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有机硅表面活性剂的结构和合成

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rlLLILr月Lr.L[ 151 Separation&Purification: Critical needs andOpportunities NRC Prport ,Na tional Academy Press,1它1,户内J‘.且,1411. Schwuger,et al, ibid. ,P.66Schambil, M. . Schwuger. J, Colloid,265:1009(1987)Erra, N. Azemar, et al. Sci. Techn., 13:1(1992)of     Florida, icla,USA(1995)L. Salager. , etal. "interdational Symposium on Mieclles,Microemlsims, Monolayers" P115, UnivP21(1987)    [ 161J . Ford, Aqlic. Bol. Tec. , 41:491(1990)[ 171 USP 4,285,688[ 181J - H. Ramsden, et al小Am.Chem.Soc. 111:3958(1989)[191M. Safari and S. kermasha,JAOCS,71(1994)969[201 G. 0. Rees and B. H. Robinson, Biotechnology and Bioengineering, 45 (1995) 344[ 211 P. skagerlind, et al. ,J. Chem. Tech. Biotechn. , 54:277(1992 )[221M.Boutomnet,etal,Colloids and Surfaces, 5:209(1982)[23JTh. F. Tadros,Adv,in Colloid and Interface Science, 46(1993)[241 M. Boutmnet,J. Kizling, etal. , Colloids Surf, 5:209(1982)[251 G.Haering,J.Phys.chem.,90:5892(1986)有机硅表面活性剂的结构和合成韩建伟王利民‘夏建俊盛佳樊兆玉田禾(华东理工大学精细化工研究所,上海,200237)      摘要:本文介绍了有机硅表面活性剂的一般结构,性质和合成方法,并且列举了几类新颖的有机硅表面活性荆的结构及合成方法。  关健词:      有机硅表面活性刑硅氧桩季按盐1简介有机硅表面活性剂(简写为SS     Silicon surfactants)是一类在商业上有着重要用途的新型表面活性剂泡剂和农用表面活性剂〔(简写为SAA Surface act,i一v’e 。〕a上有着广泛的用途。因此近十几年来,gents),在织物整理剂〔1-5]聚氨酣泡沫塑料生产[研究和拓展有机硅表面活性剂的结构]’、个人家庭护理品[7-8]、消和应用成为国内外表面活性剂方面研究的热点,国内外的报道和专利层出不穷。2有机硅裹面活性扣1    的特件和夯班    SS的结构一般为多甲基硅氧主链上连接一个或多个极性基团,由该特殊结构使SS表现出区别烃类SAA的特性:(1)僧水基为硅氧链;(Z)表面张力为20dyn/。以下;(3)在水相及非水介质中都有表面活性;川化学制备的方法不同,其结构类型和分子聚合范围也不同,易于形成大分子结构。裹SS的分类【            根据Gruning和Koern。的定义Gq由极性官能团进行分类)序号分类(极性官能团类型)举例阴离子型磺酸盐类阳离子型季被盐类非离子型聚氧乙烯类、聚氧乙烯/聚氧丙烯类、搪类(葡萄搪、麦芽糖等)两性离子甜菜碱类3有机硅裹面活性荆的结构常见SS结构为耙状共聚物,有ABA型共聚物(B代表硅氧部分)和三硅氧烷类表面活性剂。现以非132一  离子聚氧乙烯极性官能团的例子说明如下:CH3HI C\/C、5,玩/1HCH                                                              !(                          《二兀践CHI ), ORR代表端A封头基,  如一H,-CH3,或-O(O)CCH a图1耙状分子结构的非离子有机硅表面活性剂(也称为梳状共聚体)Ci3(}一H, C褂妙、图2  ABA型的非离子有机硅表面活性剂(也称为a一。型)褂邺甲甲甲(                           OCiIC-U,ORCH3CH3H3 C                (OCHICH,)󰀀OR图3三甲硅基型的非离子有机硅表面活性剂H3气/OH    3气%H3-Sr0 /CH3/    Si       \/Si\H3 C件气。C{3H3 C  HHUM        CHI        HCI        CH-O(                           l        践), OR                          图4环状硅烷型非离子有机硅表面活性剂    4有机硅表面活性剂(SS)的合成方法s    的主要合成方法是将极性有机基团接到多甲基硅氧主链上,主要有三种合成方法[[11,21,如下:    (1)=SiOR和R'OH直接进行反应(醋化反应)。(    2)硅氮化反应,SiH与不饱和化合物反应,如H2 C= CHCH2R, R为一极性基团。(    3)利用反应活性中间体两步反应,例如:先将环氧基接到硅氧烷主链上,再将反应活性基与极性基团反应。其中非离子型主要通过前两条路线,离子型主要由第三种方法进行合成。4.    1硅氧烷主健的合成    合成含有活性基(SiOH, SiOR或SO)的硅氧主链一般通过合适的卤硅烷水解反应。例如,    水解反应(1)用来合成SiH官能团主链和相应的封头基和单体的聚合平衡反应〔2),一              133一2 (CH3) 3 SiCl + r (CH3) HSiC12+Y(CH3)HSiC12 +H2O}MD}D',M+HCl              (1;MM十二D+ vD' =M1几D', M                              (2)4.2酣化反应最早的非离子SS就是通过烷氧甲基硅氧烷聚合物与端经基聚甲醛的转酷化反应进行偶联的。二Si                        OR'+贷OH一三SiOR2 + R' OHR'通常为甲基或乙基、                        RZ为聚甲醛荃团亲水基团与憎水硅氧链通过Si-O-C连接起来,该类型SS在聚氨醋泡沫塑料和其他非水相中有着极为广泛的应用,但在水中极易水解。4.3硅氢化反应    大多数水解稳定性良好的SS是通过含Si-H基的甲基硅氧烷和烯丙基聚氧化亚烷反应。=Si    H +CH2 =CHCH2 (OCHZCH2) nOR---->=Si(CH2 )3 (OCH2CH2) nOR该类反应一般在氯铂酸u21 (Speier',催化剂)催化下进行的,为确保硅氧烷的反应中心全部参与反应,一般有过量的烯丙基聚醚。若条件控制不当,一OH基有可能与SiH键生成Si一O一C键,而且工业级的烯丙基聚醚往往是含有其二聚体,两头都带有经墓.    4.4利用反应活性中间体两步合成该途径主要是用于要连接的极性基团不能在硅氢化的条件下进行或者是产率极低的情况下采用,    所以该路线主要是用合成离子型SS,也可用来生成非离子SS.季胺阳离子SS:    三                                    Si(CH2)3X+N凡-Si(CHZ )3N+凡X-,X=CI,Br或I;    磺酸基阴离子SS:二Si    (CH2 )30C比CH(O)CH2+NaHSO」一三Si旧32)30CHlCH(OH)CH2S% Na'甜菜碱f     SS:三        Si(CH2)3N(CH3)2十O(CH2)9S02一三Si (CH2 )3 N' (CH3) 2 (CH2口12 CH2岌)))该方法合成的的许多离子型J.    7已经商业化〔13],取得了良好的效果,当然还有几种其他离子型SS的合成方法[    4.5亲油性的有机硅表面活性剂,‘]。除了极性基团接到硅氧烷主链上,    为取得某种效果也有人将亲油性更强的如氟碳链或烃链等基团接到主链上去,例如,长碳链(> CIO)的硅氧烷称之为硅蜡,Schaefer等讨论过其在个人护理品上的应用。Riodl, Wolfes和Rentsch等人报道了在硅氧链连接了亲水极性基团又连接了亲油基团[[u-153。该类SS增加了在有机相的溶解度,提高了其延展性,可用作抛光剂和颜料分散剂。4.    6破硅表面活性剂除了硅氧链以外,    还有一些Si一C-Si主链或Si一Si主链结构的表面活性剂。该类结构的表面活性剂不易水解,有着特殊的应用,尤其是可用于化学稳定要求较强的方面上的应用。IVlaki等合成了儿种类似的Si一Si主链结构SS,并与类似的硅氧烷SAA比较有其特殊性[[16),其他几种碳硅链SS的合成方法也有过报道[5      SS的水解稳定性14.17]    硅氧烷表面活性剂(尤其是三甲硅基氧烷SS)的水解稳定性引起广泛的研究,被认为是制约SS发展最大的缺陷。Si一O一Si链在水存在下极易水解生成硅醉,在酸或碱的催化下,水解更为迅速,接近pH7. 0时较慢。而且玻璃仪器表面残留的酸或碱就能催化其水解,因此存放前需要首先用防水剂辛基三抓硅烷进行严格的处理塑料或玻璃器皿的表面。关于SS的水解速率有过专门的分析数据〔    181,但在该方面研究的还不很充分。影响硅氧烷聚醚共聚的水解速率的主要因素是三甲基,M和硅氧链上极性基团的比例和其链自切断和集结方式影响混合物的亲水亲油平衡。水解速率主要依靠水溶解和SAA硅氧键一践O分子之间的竞争关系。6几类新颖的SS结构及合成    6.    1  N, N一二烃墓一3一硅氧毗咯琳盐衍生物N,     N一二烃基-3一硅氧毗咯琳盐代表一类新的SS,其合成路线如下:一  134一该反应以1,4一二氯丁炔与氢硅烷为起始原料,接着分别与伯胺或仲胺反应R,R'\!  Me3 Si (SiMe, O)󰀀iiHR01+3凡NH一NI论该反应通过分子成环反应2+3叼X一    该反应也可由1直接与仲胺一步反应生成产物,但是副产物的分离极为麻烦,不如两步反应。6.    2  N一烃基一N一磺酸烃基一3一硅氧毗咯咪盐Sn    ow等最先合成和研究了直链烃基磺酸基的硅氧烷S'19],合成该类ss有两种方法,一是亚硫酸盐或亚硫酸氢盐与带不饱和官能团的硅氧烷反应,二是叔胺与磺内1m反应,第一种容易工业化,第二种方法容易分离得纯品,便于实验室合成。2+O一     L     .一SO2’(C日2少扩                              R'(CH,)二SO;该盐在水和有机溶剂中有着极好的溶解性。6.    3含两亲水基和有一个僧水基型的表面活性剂    该类表面活性剂已经报道过很多不同的类型,例如Zara等研究了符合瓜氏。一a,。一二(C12比N'Met B2-)通式的季铰盐。6.    3.1  1,4一二(三甲按基)一2一【三(三甲硅氧基)硅〕-2一烯抓化物通常是由丁炔二醇得到二抓化合物,    再接着如下反应H      Si(OSiMe3 )3\        /Rl!/        \+CICH2 C=CCH CI里R2 R'\{  H      Si(OSiMe, ).OSiMe\        //        \CICHCHCISi (OSiMe,)二OSie3十2凡NH2 " xHCR2 R`H             Si(OSiMe2).X-\!                                          \+/N                                      R3                                          R'/\                                     H       Si(OSiMe,)二OSiMe3R2 R1\}  /                                       +               2NMe3一+/N\H\  Si(OSiMe, ),/CHZ N' Me,2ClCHZCI此外该类SAA的另一重要结构为:CICH,Me, N' CHz135Me          Me Me}十          }}CH3 CH2丫(CH2 )3节甲(CH,),Me            Me MeMe    6.4硅氧研酣类化合物该类SS可以由二乙基磷脂和乙烯基三烷基硅化合物在7    0℃下,偶氮二异丁氰引发下发生链式加成反应,反应时间大约为2h,时间延长会降低产率,生成二聚化产物。反应式为:侧lR'    RZ-SiCH-・R        {}CH2+HP(q氏)2R2-SiCHz CHZ P(C, H, )]R                                    R,R,,R2二Me, OSiMe3;该产物为粘稠无色液体,也有良好的水溶性。    6.5糖类有机硅表面活性剂最近几年文献尤其是专利报道该类SS越来越多,    该类SAA结合了高的表面活性,润湿性和生物可降解性,所以有着极大的前途的一类表面活性剂。连接硅烷和糖类结构的是Si    一C或Si一O-C键,虽然糖类化合物在氢硅化条件下稳定性不好,但是可以先硅氢化,再与糖类化合物反应。而且其稳定性和表面活性与pH值密切相关,下面举几个成功的该类SS[20i:CH,OCOC1          -f=CHCOONa_长二义.、_H3OH卜-可(X'.HCH(OH)CH20(CH2)3Si(OSiMe3 )2(〕HOHC践al)CI-1=CHCOONa(〕HOH OHCH3OCHCH(OH)CH,0(CH2)3Si(OSime3 ),OH OH                            7总结和展望随着世界经济的发展以及科学技术领域的开拓,    作为工业”味精”的SAA发展更为迅猛。仅SS的应用领域从日用化学工业发展到石油、纺织、化妆品、农业、发酵、油墨、涂料、灭火剂、阻燃剂、环境以及新型材料等方面,阳离子型有机硅表面活性剂具有抗菌、抗静电、柔软、滑爽等特点,可广泛用作织物抗菌整理剂、柔软整理剂及头发调理剂;阴离子型有机硅表面活性剂具有超低的表面张力,广泛用作湿润剂、亲水剂、乳化剂,流平剂、消泡剂等,由于SS的天然的生理惰性及无毒,对环境无污染,表面张力低等优点,而且当前,有机硅单体化学成为化学界的一大热点,取得了一系列的研究成果,因此对于SAA化学工作者来说,怎样将硅化学的最新研究成果引人SAA的研究开发中来,不断发现和研究新的SS结构,提高其水解稳定性及表面活性,将成为我们的重要工作。此外作为功能性SS的应用领域也应该进一步扩大,在SAA传统领域及很多高科技领域有着极为光明的前景。参考文献:        [1)Patent GB2230787A, US 4414268, GB 1549180, JP60162870A[    2]韩富张高勇王军,日用化学品S业,2001(2), 38-410[    3]陈荣析,氨基聚硅酮柔软剂[C]工业表面活性剂技术经济文集大连出版社199987一940仁    4]黄又润,有机硅材料及其应用1999(1) 6一9仁    51黄德华张先亮有机硅材料及其应用1995, (5)1 -13[    6]0ertel ,G.,etal, Polyurethane Handbook, Carl Hanser, Munich, 1985一136一  汇7护atent US 4005024, US 2955127, UK 882053, UK 686068[8]周宇鹏有机硅材料2002, 16(1):24一26[9〕杨学茹黄艳琴谢庆兰,有机硅材料,2002,16(2):25一29[10〕幸松民王一璐,有机硅合成工艺及产品应用,北京化学工业出版社,2000[11]Gruning,B;Koerner,G; TensideSurf.Deterg. 1989,26,312[t2](a)Plumb,J B; Atherton,J. 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