ASB甜菜碱的合成与性能研究

闫龙龙，阳　飞，周慧鑫，李　菲，张群正

(西安石油大学，陕西　西安　710065)



ASB甜菜碱的合成与性能研究

闫龙龙，阳飞，周慧鑫，李菲，张群正

(西安石油大学，陕西西安710065)

以十四酸、N,N-双(3-氨丙基)甲胺、3-氯-2-羟基丙磺酸钠为原料制备ASB甜菜碱，研究了酰胺化反应的最优条件。实验结果表明最优条件：反应时间为10 h，反应温度为160 ℃，n十四酸:nN,N-双(3-氨丙基)甲胺为2.1:1.0，催化剂用量为0.3%；ASB甜菜碱溶液的cmc为1.28×10-5mol/L，γcmc为28.6 mN/m，可与原油达到10-4mN/m数量级的超低界面张力。

ASB甜菜碱；合成；表面性能

两性表面活性剂分子结构通常情况下一端有一个亲水基，而另一端则是疏水基，因此该类表面活性剂分子具有亲水亲油的特性。可通过改性插入一些活性基团(如酰胺基、磺基、磷酸基等)改变其物理化学及实际应用的性能[1]。甜菜碱表面活性剂是不但具有“普通”两性表面活性剂的所有优点，而且具有独特的性质，如在较宽的pH变化范围内具有优异的表面活性[2-3]。作为一种新型两性表面活性剂，符合“绿色”表面活性剂的要求，在化妆品、纺织业、日用化工等领域得到广泛应用[4-5]。

1　实验部分

1.1实验仪器及药品

仪器：CN61M/H630傅里叶红外光谱仪，北京中西远大科技有限公司；XH-727B元素分析仪，南京勋华有限公司；DMP-2C数字式微压差测量仪，北京中西远大科技有限公司；XZD5-旋转滴界面张力仪，北京哈科仪器厂。

药品：十四酸(AR)；N,N-双(3-氨丙基)甲胺(GR)；95%乙醇(AR)；原油。

1.2合成方法

1.2.1酰胺化反应

称取一定量的十四酸置于四口烧瓶中，加入催化剂，通氮气，加热溶解，然后慢慢滴加适量的N,N-双(3-氨丙基)甲胺，于一定的温度下搅拌反应6 h，得酰胺中间体。

反应原理:

1.2.2季铵化反应

酰胺中间体与3-氯-2-羟基丙磺酸钠进行季铵化反应得到最终产物ASB甜菜碱。

反应原理：

2　结果与讨论

ASB甜菜碱的合成为两步：酰胺化和季铵化反应。其中最关键的是酰胺化反应，因此主要对酰胺化反应条件进行讨论。

2.1酰胺化反应条件优化

根据实验初步得出，影响反应产率的主要因素有物料比、反应温度、反应时间和催化剂用量，因此设计了四因素三水平的正交试验，其影响因素及水平如表1所示。

表1　酰胺化反应的影响因素和水平

表2　正交试验

由表2和方差分析可知，四个因素对产率均有影响，影响程度大小顺序为A>D>C>B。从正交试验结果得出最优组合为A3B2C2D3，并通过Minitab软件预测结果为94%。

通过验证试验得到最有条件下的产率为93%，与预测值相近。

2.2季铵化反应

称取一定量的3-氯-2-羟基丙磺酸钠加入到三口烧瓶中，再加入混合溶剂(V乙醇:V水=2:1)，加热溶解，加入适量的酰胺中间体(n酰胺中间体I:n3-氯-2-羟基丙磺酸钠=1:1.1)，温度80 ℃，保持反应体系pH在9～10[6]，反应12 h，最终得到ASB甜菜碱。通过胺值测定得酰胺的转化率为82%，胺值测定具体操作参照QB/T2344-97。

2.3结构表征

2.3.1红外谱图分析

由图1可知，3300 cm-1为酰胺的N-H伸缩振动吸收峰；2925 cm-1和2850 cm-1为-CH2-，-CH3伸缩振动吸收峰；1650 cm-1为酰胺基的C=O伸缩振动吸收峰。

图1　酰胺中间体红外谱图

图2　ASB甜菜碱红外谱图

由图2可知，3500～3450 cm-1为-OH伸缩振动吸收峰；2919 cm-1和2850 cm-1为-CH2-，-CH3伸缩振动吸收峰；1651 cm-1为酰胺基上C=O伸缩振动吸收峰；1250 cm-1吸收峰为-SO3伸缩振动吸收峰；结果表明产物为ASB甜菜碱。

2.3.2元素分析

为了进一步对ASB甜菜碱进行表征，对其做元素分析测定，实验结果如表3所示。

表3　酰胺中间体及ASB甜菜碱的元素分析结果

2.4ASB甜菜碱表面活性剂的性能

2.4.1表面张力测定

配制不同浓度的ASB甜菜碱溶液，在25 ℃条件下，利用最大气泡法测定表面张力。γ-logc关系如图3所示。

由图3可知，随溶液浓度的增大，γ急剧下降，但继续增大浓度时，表面张力基本保持不变。ASB甜菜碱溶液的cmc为1.28×10-5mol/L，γcmc为28.6 mN/m。

图3　ASB甜菜碱溶液γ-lgc曲线

2.4.2界面张力测定

分别配制不同浓度的ASB甜菜碱溶液，以原油为油相，在45 ℃条件下采用旋转滴法测定界面张力，其平衡时间与界面张力关系如图4所示。

图4　界面张力随时间的变化

由图4可知，ASB甜菜碱浓度为0.05%～0.2%时，界面张力均可达到10-3mN/m，浓度为0.1%时，界面张力达到10-4mN/m。

3　结　论

(1) 酰胺化反应的最优条件：反应时间为10 h，反应温度为160 ℃，物料比n十四酸:nN,N-双(3-氨丙基)甲胺为2.1:1.0，催化剂用量为0.3%；

(2)ASB甜菜碱溶液的cmc为1.28×10-5mol/L，γcmc为28.6 mN/m ；浓度为0.1%时，界面张力达到10-4mN/m。

[1]Ying xiong， Wang Xu, Huang Ya, et al. Aggregation properties of zwitterionic surfactants with different ionic headgroups, hydrophobic chain length and inter-charge spacers[J]. Colloids and Surfaces A:Physicochemical and Engineering Aspects,2009, 333(1-3):108-114.

[2]高战备,丁红霞.甜菜碱型表面活性剂的合成与应用[J].中国洗涤用品工业,2008,19(2): 72-74.

[3]王学川,丁建华,袁绪政,等.甜菜碱型硅表面活性剂的合成和应用[J].日用化学工业,2008,38(1):45-49．

[4]Kulmala. M, H. aneriK, Aalto. P. Overview of the international project on biogenicaerosol formation in the boreal forest[J]. Chemicalmeteorology, 2001, 53(7):324-343．

[5]张磊. N,N-二甲基乙酰胺合成路线与市场前景商业视角[J].商场现代化,2000(06X):166.

[6]刘方,李玉华,蔡思琴.石油开采中表面活性剂驱的应用与展望[J].精细与专用化学品,2000(22):9-11.

Synthesis and Properties of ASB

YANLong-long,YANGFei,ZHOUHui-xin,LIFei,ZHANGQun-zheng

(Xi’an Shiyou University, Shaanxi Xi’an 710065, China)

Myristic acid, 3,3-diamino-N-methyldipropylamine and 3-chloro-2-hydroxy propane sulfonate were used as starting materials for preparation of ASB. Optimization of the amide reaction conditions was studied. Experimental results showed that the optimization molar ratio was myristic acid to 3,3-diamino-N-methyldipropylamine was 2.1:1.0, reaction temperature was 160 ℃, reaction time was 10 h, catalyst dosage was 0.3%. The cmc of ASB was 1.28×10-5mol/L, and the corresponding γcmcwas 28.6 mN/m. The ultra low interfacial tension in order as 10-4mN/m can be reached with crude oil.

ASB betaine；synthesis；surface properties

闫龙龙(1989-)，男，研究生，主要从事油田化学品的合成及应用。

TQ423.3

A

1001-9677(2016)02-0076-03