月桂酰基甲基牛磺酸钠的合成与性能研究

毛雪彬 洪玉倩 李伏益 徐坤华 史立文 葛赞 雷小英 方灵丹

（赞宇科技集团股份有限公司，浙江杭州，310030）

N-酰基氨基酸盐是一类新型表面活性剂，它的pH值与人体皮肤相接近，呈弱酸性，用于清洁皮肤具有良好地肤感且低毒无刺激[1-2]，因此用于个人洗护用品中效果十分优异。

月桂酰基甲基牛磺酸钠具有磺酸基团，与阴离子、非离子以及两性表面活性剂都有着良好地配伍性，易溶于水，泡沫丰富细腻且耐硬水性好，是一种性能优良、安全性高的阴离子表面活性剂，可以应用于中高档个人洗护用品中，赋予毛发、皮肤温和、滋润和滑爽的感觉[3-4]。

合成长链N-酰基氨基酸表面活性剂的方法通常有两种，即直接法和间接法。直接法是用长链脂肪酸或脂肪酸酯与氨基酸直接进行缩合反应，而间接法主要是酰化反应工艺，包括脂肪酸酐与氨基酸盐的酰化反应、脂肪腈水解酰化反应、酰胺羰基化反应和脂肪酰氯与氨基酸反应等等。直接法通常为高温反应，能耗高且产率低，难以工业化；所以目前工业化的产品多为酰化反应合成的，由脂肪酰氯与氨基酸盐在水溶液或者亲水性有机溶剂中缩合生成脂肪酰氨基酸表面活性剂[5-6]。由于使用有机溶剂之后会降低产品本身的泡沫性能，或者是在脱除溶剂时增加成本，本实验用水作为溶剂，以月桂酰氯和甲基牛磺酸钠为反应原料，通过对反应温度、投料比、水溶剂用量等条件的优化，得到了合成40%月桂酰基甲基牛磺酸钠的最佳工艺条件，并测试了临界胶束浓度、表面张力以及泡沫性能。

1 实验部分

1.1 主要试剂与仪器

月桂酰氯，工业级；甲基牛磺酸钠，40%，沈阳普瑞兴精细化工有限公司；32%液碱，赞宇科技集团股份有限公司。

K100全自动表面张力仪，德国 KRÜSS；R-2000动态泡沫测试仪，德国SITA。

1.2 反应原理

甲基牛磺酸钠和酰氯在碱性条件下发生缩合反应：

该反应很容易进行，但也会伴随着副反应的发生，酰氯在碱性条件下发生水解、皂化生成脂肪酸钠：

副反应的产物脂肪酸钠和氯化钠会影响下游产品的低温稳定性，低温下产品易浑浊；温度越高、碱性越强，酰氯越容易水解，因此，通过优化反应条件来减少副反应的发生是提升产品品质的关键。

1.3实验步骤

在配有搅拌和恒温水浴的三口烧瓶中投入一定量的甲基牛磺酸钠和适量的水，搅拌混合均匀后，在一定温度下滴加月桂酰氯，同时监测反应体系的pH值，通过滴加液碱来维持反应体系pH值稳定，滴加完酰氯之后继续反应2h，然后出料。

1.4分析方法

活性物含量：参照GB/T 5173表面活性剂和洗涤剂-阴离子活性物的测定-直接两相滴定法[7]。

泡沫性能：配制质量分数为0.02%活性物水溶液，水硬度为150mg/kg，R-2000全自动泡沫仪参数：温度(25±0.5)℃,(40±0.5)℃；溶液进样量250mL；搅拌次数40次；搅拌时间10s/次；转速1000r/min。

表面张力：配制一系列不同质量分数的活性物溶液，在25℃下用全自动表面张力仪测定表面张力。

2 结果与讨论

2.1 温度对反应的影响

图1 反应温度对活性物的影响

由于月桂酰基甲基牛磺酸钠的粘度较高，在室温下呈不流动的膏状，查询文献资料得到产品的结膏点在40℃左右，所以对于该产品来说，反应温度应该控制在40℃以上[5]，而酰氯在高温条件易水解，因此，考察了温度对反应的影响（图1），实验控制反应的pH为9-10，产物固含量为40%，投料比为甲基牛磺酸钠：月桂酰氯=1.05:1，控制酰氯在2h左右滴加完，加完酰氯后继续反应2h。

低于40℃反应时，酰氯滴入反应中后，月桂酰甲基牛磺酸钠产品会以白色颗粒附在器壁上，反应效果差，活性物低且产品分层；升高反应温度，反应过程中产品一直保持透明状态，传质均匀，活性物升高；当反应温度在50℃时，产物的活性物含量最高，继续升高温度，活性物含量开始下降，可能是由于酰氯在高温下易分解导致的。

2.2 投料比对反应的影响

为使酰氯充分反应，应该控制甲基牛磺酸钠过量，所以本组实验以甲基牛磺酸钠与月桂酰氯的摩尔比为1.05:1开始进行，并分别尝试1.1:1, 1.2:1, 1.3:1,1.4:1, 1.5:1的情况进行反应，观察产物的收率情况（图2）。控制反应温度在(50±2)℃，反应pH控制在9-10，控制酰氯在2h左右滴加完，加完酰氯后继续反应2h。根据以上数据可以发现，当增加甲基牛磺酸钠的量时，产物的活性物含量逐渐增加，当甲基牛磺酸钠与月桂酰氯在1.2:1反应时，活性物含量最高，继续增大投料比，活性物含量略有下降。

图2 不同摩尔比对反应的影响

2.3 水溶剂用量的选择

反应中，水溶剂用量过多则反应液过稀，易使酰氯水解；水溶剂用量过少则反应液黏稠，传热传质不均，缩合反应不完全，而使 N-甲基牛磺酸钠的转化率降低。N-甲基牛磺酸钠与椰油酰氯的投料比为1.2:1，反应温度在 50℃下，2h内滴加酰氯和30%碱液，控制反应的pH值为9-10考察不同溶剂用量对N-甲基牛磺酸钠转化率的影响，结果如图3所示。

图3 水溶剂用量对反应的影响

3 性能分析

3.1 表面活性

水溶液体系的表面张力会随着表面活性剂浓度的增加迅速下降，当浓度增大到一定值后，体系的表面张力达到平衡而不再下降，拐点处对应的表面活性剂浓度即为临界胶束浓度（cmc），此时的表面张力为γcmc，月桂酰甲基牛磺酸钠水溶液的表面张力与摩尔浓度的关系如图4所示，从图4中可以看出，月桂酰甲基牛磺酸钠的cmc为2.6mmol/L，γcmc约为40.5mN/m。

图4 表面张力随浓度变化关系

3.2 泡沫性能

对月桂酰甲基牛磺酸钠与常见表面活性剂烷基糖苷（APG）和月桂醇聚醚硫酸钠（AES）的泡沫性能进行测定，结果如图5和图6所示。从图5中可以看出，三种表面活性剂的最大泡沫量相差不多，月桂酰甲基牛磺酸钠的泡沫丰富程度略差于AES，但它的起泡速率最快。在实际配方应用中，起泡速率快更容易受到消费者的青睐。从图6中可以看出，月桂酰甲基牛磺酸钠与其他两种常规表面活性剂的泡沫在15min之内衰减较少，说明其泡沫稳定性好。

图5 样品起泡性

4 结论

以月桂酰氯和N-甲基牛磺酸钠为原料经缩合反应制得了月桂酰甲基牛磺酸钠，经过单因素优化法得到了最佳合成条件：N-甲基牛磺酸钠与月桂酰氯的投料摩尔比为1.2:1；控制反应温度为50℃左右，水溶剂的用量控制在使产物的固含量为40%，产物活性物含量可控制在31%左右，N-甲基牛磺酸钠的转化率可达到92%左右。对产物的表面活性和泡沫性能研究表明：该产品具有较低的表面张力和临界胶束浓度，发泡性能与常规表面活性剂相当，但起泡速率要优于常规表面活性剂。

图6 样品稳泡性