探索化学结构的奥秘：双亲结构赋予分子独特的亲水亲油特性

探索化学结构的奥秘：双亲结构赋予分子独特的亲水亲油特性

化学结构报告

编辑

表面活性剂分子具有独特的两亲性：一端是亲水的极性基团，称为亲水基，又称疏油基或疏油性基团，如-OH、-COOH、-SO3H、-NH2等。由于这类基团较短，有时也被形象地称为亲水头。另一端是亲油的非极性基团，称为亲油基，又称疏水基或疏水性基团，如R-（烷基）和Ar-（芳基）等。由于这类基团较短，有时也被形象地称为疏水尾。结构和性质完全相反的两类分子基团位于同一分子的两端，通过化学键连接在一起，形成不对称的极性结构，这就使这种特殊的分子具有既亲水又亲油，但整体上不亲水也不亲油的特性。 表面活性剂的这种独特结构通常被称为“两亲结构”（），表面活性剂分子也因此常常被称为“两亲分子”。

为了方便起见，通常采用曲线符号和圆圈的组合来表示表面活性剂分子，如图1所示。

表面活性剂示意图

自然报道

编辑

降低表面张力

降低表面张力是表面活性剂最基本的作用。液体的表面层存在着一种宏观张力，它使液体表面收缩到可能的最小值，这种张力称为表面张力。加入表面活性剂后，表面活性剂在液体表面形成一层薄膜，改变液体表面的分子排列，从而降低表面张力[2]。

胶束形成

胶束（）是指当表面活性剂浓度达到一定值时，在水溶液中开始大量形成的有序分子聚集体。

表面活性剂溶于水，当其浓度较低时，以单分子形式分散或吸附在溶液表面，降低表面张力。当表面活性剂浓度升高到溶液表面饱和，不能再吸附时，表面活性剂分子开始向溶液中移动（图2a-b）。由于表面活性剂分子的疏水部分对水的亲和力较小，而亲水部分之间的吸引力较大，当达到一定浓度时，许多表面活性剂分子（一般为50～150个）的疏水部分相互吸引，缔合在一起形成缔合体，即胶束（图2c-d）。胶束的形状多种多样，有球形、片状、棒状等。

胶束的形成过程

参数广播

编辑

亲水亲油平衡（HLB）

亲水亲油平衡（HLB）：表面活性剂分子中亲水基团和亲油基团对油或水的综合亲和力。

HLB值用来表示表面活性剂的亲水性或亲油性，HLB值越高，亲水性越强，反之越弱。HLB值的概念于1949年提出，并规定非离子表面活性剂的HLB值范围为0～20，疏水性最高的是完全由饱和烷烃基团构成的石蜡的HLB值定为0，亲水性最高的是完全由亲水乙烯基构成的聚氧乙烯醚的HLB值定为20。其他表面活性剂的HLB值都在0～20之间。随着新型表面活性剂的不断涌现，更多的亲水性品种得到实际应用，如十二烷基硫酸钠的HLB值为40。

表面活性剂的HLB值与其用途密切相关，HLB值为3～6的表面活性剂适合用作W/O型乳化剂，HLB值为8～18的表面活性剂适合用作O/W型乳化剂。用作增溶剂的表面活性剂HLB值在13～18之间，用作润湿剂的表面活性剂HLB值在7～9之间，用作洗涤剂的表面活性剂HLB值在13～16之间[3]。不同用途的表面活性剂的HLB值如图3所示。

不同用途表面活性剂的HLB值

浊点

浊点（CP）：浊点是非离子表面活性剂的均匀胶束溶液发生相分离时的温度。

表面活性剂溶液随着温度的升高会变得浑浊，表面活性剂由完全溶解变为部分溶解的温度称为浊点温度。浊点是非离子表面活性剂的一个特征常数，受表面活性剂分子结构和共存物质的影响[4]。

临界胶束浓度（CMC）

临界胶束浓度（CMC）：表面活性剂分子在溶剂中可以结合形成胶束的最低浓度。

离子型表面活性剂胶束是由离子缔合形成的带电胶束，又称胶体电解质。非离子型表面活性剂胶束不带电，因此不属于胶体电解质。在表面活性剂在溶液中开始形成胶束的临界胶束浓度前后，溶液的某些物理性质，如渗透压、浊度、表面张力、电导率等都会发生明显变化。因此，使用表面活性剂时必须小心谨慎，否则会起到相反的效果。例如在耐火浇注料中加入表面活性剂起减水分散作用时，当浓度超过临界胶束浓度时，浇注料的流动性就会变差[5]。

观点

临界点：离子表面活性剂达到临界胶束浓度时的温度称为临界点，临界点越高，其临界胶束浓度越小。

分类报告

编辑

根据亲水基团所生成离子的类型，表面活性剂可分为阴离子型、阳离子型、两性离子型和非离子型四类。

阴离子表面活性剂

①肥皂

它是高级脂肪酸的盐，通式为：(RCOO)nM。脂肪酸烃R一般为11～17个碳的长链，常见的有硬脂酸、油酸、月桂酸等。根据M所代表的物质不同，又可分为碱金属皂、碱土金属皂、有机胺皂等。它们都具有良好的乳化性能和分散油脂的能力。但容易被破坏。碱金属皂也能被钙、镁盐破坏，电解质也能引起盐析。

碱金属皂：O/W

碱土金属皂：W/O

有机胺皂：三乙醇胺皂

②硫酸盐RO-SO3-M

主要有油脂硫酸盐和高级脂肪醇硫酸盐。脂肪烃链R在12~18个碳之间。油脂硫酸盐的代表有硫酸化蓖麻油，俗称土耳其红油。高级脂肪醇硫酸盐有十二烷基硫酸钠（SDS，Na2O3）和脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠（AES）。SDS乳化作用强，比较稳定，对酸和钙镁盐有较强的抵抗力。在制药上，能与一些高分子阳离子药物生成沉淀，对黏膜​​有一定的刺激性，用作外用软膏的乳化剂，也用于片剂等固体制剂的润湿或增溶。脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠（AES）具有抗硬水的能力，去油性能好，有一定的增稠作用。

③磺酸盐R-SO3-M

该类包括脂肪族磺酸盐、烷基芳基磺酸盐和烷基萘磺酸盐，它们的水溶性和抗酸、抗钙、镁盐性能稍差于硫酸盐，但在酸性溶液中不易水解。脂肪族磺酸盐包括：仲烷基磺酸钠（SAS-60）、脂肪酸甲酯乙氧基化物磺酸钠（FMES）、脂肪酸甲酯磺酸钠（MES）、二辛基琥珀酸磺酸钠（Aloso-OT）等，可作为非口服途径的药物吸收促进剂；烷基芳基磺酸盐中的十二烷基苯磺酸钠是目前应用广泛的去垢剂。胆酸盐如甘胆酸钠、牛磺胆酸钠等常用作单甘酯的增溶剂和胃肠道脂肪的乳化剂。

阳离子表面活性剂

带正电荷的表面活性剂称为阳离子表面活性剂。阳离子起表面活性作用，又称阳皂。其分子结构的主要部分是五价氮原子，为季铵化合物，主要有苯扎氯铵（洗必泰）、苯扎溴铵（洗必泰）、苯扎氯铵等。该类表面活性剂水溶性好，表面活性好，在酸性和碱性溶液中都比较稳定。由于其杀菌作用强，主要用于皮肤、黏膜、手术器械等的消毒。有些品种如苯扎氯铵可作为眼用溶液中的抗菌剂。

两性表面活性剂

该类表面活性剂的分子结构中同时带有正电荷和负电荷基团，在不同pH值的介质中能表现出阳离子或阴离子表面活性剂的性质。

①卵磷脂

卵磷脂是一种天然的两性离子表面活性剂，主要来源于大豆和蛋黄。卵磷脂的成分十分复杂，是多种化合物的混合物，由于其来源和制备工艺的不同，各组分的比例会有所不同，从而性能也会有所不同。卵磷脂对热十分敏感，在酸、碱和酯酶作用下易水解。不溶于水，可溶于氯仿、乙醚、石油醚等有机溶剂。是制备乳剂和注射用脂质微粒的主要辅料。

②氨基酸型、甜菜碱型

氨基酸和甜菜碱是人工合成的两性表面活性剂，其阴离子部分主要为羧酸盐，阳离子部分为胺盐，为氨基酸型（R-NH2+--），季铵盐，为甜菜碱型：R-N+（CH3）2-COO-。其特点是：在碱性水溶液中，具有阴离子表面活性剂的性质，具有良好的起泡、去污效果；在酸性溶液中，具有阳离子表面活性剂的性质，杀菌能力强，杀菌效果强，毒性比阳离子表面活性剂小。

非离子表面活性剂

脂肪酸甘油酯

主要为脂肪酸单甘油酯和脂肪酸双甘油酯，如单硬脂酸甘油酯等。不溶于水，易水解为甘油和脂肪酸，表面活性较低，HLB值为3～4，常用作W/O型辅助乳化剂。

蔗糖脂肪酸酯

蔗糖酯是蔗糖酯的简称，为多元醇型非离子表面活性剂，是由蔗糖与脂肪酸反应生成的一类化合物，包括单酯、双酯、三酯、聚酯等，在体内可分解为蔗糖和脂肪酸并被利用，HLB值为5～13，常用作O/W型乳化剂、分散剂，也是常用的食品添加剂。

山梨醇脂肪酸

是由山梨醇酐及其酐与脂肪酸反应得到的酯类化合物的混合物，商品名为Span。由于其亲油性强，常用作W/O型乳化剂，HLB值为1.8～3.8，多用于搽剂、软膏剂，但Span 20、Span 40与吐温并用时，常用作O/W混合型乳化剂。

聚山梨醇酯

是聚氧乙烯山梨醇脂肪酸酯。由Span类剩余的-OH与聚氧乙烯基团结合而得的醚化合物。商品名吐温。该类由于加入了亲水性的聚氧乙烯基团，亲水性大大提高，成为水溶性表面活性剂。HLB值为9.6～16.7，常用作增溶剂、O/W乳化剂。

聚氧乙烯脂肪酸酯

它是聚乙二醇和长链脂肪酸缩合而成的酯类，商品名Myrij就是其中一种，该类酯类具有水溶性，乳化性强，常用作O/W乳化剂和增溶剂。

聚氧乙烯脂肪醇醚

它是聚乙二醇和脂肪酸缩合而成的醚，商品名Brij是其中之一，常用作O/W乳化剂和增溶剂。

聚氧乙烯-聚氧丙烯聚合物

它由聚氧乙烯和聚氧丙烯组成，又称泊洛沙姆（），商品名为（）。

主要功能报告

编辑

（1）乳化作用：由于油在水中的表面张力很大，当把油滴入水中，剧烈搅拌时，油被碾碎成细小的珠子，混合成乳状液，但停止搅拌后，油又会分离出来。如果加入表面活性剂，剧烈搅拌，搅拌停止后，很长时间也不会分离。这就是乳化作用。其原因是油的疏水性被表面活性剂的亲水基团包围，形成定向引力，减少了油在水中分散所需的功，使油得到很好的乳化。

（2）润湿性：零件表面常有一层蜡、油脂或鳞片状物质，这些物质具有疏水性，由于这些物质的污染，零件表面不易被水润湿。当在水溶液中加入表面活性剂后，零件上的水滴很容易被分散，大大降低了零件的表面张力，达到了润湿的目的。

（3）增溶作用：油类物质加入表面活性剂后才能溶解，但这种溶解只有当表面活性剂的浓度达到胶体的临界浓度时才能发生。溶解能力由增溶对象及其性质决定。就增溶作用而言，长疏水烃链比短烃链增溶作用强，饱和烃链比不饱和烃链增溶作用强，非离子表面活性剂一般增溶效果更显著。

（4）分散作用：灰尘、污物等固体颗粒在水中容易聚集在一起而沉降，表面活性剂的分子能将固体颗粒聚集体打散成细小颗粒，使其分散、悬浮在溶液中，从而促使固体颗粒均匀分散。

（5）起泡作用：泡沫的形成主要是由于表面活性剂的定向吸附，使气相与液相间的表面张力降低而引起的。一般低分子表面活性剂易起泡，高分子表面活性剂起泡较少。肉豆蔻酸黄起泡性最好，硬脂酸钠起泡性最差。阴离子表面活性剂的起泡性和泡沫稳定性比非离子表面活性剂好，如烷基苯磺酸钠的起泡性强。常用的稳泡剂有脂肪醇酰胺、羧甲基纤维素等，抑泡剂有脂肪酸、脂肪酸酯、聚醚等及其它非离子表面活性剂。

应用报告

编辑

表面活性剂的应用可分为民用和工业应用。

据数据显示，2/3的民用表面活性剂用于个人防护产品，合成洗涤剂是表面活性剂消费最大的市场之一，产品包括洗衣粉、液体洗涤剂、餐具洗涤剂以及洗发水、护发素、发乳、发胶、保湿乳液、爽肤水、洗面奶等各类家用清洁用品和个人防护用品。

工业表面活性剂是民用表面活性剂以外的各种工业领域中使用的表面活性剂的总和，其应用领域包括纺织工业、金属工业、涂料、油漆、颜料工业、塑料树脂工业、食品工业、造纸工业、皮革工业、石油开采、建材工业、采矿工业、能源工业等，下面从几个方面进行介绍。

表面活性剂在化妆品中的应用

表面活性剂在各种化妆品中广泛用作乳化剂、渗透剂、洗涤剂、柔软剂、润湿剂、杀菌剂、分散剂、增溶剂、抗静电剂、染发剂等。非离子表面活性剂由于无刺激性，易与其他成分配伍，在化妆品中使用最为普遍，一般为一些脂肪酸酯类、聚醚类。

化妆品配方组成多样复杂，除油水原料外，还有各种功能性表面活性剂、防腐剂、香精和色素等，属于多相分散体系。随着对化妆品剂型和功能的要求越来越高，化妆品中使用的表面活性剂品种也越来越多。化妆品中使用的表面活性剂应无刺激性、无毒无副作用，还需满足无色、无难闻气味、稳定性高的要求。

表面活性剂在洗涤剂中的应用

表面活性剂具有高效的清洁、消毒功能，早已成为清洁产品中最重要的组成成分。表面活性剂是洗涤剂的主要成分，它通过一系列物理化学反应（如润湿、渗透、乳化、增溶、分散、发泡等）与污垢以及污垢与固体表面之间发生反应，并在机械搅拌的作用下达到洗涤效果。其中应用最广泛的是阴离子型和非离子型表面活性剂，阳离子型和两性表面活性剂仅用于生产某些特殊类型和功能的洗涤剂。主要品种有LAS（烷基苯磺酸盐）、AES（脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸盐）、MES（α-磺酸脂肪酸盐）、AOS（α-烯烃磺酸盐）、烷基聚氧乙烯醚、烷基酚聚氧乙烯醚、脂肪酰二乙醇胺、氨基酸型、甜菜碱型等。

表面活性剂在食品工业中的应用

①食品乳化剂和增稠剂表面活性剂在食品工业中的主要作用是起乳化剂和增稠剂的作用。卵磷脂是最常用的乳化剂和稳定剂。除卵磷脂外，常用的乳化剂还有脂肪酸甘油酯S，主要有单甘酯T，脂肪酸蔗糖酯，脂肪酸山梨醇酐酯，脂肪酸丙二醇酯，大豆卵磷脂，阿拉伯胶，海藻酸，酪蛋白酸钠，明胶和蛋黄等。增稠剂分天然和化学合成两大类，天然增稠剂有从植物和海藻中获得的淀粉、阿拉伯胶、瓜尔胶、卡拉胶、果胶、琼脂和海藻酸等，还有从含蛋白质的动植物中获得的明胶、酪蛋白、酪蛋白酸钠等，以及从微生物中获得的黄原胶。 最常用的合成增稠剂有羧甲基纤维素钠、海藻酸丙二醇酯、纤维素乙醇酸钠、聚丙烯酸钠、淀粉乙醇酸钠、淀粉磷酸钠、甲基纤维素和聚丙烯酸钠。

②食品防腐剂鼠李糖酯具有一定的抗菌、抗病毒和抗支原体作用，蔗糖酯对微生物，特别是产芽孢的革兰氏阳性菌也有明显的抑制作用。

③食品分散剂、发泡剂等表面活性剂除可作乳化剂、增稠剂外，还能起分散剂、润湿剂、发泡剂、消泡剂、结晶控制剂、杀菌、延长食品保质期等作用。例如全脂奶粉造粒时加入0.2-0.3%大豆卵磷脂，可提高其亲水性和分散性，混合时能很快溶解而不结块。在制作蛋糕、冰淇淋时，加入甘油脂肪酸酯和蔗糖脂，能起发泡作用，有利于大量气泡的产生。在炼乳、豆制品生产中加入甘油脂肪酸酯有消泡作用。

④在色素、风味成分、生物活性成分及发酵产物提取分离中的应用

近年来，表面活性剂在食品中的色素、风味成分、生物活性成分以及发酵产物等天然成分的提取与分离中也得到了广泛的应用。

表面活性剂在医学中的应用

表面活性剂具有润湿、乳化、增溶等作用，因此被广泛用作药物制剂的辅料，特别是近年来发展起来的药物微乳技术。在药物合成中，表面活性剂可作为相转移催化剂，改变离子的溶剂化程度，从而增加离子的反应性，使反应在非均相体系中进行，大大提高反应效率。在药物分析中，特别是在药物荧光光谱分析中，表面活性剂常被用作增溶剂和增敏剂。在制药工业中，表面活性剂被广泛用作杀菌剂和消毒剂，用于术前皮肤消毒、伤口或黏膜消毒、器械消毒以及环境消毒，因为表面活性剂能与细菌生物膜蛋白发生强烈的相互作用，使其变性或失去功能[6]。

开发进程及方向报告

编辑

表面活性剂最早的应用可以追溯到古代，如古埃及人沐浴时使用的橄榄油肥皂，但直到19世纪中叶，人们才开始研究和生产肥皂、石油硫酸盐等现代表面活性剂。

1916年，德国化学家弗里茨·哈伯发明了一种由氨和石化产品组成的混合物，称为“A剂”。这种混合物可用于制造肥皂和洗涤剂，但其中含有高浓度的有毒气体，十分危险，因此研究人员开始寻找更安全、更有效的替代品。

1927年，美国化学家艾柯·温菲尔德和哈伯合作发明了一种新型表面活性剂，利用乙氧基化化学物质替代有毒气体，更加安全有效，这是表面活性剂发展的里程碑，推动了表面活性剂在工业和消费领域的应用。

20世纪20年代以后，合成洗涤剂的研究有了重大突破，人们发现了新的表面活性剂，如烷基苯磺酸钠、烷基磺酸盐等，这些表面活性剂极其有效，应用十分广泛。

20世纪60年代，随着环境污染问题的日益突出，人们开始研究和开发环境友好的表面活性剂，如非离子表面活性剂、可生物降解表面活性剂等。

近年来人们开始研究和开发具有更多功能的表面活性剂，如抗菌表面活性剂、抗静电表面活性剂等。

表面活性剂经历了由传统到现代、由低级到高级、由污染到环境友好、由单一功能到多功能的发展过程[7]。

表面活性剂的发展方向将体现在以下几个方面：①回归自然；②替代有害化学物质；③用于常温洗涤；④不需添加剂便可在硬水中使用；⑤能有效处理废液、废水、粉尘等的环境友好型表面活性剂；⑥能有效提高矿物、燃料和生产利用率的表面活性剂；⑦多功能表面活性剂；⑨基于生物工程利用工业或城市废弃物制备的表面活性剂；⑨利用复配技术产生协同效应的高效表面活性剂[6]。