利用高分子/表面活性剂聚集体为探针研究有机小分子与表面活性剂之间相互作用

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高分子-表面活性剂相互作用及其复配体系广泛的工业应用赋予其基础研究重要的实际意义和丰富的研究内容。本论文对高分子-表面活性剂相互作用及利用高分子/表面活性剂复合物研究有机小分子-表面活性剂相互作用相关的几个问题进行了较为深入和细致地探讨,取得了如下研究结果:通过粘度、电导、表面张力及荧光光谱研究了聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)与十二烷基硫酸钠(SDS)的相互作用,当cac(临界聚集浓度)<CSDS<cac2(第二临界聚集浓度)时,SDS主要通过负电性的离子头基与PVP带有部分正电的侧基之间的静电相互作用以单体形式与PVP链缔合,而当cac2<CSDS<psp(高分子饱和浓度)时,与PVP缔合的SDS分子通过疏水相互作用形成类胶束聚集体。利用PVP/SDS聚集体作为探针,根据PVP/SDS复合物溶液在添加β-CD时溶液粘度对β-CD浓度的依赖性可反映β-CD与SDS主客体包合比为1:1的包合作用,并且通过PVP/SDS/β-CD复配溶液ηr~Cβ-CD图中粘度最小值位置可以计算β-CD与SDS包合作用的主客体包合比。β-CD的疏水空腔与SDS的疏水链的包合作用屏蔽了SDS分子与PVP链或其它SDS分子的疏水相互作用,使得已经缔合于PVP链上的SDS分子脱落。β-CD对缔合于PVP链上的SDS分子和未缔合于PVP链上的SDS分子的包合并不具有选择性。根据PVP/SDS复合物溶液在添加β-CD时溶液电导率对β-CD浓度的依赖性可反映β-CD与SDS的包合作用,并且通过PVP/SDS/β-CD复配溶液κ~Cβ-CD图中实验曲线转折浓度可以计算β-CD与SDS先后进行主客体包合比为1:1和2:1的包合过程。利用PVP/SDS聚集体为探针,根据PVP/SDS复合物溶液在添加苯甲醇时溶液粘度对苯甲醇浓度的依赖性可反映苯甲醇对SDS胶束化行为的影响。苯甲醇浓度较小时,其对SDS胶束化行为的影响表现为共表面活性剂效应,苯甲醇与溶液中的自由SDS分子通过疏水相互作用形成混合聚集体并缔合于高分子链,使得缔合于PVP链上的SDS分子数量增加,静电排斥作用增强,溶液粘度增大,同时溶液电导率减小;苯甲醇浓度较大时,其对SDS胶束化行为的影响表现为共溶剂效应,随苯甲醇浓度增大,溶液更加疏水,表面活性剂疏水链与高分子链间的疏水相互作用减弱,使与PVP链缔合的SDS胶束从PVP链脱落,静电排斥作用减弱,溶液粘度减小,同时溶液电导率增大。SDS在PVP上饱和缔合量当苯甲醇存在时减小,至苯甲醇浓度较大时基本不变,与PVP缔合的SDS胶束的电离度当苯甲醇存在时比没有苯甲醇存在时增大约30%,至苯甲醇浓度较大时基本不变,二者导致的高分子-缔合表面活性剂之间的静电相互作用的变化可以相互补偿。利用PVP/SDS聚集体为探针,根据PVP/SDS复合物溶液在添加正丁酸、正丁胺、正丁醇时溶液粘度对添加物浓度的依赖性可反映正丁酸、正丁胺、正丁醇对SDS的胶束化行为的影响。PVP/SDS复合物溶液性质对添加极性头基电荷性质不同的正丁酸、正丁胺、正丁醇的响应有显著差别。正丁酸极性头基与SDS离子头基均带负电荷,添加正丁酸使PVP侧基羰基上带部分负电的氧原子更易质子化,氮原子带部分正电,因而PVP链所带正电荷数增加,PVP链以更加卷曲的构象与SDS聚集体缔合,高分子链收缩。随正丁酸浓度增大,正丁酸与SDS混合胶束化并缔合于PVP链,使缔合于PVP链上的SDS分子数量增加,静电排斥作用增强,PVP链更加伸展。继续添加正丁酸,正丁酸对静电相互作用的屏蔽使得缔合于PVP链的SDS离子间的静电排斥作用减弱,高分子链收缩。正丁胺在水溶液中其极性头基带正电。通过疏水链间的疏水相互作用及极性头基间的静电吸引作用正丁胺与缔合于PVP链的SDS分子形成混合聚集体,其极性头基的正电性一方面对SDS头基的负电性起到中和作用,另一方面与PVP正电性侧基发生静电排斥,二者均使得PVP-SDS相互作用减弱,导致已缔合于PVP链的SDS胶束脱落,高分子链收缩,直至缔合于PVP链的SDS胶束全部脱落。正丁醇浓度较小时,表现为共表面活性剂效应,正丁醇与溶液中自由SDS分子通过疏水相互作用形成混合聚集体并缔合于PVP链,使得缔合于PVP链上的SDS分子数量增加,静电排斥作用增强,PVP链更加伸展。正丁醇浓度较大时,表现出共溶剂效应,溶液更加疏水,表面活性剂疏水链与高分子链间的疏水相互作用减弱,缔合于PVP链的SDS胶束从PVP链脱落,静电排斥作用减弱,高分子链收缩。疏水基团大小不同使得PVP/SDS复合物溶液对添加正丁醇与苯甲醇的响应有显著差别。正丁醇的疏水基团体积较小,插入与PVP缔合的SDS胶束后,使SDS排列更加紧密,在SDS胶束中的增溶量较多,使胶束表面电荷密度降低更为显著,与PVP缔合的SDS胶束的电离度随正丁醇浓度增大而显著增大,而苯甲醇的疏水基团体积较大,插入与PVP缔合的SDS胶束后,对SDS分子的相互靠近起空间位阻作用,不利于SDS紧密排列,在SDS胶束中的增溶量较少,与PVP缔合的SDS胶束的电离度在苯甲醇浓度较大时基本不随苯甲醇浓度而改变。粘度、电导和荧光光谱实验结果证实明胶与gemini表面活性剂亚乙基-α,ω-双(N,N,N-二甲基(顺-13-二十二烯基))(22-2-22)溴化铵的相互作用可以分为三个阶段。第一阶段,22-2-22通过与明胶分子疏水性氨基酸残基的疏水相互作用插入明胶分子的疏水微区,以单体形式与明胶分子缔合。第二阶段,与明胶分子链缔合的22-2-22形成类胶束聚集体,导致明胶分子的链间交联。第三阶段,与明胶分子链缔合的22-2-22形成类胶束聚集体增多,明胶分子的链间交联解开,继而发生链内交联。利用明胶内源(酪氨酸残基)荧光光谱最大发射强度对表面活性剂浓度作图中峰值位置可以确定明胶-22-2-22相互作用历程中与明胶分子链缔合的22-2-22开始形成类胶束聚集体的临界聚集浓度cac。
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