Кіріспе

Сұйық пен басқа материал арасындағы беткі кернеуді төмендететін зат – бұл екі сұйық, сұйық пен газ немесе сұйық пен қатты зат арасындағы беткі кернеуді азайтатын химиялық қосылыстар. "Беттік белсенді зат" термині 1950 жылдар шамасында "беттік активтендіргіш агент" сөзінің қысқартылған түрі ретінде пайда болды. Олардың құрамында суды тебілетін және суды тартатын бөліктер болғандықтан, су мен майдың араласуына мүмкіндік береді, көбік түзетіп, ластануды кетіруге көмектеседі. Беттік белсенді заттар – ең көп тараған және маңызды химиялық заттардың бірі. Жеке шаруашылықтар мен көптеген өнеркәсіптер оларды жуғыш және тазалау құралдары ретінде, сондай-ақ эмульгаторлар, ылғалдаушы заттар, көбік түзеткіштер, антистатикалық қоспалар немесе диспергаторлар ретінде кеңінен қолданады. Беттік белсенді заттар табиғи түрде дәстүрлі өсімдіктерге негіделген жуғыш заттарда, мысалы, ат қастаны немесе сабын жаңғақтарында кездеседі, сондай-ақ кейбір гусеницалардың секрециясында да табылуы мүмкін. Бүгінде ең көп қолданылатын беттік белсенді заттар, әсіресе анионды сызықтық алкилбензол сульфаттары (LAS), мұнай өнімдерінен өндіріледі. Дегенмен, беттік белсенді заттар қайтадан толық немесе ішінара жаңартылатын биомассадан – мысалы, қанттан, өсімдік майларынан алынған май спирттерінен, биоотын өндірісінің қосалқы өнімдерінен немесе басқа биогендік материалдардан жасала бастады.

Жіктеу

Көптеген беткі белсенді заттар гидрофильді "бастары" және гидрофобты "құйрықтары" бар органикалық қосылыстар болып табылады. Беткі белсенді заттардың "бастары" полярлы және электр заряды болуы немесе болмауы мүмкін. Көптеген беткі белсенді заттардың "құйрықтары" бір-біріне ұқсас, көмірсутекті тізбектен тұрады, ол тармақталған, тік сызықты немесе ароматикалық болуы мүмкін. Фторлы беткі белсенді заттар фторкөміртек тізбектеріне ие. Силоксандық беткі белсенді заттарда силоксандық тізбектер болады. Көптеген маңызды беткі белсенді заттардың құрамында жоғары полярлы аниондық топпен аяқталатын полиэфир тізбегі бар. Полиэфир топтары көбінесе беткі белсенді заттың гидрофильдік қасиеттерін арттыру үшін енгізілген этоксилденген (полиэтилен оксиді сияқты) тізбектерді қамтиды. Керісінше, полипропилен оксидтері беткі белсенді заттың липофильдік қасиеттерін арттыру үшін енгізілуі мүмкін. Беткі белсенді молекулалардың бір немесе екі құйрығы болуы мүмкін; екі құйрығы барлар екі тізбекті деп аталады. Көбінесе беткі белсенді заттар полярлық бас тобы бойынша жіктеледі. Ионды емес беткі белсенді заттың басында зарядталған топтар жоқ. Иондық беткі белсенді заттың басы оң немесе теріс зарядты алып жүреді. Егер заряд теріс болса, онда беткі белсенді зат аниондық деп аталады; егер заряд оң болса, онда ол катиондық деп аталады. Егер беткі белсенді зат екі қарама-қарсы зарядталған топтан тұратын бас бөлігі болса, онда ол звиттериондық немесе амфотерлік деп аталады. Әр түрдің кең таралған беткі белсенді заттары мыналарды қамтиды:

Катиондық бас топтары

pH-ға тәуелді бірінші, екінші немесе үшінші аминдер; pH < 10 болғанда бірінші және екінші аминдер оң заряд алады: октенодин дигидрохлориді. Тұрақты зарядталған төртінші аммоний тұздары: цетримоний бромиді (CTAB), цетилпиридиний хлориді (CPC), бензалконий хлориді (BAC), бензетоний хлориді (BZT), диметилдиоктадециламмоний хлориді және диоктадецилдиметиламмоний бромиді (DODAB).

Звитериондық беткі белсенді заттар

Звиттериондық (амфолиттік) беткі белсенді заттар бір молекулаға бекітілген катиондық және аниондық орталықтарға ие. Катиондық бөлігі бірінші, екінші немесе үшінші аминдерге немесе төртінші аммоний катиондарына негізделген. Аниондық бөлігі әртүрлі болуы мүмкін және сульфонаттарды, мысалы, шапс (CHAPS) (3[(3-холамидопропил)диметиламмоний]1-пропансульфонат) және кокамидопропил гидроксисультайндарды қамтиды. Кокамидопропил бетаин сияқты бетаиндер аммониймен карбоксилатқа ие. Ең көп таралған биологиялық звиттериондық беткі белсенді заттар амин немесе аммониймен фосфат анионын қамтиды, мысалы, фосфатидилсерин, фосфатидилэтаноламин, фосфатидилхолин және сфингомиелиндер. Лаурилдиметиламин оксиді және миристамин оксиді – үшінші амин оксидтері құрылымдық типіндегі екі жиі қолданылатын звиттериондық беткі белсенді зат.

Ионсыз

Ионды емес беттік белсенді заттарда ковалентті байланысқан, оттегі бар гидрофильді топтар болады, олар гидрофобты негізгі құрылымдарға жалғанады. Оттегі топтарының суда еруі сутекті байланыстың нәтижесі. Сутекті байланыс температураның жоғарылауымен азаяды, сондықтан ионды емес беттік белсенді заттардың суда еруі температураның жоғарылауымен төмендейді. Ионды емес беттік белсенді заттар аниондық беттік белсенді заттарға қарағанда судың қатаңдығына аз сезімтал және көбік түзетін қасиеті төмен. Ионды емес беттік белсенді заттардың жекелеген түрлері арасындағы айырмашылықтар шамалы, ал таңдау көбінесе арнайы қасиеттерінің (мысалы, тиімділік, уыттылық, дерматологиялық үйлесімділік, биодеградация) немесе тағамдық өнімдерде қолдануға рұқсатты ескере отырып жасалады.

Басқа жіктелулері

Аминоқышқылға негізделген беткі белсенді заттар – аминқышқылынан туындаған беткі белсенді заттар. Олардың қасиеттері әртүрлі болады және қолданылған аминқышқылына, сондай-ақ аминқышқылының алькил/арил тізбегімен конденсацияланған бөлігіне байланысты аниондық, катиондық немесе звиттериондық болуы мүмкін. Gemini беткі белсенді заттары – екі беткі белсенді молекуладан тұрады, олар бас топтарында немесе олардың жанында байланысқан. Мономерлік беткі белсенді заттармен салыстырғанда, олардың критикалық мицеллалық концентрациясы әлдеқайда төмен. Нәтижесінде, беткі белсенді зат суда еритін және суда ермейтін компоненттерден тұрады. Беткі белсенді заттар суда таралып, ауа мен су арасындағы немесе май мен су қосылғандағы интерфейсте адсорбцияланады. Суда ермейтін гидрофобтық топ су фазасынан ауа немесе май фазасы сияқты су емес фазаға қарай созылуы мүмкін, ал суда еритін бас тобы су фазасында байланысты күйінде қалады. Гидрофобтық тізбек химиялық құрамына байланысты липофильді ("майға ұмтылушы") немесе липофобты ("майдан қашушы") болуы мүмкін. Көмірсутектер тобы көбінесе липофильді болады және сабындар мен жуғыш заттарда қолданылады, ал фторкөміртектер тобы липофобты болып, дақтарды кетіруге немесе беттік кернеуді төмендетуге қолданылады. Әлемдік өндіріс көлемі жылына шамамен 15 миллион тоннаға жетеді, оның жартысы сабындар. Ірі көлемде өндірілетін басқа беткі белсенді заттарға: сызықтық алкилбензолсульфонаттар (жылына 1,7 миллион тонна), лигнинсульфонаттар (жылына 600 000 тонна), майлы спирт этиоксилаттары (жылына 700 000 тонна) және алкилфенол этиоксилаттары (жылына 500 000 тонна) жатады.

Судағы беткі белсенді зат фазаларының құрылымы

Сулы фазада беттік белсенді заттар мицеллалар сияқты агрегаттарды құрайды, онда гидрофобтық құйрықтар агрегаттың ядросын құрайды, ал гидрофильді бас бөліктері қоршаған сұйықтықпен жанасады. Сфералық немесе цилиндрлі мицеллалар немесе липидтік екі қабаттар сияқты басқа да агрегат түрлері де пайда болуы мүмкін. Агрегаттардың пішіні беттік белсенді заттардың химиялық құрылымына, атап айтқанда гидрофильді бас және гидрофобтық құйрықтың мөлшері арасындағы тепе-теңдікке байланысты. Бұл тепе-теңдікті гидрофильді-липофильді тепе-теңдік (HLB) арқылы өлшеуге болады. Беттік белсенді заттар сұйық-ауа шекарасында адсорбцияланып, судың беттік кернеуін төмендетеді. Беттік кернеу мен беттік артық мөлшерді байланыстыратын қатынас Гиббс изотермасы деп аталады.

Интерфейстердегі беткі белсенді заттардың динамикасы

Үстіңгі белсенді заттардың сіңірілу динамикасы, көбіктің пайда болуы, эмульсиялау немесе жабу процестері сияқты, көпіршіктердің немесе тамшылардың жылдам түзілуі және тұрақтандыру қажеттілігі бар практикалық қолданулар үшін маңызды. Сіңірілу динамикасы үстіңгі белсенді заттың диффузиялық коэффициентіне байланысты. Интерфейс пайда болғанда сіңірілу, үстіңгі белсенді заттың интерфейске диффузиясымен шектеледі. Кейбір жағдайларда үстіңгі белсенді заттың сіңірілуіне немесе десорбциялануына кедергі болуы мүмкін. Егер мұндай кедергі сіңірілу жылдамдығын шектесе, динамика "кинетикалық тұрғыдан шектеледі" деп айтылады. Мұндай энергетикалық кедергілер стерикалық немесе электростатикалық итеркістерге байланысты болуы мүмкін. Үстіңгі белсенді зат қабаттарының беттік реологиясы, оның ішінде қабаттың серпімділігі және тұтқырлығы, көбіктер мен эмульсиялардың тұрақтылығында маңызды рөл атқарады.

Қолданбалар

Үстіңгі белсенді заттар көптеген практикалық қолданбалар мен өнімдерде маңызды рөл атқарады, оның ішінде жуғыш заттарда, мата жұмсартқыштарында, мотор майларында, эмульсияларда, сабындарда, бояуларда, желімдерде, сияларда, тұманға қарсы жабындарда, шаңғы және сноуборд балаусаларында, қайта өңделген қағаздарды бояудан тазартуда, флотацияда, жуу және ферменттік процестерде, сондай-ақ слабительдерде қолданылады. Сондай-ақ, гербицидтер (кейбір түрлері), инсектицидтер, биоцидтер (дезинфекциялау құралдары) және спермицидтер (ноноксинол 9) сияқты агрохимиялық формулаларға да кіреді. Жеке күтім өнімдеріне мысал келтірсек, косметика, шампунь, душ гелі, шаш кондиционерлері және тіс пасталары да осы санатқа жатады. Үстіңгі белсенді заттар өрт сөндіруде (жануға қабілетті материалдарға тез сіңетін "ылғал суды" жасау үшін) және құбырларда (сұйықтықтың кедергісін азайтушы заттар ретінде) қолданылады. Алкалилік үстіңгі белсенді полимерлер мұнай ұңғымаларында мұнайды қозғалту үшін пайдаланылады. Үстіңгі белсенді заттар мақталық жапсырмалар мен бинттердің матрицасынан ауаны ығыстырып, дененің әртүрлі аймақтарына қолдануға арналған дәрілік ерітінділердің сіңуіне мүмкіндік береді. Олар жараларды жуу кезінде жуғыш заттардың көмегімен, сондай-ақ тері мен шырышты қабықтарға дәрілік лосьондар мен спрейлерді қолдану арқылы ластану мен қалдықтарды кетіруге көмектеседі. Үстіңгі белсенді заттар топырақты жуу, биоремедиация және фиторемедиация арқылы қалпына келтіру процесін жақсартады.

Биохимия және биотехнологиядағы жуғыш заттар

Ерітіндіде жуғыш заттар агрегаттарды ажырату және белоктарды жаю арқылы әртүрлі химиялық түрлерді ерітуге көмектеседі. Биохимиялық зертханада кең таралған беттік белсенді заттар – натрий лаурил сульфаты (SDS) және цетил триметиламмоний бромиді (CTAB). Жуғыш заттар – жасушалар мен тіндерді лизис арқылы ақуызды алудың негізгі реагенттері: олар мембрананың липидтік екі қабатын (SDS, Triton X 100, X 114, CHAPS, DOC және NP 40) бұзады және ақуыздарды ерітеді. Октил тиоглюкозиді, октил глюкозиді немесе додецил мальтозиді сияқты жұмсақ жуғыш заттар ферменттер мен рецепторлар сияқты мембраналық ақуыздарды оларды денатурацияламай еріту үшін қолданылады. Ерімейтін материалды центрифугалау немесе басқа тәсілдермен жиналады. Мысалы, электрофорез үшін ақуыздар классикалық түрде SDS-пен өңделіп, туалас үшінші және төртінші құрылымдар денатурацияланады, бұл ақуыздарды олардың молекулалық салмағына сәйкес бөлуге мүмкіндік береді. Жуғыш заттар мүшелерді клеткасыздану үшін де қолданылған. Бұл процесс ағзаның құрылымын және көбінесе микроқан тамырлар желісін сақтайтын ақуыз матрицасын сақтайды. Бұл әдіс бауыр және жүрек сияқты ағзаларды трансплантация үшін егеуқұйрықтарда дайындауда сәтті қолданылды. Өкпе беттік белсенді заттары сүтқоректілердің өкпе альвеолаларының II типті жасушалары арқылы да табиғи түрде бөлінеді.

Кванттық нүктелерді дайындау

Үстіңгі белсенді заттар кванттық нүктелердің өсуін, жиналуын және электрлік қасиеттерін басқару мақсатында, сондай-ақ олардың бетіндегі реакцияларды жеңілдету үшін қолданылады. Қазіргі таңдағы зерттеулер кванттық нүктелердің бетінде үстіңгі белсенді заттардың қалай орналасатынын анықтауға бағытталған.

Тамшы негізінде микрожиіліктердің беткі белсенді заттары

Үстіңгі белсенді заттар тамшылық микрофлюидикада тамшыларды тұрақтандыруда және инкубация кезінде тамшылардың қосылуына жол бермеуде маңызды рөл атқарады.

Гетерогенді катализ

Janus типті материал адипи қышқылының синтезі үшін гетерогенді катализатор ретінде, сондай-ақ беттік белсенді зат сияқты қолданылады.

Жоғары беткі кернеу

Жер бетіндегі кернеуді арттыратын заттар тура мағынада "беттік белсенді" деп аталады, бірақ олардың әсері қалыпты мағылға қарсы болғандықтан, оларды беттік белсенді заттар деп атамайды. Жер бетіндегі кернеуді арттырудың кең таралған мысалы – тұздандыру: әлсіз полярлы заттың сулы ерітіндісіне бейорганикалық тұз қосу нәтижесінде зат шөгіндіге түседі. Бұл заттың өзі беттік белсенді зат болуы мүмкін, және осы себепті көптеген беттік белсенді заттар теңіз суында тиімсіз болады.

Биологияда

Адам ағзасы әртүрлі беттік белсенді заттарды өндіреді. Өкпедегі беттік белсенді зат өкпенің жалпы сыйымдылығын және өкпе серпімділігін арттыру арқылы тыныс алуды жеңілдету үшін өндіріледі. Тыныс алу қиындығы синдромы немесе RDS кезінде, беттік белсенді затты алмастыру терапиясы фармацевтикалық препараттар арқылы пациенттердің қалыпты тыныс алуына көмектеседі. Фармацевтикалық өкпе беттік белсенді затының бір мысалы – Abbvie және Tekzima компаниялары өндіретін Survanta (берактант) немесе оның генериктік түрі Beraksurf. Бауырда өндірілетін өт тұздары – бұл ас қорытуда маңызды рөл атқаратын беттік белсенді зат.

Қауіпсіздік және экологиялық қауіптер

Аниондық және иондық емес беттік белсенді заттардың көпшілігі уытты емес, LD50 көрсеткіші ас тұзына шамалас. Бактерияға қарсы және зеңге қарсы әсері бар кватернарлы аммоний қосылыстарының уыттылығы әртүрлі. Киім жұмсартқыш ретінде қолданылатын диалкилдиметиламмоний хлоридтерінің (DDAC, DSDMAC) LD50 жоғары (5 г/кг) және негізінен уытты емес, ал дезинфекциялаушы алкилбензилдиметиламмоний хлоридінің LD50 көрсеткіші 0,35 г/кг құрайды. Беттік белсенді заттарға ұзақ уақыт әсер ету теріні тітіркендіруі және зақымдауы мүмкін, себебі олар тері мен басқа жасушаларды қорғайтын липидтік мембрананы бұзады. Теріде тітіркеніш пайда болу жиілігі иондық емес, амфотерлік, аниондық, катиондық беттік белсенді заттар қатарында артады. Аниондық беттік белсенді заттар топырақта кәрі суларды қолдану, сарқынды сумен суару және қалпына келтіру процестері нәтижесінде кездеседі. Беттік белсенді заттардың салыстырмалы түрде жоғары концентрациясы көп металдармен бірге экологиялық тәуекел тудыруы мүмкін. Төмен концентрацияда беттік белсенді заттарды қолдану іздік металдардың қозғалмалылығына елеулі әсер етпейді. Deepwater Horizon мұнай төгілуі кезінде бұрын-соңды болмаған мөлшерде Corexit мұнай шығу тесігінен тікелей теңізге және теңіз суының бетіне шашылды. Бұл теория бойынша, беттік белсенді заттар мұнай тамшыларын оқшаулап, мұнайды тұтынушы микроорганизмдерге оңай сіңіруге мүмкіндік береді. Corexit құрамында диоктил натрий сульфосукцинаты (DOSS), сорбитан моноолеаты (Span 80) және полиоксиэтиленделген сорбитан моноолеаты (Tween 80) бар.

Биологиялық ыдырау

Қоршаған ортаға шығарылатын беттік белсенді заттардың көп мөлшеріне байланысты, мысалы, кір жуғыш заттардың суда болуы, олардың биологиялық ыдырауы зор қызығушылық тудырады. Көп назар аударатын мәселе – фторлы беттік белсенді заттардың, мысалы, перфтороктано қышқылының (ПФОҚ) биологиялық ыдырамайтыны және өте тұрақтылығы. Озонмен өңдеу және биологиялық ыдырауды күшейту стратегиялары бар. Екі маңызды беттік белсенді зат – сызықтық алкилбензолсульфонаттары (LAS) және алкилфенол этиоксилаттары (APE) ағын суларды тазарту станцияларында және топырақта кездесетін аэробты жағдайларда эндокриндік жүйені бұзатын деп саналатын нонилфенолға ыдырайды. Биологиялық ыдырайтын беттік белсенді заттарға деген қызығушылық аминоқышқылдарынан алынған "биосурфактанттарға" қызығушылықты арттырды. Биобазалық беттік белсенді заттар жақсартылған биологиялық ыдырауға мүмкіндік береді. Дегенмен, беттік белсенді заттар балық жасушаларына зиян келтіре ме, әлде су қоймаларында көбік пайда ете ме, бұл негізінен олардың химиялық құрамына байланысты, ал бастапқыда қолданылған көміртектің мұнайдан, көмірқышқыл газынан немесе биомассадан алынғанына байланысты емес.