Химия поверхностно-активных веществ (стр. 8 из 8)

Полярные группы

Исследованы два типа природных продуктов для использования в качестве полярных групп ПАВ — углеводы и аминокислоты. ПАВ можно получить с помощью органического и ферментативного синтеза либо комбинацией обоих способов синтеза. Наибольшие усилия были направлены на получение ПАВ с полярными группами из углевода.

В последние несколько лет исследования были сфокусированы на трех классах ПАВ, в которых полярными группами служит углевод или многоатомный спирт — это алкилполиглюкозиды, алкилглюкамиды и сложные эфиры Сахаров. Структуры молекул этих трех типов ПАВ представлены на рис. 16.

Рис. 16. Строение некоторых типичных ПАВ, производных многоатомных спиртов

В настоящее время отмечается большой интерес к исследованию алкилглюкозидов в связи с перспективами их широкого использования. Такие ПАВ синтезируют прямой реакцией взаимодействия глюкозы с жирным спиртом с применением большого избытка спирта, чтобы минимизировать олигомеризацию углевода. Альтернативным способом служит трансацеталирование короткоцепных алкилглюкозидов при взаимодействии с длинноцепочечными спиртами. В обоих процессах в качестве катализатора используется кислота. Исходным сырьем служит глюкоза или фракции гидролизованного крахмала. Рис. 17 иллюстрирует такой синтез. Алкилглюкозиды можно получить ферментативным синтезом с Р-глюкозидазой, в результате реакции с небольшими выходами получается только Р-аномер. Соответствующий а-аномер можно легко получить при гидролизе рацемата, катализируемом р-глюкозидазой. а,р-Смесь, являющаяся продуктом органического синтеза, значительно отличается от чистых энантиомеров, получающихся биокаталитическим путем. Р-Аномер н-октилглю-козида нашел применение в качестве ПАВ в биохимических исследованиях.

Алкилглюкозиды стабильны при высоких значениях рН и чувствительны к низким рН, при которых они гидролизуются до углевода и жирного спирта. Углеводная часть молекулы ПАВ более растворима в воде и менее растворима в углеводородах, чем соответствующие полиоксиэтиленовые блоки; таким образом, алкилполиглюкозиды и другие ПАВ, производные многоатомных спиртов, более липофобны, чем полиоксиэтиленовые ПАВ. Это делает физико-химическое поведение алкилглюкозидных ПАВ в системах масло-вода совсем другим по сравнению с поведением обычных неионных ПАВ. Более того, алкилглюкозид-ные ПАВ не обнаруживают резко выраженной обратной температурной зависимости растворимости, характерной для неионных ПАВ. И это приводит к большим различиям свойств растворов двух рассматриваемых типов ПАВ. Главная притягательность алкилглюкозидных ПАВ заключается в их благоприятных экологических свойствах: они характеризуются высокими скоростями

Рис. 17. Способы получения алкилглюкозидных ПАВ

биоразложения и нетоксичны для водоемов. В дополнении ко всему эти вещества, будучи мягкими ПАВ, не оказывают нежелательных воздействий на кожу и глаза, что делает этот класс ПАВ очень привлекательным для получения продуктов личной гигиены, хотя они нашли широкий круг других технологических применений.

Алкиглюкамиды являются коммерчески важными продуктами. Продукт, расходующийся в огромных количества в моющих средствах, — это N-додекано-ил-К-метилглюкамин, т. е. производное С12. Он производится из глюкозы, метиламина, водорода и метиллаурата в две стадии. Физико-химические свойства и другие характеристики ПАВ этого класса сходны с таковыми для алкилглюкозидов. Однако, в то время как алкилглюкозиды чрезвычайно устойчивы к щелочам и лабильны к действию кислот, алкилглюкамиды также устойчивы к щелочам, но и относительно устойчивы по отношению к кислотам.

Сложные эфиры глюкозы можно получать либо ферментативным синтезом с использованием в качестве катализатора липазы, либо органическим синтезом. При оптимальном выборе фермента биоорганический путь может привести к этерификации почти исключительно в 6-положение углеводного остатка. Органический синтез требует использования защитных групп для обеспечения необходимой селективности. Селективный ферментативный синтез эфиров других углеводов без предварительной защиты групп происходит с трудом. В то же время, исходя из ацеталей углеводов и жирных кислот, можно с хорошим выходом получить моноэфиры углеводов, а после стадии снятия защиты с части исходных веществ можно получить моно- и дипроизводные. Все эфиры углеводов очень лабильны в щелочной среде и весьма стабильны в кислых средах. Продукты распада — природные продукты. Так, эфиры углеводов являются идеальным кандидатом в качестве пищевого ПАВ, эти вещества, по-видимому, претерпевают быструю биодеградацию, несмотря на размер углеводной группы и независимо от длины ацильной цепи. Получены также сульфонированные эфиры углеводов. Оказалось, что такие анионные ПАВ подвергаются биоразложению с меньшими скоростями.

ПАВ на основе многоатомных спиртов обладают многими привлекательными свойствами: они мягкие по отношению к коже, нетоксичны для водоемов, их биораложение протекает с высокими скоростями, с ними легко работать, они толерантны к высоким концентрациям электролита. Некоторые характерные свойства ПАВ на основе многоатомных спиртов приведены в таблице 9.

Углеводородные радикалы

В качестве природных источников гидрофобных частей ПАВ прежде всего и в течение долгого времени использовались жирные кислоты, например для получения этоксилированных жирных кислот и эфиров сорбитана и жирных кислот. Недавно жирные кислоты начали использовать для получения этоксилирован ных производных моноэтаноламида

Таблица 9. Характеристики ПАВ на основе многоатомных спиртов

1.	Аэробная и анаэробная биодерадации происходят быстро.
2.	Низкая токсичность в водной среде.
3.	Гидроксильные группы обладают большой липофобностью. В то же время
ПАВ с достаточно длинными углеводородными хвостами обладают боль-
шой гидрофобностью. В силу этого такие ПАВ проявляют ярко выражен-
ную склонность локализоваться на границе вода-масло.
4.	Влияние температуры на поведение растворов незначительно и противопо-
ложно влиянию температуры на этоксилированные ПАВ. При составлении
смесей ПАВ из производных многоатомных спиртов и
этоксилированных ПАВ получаются композиции неион-
ных ПАВ, фазовое поведение которых не зависит от температуры

который в свою очередь получают аминолизом метиловых эфиров жирных кислот этаноламином. Этоксилированные амиды жирных кислот вызывают интерес как альтернатива этоксилатам жирных спиртов по следующим причинам: 1) они легко подвергаются биоразложению с образованием жирных кислот и поли с аминированными концами, 2) амидная связь в молекуле ПАВ способствует упаковке ПАВ вследствие образования водородной связи, 3) двойные связи в цепях жирных кислот цепях сохраняются и в продукте.

Известно, что двойные связи в углеводородных хвостах увеличивают ККМ вследствие увеличения гидрофильности ПАВ, а также из-за увеличения объема цепи, что затрудняет упаковку в плотные агрегаты и образование водородных связей между амидными группами. Присутствие одной двойной связи слабо влияет на площадь поперечного сечения молекул на поверхности. Две двойные связи эту площадь заметно увеличивают. Этоксилаты амидов жирных кислот с двойными связями в углеводородном «хвосте» представляют интерес как полимеризующиеся ПАВ.

Стерины — еще один класс природных веществ, представляющих интерес как источник гидрофобных блоков для получения ПАВ. Характерная особенность ПАВ на основе стеринов — наличие большой гидрофобной группы природного происхождения, которая, благодаря почти плоской структуре из четырех циклов, способствует плотной упаковке в поверхностных слоях. Фитостеринами называют стерины растительного происхождения, в настоящее время они уже широко используются в качестве сырья для получения ПАВ. Их структура аналогична структуре холестерина, который является примером стеринов животного происхождения. Стерины содержат вторичную гидроксильную группу, которая может быть этоксилирована. Однако спиртовая группа стерически защищена, и реакция с этиленоксидом напрямую не протекает. Оптимальная процедура такова: сначала проводить этоксилирование с кислотой Льюиса в качестве катализатора, затем прекращать реакцию после введения 3-5 молей этиленоксида и вновь продолжать реакцию, но уже с использованием КОН в качестве инициатора.

Этоксилированные стерины представляют собой большие жесткие молекулы, в силу этого для образования равновесного поверхностного слоя необходимо длительное время, и для достижения предельно низкого поверхностного натяжения требуется несколько часов. Возможно также, что длительное время достижения равновесия связано с реакциями обмена этоксилатов стеринов с различными длинами полиоксиэтиленовой цепи на границе вода - воздух и медленными конформационными изменениями молекул на поверхности. Структура стеринов жесткая, и время, необходимое для достижения оптимальной конформации в поверхностном слое, может быть очень большим. ПАВ на основе стеринов представляют интерес в качестве солюбилизаторов и эмульгаторов при производстве лекарств и косметических средств.