Введение
Вещество, снижающее поверхностное натяжение между жидкостью и другим материалом.
Поверхностно-активные вещества (ПАВ) – это химические соединения, которые снижают поверхностное или межфазное натяжение между двумя жидкостями, жидкостью и газом, или жидкостью и твердым телом. Слово "сурфактант" является сокращением от "поверхностно-активный агент", появившимся около 1950 года. Поскольку они состоят из водоотталкивающей и водопритягивающей частей, они позволяют смешивать воду и масло, способны образовывать пену и облегчают удаление загрязнений. ПАВ – одни из наиболее распространенных и коммерчески важных химических веществ. Домохозяйства и многие отрасли промышленности используют их в больших количествах в качестве моющих и чистящих средств, а также, например, в качестве эмульгаторов, смачивателей, пенообразователей, антистатических добавок или диспергаторов. ПАВ встречаются в природе в традиционных растительных моющих средствах, например, в конском каштане или мыльных орехах, а также в выделениях некоторых гусениц. Сегодня наиболее часто используемые ПАВ, прежде всего анионные линейные алкилбензолсульфонаты (ЛАС), производятся из нефтепродуктов. Однако ПАВ все чаще производятся полностью или частично из возобновляемой биомассы, такой как сахар, жирные спирты из растительных масел, побочные продукты производства биотоплива или другой биогенный материал.
Классификация
Большинство поверхностно-активных веществ – это органические соединения с гидрофильными "головами" и гидрофобными "хвостами". "Головы" поверхностно-активных веществ полярны и могут нести электрический заряд. "Хвосты" большинства поверхностно-активных веществ довольно похожи, состоящие из углеводородной цепи, которая может быть разветвленной, линейной или ароматической. Фторсодержащие поверхностно-активные вещества имеют фторуглеродные цепи. Силоксановые поверхностно-активные вещества имеют силоксановые цепи. Многие важные поверхностно-активные вещества включают полиэфирную цепь, завершающуюся высокополярной анионной группой. Полиэфирные группы часто содержат этоксилированные (подобные полиэтиленоксиду) последовательности, вставленные для увеличения гидрофильного характера поверхностно-активного вещества. Оксиды полипропилена, наоборот, могут быть вставлены для повышения липофильного характера поверхностно-активного вещества. Молекулы поверхностно-активных веществ имеют либо один хвост, либо два; те, у которых два хвоста, называются двухцепочечными. Чаще всего поверхностно-активные вещества классифицируются по полярной головной группе. Неионогенное поверхностно-активное вещество не содержит заряженных групп в головке. Головка ионогенного поверхностно-активного вещества несет чистый положительный или отрицательный заряд. Если заряд отрицательный, поверхностно-активное вещество более конкретно называется анионным; если заряд положительный, оно называется катионным. Если поверхностно-активное вещество содержит головку с двумя противоположно заряженными группами, оно называется цвиттерионным или амфотерным. К наиболее распространенным поверхностно-активным веществам каждого типа относятся:
Катионные группы
Первичные, вторичные или третичные амины, зависимые от pH; первичные и вторичные амины приобретают положительный заряд при pH < 10: октенидина дигидрохлорид. Постоянно заряженные четвертичные аммониевые соли: бромид цетримония (CTAB), хлорид цетилпиридиния (CPC), хлорид бензалкония (BAC), хлорид бензетония (BZT), хлорид диметилдиоктадециламмония и бромид диоктадецилдиметиламмония (DODAB).
Цвиттерьонные поверхностно-активные вещества
Звитерионные (амфолитические) поверхностно-активные вещества содержат как катионные, так и анионные центры, присоединенные к одной молекуле. Катионная часть основана на первичных, вторичных или третичных аминах или четвертичных аммониевых катионах. Анионная часть может быть более разнообразной и включать сульфонаты, как в сультайнах, например CHAPS (3-[(3-холамидопропил)диметиламмоний]-1-пропансульфонат) и кокамидопропилгидроксисультаин. Бетаины, такие как кокамидопропилбетаин, содержат карбоксилатную группу и аммоний. Наиболее распространенные биологические звиттерионные поверхностно-активные вещества имеют фосфат-анион и амин или аммоний, например фосфолипиды фосфатидилсерин, фосфатидилэтаноламин, фосфатидилхолин и сфингомиелины. Оксид лаурилдиметиламина и оксид миристоиламина – два часто используемых звиттерионных поверхностно-активных вещества, относящиеся к структурному типу третичных аминоксидов.
Неионные
Неионные поверхностно-активные вещества содержат ковалентно связанные кислородсодержащие гидрофильные группы, присоединенные к гидрофобным основным структурам. Растворимость кислородсодержащих групп в воде обусловлена образованием водородных связей. С повышением температуры прочность водородных связей уменьшается, а следовательно, снижается и растворимость в воде неионных поверхностно-активных веществ. Неионные поверхностно-активные вещества менее чувствительны к жесткости воды, чем анионные, и дают меньше пены. Различия между отдельными типами неионных поверхностно-активных веществ незначительны, и выбор определяется главным образом стоимостью специальных свойств (например, эффективности, токсичности, дерматологической совместимости, биоразлагаемости) или допущением к использованию в пищевой промышленности.
Другие классификации
Поверхностно-активные вещества на основе аминокислот – это поверхностно-активные вещества, полученные из аминокислот. Их свойства варьируются и могут быть анионными, катионными или цвиттерионными, в зависимости от используемой аминокислоты и того, какая часть аминокислоты конденсирована с алкильной/арильной цепью. Гемини-поверхностно-активные вещества состоят из двух молекул поверхностно-активных веществ, соединенных вместе в области или вблизи их полярных групп. По сравнению с мономерными поверхностно-активными веществами, они обладают значительно более низкими критическими концентрациями мицелл. В результате, поверхностно-активное вещество содержит как водорастворимый, так и водонерастворимый компонент. Поверхностно-активные вещества диффундируют в воде и адсорбируются на границе раздела между воздухом и водой, или на границе раздела между маслом и водой, в случае смешивания воды с маслом. Водонерастворимая гидрофобная группа может выходить из основной водной фазы в неводную фазу, такую как воздушная или масляная фаза, в то время как водорастворимая полярная группа остается связанной в водной фазе. Гидрофобный хвост может быть либо липофильным ("стремящимся к маслу"), либо липофобным ("избегающим масла"), в зависимости от его химического строения. Углеводородные группы обычно липофильны и используются в мылах и моющих средствах, в то время как фторуглеродные группы липофобны и используются для отталкивания пятен или снижения поверхностного натяжения. Мировое производство поверхностно-активных веществ оценивается в 15 миллионов тонн в год, из которых около половины приходится на мыло. Другие поверхностно-активные вещества, производимые в особенно больших масштабах, включают линейные алкилбензолсульфонаты (1,7 миллиона тонн в год), лигниносульфонаты (600 000 тонн в год), этоксилаты жирных спиртов (700 000 тонн в год) и этоксилаты алкилфенолов (500 000 тонн в год).
Структура фаз поверхностно-активных веществ в воде
В массовой водной фазе поверхностно-активные вещества образуют агрегаты, такие как мицеллы, в которых гидрофобные хвосты формируют ядро агрегата, а гидрофильные головки находятся в контакте с окружающей жидкостью. Могут также образовываться другие типы агрегатов, например сферические или цилиндрические мицеллы, или липидные бислои. Форма агрегатов зависит от химической структуры поверхностно-активных веществ, в частности от соотношения размеров между гидрофильной головкой и гидрофобным хвостом. Мерой этого соотношения является гидрофильно-липофильный баланс (ГЛБ). Поверхностно-активные вещества снижают поверхностное натяжение воды, адсорбируясь на границе раздела жидкость-воздух. Связь между поверхностным натяжением и поверхностным избытком описывается изотермой Гиббса.
Динамика поверхностно-активных веществ на интерфейсах
Динамика адсорбции поверхностно-активных веществ имеет большое значение для практических применений, таких как процессы вспенивания, эмульгирования или нанесения покрытий, где пузырьки или капли образуются быстро и требуют стабилизации. Динамика поглощения зависит от коэффициента диффузии поверхностно-активного вещества. По мере создания границы раздела фаз адсорбция ограничивается диффузией поверхностно-активного вещества к этой границе. В некоторых случаях может существовать энергетический барьер для адсорбции или десорбции поверхностно-активного вещества. Если такой барьер ограничивает скорость адсорбции, динамику называют "кинетически ограниченной". Такие энергетические барьеры могут быть обусловлены стерическими или электростатическими отталкиваниями. Реология поверхности слоев поверхностно-активных веществ, включая эластичность и вязкость слоя, играет важную роль в стабильности пен и эмульсий.
Приложения
Поверхностно-активные вещества играют важную роль в качестве очищающих, смачивающих, диспергирующих, эмульгирующих, пенообразующих и антипенообразующих агентов во многих практических применениях и продуктах, включая моющие средства, кондиционеры для тканей, моторные масла, эмульсии, мыла, краски, клеи, чернила, средства против запотевания, лыжные воски, воск для сноуборда, удаление краски с переработанной бумаги, в процессах флотации, стирки и ферментации, а также слабительные средства. Также агрохимические препараты, такие как гербициды (некоторые), инсектициды, биоциды (дезинфицирующие средства) и спермициды (ноноксинол 9). Средства личной гигиены, такие как косметика, шампуни, гель для душа, кондиционеры для волос и зубные пасты. Поверхностно-активные вещества используются в пожаротушении (для получения "смачивающей воды", которая быстрее проникает в горючие материалы) и в трубопроводах (в качестве жидкостных агентов, снижающих сопротивление). Щелочные полимеры, содержащие поверхностно-активные вещества, используются для мобилизации нефти в нефтяных скважинах. Поверхностно-активные вещества способствуют вытеснению воздуха из структуры ватных дисков и повязок, чтобы лекарственные растворы могли впитываться для нанесения на различные участки тела. Они также способствуют удалению загрязнений и инородных частиц при промывании ран моющими средствами, а также при нанесении лекарственных лосьонов и спреев на поверхность кожи и слизистых оболочек. Поверхностно-активные вещества повышают эффективность восстановления окружающей среды посредством промывки почвы, биоремедиации и фиторемедиации.
Дитергенты в биохимии и биотехнологии
В растворе моющие средства способствуют растворению различных химических соединений, диссоциируя агрегаты и разворачивая белки. Популярными поверхностно-активными веществами в биохимической лаборатории являются сульфат натрия лаурила (SDS) и бромид цетилтриметиламмония (CTAB). Детергенты являются ключевыми реагентами для извлечения белков путем лизиса клеток и тканей: они разрушают липидный бислой мембраны (SDS, Triton X 100, X 114, CHAPS, DOC и NP 40) и растворяют белки. Более мягкие моющие средства, такие как октилтиоглюкозид, октилглюкозид или додецилмальтозид, используются для растворения мембранных белков, таких как ферменты и рецепторы, без их денатурации. Нерастворившийся материал собирают центрифугированием или другими способами. Для электрофореза, например, белки обычно обрабатывают SDS для денатурации нативных третичной и четвертичной структур, что позволяет разделять белки в соответствии с их молекулярной массой. Моющие средства также используются для децеллюляризации органов. Этот процесс сохраняет белковый матрикс, поддерживающий структуру органа и часто микрососудистую сеть. Этот метод успешно применялся для подготовки органов, таких как печень и сердце, к трансплантации у крыс. Легочные сурфактанты также естественным образом секретируются II типом клеток альвеол легких у млекопитающих.
Подготовка квантовой точки
Поверхностно-активные вещества используются с квантовыми точками для управления их ростом, сборкой и электрическими свойствами, а также для облегчения реакций на их поверхности. Ведутся исследования, посвященные тому, как поверхностно-активные вещества располагаются на поверхности квантовых точек.
Плотноактивные вещества в микрофлюидах на основе капель
Поверхностно-активные вещества играют важную роль в капельной микрофлюидике, стабилизируя капли и предотвращая их слияние в процессе инкубации.
Гетерогенный катализатор
Материал типа "Янус" используется в качестве поверхностно-активного вещества, подобного гетерогенному катализатору, для синтеза адипиновой кислоты.
Повышенное поверхностное напряжение
Вещества, повышающие поверхностное натяжение, являются "поверхностно-активными" в буквальном смысле, но не называются поверхностно-активными веществами (ПАВ), так как их эффект противоположен общепринятому значению. Типичным примером повышения поверхностного натяжения является высоливание: добавление неорганической соли в водный раствор слабополярного вещества приводит к его осаждению. Само это вещество может быть ПАВ, что является одной из причин неэффективности многих ПАВ в морской воде.
В биологии
В организме человека производится множество поверхностно-активных веществ. Легочный сурфактант вырабатывается в легких для облегчения дыхания за счет увеличения общей емкости легких и их эластичности. При синдроме дыхательного дистресса или СДР заместительная терапия сурфактантом помогает пациентам восстановить нормальное дыхание, используя фармацевтические препараты сурфактанта. Одним из примеров фармацевтического легочного сурфактанта является Survanta (берактант) или его дженерик Beraksurf, производимые компаниями Abbvie и Tekzima соответственно. Желчные соли, сурфактант, вырабатываемый в печени, играют важную роль в пищеварении.
Риски для безопасности и окружающей среды
Большинство анионных и неионных поверхностно-активных веществ нетоксичны, имея LD50, сопоставимый с поваренной солью. Токсичность четвертичных соединений аммония, обладающих антибактериальными и противогрибковыми свойствами, варьируется. Диалкилдиметиламониевые хлориды (DDAC, DSDMAC), используемые в качестве смягчителей для тканей, имеют высокое значение LD50 (5 г/кг) и практически нетоксичны, в то время как дезинфицирующий алкилбензилдиметиламониевый хлорид имеет LD50 0,35 г/кг. Длительное воздействие поверхностно-активных веществ может вызывать раздражение и повреждение кожи, поскольку они нарушают липидную мембрану, защищающую кожу и другие клетки. Раздражающее действие на кожу обычно возрастает в ряду: неионные, амфотерные, анионные, катионные поверхностно-активные вещества. Анионные поверхностно-активные вещества могут обнаруживаться в почвах в результате применения осадка сточных вод, орошения сточными водами и процессов рекультивации. Относительно высокие концентрации поверхностно-активных веществ в сочетании с тяжелыми металлами могут представлять экологический риск. При низких концентрациях применение поверхностно-активных веществ вряд ли окажет значительное влияние на подвижность микроэлементов. В случае разлива нефти на платформе "Deepwater Horizon" беспрецедентное количество Corexit было распылено непосредственно в океан в месте утечки и на поверхности морской воды. Считалось, что поверхностно-активные вещества изолируют капли нефти, облегчая их переработку нефтеокисляющими микроорганизмами. Активными ингредиентами Corexit являются диоктилсульфосукцинат натрия (DOSS), сорбитана моноолеат (Span 80) и полиоксиэтилированный сорбитана моноолеат (Tween 80).
Биоразложение
Из-за значительных объемов поверхностно-активных веществ, попадающих в окружающую среду, например, моющих средств в воде, их биоразложение представляет большой интерес. Особое внимание привлекает неразлагаемость и экстремальная устойчивость фторсодержащих поверхностно-активных веществ, таких как перфтороктановая кислота (ПФОК). Методы повышения скорости разложения включают обработку озоном и биологическое разложение. Два основных поверхностно-активных вещества – линейные алкилбензолсульфонаты (LAS) и алкилфенолэтоксилаты (APE) – распадаются в аэробных условиях, характерных для очистных сооружений и почвы, до нонилфенола, который считается эндокринным разрушителем. Интерес к биоразлагаемым поверхностно-активным веществам стимулировал интерес к "биосурфактантам", например, получаемым из аминокислот. Поверхностно-активные вещества на основе биомассы могут обеспечивать улучшенное биоразложение. Однако, повреждают ли поверхностно-активные вещества клетки рыб или вызывают образование пены на поверхности водоемов, зависит главным образом от их химической структуры, а не от того, был ли исходный углерод получен из ископаемого сырья, углекислого газа или биомассы.