第三章 表面活性剂

第三章表面活性剂1第一节概述一、表面活性剂的概念任何纯液体在一定温度下都具有一定的表面张力。20℃时，水的表面张力为72.75mN·m一’，苯的表面张力为28.88mN·m一’。溶液的表面张力与加人溶液中溶质的浓度和种类有关。当在水中加入无机盐和糖类物质时，水的表面张力略有增加；在水中加入低级脂肪醇或脂肪酸时，水的表面张力略有下降；而有些物质如肥皂中的硬脂酸钠和洗衣粉中的烷基苯磺酸钠等物质却能使水的表面张力显著降低。这种使液体表面张力降低的性质称为表面活性；使液体表面张力下降的物质称为表面活性物质；具有很强的表面活性，能使液体表面张力显著降低的物质称为表面活性剂（surfactant）。二、表面活性剂的结构特点表面活性剂之所以能降低液体的表面张力，是由其结构上的特点决定的。表面活性剂分子的结构特征是同时具有极性的亲水基和非极性的亲油基，且分别处于表面活性剂分子的两端，造成分子的不对称性，因此表面活性剂分子是一种既亲水又亲油的分子，具有两亲性（即亲水亲油性），也称为两亲分子。表面活性剂的亲油基通常是长度在8个碳原子以上的烃链，或者是含有杂环或芳香族基团的碳链；亲水基可以是梭酸、磺酸、氨基或胺基及其盐，也可以是经基、酞胺基、醚键等。如肥皂是脂肪酸类（R-C00-）表面活性剂，其结构中的脂肪酸碳链（R-）是亲油基，解离的脂肪酸根（C00-）是亲水基。应注意的是两亲分子并不一定都是表面活性剂，只有那些能明显降低体系的表面张力或明显改变体系界面状态的物质才是表面活性剂。三、表面活性剂的吸附1．表面活性剂分子在溶液中的正吸附表面活性剂这种亲水亲油的独特结构使其具有特殊的作用，在溶液中表现为正吸附现象。当水中表面活性剂的浓度很低时，它们在水一空气界面产生定向排列，分子中的亲水基伸向水而亲油基朝向空气，形成单分子层吸附，表面活性剂在溶液表面层的浓度大大高于溶液中的浓度。表面活性剂在溶液表面层聚集的现象称为正吸附。正吸附改变了溶液表面的性质，最外层呈现出碳氢链的性质，从而表现出较低的表面张力，随之产生较好的润湿性、乳化性、起泡性等。2．表面活性剂分子在固体表面的吸附表面活性剂溶液与固体表面接触时，表面活性剂分子即可在固体表面发生吸附，使固体性质发生改变。对于极性固体物质，在低浓度时，表面活性剂为单分子层吸附，表面活性剂分子中的亲油基伸向空气；当表面活性剂在溶液中的浓度接近临界胶束浓度时，形成双分子层吸附并达到饱和，此时表面活性剂分子的排列方向与第一层相反，亲水基朝向空气。对于非极性固体，一般仅发生单分子层吸附，表面活性剂分子中的亲油基吸附在固体表面，亲水基指向空气，使固体表面呈现一定的亲水性。当表面活性剂浓度增加时，吸附量并不随之增加，甚至有减少的趋势。第二节表面活性剂的分类表面活性剂的分类方法有多种，根据来源可分为天然表面活性剂和合成表面活性剂；根据溶解性可分为水溶性表面活性剂和油溶性表面活性剂；根据亲水基是否解离，可分为离子型表面活性剂和非离子型表面活性剂，其中离子型表面活性剂根据解离的离子性质，又可分为阴离子型、阳离子型和两性离子型表面活性剂。一、离子型表面活性剂（一）阴离子型表面活性剂此类表面活性剂起表面活性作用的部分是阴离子，带有负电荷。如肥皂、长碳链的硫酸盐等，是目前广泛应用的一类表面活性剂。1.肥皂类是高级脂肪酸的盐。通式为（RC00-)nM0＋，其中脂肪酸烃链R一般在C！l一C,7之间，以硬脂酸、油酸、月桂酸等较为常见。这类表面活性剂均具有良好的乳化性能和分散油的能力。根据阳离子M的不同，又可分为碱金属皂、碱土金属皂和有机胺皂。（1)碱金属皂：为可溶性皂，是脂肪酸的碱金属盐类，一般为钠盐或钾盐。如常用的脂肪酸有月桂酸（c12）、棕搁酸（CI。）、硬脂酸（C！、）和油酸（Cis不饱和酸）。如硬脂酸钾即为常用的钾肥皂。这类表面活性剂月艺召值一般在巧一18，降低水相的表面张力强于降低油相的表面张力，常用作0/W型乳化剂。使用时易被酸、碱及钙、镁盐所破坏，电解质可使之盐析，并有一定的刺激性，一般只用于外用制剂。（2）碱土金属：为不溶性皂，是脂肪酸的二价或三价金属皂，以Ca，＋、MgZ＋zI12＋、Al，‘等为主。脂肪酸为C,2一C,8的饱和或不饱和脂肪酸，该类皂的亲油基强于亲水基，常用作W／O型乳化剂。一般只用于外用制剂。第三章表面活性剂2(3）有机胺皂：是脂肪酸和有机胺反应形成的皂类。常用的脂肪酸是硬脂酸和油酸，有机胺主要是三乙醇胺。硬脂酸三乙醇胺常用作软膏剂的乳化剂。2.硫酸化物是硫酸化脂肪油和高级脂肪醇硫酸醋类。通式为ROS03M＋。其中高级脂肪醇烃链R在CI：一C,8范围。硫酸化油的代表是硫酸化蓖麻油（也称土耳其红油），为黄色或橘黄色钻稠液体，有微臭，可与水混合，无刺激性，可作为去污剂和润湿剂使用，代替肥皂洗涤皮肤，也可用于挥发油或水不溶性的杀菌剂的增溶。高级脂肪醇硫酸醋常见有月桂醇硫酸钠（十二烷基硫酸钠）、鲸蜡醇硫酸钠（十六醇硫酸钠）和硬脂醇硫酸钠（十八烷基硫酸钠）等。它们的乳化性很强，较肥皂类稳定，受酸和钙盐、镁盐的影响小，但能与一些高分子阳离子药物发生作用而产生沉淀，对勃膜有一定的刺激性，主要用作外用软膏的乳化剂，有时还可用作片剂等固体制剂的润湿剂和增溶剂。3．磺酸化物是脂肪酸或脂肪醇经磺酸化后，用碱中和所得的化合物，主要有脂肪族磺酸化物、烷基芳基磺酸化物和烷基蔡磺酸化物。通式为RSO至M＋，它们的水溶性和耐酸、耐钙、镁盐能力比硫酸化物稍差，但不易水解，即使在酸性溶液中也比较稳定。常用的品种有二辛基唬拍酸磺酸钠（阿洛索一OT）、二己基唬拍酸磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠等均为目前广泛应用的表面活性剂，有较好的保护胶体的性质，勃度低、去污力、起泡性和油脂分散能力都很强，为优良的洗涤剂。另外，甘胆酸钠、牛磺胆酸钠等胆盐也属于此类，常用作胃肠道中脂肪的乳化剂和单硬脂酸甘油醋的增溶剂。（二）阳离子型表面活性剂此类表面活性剂起表面活性作用的部分是阳离子，带有正电荷，又称为阳性皂。其分子结构的主要部分是一个五价的氮原子，故又称季钱化合物，通式为（R,R,,N＋R3R4）X一。其特点是水溶性大，在酸性与碱性溶液中较稳定，具有良好的表面活性作用和杀菌、防腐作用，但与大分子的阴离子药物合用产生结合而失去活性，甚至产生沉淀。此类表面活性剂毒性较大，只能外用，临床主要用于皮肤、勃膜和手术器材的消毒。常用的品种有苯扎氯钱、苯扎嗅按、度米芬等。（三）两性离子型表面活性剂此类表面活性剂分子结构中同时具有正、负电荷基团，随着溶液pH值的变化表现为不同的性质，pH值在等电点范围内表面活性剂呈中性；在等电点以上呈阴离子表面活性剂的性质，具有很好的起泡、去污作用；在等电点以下则呈阳离子表面活性剂的性质，具有很强的杀菌性。两性离子型表面活性剂有天然的与合成的两种类型。1.卵磷脂类是天然的两性离子型表面活性剂，由磷酸型的阴离子部分和季钱盐型的阳离子部分组成，主要来源于大豆和蛋黄，根据来源不同又分为豆磷脂和蛋磷脂。卵磷脂的组成成分复杂，包括各种甘油磷脂，如脑磷脂、磷脂酞胆碱、磷脂酞乙醇胺、丝氨酸磷脂、肌醇磷脂、磷脂酸等，还有糖脂、中性脂、胆固醇和神经鞘脂等。在不同来源和不同制备过程的卵磷脂中各组分的比例可发生很大的变化，从而影响其使用性能。如磷脂酞胆碱含量高时可作为O／W型乳化剂，而在肌醇磷脂含量高时则作为W/o型乳化剂。卵磷脂为透明或半透明黄色或黄褐色油脂状物质，对热十分敏感，在酸性和碱性条件下以及醋酶作用下容易水解。由于分子中有两个疏水基团，故不溶于水，溶于氯仿、乙醚、石油醚等有机溶剂，对油脂的乳化作用很强，制得乳剂的乳滴很细且稳定，无毒，可用作注射用乳剂的乳化剂，也可作为脂质微粒制剂的主要辅料。2.氨基酸型和甜菜碱型此两类为合成的两性离子型表面活性剂，其阴离子部分主要是梭酸盐，阳离子部分为胺盐或季钱盐，由胺盐构成者为氨基酸型，由季钱盐构成者为甜菜型。氨基酸型在等电点（一般为微酸性）时亲水性减弱，并可能产生沉淀，而甜菜型则不受溶液pH的影响，在等电点时也无沉淀。二、非离子型表面活性剂非离子型表面活性剂在水中不解离，其分子中构成亲水基团的是甘油、聚乙二醇和山梨醇等多元醇，构成亲油基团的是长链脂肪酸或长链脂肪醇以及烷基或芳基，它们以醋键或醚键与亲水基团结合。非离子型表面活性剂的两亲性常以其分子的亲水和亲油平衡值（HLB值）表示，其HLB值越低，表示亲脂性越强；反之，表示亲水性越强。这类表面活性剂毒性低，不解离，不受溶液pH的影响，能与大多数药物配伍，广泛用于外用、内服制剂及注射剂，个别品种还可用于静脉注射剂。1．多元醇型（l）脱水山梨醇脂肪酸醋类（商品名：司盘Span)：又称脂肪酸山梨坦，是由山梨糖醇及其单醉和二配与各种不同的脂肪酸反应所形成的醋类混合物。其结构通式见图3-1第三章表面活性剂3通式图3一1脱水山梨醇脂肪酸醋类结构通式因所结合的脂肪酸的种类和数量不同而有不同的品种：见表3-1。司盘类为勃稠状、白色或黄色的油状液体或蜡状固体，不溶于水，易溶于乙醇，在酸、碱或酶的作用下易水解，由于亲油性较强，可用作W/0型乳化剂和润湿剂或0/W型乳剂的辅助乳化剂，多用于搽剂、软膏剂，还可用于注射用乳剂的辅助乳化剂。(2)聚氧乙烯脱水山梨醇脂肪酸醋类（商品名：吐温Tween)：又称聚山梨醋。是在司盘类的剩余OH一上结合聚氧乙烯基而制得的醚类化合物。其结构通式见图3-2:图3一聚氧乙烯脱水山梨醇脂肪酸醋类结构通式吐温类的命名与司盘类相对应，因所结合的脂肪酸的种类和数量不同也有不同的品种：见表3一。吐温类表面活性剂是勃稠的黄色液体，对热稳定，但在酸、碱或酶的作用下可水解，易溶于水、乙醇及多种有机溶剂，不溶于油。低浓度时在水中形成胶束，其增溶作用不受溶液pH值影响。吐温常用于0/W型乳剂的乳化剂，也可用作增溶剂、分散剂和润湿剂。2.聚氧乙烯型（l）酉旨型：聚氧乙烯脂肪酸醋（商品名：卖泽Myrj)，是由聚乙二醇与长链脂肪酸缩合而成的醋，通式为RCOOCH2（CH20CH2）nCH2OH，其中n是聚合度。亲油基脂肪酸和亲水基聚乙二醇以不同比例结合，可合成疏水性和亲水性不同的表面活性剂。本类产品有较强水溶性，乳化能力强，为0/W型乳化剂，常用的有聚氧乙烯40硬脂酸醋（Polyoxyethylene40，Myrj52）。（2）醚型：聚氧乙烯脂肪醇醚（商品名：节泽Brij），是由聚乙二醇与脂肪醇缩合而成的醚，通式为RO（CH2OCH2）A其中n是聚合度，因聚乙二醇的聚合度和脂肪醇的不同而有不同的品种。如Brij30与Brij35是由不同数目的聚乙二醇与月桂醇缩聚而成，都可作为O／W型乳化剂；聚氧乙烯硬脂醇醚（Brij72）和聚氧乙烯油醇醚（Brij92）均已上市。其他如平平加O（Peregol0)是15个单位的氧乙烯与油醇的缩合物。西土马哥（Cetomacrogol)是聚乙二醇与十六醇的缩合物，可用作0/W型乳化剂和挥发油的增溶剂。埃莫尔弗（Emolphor)是一类聚氧乙烯蓖麻油化合物，由20个单位以上的氧乙烯与油醇缩合而成，为淡黄色油状液体或白色糊状物，易溶于水和醇及多种有机溶剂，HLB值在12一18范围内，具有较强的亲水性质，常用作增溶剂及0/W型乳化剂。聚氧乙烯蓖麻油甘油醚（CremophorEL）的氧乙烯的单位为35一40,HLB值为12一14，对疏水性物质有很强的增溶能力和乳化第三章表面活性剂4能力。3.聚氧乙烯一聚氧丙烯型此类表面活性剂又称泊洛沙姆(poloxamer），商品名为普朗尼克（Pluronic），是由聚氧乙烯和聚氧丙烯聚合而成，通式为HO-(CA0)a-（C3H60）。一（C2H40）。一H，其中b为聚氧丙烯链段的链节数，至少为15，（CZH,O）a＋（．为聚氧乙烯链段，占化合物总量的10%一80%。此类聚合物以聚氧丙烯为亲油基，聚氧乙烯为亲水基，亲油基位于两个可变换的亲水基（a，c）之间，相对分子量从1000到10000以上，随着相对分子量的增加，本品由液体变为固体，其水溶性可以从不溶于水到溶于水；分子中聚氧乙烯部分比例增加，水溶性增加，聚氧丙烯部分