tổng hợp, ðặc tính và khả nãng hoạt ðộng bề mặt của chất hoạt ðộng bề mặt amoni bậc bốn có chứa nhóm hydroxyethyl

Mục lục Tóm tắt Một loạt muối amoni bậc bốn chứa nhóm hydroxyethyl tổng hợp từ mono-, di-, tri-alkyl amin bậc 3, axit clohyđric ethylene oxit trình gồm hai bước với điều kiện phản ứng nhẹ Cấu trúc muối amoni bậc bốn với phổ hồng ngoại phổ cộng hưởng từ hạt nhân đặc trưng Sức căng bề mặt nồng độ micen tới hạn xác định trình nguyên cứu chất hoạt động bề mặt hỗn hợp tổng hợp Các kết cho thấy muối amonibậc bốn chứa nhóm hydroxyethy thể khả hoạt động bề mặt cao Phần 1: Giới thiệu Chất hoạt động bề mặt cation amoni bậc bốn có dẫn xuất từ mono-, di-và tri-alkyl amin sử dụng nhiều thập kỷ chất tẩy rửa, chất làm mềm vải, chất làm giảm hậu tĩnh điện, thuốc sát trùng, chất tách đãi chất vô cơ, thuốc nhuộm tá dược, mỹ phẩm phụ gia [1-4] Thông thường muối amoni bậc sử dụng chloro-methane, benzyl chloride… Các muối amoni bậc bốn chứa nhóm hydroxyethyl có khả hoạt động bề mặt cao so với muối thơng thường khả ưa nước tốt nhóm ethylene oxide (EO), sử dụng lĩnh vực rộng lớn hơn, ví dụ, sản phẩm được hình thành cách hồn tồn với sodium fatty alcohol ether sulfate (AES), linear alkylbenzen sulfonate (LAS) [5, 6] Các mono-alkyl dimethyl hydroxyethyl amoni clorua tổng hợp từ 2chloroethanol tri-dimethyl amin dung môi ethanol khan Thời gian phản ứng dài suất thấp [7, 8] Trong tiểu luận này, chúng tơi trình bày tổng hợp loạt chất hoạt động bề mặt muối amoni bậc bốn có chứa nhóm hydroxyethyl từ mono-, di-, tri-alkyl amoni, axit HCl ethylene oxide (EO) trình gồm hai bước Ba muối amoni bậc tổng hợp là: Monolauryl dimethyl hydroxyethyl ammonium chloride (MQA) Didecyl methyl hydroxyethyl ammonium chloride (DQA) Trioctyl hydroxyethyl ammonium chloride (TQA) Nó tìm thấy phản ứng với ethylene oxit dễ dàng hỗ trợ axit HCl mở vòng ethylene oxide Những áp lực nhiệt độ thấp so với hợp chất amoni bậc thông thường phản ứng ethoxylation Điều kiện tối ưu hóa để đáp ứng nhu cầu cơng nghiệp hóa Cấu trúc muối amoni bậc bốn xác định quang phổ hồng ngoại phổ cộng hưởng từ hạt nhân Bề mặt hoạt động điều tra Phần 2: Thực nghiệm 2.1 Hóa chất thiết bị Hóa chất sau sử dụng Monolauryl-, didecyl-, trioctyltertiary amines xuất sứ từ Viện nguyên cứu hóa chất công nghiệp Trung Quốc Axit clohydric rượu isopropyl mua từ cơng ty hóa chất hóa học Bắc Kinh Ethylene oxide (EO) công ty Yanshan Oil Chemical Bắc Kinh Phổ hòng ngoại đo máy Hitachi 270-30 Fourier Transform Infrared spectrometer (FTIR) Phổ cộng hưởng từ hạt nhân (1H NMR) ghi lại dung môi CDCl với thiết bị quang phổ Bruker DRX-300 Những chất phân tích xác định phân tích nguyên tố Heraeus D650 Nồng độ mixen tới hạn (CMC) sức bề mặt CMC () đo cách dử dụng thiết bị đo sức KRUSS K12 2.2 Tổng hợp MQA DQA Một phản ứng điển hình, cho 0.2 mol monolaurylamine vào 30g rượu isopropyl 30g nước vào bình cầu cổ 500mL Khuấy hỗn hợp tan hoàn toàn Sau vừa khuấy vừa cho nhỏ giọt axit clohydrit (37%) 0.21mol với nhiệt độ 45oC Phản ứng trì 1h để thu monolaurylamine hydrochloride Lượng amin axit xác định phương pháp chuẩn độ hóa học truyền thống hai giá trị gần Sau thêm vào 0.24 mol ethylene oxide (EO) vào bình phản ứng chậm trì phản ứng 45oC khoảng 2h Lương amin lượng axit sản phẩm nhỏ 0.5 MQA đo phương pháp chuẩn độ lượng anioncation [9] hiệu suất đạt 45% Điều kiện phản ứng DQA điều kiện MQA trừ lượng dung mơi hòa tan Lượng dung môi thay đổi để giữ hiệu suất 45% 2.3 Tổng hợp TQA Trong phản ứng điển hình, cho 0.2 mol trioctylamine 95 g isopropyl alcohol dung mơi vào bình cầu cổ 500 ml Hỗn hợp khuấy hỗn hợp bình tan hồn tồn Rồi thêm 0.21 mol axit clohydrit (37%) cách nhỏ giọt từ từ khuấy giữ nhiệt độ 45 oC Phản ứng trì h để tạo trioctylamine hydrochloride Dung môi chuyển vào nồi hấp 500 ml N dùng để giữ mơi trường khí trơ cho lò phản ứng Dung mơi nồi hấp gia nhiệt lên 70 oC Rồi cho ethylene oxide (EO) nạp vào lò phản ứng từ từ để giữ áp suất phản ứng 0.1 Mpa cho khoảng 3h Phản ứng kết thúc áp không giảm Các phương pháp phân tích đề cập Nước cồn isopropyl MQA, DQA TQA làm bay sàn phẩm chất rắn thơ làm tinh khuyết q trình kết tinh lại từ hỗn hợp dung môi acetone ethyl ether 2.4 Đo chất hoạt động bề mặt Các mối quan hệ sức bề mặt nồng độ mẫu tinh khuyết hoạt chất bề mặt tổng hợp 25 ± 0.2 oC xác định từ loạt dung dịch nước theo phương phỏp tm Wilhelmy bng cỏch s dng mt Kruăss K12 Processor Tensiometer Dung dịch chất hoạt động bề mặt chuẩn bị với nước cất lần mẫu làm lão hóa 15 phút trước tiến hành đo Sức căng bề mặt nước cất lần () xác định khoảng 72.0 ± 0.3mN/m Phần 3: Kết bàn luận 3.1 Tổng hợp Các đường tổng hợp thể hệ sơ đồ Các điều kiện phản ứng cho thấy phản ứng với etylen oxit dễ dàng có hổ trợ ion hydro linh động axit clohydrit tạo điều kiện thuận lợi cho ion hydro hoạt động q trình mở vòng ethylen oxit Nhiệt độ áp suất phản ứng amoni bậc bốn thấp so với phản ứng amoni bậc bốn phản ứng ethoxyl hóa thơng thường Việc tổng hợp MQA DQA dễ dàng so với TQA Từ điều kiện phản ứng nói trên, thấy MQA DQA tổng hợp áp suất khí nhiệt độ thấp hơn, TQA đuợc tổng hợp áp suất nhiệt độ cao Có vài ảnh hưởng chống lại chuyển hóa từ mono-và di-alkyl amin bậc đến muối bậc mono-và dialkyl amoni hydroxyethyl, hai gian đoạn phản ứng amoni bậc bốn tiến hành cách dễ dàng Tuy nhiên, mạch dài thứ ba liên kết lại chống lại rõ ràng, phản ứng amoni bậc bốn tiến hành khó khăn, cần vài điều kiện phản ứng Sơ đồ Các phương trình tổng hợp ba muối bậc amoni hydroxyethyl 3.2 Sự mơ tả đặc tính FTIR sử dụng để mô tả cấu trúc hợp chất Phổ FTIR chất phản ứng (trioctylamine) ba sản phẩm thể hình Hình 1.Phổ FTIR chất phản ứng sản phẩm a MQA, b DQA, c TQA, d trioctylamine Hình 1a, b, c thể peak mạnh đặc trưng sản phẩm 3,450-3,250 cm-1 peak đặc trưng cho O-H rung động kéo dài Peak yếu 1,120-1,040 cm-1 cho chất phản ứng (D) nhóm C-N, trở nên rộng phổ sản phẩm (a, b, c), nghĩa hình thành liên kết C-O bên cạnh liên kết CN phân tử Hai thay đổi ba sản phẩm có chứa nhóm hydroxyethyl Quang phổ 1H-NMR ba sản phẩm thể Hình Hình 2: Phổ 1H NMR sản phẩm a MQA, b DQA, c TQA Tính hiệu sản phẩm sau: MQA: 1H NMR (CD3Cl): 0.864–0.895 (t, 3H, CH3(CH2)10), 1.253–1.338 (m, 18H, (CH2)9), 1.737 (m, 2H, (CH2)9CH2CH2N), 3.337 (s, 6H, 2CH3N), 3.480–3.517 (t, 2H, (CH2)10CH2N), 3.696 (t, 2H, NCH2CH2OH), 4.091(s, 1H, OH), 4.373–4.413 ppm (t, 2H, CH2OH) (b) DQA: 1H NMR (CD3Cl): 0.865–0.898 (t, 6H, 2CH3(CH2)7), 1.261–1.349 (m, 28H, 2CH3(CH2)7), 1.690 (m, 4H, 2NCH2CH2), 2.934 (s, 3H, NCH3), (a) 3.319–3.362 (t, 4H, 2NCH2CH2), 3.413–3.454 (t, 2H, NCH2CH2OH), 3.673 (s, 1H, OH), 4.122 ppm (t, 2H, NCH2CH2OH) (c) TQA: 1H NMR (CD3Cl): 0.869–0.902 (t, 9H, 3CH3), 1.277–1.365 (m, 30H, 3(CH2)5), 1.669 (m, 6H, 3NCH2CH2(CH2)5), 2.718 (s, 1H, OH), 3.368– 3.409 (t, 6H, 3NCH2), 3.493 (t, 2H, NCH2CH2OH), 4.109 ppm (t, 2H, CH2OH) Hình 3: Sức căng bề mặt so với nồng độ 25oC Các kết phổ hồng ngoại (FTIR) phổ cộng hưởng từ hạt nhân ( 1H NMR) xác nhận tương hợp với cấu trúc ba chất hoạt động bề mặt theo giả thuyết Q trình phân tích nguyên tố tiến hành dung môi tinh khiết để phân tích chất hoạt động bề mặt tổng hợp Kết thể bảng Giá trị thực nghiệm q trình phân tích gần với giá trị tính tốn 10 Bảng 1: Số liệu phân tích nguyên tố chất hoạt động bề mặt tổng hợp 3.3 Chất hoạt động bề mặt Mối quan hệ sức căng bề mặt nồng độ bề mặt tổng hợp 250C xác định thể hình Từ đường cong, vài giá trị hệ số thông số bề mặt lượng bề mặt bao gồm CMC, , , , Amin, , and [11-13] Các giá trị CMC xác định từ giới hạn bền sức căng bề mặt so với nồng độ hình.3 tương ứng Theo định luật Gibbs, trạng thái cân bằng, hấp thụ bề mặt điểm dẫn đến sức căng bề mặt giảm Vượt nồng độ bề mặt cực đại (), diện tích bề mặt cực tiểu (Amin) phân tử tính từ phương trình đường hấp phụ đẳng nhiệt Gibbs (phương trình1, 2) Hiệu suất chất hoạt động bề mặt () khác biệt phương trình Năng lượng tự chuẩn hình thành mixen () lượng hấp phụ () tính từ phương trình 11 Trong đó: R số khí, 8,314 J mol-1 K-1 T nhiệt độ tuyệt đối (qc / q log c) độ dốc y so với đồ thị log C NA số Avogadro Hấp phụ chất hoạt động bề mặt dung dịch nước ba trạng thái 250C liệt kê Bảng Các kết ước lượng muối amoni bậc bốn thông thường mà nhóm hydroxyethyl (dodecyl amoni tri-methyl chloride, DTAC) liệt kê Bảng [14] Bảng 2: Hấp phụ chất hoạt động bề mặt dung dịch nước ba trạng thái 250C 12 Bảng cho thấy ba chất hoạt động bề mặt tổng hợp làm giảm sức bề mặt khoảng 25 mN / m nồng độ mixen đặc trưng thấp 250C CMC MQA thấp so với muối amoni bậc bốn tương ứng mà khơng có nhóm hydroxyethyl (DTAC) Kết cho thấy muối amoni bậc bốn có chứa nhóm hydroxyethyl thể tính chất hoạt động bề mặt cao Năng lượng tự chuẩn hình thành micell hấp phụ âm, cho thấy xu hướng để tạo thành mixen dung dịch để hấp thụ bề mặt ngăn cách nước khơng khí tự phát Trong trường hợp này, âm nhiều , cho thấy hấp thụ trường hợp bật chóng lại với tạo thành mixen Tài liệu tham khảo Okabe K, Abe H, Yokota Y (1989) Development of catalysts for direct amination of aliphatic alcohols Stud Surf Sci Catal 44:299–306 Hong Y, Li Y, Pan YN (2007) Quaternisation reaction method and research progress Guangdong Chem Ind 34:51–52 Tao YG, Mao PS, Cui ZG (2001) The application of cationic surfactant in the field of high technology China Surfactant Deterg Cosmet 6:23–25 Zhang JX, Zheng YP, Yu PY (2010) Synthesis, characterization and surface-activity of a polyoxyethylene ether trimeric quaternary ammonium surfactant J Surfactants Deterg 13:155–158 Zou LH, Fang Y, Lu SS (2001) Mixing behaviors and application of anionic-cationic surfactants China Surfactant Deterg Cosmet 5:37–40 Cui ZG (1999) The synergistic effects and application of anionic/ cationic binary surfactant system China Surfactant Deterg Cosmet 4:23–28 Liu B, Si B (2006) Synthesis and properties of dodecyl dimethyl hydroxyethyl ammonium chloride Liaoning Chem Ind 35:13–14 13 Ma JX, Teng FY (1994) Synthesis of biocides containing hydroxyl quaternary ammonium salts J Nanjing Ins Chem Tech 16:115–118 Mao PK (2002) Surfactant products industry analysis Chemical Industry Press, Beijing 10 Wang GY, Du ZP, Zhang W, Cao QY (2009) Synthesis and surface properties of trisiloxane-modified oligo(ethylene oxide) Tenside Surfactants Deterg 46:214–217 11 Wang GY, Du ZP, Li QX (2010) Carbohydrate-modified siloxane surfactants and their adsorption and aggregation behavior in aqueous solution J Phys Chem B 114:6872–6877 12 Mohamed AS, Mohamed MZ (2010) Preparation of novel cationic surfactants from epichlorohydrin: their surface properties and biological activities J Surfactants Deterg 13:159–163 13 Dorota PP, Klaus L, Andrzej P (2004) Adsorption behavior of surfacechemically pure N-alkyl-N-(2-hydroxyethyl)aldonamides at the air/water interface Langmuir 20:1572–1578 14 Li J, Ma YC, Wang J (2009) Study on synthesis and property of quaternary ammonium gemini surfactant Chem Adhes 3:30–32 14 ... CMC MQA thấp so với muối amoni bậc bốn tương ứng mà khơng có nhóm hydroxyethyl (DTAC) Kết cho thấy muối amoni bậc bốn có chứa nhóm hydroxyethyl thể tính chất hoạt động bề mặt cao Năng lượng tự chuẩn... tổng hợp loạt chất hoạt động bề mặt muối amoni bậc bốn có chứa nhóm hydroxyethyl từ mono-, di-, tri-alkyl amoni, axit HCl ethylene oxide (EO) trình gồm hai bước Ba muối amoni bậc tổng hợp là: Monolauryl... chất vô cơ, thuốc nhuộm tá dược, mỹ phẩm phụ gia [1-4] Thông thường muối amoni bậc sử dụng chloro-methane, benzyl chloride… Các muối amoni bậc bốn chứa nhóm hydroxyethyl có khả hoạt động bề mặt