马来酰蓖麻油酸聚乙二醇酯的分离提纯与其乳化性能的研究

曹 爽， 陈永杰， 张 芮， 耿秀娟， 徐贤款， 刘 月， 姚 卓

(沈阳化工大学 应用化学学院, 辽宁 沈阳 110142)

双子表面活性剂是由两个相同或几乎相同的两亲分子，在其亲水基或靠近亲水基处由联接基团通过化学键链接的一类新型表面活性剂[1].其独特的双亲水基双亲油基的结构特点，使其具有较传统表面活性剂更低的表面活性和更加优异的物理化学性能，因此，双子表面活性剂已成为当前表面活性剂领域内的研究热点[2-3].蓖麻油是唯一的含羟基酸的油脂，是一种无毒、廉价、可再生资源，其脂肪酸中最主要的成分是蓖麻油酸[4].蓖麻油及其衍生物合成的表面活性剂，由于低毒性、良好的生物降解性等被广泛应用于化妆品、皮革、涂料、民用洗涤等行业中[5-6]，如蓖麻油聚氧乙烯醚(EL-100)[6]作为乳化剂、润湿剂等应用于日用化妆品行业中；蓖麻油酸甲酯乙氧基化物[7]由于其良好的耐碱性与洗涤性能被应用于化妆品与洗涤剂中；甘油单蓖麻油酸酯[8]由于其突出的安全性、配伍性以及强抗菌性，作为新型抗菌剂应用于食品包装材料、化妆品、药品、消毒剂.

目前双子表面活性剂的研究主要在其合成方法、性能及应用方面[9-11]，鲜有对其分离提纯的研究报道.但在对表面活性剂性能研究的过程中发现，表面活性剂中残留的微量杂质，尤其是具有表面活性的杂质，会较大程度地影响其表面性能[12].因此，双子表面活性剂分离提纯的研究尤为重要.

本文以蓖麻油酸和聚乙二醇(聚合度n=10、15、20)为原料，马来酸酐为联接基，合成双子表面活性剂——马来酰蓖麻油酸聚乙二醇酯(MARAPEG-n)，采用柱层析法分离双子表面活性剂中的杂质蓖麻油酸，并通过薄层色谱(TLC)法检验柱层析的分离提纯效果；测试分离提纯前后双子表面活性剂的HLB值与乳化性能，并与商用乳化剂NP-10、OP-10、Tween-20、Tween-40的乳化性能进行比较.

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

薄层层析硅胶(GF254)、柱层析硅胶(200～300目)、羧甲基纤维素钠(CMC-Na)、聚乙二醇(n=10、15、20)均为化学纯试剂；蓖麻油酸(RA)、马来酸酐(MA)、对甲基苯磺酸(TsOH)、硼酸、醋酸钠、石油醚(PE)、乙酸乙酯(EA)、二氯甲烷(DCM)、甲醇(MeOH)、苯、冰醋酸、碘、1,4-二氧六环、液体石蜡、NP-10、OP-10、Tween-20、Tween-40均为分析纯试剂.

硅胶层析板：10 cm×20 cm(自制)；层析缸：22 cm×6 cm×22 cm(L×W×H)；层析柱：Φ24 mm×255 mm的玻璃柱.

1.2 马来酰蓖麻油酸聚乙二醇酯的合成

依照文献[13]中所述的步骤，合成双子表面活性剂——马来酰蓖麻油酸聚乙二醇酯MARAPEG-n(n=10、15、20)，其结构式如下所示：

1.3 马来酰蓖麻油酸聚乙二醇酯粗品的柱层析法分离提纯

1.3.1 TLC法确定柱层析最佳淋洗剂

(1) 薄层板制备：将30 g薄层层析硅胶GF254与100 mL质量分数为3‰的羧甲基纤维素钠水溶液混匀后，均匀铺在5块玻璃板(10 cm×20 cm)上，晾干后放入真空干燥箱内，在105 ℃下活化30 min，备用.

(2) 样品溶液的制备：称取蓖麻油酸与3种马来酰蓖麻油酸聚乙二醇酯粗品各0.1 g，分别溶解于10 mL丙酮中，配成样品溶液.

(3) 最佳淋洗剂的确定：分别以石油醚、乙酸乙酯、二氯甲烷、甲醇以及不同体积比的二氯甲烷与甲醇混合溶剂为展开剂，对上述样品溶液进行TLC分析，根据上述样品在薄层板上的展开情况确定柱层析的最佳淋洗剂.

1.3.2 柱层析法分离提纯粗品MARAPEG-n

(1) 上样及装柱：取柱层析硅胶15 g于105 ℃下活化1 h.在单口烧瓶中分别加入1.5 g粗品、1.5 g已活化的柱层层析硅胶和5 mL溶剂乙酸乙酯，充分振荡至粗品完全溶解于乙酸乙酯，且使硅胶颜色均一，然后旋蒸除去乙酸乙酯.依次将活化的硅胶、附有粗品的硅胶加入层析柱中，并在硅胶上覆盖一层0.5 cm厚的石英砂，从层析柱出口处抽真空30 min，排出硅胶柱中的空气.沿层析柱内壁缓慢倒入100 mL石油醚，打开层析柱下端活塞，使石油醚缓慢流过层析柱至其液面刚好到达石英砂表面时关闭活塞.

(2) 淋洗及收集：向层析柱中缓慢加入500 mL二氯甲烷与甲醇的混合溶剂(体积比10∶1)，打开层析柱下端活塞，用双连球在层析柱上端加压，并调节下端活塞，控制淋洗剂的流速在2～5滴/s，将流出液依次用带有编号的试管收集(每个试管收集流出液约10 mL)，每个试管为一级分.

(3) 薄层色谱分析：以体积比为10∶1的二氯甲烷与甲醇混合溶剂为展开剂，对蓖麻油酸样品及柱层析的流出液进行TLC分析，将展开后的薄层板置于碘缸中显色.

1.4 性能测定

1.4.1 HLB值[14]

称取0.2 g表面活性剂(或原料)，溶解在20 mL的苯与1,4-二氧六环混合溶液(体积比4∶90)中，用水滴定至明显可见的浑浊，所用水量(mL)记为W，根据公式计算表面活性剂(或原料)HLB值.

HLB=23.64lgW-10.16

1.4.2 乳化性能[14]

用量筒称取40 mL 1 g/L的表面活性剂(或原料)溶液和40 mL液体石蜡放入有玻璃塞的三角瓶内.用手捏紧玻璃塞，上下猛烈振动5下，静止1 min，再同样振动5下，静止1 min，如此重复5次.将形成的乳浊液倒入100 mL量筒中，立即用秒表记录时间.水油两相逐渐分开，水相分出10 mL所用的时间，即为表面活性剂(或原料)的乳化时间.

2 结果与讨论

2.1 柱层析淋洗条件的确定

通过TLC法试验了以石油醚、乙酸乙酯、二氯甲烷和甲醇做展开剂的单一展开体系对粗品MARAPEG-10、MARAPEG-15、MARAPEG-20的分离效果，结果表明：以甲醇为展开剂时，能较好分离双子表面活性剂粗品.同时，采用对比法确定了双子表面活性剂粗品中杂质为蓖麻油酸，见图1.

图1 蓖麻油酸及双子表面活性剂粗品TLC图

但以甲醇为展开剂进行分离时，表面活性剂的Rf>0.5，不适宜做柱层析的淋洗剂.通过引入二氯甲烷降低展开剂的极性，并改变二氯甲烷与甲醇混合溶剂的配比来调整展开剂的极性，控制表面活性剂的Rf值在0.2～0.4之间[15]，结果见表1.

表1 蓖麻油酸及双子表面活性剂的TLC分离情况

注：Rf1、Rf2、Rf3、Rf4分别为MARAPEG-10、MARAPEG-15、MARAPEG-20、RA的比移值.

由表1可知：当二氯甲烷与甲醇的体积比为1∶1、3∶1、5∶1、8∶1时，蓖麻油酸与双子表面活性剂Rf值相差小，故这4种溶剂不能做柱层析的淋洗剂.当二氯甲烷与甲醇的体积比为10∶1、15∶1时，表面活性剂的Rf值基本在0.3～0.4范围内，因此，体积比10∶1或15∶1的二氯甲烷与甲醇混合溶剂可作为柱层析的淋洗剂.

2.2 马来酰蓖麻油酸聚乙二醇酯粗品的柱层析法分离提纯

以粒度为200～300目的柱层析硅胶为固定相，二氯甲烷与无水甲醇混合溶剂(体积比为10∶1)为流动相，对双子表面活性剂粗品(MARAPEG-10、MARAPEG-15、MARAPEG-20)进行柱层析分离.现以MARAPEG-20粗品的柱层析分离为例，进行TLC分析，收集的各级分在薄层板上的分布如图2所示.

图2 原料(RA、PEG-20)及柱层析中各级分的TLC图

由TLC分析可知：从第9级分开始出现杂质蓖麻油酸点，直到第15级分蓖麻油酸点消失；第13级分开始出现产品点，直到第31级分产品点消失，并且产品点的Rf值不断减小.这是因为用于合成MARAPEG-20的原料聚乙二醇(PEG-20)，其本身含有少量不同聚合度的聚乙二醇，因此，合成的MARAPEG-20中也混有少量其它聚合度的聚乙二醇的产品.

通过柱层析法，可有效分离出双子表面活性剂MARAPEG-10、MARAPEG-15、MARAPEG-20中的杂质蓖麻油酸.

2.3 表面活性剂的HLB值

测定了柱分离前后的双子表面活性剂(MARAPEG-10、MARAPEG-15、MARAPEG-20)以及原料(RA、PEG-n)的HLB值，见图3.

由图3可知：双子表面活性剂MARAPEG-10、MARAPEG-15与MARAPEG-20的HLB值介于原料蓖麻油酸(HLB=9.68)与聚乙二醇(HLB=14.52～15.32)的HLB之间，分别为12.89、13.66、14.46.双子表面活性剂的HLB值随着聚乙二醇聚合度的增高而增大，其水溶性增大.这是由于随着聚乙二醇聚合度的增高(n=10、15、20)，表面活性剂中聚氧乙烯链的氧原子与水中的氢原子结合的氢键更牢固，使其更易溶解于水中，增加表面活性剂的水溶性.

与柱分离前的粗品相比，分离提纯后的MARAPEG-n(n=10、15、20)的HLB值均增大.这是由于杂质蓖麻油酸的疏水能力大于其亲水能力，总体表现为疏水性，所以，蓖麻油酸的移除有利于表面活性剂相对亲水能力的增强，所以其HLB值增大.

图3 原料(RA、PEG-n)及双子表面活性剂(MARAPEG-n)的HLB值

2.4 表面活性剂的乳化性能

测定了柱分离前后的双子表面活性剂(MARAPEG-10、MARAPEG-15、MARAPEG-20)、常用商用乳化剂(NP-10、OP-10、Tween-20、Tween-40)以及原料(RA、PEG-n)的乳化时间，结果见图4.

图4 表面活性剂、乳化剂以及原料的乳化时间

由图4可以看出：与柱分离前的粗品相比，分离后的MARAPEG-n(n=10、15、20)的乳化性能都明显增强.这是由于蓖麻油酸具有一定的表面活性，在溶液中蓖麻油酸分子会嵌入表面活性剂分子的疏水端，使界面膜分子排列疏松，降低乳状液的稳定性，故杂质蓖麻油酸会降低MARAPEG-10、MARAPEG-15、MARAPEG-20的乳化性能.

经过柱分离提纯的双子表面活性剂产品中，MARAPEG-10与MARAPEG-15的乳化性能均优于其他4种商用乳化剂；而MARAPEG-20的乳化性能不及乳化剂NP-10(乳化时间为1 107 s).由于原料聚乙二醇(n=20)的聚合度较高，合成的双子表面活性剂分子在溶液中排列时自身的亲水基与疏水基发生相互吸附与缠绕，降低了界面膜强度，不利于乳状液的稳定，所以，MARAPEG-20的乳化性能差.

双子表面活性剂的乳化性能明显优于原料蓖麻油酸与聚乙二醇的乳化性能，MARAPEG-10、MARAPEG-15与MARAPEG-20乳化时间分别为1 251 s、1 202 s、1 017 s.

3 结 论

(1) 采用柱层析法分离马来酰蓖麻油酸聚乙二醇酯粗品MARAPEG-n(n=10、15、20)中的杂质蓖麻油酸，并通过TLC法检验柱层析法的分离效果.柱层析的最佳分离条件为：以200～300目的柱层析硅胶为固定相，二氯甲烷与甲醇的混合溶液(体积比为10∶1)为流动相，流速为2～5滴/s.TLC法的检测条件为：薄层层析硅胶GF254为吸附剂，二氯甲烷与甲醇的混合溶液(体积比为10∶1)为展开剂，碘单质显色.

(2) 柱分离提纯后的双子表面活性剂MARAPEG-10、MARAPEG-15、MARAPEG-20的HLB值与分离提纯前的粗品相比明显增大，说明杂质蓖麻油酸的移除有利于双子表面活性剂的相对亲水能力增强，其HLB值分别为12.89、13.66、14.46.

(3) 柱分离提纯后的双子表面活性剂MARAPEG-10、MARAPEG-15、MARAPEG-20的乳化能力优于分离提纯前的粗品，说明杂质蓖麻油酸的移除有利于提高双子表面活性剂的乳化性能.MARAPEG-10与MARAPEG-15的乳化性能均优于商用乳化剂NP-10、OP-10、Tween-20、Tween-40，产品可应用于农药乳化等领域.