月桂酸單異丙醇酰胺羧酸鹽的合成及性能

李素榮

摘 要：為進行脂肪酸烷醇酰胺類表面活性劑研究，以月桂酸單異丙醇酰胺（LMIPA）為原料，通過羧甲基化法合成新型陰離子表面活性劑月桂酸單異丙醇酰胺羧酸鹽（LMIPA-EC），對其合成條件進行探索，并測試其性能。結(jié)果表明：以80%氯乙酸溶液，固體NaOH的方式加料，配料比nLMIPA∶ nClCH2COOH∶ nNaOH=1∶ 1.5∶ 2.0，反應(yīng)時間為3.5 h，反應(yīng)溫度為70 ℃左右較佳，在該實驗條件下獲得了81%的收率，經(jīng)提純后月桂酸單異丙醇酰胺羧酸鹽的純度可達92%；通過紅外光譜對其結(jié)構(gòu)進行了定性分析；同時測定了月桂酸單異丙醇酰胺羧酸鹽的性能，測定結(jié)果表明：LMIPA-EC為性能比較優(yōu)良的陰離子表面活性劑。

關(guān)鍵詞：月桂酸單異丙醇酰胺；羧甲基化；月桂酸單異丙醇酰胺羧酸鹽；性能

中圖分類號：TQ 423.11 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1672-1098（2014）02-0028-04

羧酸鹽型陰離子表面活性劑是非常溫和的表面活性劑乳化劑，水溶性好，化學(xué)穩(wěn)定性高，且具有羧酸根的柔和結(jié)構(gòu)，對皮膚、毛發(fā)等更加溫和[1]21，還有著較為突出的發(fā)泡性、去污性、滲透性、抗硬水性和鈣皂分散性等[2]，因此被稱為新開發(fā)的一類多功能“綠色表面活性劑”[3-5]，在日用化工、紡織印染、皮革、化纖等領(lǐng)域都有大量的應(yīng)用[1]22。月桂酸單異丙醇酰胺具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，優(yōu)異的分散、增溶、增稠及潤滑作用，生物降解率高達98%以上[6]，另外，月桂酸單異丙醇酰胺分子中的酰胺鍵與人體的肽鍵極其相似，從而增加了表面活性劑與人體皮膚的相似性，使該表面活性劑對皮膚刺激性小，性能溫和[7]。而通過月桂酸單異丙醇酰胺合成的月桂酸單異丙醇酰胺羧酸鹽同樣也將具有這些特點，生物降解性好，刺激性低，發(fā)泡性、分散性、增溶性、去污性、滲透性、抗硬水等性能優(yōu)異。目前，國內(nèi)關(guān)于脂肪醇系列表面活性劑的研究報道較多，而關(guān)于脂肪酸烷醇酰胺類表面活性劑的研究較少[8]。本文以月桂酸單異丙醇酰胺為原料，經(jīng)堿處理和氯乙酸的羧甲基化法合成月桂酸單異丙醇酰胺羧酸鹽（LMIPA-EC）這一新型的陰離子表面活性劑，由于該鹽合成工藝簡單，無三廢污染，符合當(dāng)前對環(huán)境友好的生產(chǎn)要求，且制得的產(chǎn)品綜合了月桂酸單異丙醇酰胺和羧酸鹽的結(jié)構(gòu)特點，性能將會更加優(yōu)異，在化妝品、個人清潔洗滌用品、紡織印染、皮革、化纖等領(lǐng)域都將會有大量的應(yīng)用，具有廣闊的開發(fā)前景。因此，對LMIPA-EC的合成和研究具有重要的理論和現(xiàn)實意義。

1 LMIPA-EC的合成

1.1 試劑與儀器

月桂酸單異丙醇酰胺（化學(xué)純，宜興市第二化學(xué)試劑廠）；氯乙酸（分析純，上海金山化工廠）；氫氧化鈉（分析純，無錫市亞盛化工有限公司）；溴甲酚綠（上海三愛思試劑有限公司）；十六烷基三甲基溴化銨（分析純，永華特種化學(xué)試劑廠）。

Vector33型紅外光譜儀（德國布魯克公司），ZXZ-1型旋片式真空泵（上海真空泵廠）；FQ-85A型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器（上海醫(yī)療機械廠）；JZHY-180型界面張力儀（承德普惠檢測設(shè)備制造有限公司）；羅氏（Ross-Miles）泡沫測定儀（鄭州弘盛儀器公司）；其它常規(guī)玻璃儀器。

1.2 實驗步驟

將w（g）月桂酸單異丙醇酰胺加入至250 ml三口燒瓶中，加熱至預(yù)定溫度，然后加入w1/2（g）氯乙酸，溶解后加入w2/2（g）氫氧化鈉（約0.5 h加完），攪拌0.5 h，再向三口燒瓶中加入w1/2（g）氯乙酸，溶解后加入w2/2（g）氫氧化鈉（約0.5 h加完），繼續(xù)反應(yīng)一段時間，達到t時即可。因產(chǎn)品屬羧酸鹽型陰離子表面活性劑，所以可用溴加酚綠堿性分相滴定法進行定性鑒定和定量分析以確定其是否為羧酸鹽型陰離子表面活性劑，測出陰離子活性物含量[9]131，以此推算產(chǎn)品收率，然后對收率最高的產(chǎn)品進行脫水脫鹽處理[10]248，得到較純凈的月桂酸單異丙醇酰胺羧酸鹽，用作紅外光譜結(jié)構(gòu)分析及進一步的性能測試。

1.3 產(chǎn)物分析及性能測試

用溴甲酚綠堿性分相滴定法對LMIPA-EC進行定性鑒定和定量分析，測出產(chǎn)物的實際濃度，并推算每次合成目標(biāo)產(chǎn)物的收率，具體原理與步驟參見文獻[10]131；用Vector33型紅外光譜儀，KBr壓片法對產(chǎn)物進行紅外光譜測定，用JZHY-180型界面張力儀測定表面張力，求算臨界膠束濃度，原理和方法見文獻[10]448，用文獻[9]460-471的方法測泡沫性（Ross-Miles泡沫儀法）、分散性（分散指數(shù)法）、乳化性（方法Ⅰ）。

2 結(jié)果與討論

2.1 合成工藝條件的確定

影響本合成實驗的因素主要有：反應(yīng)物的加料方式、配料比、反應(yīng)時間、反應(yīng)溫度等，首先通過固定其它因素，改變加料方式的方法確定本實驗的加料形式，然后在取得初步合成實驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，以月桂酸單異丙醇酰胺與氯乙酸配料比、月桂酸單異丙醇酰胺與氫氧化鈉配料比、反應(yīng)時間、反應(yīng)溫度為影響合成反應(yīng)結(jié)果的四因素，選取三水平，以產(chǎn)品的收率為考查指標(biāo)，利用四因素三水平正交表[L9（34）]安排實驗，來進行合成實驗，并確定最佳的反應(yīng)條件。

2.1.1 加料方式對產(chǎn)品收率的影響 對于本反應(yīng)來說，越離子化的越易反應(yīng)，因此，可以考慮將反應(yīng)物配成不同濃度溶液的形式加入，來考查加料方式對反應(yīng)所產(chǎn)生的影響。固定配料比nLMIPA∶ nClCH2COOH∶ nNaOH=1∶ 1.5∶ 2.0；反應(yīng)溫度為70 ℃，反應(yīng)時間為3 h，改變反應(yīng)物的加料方式進行合成實驗（見表1）。

由表1可知，CICH2COOH配成80%的溶液滴加，NaOH以固體形式加入時，產(chǎn)品的收率最高，其原因可能是因為：ClCH2COOH的離子化能促進正反應(yīng)的進行，所以后續(xù)實驗都選用此種加料方式。

2.1.2 反應(yīng)時間對產(chǎn)品收率的影響 固定配料比nLMIPA∶ nClCH2COOH∶ nNaOH=1∶ 1.5∶ 2.0；反應(yīng)溫度為70 ℃，加料方式由上述確定，考查反應(yīng)時間對收率的影響如表2所示。

由表2可知，隨著反應(yīng)時間的增加，產(chǎn)品的收率隨之增加，反應(yīng)時間達3.5 h時，收率最高，反應(yīng)時間再增加，收率則下降，因此，后續(xù)實驗選擇反應(yīng)時間為3.5 h。

2.1.3 原料配比對產(chǎn)品收率的影響 控制反應(yīng)溫度70 ℃，反應(yīng)時間3.5 h， 加料方式為CICH2COOH配成80%的溶液滴加，NaOH以固體形式加入，考查原料配比對產(chǎn)品收率的影響，其結(jié)果如表3所示。

由表3可知，當(dāng)原料配比nLMIPA：nClCH2COOH：nNaOH=1∶ 1.5∶ 2.0時產(chǎn)品收率為81%，當(dāng)配料比為1∶ 1.5∶ 2.5時產(chǎn)品收率為82%，若繼續(xù)加大NaOH用量，則產(chǎn)品收率略有下降。綜合考慮，原料配比nLMIPA∶ nClCH2COOH∶ nNaOH為1∶ 1.5∶ 2.0較合適。

2.1.4 反應(yīng)溫度產(chǎn)品對收率的影響 一般來說，反應(yīng)溫度越高，反應(yīng)速率就越大；反之，就越小。但反應(yīng)溫度太高，易發(fā)生副反應(yīng)影響產(chǎn)品的質(zhì)量，所以選擇適當(dāng)?shù)臏囟葘σ粋€反應(yīng)來說是很重要的。本實驗固定上述確定的加料方式、反應(yīng)時間、原料配比，選取不同的溫度做實驗，其溫度的高低對產(chǎn)品收率的影響如表4所示。

由表4可知，反應(yīng)溫度為70 ℃時，收率最高，繼續(xù)升高溫度，可能發(fā)生脫羧或某些副反應(yīng)，使產(chǎn)品收率下降，因此，較佳反應(yīng)溫度選為70 ℃。

綜上所述，合成產(chǎn)品月桂酸單異丙醇酰胺羧酸鹽的較優(yōu)工藝條件為：加料方式以CICH2COOH配成80%的溶液滴加，NaOH以固體形式加入較好，原料配比nLMIPA∶ nClCH2COOH∶ nNaOH=1∶ 1.5∶ 2.0，反應(yīng)時間3.5 h，反應(yīng)溫度為70 ℃，在該條件下的產(chǎn)品收率達81%。

2.2 月桂酸單異丙醇酰胺羧酸鹽的紅外光譜

將所得收率最高的產(chǎn)品經(jīng)脫水脫鹽處理后純度達92%，提純后的月桂酸單異丙醇酰胺羧酸鹽（LMIPA-EC）用KBr壓片制樣，所得紅外光譜如圖1所示。

在3 381 cm-1附近是N-H鍵的伸縮振動特征吸收峰，在2 925 cm-1、2 854 cm-1附近出現(xiàn)飽和C-H伸縮振動峰，在1 737 cm-1、1 618 cm-1左右有羧基、酰胺基中的羰基伸縮振動峰；在1 417 cm-1附近有C-N伸縮振動峰。1 050 cm-1處有C-O-C的伸縮振動峰， 719 cm-1附近為酰胺分子結(jié)構(gòu)內(nèi)N-H面外彎曲振動特征吸收峰，紅外光譜證實了月桂酸單異丙醇酰胺羧酸鹽的生成。

2.3 性能測試與討論

對上述提純過的月桂酸單異丙醇酰胺羧酸鹽的性能進行測試[9]460-471，并與脂肪醇醚羧酸鹽（AEC）的性能進行比較，結(jié)果如表5所示。

由表5可知，LMIPA-EC具有較低的表面張力和較小的臨界膠束濃度，說明其表面活性較好，易于形成膠束；LMIPA-EC鈣皂分散力和乳化性優(yōu)于AEC，表面活性優(yōu)良，可作為優(yōu)良的分散劑、乳化劑，用于日用化工領(lǐng)域和其它工業(yè)領(lǐng)域；LMIPA-EC的泡沫性雖不如AEC，但也很優(yōu)良，因此產(chǎn)品LMIPA-EC為一性能優(yōu)良的新型陰離子表面活性劑，有著良好的發(fā)展前景。

3 結(jié)論

1） 通過對月桂酸單異丙醇酰胺羧酸鹽合成條件的探索研究， 確定了較為合適的合成條件： 以80%氯乙酸溶液， 固體NaOH的方式加料； 配料比nLMIPA∶ nClCH2COOH∶ nNaOH=1∶ 1.5∶ 2.0；反應(yīng)時間為3.5 h；反應(yīng)溫度為70 ℃左右較佳，在該條件下所得產(chǎn)品的收率為81%。

2） 性能測試表明，月桂酸單異丙醇酰胺羧酸鹽具有優(yōu)良的表面活性，突出的分散性、乳化性等性能，是一種綜合性能較為優(yōu)良的新型陰離子表面活性劑，這些能為其在工業(yè)及民用領(lǐng)域的廣泛使用提供依據(jù)和參考。

參考文獻：

[1] 方云，夏詠梅. 表面活性劑的安全性和溫和性[J]. 日用化學(xué)工業(yè)，2000，17（3）：19-22.

[2] 李和平，葛虹.精細(xì)化工工藝學(xué)[M]. 北京：科學(xué)出版社，1997：10-200.

[3] 王偉，鄭鵬武，高麗新. 系列醇醚羧酸鹽的合成及性能研究[J]. 日用化學(xué)品科學(xué)，2000，23（S1）：81-83.

[4] 黃輝. 烷基醇醚羧酸鹽性能研究[J]. 精細(xì)石油化工進展，2003，18（5）：19-23.

[5] 楊秀全，李佩秀，韓建英. 醇醚羧酸鹽物化性能的研究[J].表明活性劑工業(yè)，2003，17（3）：19-22.

[6] 藤井保， 伊藤豐文.新型非離子性增黏劑的開發(fā)及其在化妝品中的應(yīng)用[J]. 日用化學(xué)品科學(xué)，2004， 27（8）：8-13.

[7] CAUWET-MARTIN D， GAMIER N.Cosmetic composition comprising at least an amidoethercarboxylic acid surfactant and at least a cationic polymer/anionic polymer combination： US， 6423305[P]， 2002-07-23.

[8] 杜海燕， 劉鶴鳴. 脂肪酸烷基醇酰胺類表面活性劑的研究進展與發(fā)展趨勢[J].日用化學(xué)工業(yè)，2007， 8（5）：327-330.

[9] 毛培坤.合成洗滌劑工業(yè)分析[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1995：8-500.

[10] 強亮生，王慎敏. 精細(xì)化工實驗[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1997：69-500.

（責(zé)任編輯：李麗 范君）