表面活性剂自组装及表面活性剂包合作用的实验与分子动力学模拟

来源 :湖南师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:lxkef
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表面活性剂能自组装形成丰富的微观结构,表现出极其复杂的相行为,在诸多领域有着广泛的应用前景。分子动力学(MD)模拟能从分子层面对表面活性剂相行为进行解释和预测,对实验结果进行验证和补充。本文将实验和MD模拟相结合,分别研究了α-,β-,γ-环糊精(CD)与表面活性剂的包合作用以及添加剂对表面活性剂复配系统相行为的影响。第一章简介了表面活性剂和CD的性质及其应用,重点介绍了分子模拟的几种方法,并对MD模拟的一些基本概念进行了详细介绍。第二章通过MD模拟探讨了318.15 K下乙醇和正丙醇对0.1mol/kg三亚甲基-1,3-双(十二烷基二甲基溴化铵)(12-3-12)/十二烷基磺酸钠(AS)复配系统相行为和双水相反转的影响。对处于等电点(即MR12-3-12/AS=1:2)的复配系统,当x醇较低时,大量醇分子嵌入表面活性剂聚集体的壳层中,迫使表面活性剂分子松散堆积,这意味着表面活性剂头基之间距离的增加和界面上每个分子表观面积的增加,因此x醇较低时醇的加入主要起助表面活性剂的作用。当x醇较高时,表面活性剂分子被大量乙醇和正丙醇分子包围从而不能形成较大的聚集体,此时醇主要起助溶剂的作用。因此在复配系统中,随着醇的加入非均相转化为双水相最终转化为单相。MD模拟显示,乙醇与表面活性剂分子间的相互作用受表面活性剂配比(MR12-3-12/AS)的影响很小。但随表面活性剂浓度(m T)的增大,乙醇与表面活性剂的相互作用增强。双水相系统下相的m T比上相大,随着x乙醇的增大,大量乙醇分子结合到下相。这意味着随着x乙醇的增大,下相的密度减小的幅度更大,因此乙醇的加入会诱导双水相系统发生相反转。对于添加正丙醇的系统,m T增大(或MR12-3-12/AS减小)使正丙醇与表面活性剂的相互作用增强,双水相的上相MR12-3-12/AS和m T较小,随着正丙醇的加入,MR12-3-12/AS较小的囊泡会携带一定数量的溶剂进入上相,但由于下相中表面活性剂浓度较高,与溶剂相互作用较强,因此会阻止溶剂转移到上相,两者共同作用,导致上相m T增加,从而诱导双水相系统中两相表面活性剂浓度的反转。第三章探讨了298.15 K下α-,β-,γ-环糊精(α-,β-,γ-CD)与十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)包合作用的差异。实验结果表明α-CD与CTAB形成α-CD2@CTAB1的包合物,β-CD与CTAB形成β-CD2@CTAB1和β-CD1@CTAB1的包合物,γ-CD与CTAB形成γ-CD1@CTAB1的包合物。MD模拟发现α-,β-CD与CTAB首先形成CD1@CTAB1的包合物,CD1@CTAB1再结合CD形成CD2@CTAB1。对于α-CD的系统,形成α-CD2@CTAB1比形成α-CD1@CTAB1的势能降低得更多,因此系统更倾向于形成α-CD2@CTAB1。β-CD形成β-CD1@CTAB1和β-CD2@CTAB1的势能变化基本一致,因此系统中β-CD1@CTAB1和β-CD2@CTAB1共存。γ-CD1@CTAB1的包合物形成时γ-CD空腔内的CTAB会弯曲折叠,这不利于其继续结合γ-CD形成γ-CD2@CTAB1,也阻碍第二条CTAB尾链进入空腔形成γ-CD1@CTAB2,因此γ-CD系统主要以γ-CD1@CTAB1的包合物存在。第四章探究了298.15 K下β-CD对0.1 mol/kg CTAB/月桂酸钠(SL)复配系统相行为的影响。不添加β-CD时CTAB/SL复配系统存在单相、双水相、液晶相和非均相四种相行为,系统在等摩尔比(x CTAB=0.5)附近为非均相;mβ-CD=0.01 mol/kg时复配系统的非均相区变宽,各向同性单向区变窄,双水相区和液晶相区朝着远离等摩尔比的方向移动;mβ-CD=0.02 mol/kg时复配系统中液晶相消失,非均相相区显著变宽,双水相区更大程度地朝着远离等摩尔比的方向移动。MD模拟结果显示,复配系统中CTAB与SL越接近等摩尔比,表面活性剂之间相互作用越大,表面活性剂越容易形成较大的聚集体,聚集体越紧凑。且越接近等摩尔比,表面活性剂聚集体的形态由球状向层状转变,因此随复配系统的组成向等摩尔比变化,系统的相行为从单相到双水相到液晶相到非均相转变。β-CD的加入会与系统中含量较高的表面活性剂形成包合物,使复配系统更趋向于等摩尔比,从而更易形成较大的聚集体,因此随着β-CD的加入,系统的非均相区变宽,各向同性单向区变窄,双水相区和液晶相区朝着远离等摩尔比的方向移动。在水中沉淀是由CTAB和SL自组装形成的层状聚集体,密度比溶液小;在0.02 mol/kg的β-CD水溶液中,沉淀是由CTAB、SL、β-CD1@CTAB1和β-CD1@SL1自组装形成的大颗粒聚集体,密度比溶液大。
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