлагаемости

• биоаккумулирования

Токсичность по отношению к водоемам

Токсичность в водной среде измеряется на рыбах, дафниях или водорослях. Токсичность выражается как LC50 или ЕС50, где LC и ЕС — летальные и эффективные концентрации ПАВ соответственно. Значения концентраций ПАВ ниже 1 мг/л, приводящие за 96 ч к гибели половины особей при проведении теста на рыбах и водорослях и в течение 48-часового теста на дафниях, указывают на токсичность ПАВ в водной среде. Экологически безопасные ПАВ должны иметь соответствующие значения выше 10 мг/ л.

Биоразлагаемость

Биоразложение — это процесс, выполняемый в природе бактериями. В результате серий ферментативных реакций молекула ПАВ в итоге превращается в диоксид углерода, воду и оксиды других элементов. Если продукт не подвержен естественному биоразложению, он устойчив и накапливается в окружающей среде. Скорость биоразложения зависит от типа ПАВ и колеблется от 1-2 часов для жирных кислот и 1-2 дней для линейных алкил бензол сульфонатов до нескольких месяцев для разветвленных алкилбензолсульфонатов.

При определении биодеградации ПАВ необходимо помнить, что скорость зависит от многих факторов: концентрации ПАВ, рН раствора и температуры. Особенно сильное влияние оказывает температура. Скорости распада химических веществ в заводских отстойниках сточных вод различаются в Северной Европе в зависимости от времени года почти в пять раз.

Для определения биодеградации важны два критерия: первичное разложение и конечные продукты. Первичное разложение поверхностно-активного вещества связано с потерей поверхностной активности.

С экологической точки зрения важнее конечные продукты биоразложения. Существует множество методов для проведения тестов на способность к биоразложению. Среди них самым популярным оказался модифицированный тест Штурма. В этом тесте определяют превращение ПАВ в диоксид углерода во времени. Определение выполняют в закрытых сосудах, в которые вводят осадок из сточных вод заводского отстойника. В одну серию сосудов вводят ПАВ, другая серия остается без ПАВ. Измеряют количество выделяющегося газа в зависимости от времени. Различие, регистрируемое в этих двух сериях, позволяет оценить биоразложение ПАВ. Для большинства ПАВ обнаружен индукционный период биоразложения, за которым следует крутой подъем кривой выделения газа, после чего зависимость выходит на плато.

Маркировка ПАВ

Согласно рекомендациям Организации экономического сотрудничества и развития, маркировка ПАВ должна включать значения токсичности в водной среде и биоразлагаемости. Рис. 8 иллюстрирует эту процедуру. Свойства основаны на биоразлагаемости и токсичности в водной

Рис. 8. Экологическая классификация ПАВ

среде. Заштрихованные области диаграммы соответствуют допустимым значениям экологических показателей, большинство обычно используемых в настоящее время ПАВ лежат в пограничной области. Отсюда понятно стремление исследователей к замене их компонентами, свойства которых позволили бы веществам расположиться на этой диаграмме «выше и правее».

Тесты на токсичность для водной среды, на биоразлагаемость и биоаккумулирование, несомненно, дают полную картину воздействия ПАВ на окружающую среду.

Защита окружающей среды как стимул поиска новых безопасных поверхностно-активных веществ

Все основные виды ПАВ существуют вокруг нас десятилетия. Способы их производства оптимизированы, а физико-химические свойства относительно хорошо изучены. Наряду с постоянной задачей поиска путей удешевления производства существующих ПАВ, на развитие химии ПАВ в последние годы оказывает влияние рынок со все возрастающим спросом на «зеленые» продукты. Сегодня можно отметить две отчетливые тенденции в исследованиях, направленных на синтез новых ПАВ: 1) синтез ПАВ из природных строительных блоков, 2) синтез ПАВ с разрушающимися связями. Ниже мы кратко рассмотрим, как развивается производство ПАВ из природных строительных блоков.