化学学报 ›› 2025, Vol. 83 ›› Issue (1): 36-44.DOI: 10.6023/A24120365 上一篇 下一篇
研究论文
李俊毅a,b, 黄美薇b,*(), 张运文c, 邹灿c, 刘超a,*(), 郭勇b,*()
投稿日期:
2024-12-05
发布日期:
2025-01-07
基金资助:
Junyi Lia,b, Meiwei Huangb(), Yunwen Zhangc, Can Zouc, Chao Liua(), Yong Guob()
Received:
2024-12-05
Published:
2025-01-07
Contact:
*E-mail: Supported by:
文章分享
甜菜碱型氟表面活性剂结合了两性表面活性剂和氟表面活性剂的优势, 因此呈现出优越的性能, 被应用于诸多领域. 代表性化合物是PFOS-AB(全氟辛烷磺酸甜菜碱衍生物). 2009年, 全氟辛烷磺酸(PFOS)及其衍生物因负面的环境效应被《斯德哥尔摩公约》限制生产和使用. 虽然替代品层出不穷, 但目前为止市场上还未出现性能超越PFOS-AB, 同时环境友好的产品. 本工作合成了4个氟醚甜菜碱型表面活性剂, 引入可降解含氟链段C361 (R1=CF3CF2CF2OCHFCF2SCH2CH2-)和X2 (R2=CF3OCF2OCF2CF2OCHFCF2SCH2CH2-). 测试了它们在低浓度下的表面活性性能、铺展性能、泡沫性能以及润湿性能. 结果显示, 化合物D361-B(含两条R1链的氟醚烷基甜菜碱衍生物)的表面活性性能超越了PFOS-AB; X2-B(含一条R2链的氟醚烷基甜菜碱衍生物)和DX2-B(含两条R2链的氟醚烷基甜菜碱衍生物)的表面活性性能超越了现有替代品6:2 FTAB(全氟己基乙基磺酸甜菜碱衍生物). 化合物X2-B有较好的铺展性能和综合泡沫性能. 本工作设计的新型氟醚甜菜碱型表面活性剂, 通过双疏水链结构, 提升了表面活性; 同时引入可降解含氟链段, 提升了环境友好性, 有望成为新一代PFOS替代品.
李俊毅, 黄美薇, 张运文, 邹灿, 刘超, 郭勇. 新型氟醚甜菜碱型表面活性剂的合成及性能表征[J]. 化学学报, 2025, 83(1): 36-44.
Junyi Li, Meiwei Huang, Yunwen Zhang, Can Zou, Chao Liu, Yong Guo. Synthesis and Characterization of Novel Betaine-type Fluoroether Surfactants[J]. Acta Chimica Sinica, 2025, 83(1): 36-44.
Compound | Fluorocarbon number | Fluorine content/% | γcmc/(mN•m−1) | cmc/ (mmol•L−1) | cmc/(g•L−1) | Amin/nm2 | Ref. | |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
C6-Betaine | 5 | 45.8 | 22.3 | 11.3 | 5.2 | 0.44 | [6c] | |
C361-B | 5 | 35.8 | 21.2 | 3.2 | 1.7 | 0.58 | — | |
C72-Betaine | 6 | 45.9 | 17.1 | 2.6 | 1.3 | 0.58 | [6c] | |
X2-B | 6 | 38.2 | 17.4 | 1.1 | 0.7 | 0.72 | — | |
C8-Betaine | 7 | 51.2 | 18.2 | 0.7 | 0.4 | 0.46 | [6c] |
Compound | Fluorocarbon number | Fluorine content/% | γcmc/(mN•m−1) | cmc/ (mmol•L−1) | cmc/(g•L−1) | Amin/nm2 | Ref. | |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
C6-Betaine | 5 | 45.8 | 22.3 | 11.3 | 5.2 | 0.44 | [6c] | |
C361-B | 5 | 35.8 | 21.2 | 3.2 | 1.7 | 0.58 | — | |
C72-Betaine | 6 | 45.9 | 17.1 | 2.6 | 1.3 | 0.58 | [6c] | |
X2-B | 6 | 38.2 | 17.4 | 1.1 | 0.7 | 0.72 | — | |
C8-Betaine | 7 | 51.2 | 18.2 | 0.7 | 0.4 | 0.46 | [6c] |
Compound | Fluorine content/% | Solubilitya | 1 g•L−1 | 0.1 g•L−1 | 0.01 g•L−1 |
---|---|---|---|---|---|
PFOS-AB | 48.2 | 微溶 | 16.9 | 17.8 | 26.2 |
6:2 FTAB | 43.3 | 微溶 | 17.6 | 20.1 | 41.9 |
C361-B | 35.8 | 可溶 | 26.2 | 43.0 | 61.0 |
X2-B | 38.2 | 微溶 | 17.3 | 17.1 | 37.0 |
D361-B | 41.5 | 微溶 | 不溶 | 16.8 | 21.1 |
DX2-B | 42.2 | 微溶 | 不溶 | 19.4 | 32.0 |
Compound | Fluorine content/% | Solubilitya | 1 g•L−1 | 0.1 g•L−1 | 0.01 g•L−1 |
---|---|---|---|---|---|
PFOS-AB | 48.2 | 微溶 | 16.9 | 17.8 | 26.2 |
6:2 FTAB | 43.3 | 微溶 | 17.6 | 20.1 | 41.9 |
C361-B | 35.8 | 可溶 | 26.2 | 43.0 | 61.0 |
X2-B | 38.2 | 微溶 | 17.3 | 17.1 | 37.0 |
D361-B | 41.5 | 微溶 | 不溶 | 16.8 | 21.1 |
DX2-B | 42.2 | 微溶 | 不溶 | 19.4 | 32.0 |
Compound | Cyclohexane surface tension/(mN•m−1) | Interfacial tension in cyclohexane/ (mN•m−1) | Spreading coefficient Sw/o/(mN•m−1) | n-Heptane surface tension/(mN•m−1) | Interfacial tension in n-heptane/ (mN•m−1) | Spreading coefficient Sw/o/(mN•m−1) |
---|---|---|---|---|---|---|
C361-B | 25.3 | 4.1 | -4.9 | 21.6 | 6.0 | -10.6 |
X2-B | 25.3 | 3.0 | 5 | 21.6 | 2.4 | 1.9 |
Compound | Cyclohexane surface tension/(mN•m−1) | Interfacial tension in cyclohexane/ (mN•m−1) | Spreading coefficient Sw/o/(mN•m−1) | n-Heptane surface tension/(mN•m−1) | Interfacial tension in n-heptane/ (mN•m−1) | Spreading coefficient Sw/o/(mN•m−1) |
---|---|---|---|---|---|---|
C361-B | 25.3 | 4.1 | -4.9 | 21.6 | 6.0 | -10.6 |
X2-B | 25.3 | 3.0 | 5 | 21.6 | 2.4 | 1.9 |
[1] |
(a) Kissa, E. Fluorinated Surfactants and Repellents, Marcel Dekker, Inc., New York, 2001.
|
(b) O’Hagan, D. Chem. Soc. Rev. 2008, 37, 308.
|
|
[2] |
((a) Qing, F. L.; Qiu, X. L. Organofluorine chemistry, Science Press, Beijing, 2007 (in Chinese).
|
( 卿凤翎, 邱小龙, 有机氟化学, 科学出版社, 北京, 2007.)
|
|
(b) Liu, J. T. Chem. Bull. 2001, 64, 60 (in Chinese).
|
|
刘金涛, 化学通报, 2001, 64, 60).
|
|
[3] |
(a) UNEP In Listing of Perfluorooctane Sulfonic Acid, Its Salts and Perfluorooctane Sulfonyl Fluoride, Stockholm Convention on Persistent Organic Pollutants, UNEP Geneva, Switzerland, 2009.
|
(b) Evich, M. G.; Davis, M. J. B.; Mccord, J. P.; Acrey, B.; Awkerman, J. A.; Knappe, D. R. U.; Lindstrom, A. B.; Speth, T. F.; Tebes-Stevens, C.; Strynar, M. J.; Wang, Z. Y.; Weber, E. J.; Henderson, W. M.; Washington, J. W. Science 2022, 375, eabg9065.
|
|
[4] |
(a) Kaplánek, R.; Paleta, O. J. Fluorine Chem. 2007, 128, 789.
|
(b) Lu, Y.; Liang, Y.; Zhou, Z.; Wang, Y.; Jiang, G. Environ. Sci. Technol. 2019, 53, 14091.
|
|
[5] |
Liao, C. Y.; Qian, L. B.; Huang, M. W.; Guo, Y.; Liu, C.; Chen, Q. Y. Organo-Fluor. Ind. 2022, 03, 38 (in Chinese).
|
( 廖晨宇, 钱力波, 黄美薇, 郭勇, 刘超, 陈庆云, 有机氟工业, 2022, 03, 38.)
|
|
[6] |
(a) Du, F. Q.; Guo, Y.; Huang, M. W.; Chen, Q.-Y.; Yang, H.; Xie, W. D.; Cao, W.; Wu, C. Y.; Wang, M. Y. J. Fluorine Chem. 2020, 239, 109632.
|
(b) Dai, L. H.; Guo, Y.; Su, Z. B.; Huang, M. W.; Chen, Q.-Y.; Zhao, Z.-G.; Wu, C. Y.; Su, Q.; Shen, Q. J. Fluorine Chem. 2021, 246, 109793.
|
|
(c) Wang, X.; Huang, M. W.; Su, Z. B.; Qian, L. B.; Guo, Y.; Chen, Q. Y.; Wu, C. Y.; Lv, T.; Su, Q.; Shen, Q.; Ma, J. Chin. Chem. Lett. 2023, 34, 107961.
|
|
(d) Guo, S. W.; Guo, Y.; Huang, M. W.; Qian, L. B.; Su, Z. B.; Chen, Q. Y.; Wu, C. Y.; Liu, C. Langmuir 2023, 39, 14519.
|
|
(e) Xu, Y.; Guo, Y.; Qian, L. B.; Su, Z. B.; Chen, Q. Y.; Wang, J. M.; Jiang, L. J. Langmuir 2024, 40, 1316.
|
|
(f) Liao, C. Y.; Guo, S. W.; Huang, M. W.; Guo, Y.; Chen, Q. Y.; Liu, C.; Zhang, Y. W. Acta Chim. Sinica 2024, 82, 46 (in Chinese).
|
|
( 廖晨宇, 郭山巍, 黄美薇, 郭勇, 陈庆云, 刘超, 张运文, 化学学报, 2024, 82, 46.)
doi: 10.6023/A23090430 |
|
[7] |
(a) Buck, R. C. In Toxicological Effects of Perfluoroalkyl and Polyfluoroalkyl Substances. Molecular and Integrative Toxicology, Ed.: DeWitt, J. C., Humana Press, Cham, 2015, 451-478.
|
(b) Wang, X.; Zhao, Q. Y.; Huang, M. W.; Guo, Y.; Chen, Q. Y. Organo-Fluor. Ind. 2022, 02, 11 (in Chinese).
|
|
( 王雪, 兆绮乐, 黄美薇, 郭勇, 陈庆云, 有机氟工业, 2022, 02, 11.)
|
|
(c) Qian, L. B.; Huang, M. W.; Su, Z. B.; Guo, Y.; Chen, Q. Y. Organo-Fluor. Ind. 2021, 04, 31 (in Chinese).
|
|
钱力波, 黄美薇, 苏兆本, 郭勇, 陈庆云, 有机氟工业, 2021, 04, 31.
|
|
(d) Qian, L. B.; Huang, M. W.; Guo, Y.; Chen, Q.-Y., In Perfluoroalkyl Substances Synthesis, Applications, Challenges and Regulations,Ed.: Améduri, B., The Royal Society of Chemistry, Cambridge, 2022, 146-165.
|
|
[8] |
(a) Folkerson, A. P.; Joudan, S.; Mabury, S. A.; D'eon, J. C. Environ. Toxicol. Chem. 2021, 40, 3328.
doi: 10.1002/etc.5230 pmid: 34748651 |
(b) Folkerson, A. P.; Schneider, S. R.; Abbatt, J. P. D.; Mabury, S. A. Environ. Sci. Technol. 2023, 57, 17032.
pmid: 34748651 |
[1] | 廖晨宇, 郭山巍, 黄美薇, 郭勇, 陈庆云, 刘超, 张运文. 氟醚磷酸胆碱的合成及性能研究[J]. 化学学报, 2024, 82(1): 46-52. |
[2] | 李浩飞, 乔富林, 范雅珣, 王毅琳. 不同寡聚度磺酸盐表面活性剂与支化羧酸盐混合体系的聚集行为[J]. 化学学报, 2018, 76(7): 564-574. |
[3] | 沙敏, 张丁, 潘仁明, 邢萍, 姜标. 含CF3CF2CF2C(CF3)2基团支链型氟表面活性剂的合成及性能研究[J]. 化学学报, 2015, 73(5): 395-402. |
[4] | 付东, 王兰芬, 吴湘铖. DEA-CO2 水溶液的表面张力研究[J]. 化学学报, 2012, 70(03): 339-344. |
[5] | 刘国宇, 顾大明, 刘海燕, 丁伟, 于涛, 程杰成. 系列离子液体型Gemini咪唑表面活性剂在水溶液中的分子动力学模拟[J]. 化学学报, 2012, 70(01): 6-14. |
[6] | 周洪涛, 高岸涛, 邢航, 勾志明, 肖进新. 加盐导致的全氟辛酸盐表面活性的反常行为[J]. 化学学报, 2011, 69(9): 1035-1040. |
[7] | 李晓锋, 李应成, 吴智勇, 谢在库, 范康年. 非离子表面活性剂在气液界面的分子动力学模拟[J]. 化学学报, 2011, 69(19): 2235-2240. |
[8] | 郑云, 陈得军, 王公轲, 徐梅花, 卢雁. N-辛基-β-D-吡喃葡萄糖苷与BSA相互作用的研究[J]. 化学学报, 2011, 69(06): 633-639. |
[9] | 毕红艳, 李晶, 孔长青, 杨淑娟, 孙艳芝, 张洪林, 李干佐, 于丽. 丁二酸二异辛酯磺酸钠在长链醇/N,N-二甲基甲酰胺体系中临界胶束浓度和热力学函数的微量量热法研究[J]. 化学学报, 2010, 68(23): 2381-2388. |
[10] | 郝丹, 孙礼林, 晋英琼, 朱昌青. 用荧光共轭聚合物测定曲通X-100及其临界胶束浓度[J]. 化学学报, 2010, 68(21): 2215-2221. |
[11] | 任朝华 陈大钧 罗跃 黄璟. 无机盐对辛基酚聚氧乙烯醚乙基磺酸钠临界胶束浓度的影响研究[J]. 化学学报, 2010, 68(17): 1771-1775. |
[12] | 付东, 钟智坤. 二乙醇胺-N-甲基二乙醇胺-水溶液表面张力实验研究[J]. 化学学报, 2010, 68(12): 1241-1246. |
[13] | 杨芳,黎钢,刘荣,张彬,刘洋,王中旭. 壬基酚聚氧乙烯醚型Gemini季铵盐表面活性剂的合成 及其表面性质的研究[J]. 化学学报, 2009, 67(8): 723-728. |
[14] | 朱跃, 张可, 侯婷婷, 刘海莹, 崔茂金. 十六烷基三甲基溴化铵在N,N-二甲基乙酰胺/长链醇体系中临界胶束浓度和热力学函数的微量量热法研究[J]. 化学学报, 2009, 67(20): 2309-2314. |
[15] | 王腾芳,尚亚卓,彭昌军,刘洪来. 离子液体型表面活性剂C12mimBr与普通表面活性剂混合性质的研究[J]. 化学学报, 2009, 67(11): 1159-1165. |
阅读次数 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
全文 48
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
摘要 49
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||