α磺化软脂酸钠的合成.docx
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α磺化软脂酸钠的合成
分类号
学士学位论文
α-磺化软脂酸钠的合成
作者单位化学与化学工程系
指导老师
作者姓名
专业、班级化学专业07级化学本科班
提交时间二〇一一年六月
α-磺化软脂酸钠的合成
（化学与化学工程系2007级化学专业）
指导教师:
摘要：
本实验分为两部分，第一部分是α-磺化软脂酸钠的合成，第二部分是α-磺化软脂酸钠的表征。
在第一部分试验中以软脂酸为主要原料，采用正交试验来探究合成α-磺化软脂酸钠，影响因素为温度、浓硫酸的浓度和软脂酸的比例，来探究浓硫酸对软脂酸的磺化。
恒温反应6小时制得α-磺化软脂酸。
实验表明在水浴温度为85℃，浓硫酸的浓度为95%，软脂酸的比例为1.5（n软脂酸：
n浓硫酸=1.5）时的α-磺化软脂酸的产量最高。
将制得的α-磺化软脂酸用水/丙酮提纯后与氢氧化钠反应，制得双亲水基阴离子型表面活性剂α-磺化软脂酸钠。
在第二部分中，用红外光谱初步确定其结构，实验表明，该目标水溶液的CMC和γcmc都低于SDS（十二烷基硫酸钠），具有较高的表面活性，同时具有良好的起泡性和稳泡性能。
关键词：
软脂酸钠，正交试验，磺化，表面活性，临界胶束浓度，起泡性，稳泡性。
Explorealphasulfonatedsynthesisofpalmiticacidsodiumandcharacterization
（Chemistry,Grade2007,TheDepartmentofChemistryandChemicalEngineering）
Guidingteacher:
Abstract：
Thisexperimentisdividedintotwoparts,thefirstpartisalphasulphonatedsynthesisofpalmiticacidsodium,the2ndpartisalphasulphonatedcharacterizationofpalmiticacidsodium.
Inthefirstpartofthetrialtopalmiticacidasthemainrawmaterial,usingtheorthogonalexperimenttoexploresynthesisofalpha,influencefactorswerepalmiticacidsodiumfortemperature,sulfuricacidconcentrationandtheproportionofpalmiticacidofsulfuricacid,toexploretheoveryieldpalmiticacid.Constanttemperatureandreactionof6hoursofalphasulphonatedpalmiticacid.Experimentalresultsshowthewaterbathtemperaturefor85℃,theconcentrationofsulfuricacid,theproportionofpalmiticacidfor95%for1.5（npalmiticacid:
nsulfuricacid=1.5）whentheproductionofalphasulphonatedpalmiticacidhighest.Willsystemofalphasulphonatedpalmiticacidwater/acetonepurificationwithsodiumhydroxidereactionafteralkalizationwater-basedanionicsurfactantparentsofpalmiticacidsodiumsulphonatedalpha.
Inthesecondpart,thepreliminarilydeterminedbyirspectraofitsstructure,experimentalresultsshowthatthegoaloftheCMCsolutionandgammaCMCbelowSDS（sodiumdodecylsulfate）,hasthehighsurfaceactivity,andhasgoodperformanceandstabilityfoamingabilitybubble.
Keywords:
palmiticacidsodium,orthogonalexperiment,preparingsulphonated,surfaceactivity,criticalmicelleconcentration,foamingability,stabilitybubblesex.
目录
1.综述部分1
1.1表面活性剂的概述1
1.1.1表面活性和表面活性剂的概念1
1.1.2表面活性剂的结构特征2
1.1.3表面活性剂的分类2
1.1.4表面活性剂的用途5
1.2表面活性剂的发展方向与研究概况7
1.3本课题研究的目的及意义8
2.实验部分9
2.1原料与仪器9
2.2反应机理9
2.3合成方法......................................................................................................10
2.3.1α-磺化软脂酸的合成10
2.3.2α-磺化软脂酸钠的制备10
2.3.3正交试验11
3结果与讨论12
3.1α-磺化软脂酸的表征12
3.2α-磺化软脂酸钠的性质14
3.2.1α-磺化软脂酸钠水溶液的表面张力14
3.2.2α-磺化软脂酸钠的临界胶束浓度15
3.2.3α-磺化软脂酸钠表面活性剂的起泡性能16
4结论17
参考文献18
致谢20
1.综述部分
1.1表面活性剂的概述
1.1.1表面活性和表面活性剂的概念
纯液体只有一种只有一种分子，故固定温度和压力时，其表面张力是一定的。
对于液体就不同了，其表面张力会随浓度而变化。
这种变化大致有三种情况，如图1所示。
图1水溶液的表面张力
第一种情形是表面张力随溶液浓度的增大而升高且往往大致近于直线（图中A线）。
这种溶液有NaCl,NaSO4等无机盐。
第二种情形是表面张力随溶液浓度的增大而降低，通常开始时降低的快些，后来降低的慢些（B线）。
属于此类溶质有醇类、酸类等大部分有机物。
第三种情形是一开始表面张力急剧下降，但到一定浓度后几乎不再变化（C线）。
属于这类的溶质有八碳以上的有机酸盐、有机铵盐、本磺酸盐等。
若是一种物质（甲）能降低另一种物质（乙）的表面张力，就说甲对乙有表面活性。
而以很低的浓度就能显著降低溶剂的表面张力的物质叫做表面活性剂。
上述A类物质无表面活性，B类物质具有表面活性，但不是表面活性剂。
只有C类物质才可成为表面活性剂。
上述表面活性剂的定义是从降低表面张力的角度来考虑的，这个定义是Freundlich在1930年提出来的。
随着表面活性剂科学的不断发展，人们发现Freundlich的定义存在着局限性。
因为有相当一类物质，虽然其降低表面张力的能力较差，单它们很容易进入界面（如油水界面），在用量很小时即可显著改变界面的物理化学性质，这类物质也被称为表面活性剂［1］，如一些水溶性高分子。
因此，表面活性剂是这样一种物质，它能吸附在表（界）面上，在加入量很小时即可显著改变表（界）面的物理化学性质，从而产生一系列的应用功能。
1.1.2表面活性剂的结构特征
表面活性剂分子有一个共同的特点［2］，它的分子有两部分组成，一部分是亲溶剂的，另一部分是憎（疏）溶剂的，由于水是最主要的溶剂，通常表面活性剂都是在水溶液中使用，因此通常把表面活性剂的这两部分分别称为亲水基（极性部分）和憎（疏）水基（非极性部分），如图2所示。
疏水基也叫亲油基。
图2表面活性剂分子示意图
以一种常见的表面活性剂十二烷基硫酸钠[CH3（CH2）11SO4Na]为例，它是由非极性的CH3（CH2）11—与极性的—SO4Na组成，前者为疏水基，后者为亲水基。
水溶液中，CH3（CH2）11SO4Na电离为CH3（CH2）11SO4－与Na＋，起主要作用的是CH3（CH2）11SO4－，称为表面活性离子，而Na＋称为反离子。
表面活性剂的这种特殊结构称为两亲结构（亲水基亲水，疏水基亲油）。
因此表面活性剂是一类两亲化合物。
表面活性剂的亲油基一般是由长链烃基构成，结构上差别较小，以碳氢集团为主，一般八个碳原子以上。
亲水基（极性基，头基）部分的集团种类繁多，差别较大，一般为带电的离子集团和不带电的极性集团
1.1.3表面活性剂的分类
众所周知，表面活性剂的种类繁多分类方法各异本文从传统表面活性剂和新型表面活性剂两个方面对表面活性剂进行分类。
1.传统表面活性剂
表面活性剂品种繁多，进行传统表面活性剂分类时，根据疏水基不同分为直链的、支链的、环状的；根据亲水基不同可分为离子型、非离子型和混合型；离子型又可分为阴离子型、阳离子型、两性离子型［3－4］；根据应用性能不同，分为润滑剂、乳化剂、起泡剂（消泡剂）、分散剂、破乳剂、增溶剂、浮选剂、上浆剂、抗静电剂、匀染剂、去污剂、絮凝剂的；根据亲水基与疏水基的链接方式不同，可分为直链连接型[即亲水基与疏水基直接连接，如十二烷基硫酸钠CH3（CH2）11SO4Na]和间接连接型等.详见图3.
2.新型表面活性剂
目前一般认为，只要在较低浓度时能显著改变改变溶剂的表（界）面性质或与此相关、由此派生的性质的物质，都可以划归表面活性剂范畴。
由此顶定义的表面活性剂的结构特点人可用传统表面活性剂的棒状图描述，所包括表面活性剂的类型却有了较大的扩展。
如根据疏水剂可以分为氟系表面活性剂、硅系表面活性剂、硫系表面活性剂、硼系表面活性剂等。
根据来源的不同可分为生物表面活性剂、反应型表面活性剂、天然及天然物改性表面活性剂。
根据结构特征改变产生了冠醚表面活性剂、Gemini表面活性剂（含两个极性头的连体表面活性剂）。
根据分子量的改变产生了高分子表面活性剂等。
根据应用性能的不同，又新派生出絮凝剂、成膜剂、保水剂、靶向示踪载体、防水剂、防有机、防污处理剂、高级消泡剂、极压抗磨剂、防雾剂、油品抗菌剂及阻燃剂等。
根据功能不同，分为孪生表面活性剂、双头表面活性剂、分子叉型表面活性剂等。
详见图4。
图3传统表面活性剂的分类
图4新型表面活性剂分类
1.1.4表面活性剂的用途
表面活性剂具有极其广泛的用途[5]，其应用几乎已渗透到所有的工业领域，很难找到哪一项工业与表面活性剂无关。
在许多行业中，表面活性剂起到画龙点睛的作用，作为最重要的助剂常能极大地改进生产工艺和产品性能。
可以毫不夸张地说表面活性剂是当今最重要的化学工业助剂，因此被称为“工业味精”[6]。
1.阴离子型
阴离子为羧酸盐型的表面活性剂，若成盐的可溶性碱金属皂，主要用作洗涤剂、换妆品等。
若成盐是不溶性皂类，如羧酸钙、羧酸铅、羧酸锰等。
能溶于有机溶剂，常作油漆催干剂、防结块剂等。
还有多羧酸皂、松香皂、N-酰基氨基羧酸皂，则多用作乳化剂、洗净剂、润滑剂，添加剂，防锈剂等。
阴离子为硫酸酯盐的表面活性剂，由于憎水基化学结构不同，其性质又有所不同，如髙级醇硫酸酯盐具有良好的洗净力、乳化力，泡沫丰富，易生物降解，其水溶性和去污力等比肥皂好，且溶液呈中性，不损伤织物，在硬水中不易沉淀，广泛用于家庭及工业洗涤剂、洗发香波，化妆品等领域。
硫酸化烯烃、硫酸化油、硫酸化脂肪酸酯等，由于憎水基中有支链存在，其渗透力、润湿力好，但洗涤去污力差，多用于纤维印染助剂。
对磺酸盐的阴离子表面活性剂，如烷基苯磺酸盐、α-烯烃磺酸盐，其洗涤去污力好，广泛纳入洗衣粉、液体洗涤剂的配方。
总之，对阴离子型的表面活性剂，若是水溶性的，且疏水剂是直链型，主要用作洗涤剂、清净剂，广泛用于洗涤行业。
若憎水基是支型，则作为渗透剂、润滑剂及纤维印染助剂使用。
2.阳离子型
阳离子表面活性剂很少用作洗涤剂，其原因是很多被洗涤的基质表面带有负电荷，带正电荷的阳离子表面活性剂不溶解油垢，反而被吸附在基质的表面上，而这一特性可用作抗静电剂、纤维的柔软剂、选矿中的捕集剂或浮选剂、金属制品的缓蚀剂等。
由于脂肪胺及季铵盐可紧密定向排列在细菌半渗透膜与水和空气的界面上，阻碍了有机体的呼吸或切断了营养物质的来源，含有苄基的季铵盐是大家公认的有效的杀虫剂。
3.两性型
两性表面活性剂其分子结构不同于阳离子表面活性剂，也不同于阴离子表面活性剂，因此，具有许多优异的性能、良好的去污力、起泡和乳化能力，耐硬水性好，对酸碱和各种金属离子都比较稳定，毒性和皮肤刺激性低，生物降解好，并具有抗静电和杀菌等特殊性能，因而其应用范围正在不断扩大，广泛应用于抗静电、纤维柔软、特种洗涤剂以及香波、化妆品等领域。
4.非离子型
非离子型表面活性剂的水溶液主要是因为其在水中不能解离的羟基或聚氧乙烯醚链的长短不同。
一般而言，多元醇型的非离子表面活性剂不单独用作洗涤剂，主要用作乳化剂，或与其它阴离子、阳离子表面活性剂复配用作洗涤剂配方。
聚氧乙烯醚链则可在合成时加以调控，其亲水性能可大可小，大者可作洗涤剂使用，小者可做乳化剂、润湿剂使用。
同时由于非离子表面活性剂可与阴离子或阳离子表面活性剂兼容，且不受硬水中钙、镁离子的影响，广泛应用于各种复配剂型表面活性剂的生产。
1.2表面活性剂的发展方向与研究概况
经济、多功能、性能稳定、高效的表面活性剂［7］一直是表面活性剂工业追求的目标。
因此，一方面对现有并大量使用的表面活性剂的生产工艺进行改进，进一步降低生产成本，提高产品质量；另一方面，进一步深入研究表面活性剂结构与性能的关系，开发具有特殊结构和功能的表面活性剂，或开拓现有表面活性剂的应用新领域；此外，研究表面活性剂与表面活性剂、表面活性剂与添加剂之间的相互作用及复配规律，通过表面活性剂之间，表面活性剂与其它物质的复配，以达到降低成本、提高性能、优化使用的目的。
随着人类生活水平的提高，对环境保护的要求越来越高，对表面活性剂在工业和日常生活中的应用提出了新的要求：
在要求产品具有高表面活性的同时，还要求其生物降解性好、低毒、无刺激，并采用再生资源进行清洁生产。
特别是由于近年来因洗面奶以及婴幼儿洗涤用品的发展，对表面活性剂的温和性要求也越来越高。
因此，采用动植物作为“绿色”原料受到重视，“绿色”表面活性剂、温和性表面活性剂将成为今后表面活性剂发展的重要方向之一。
1.3本课题研究的目的及意义
软脂酸是一种饱和的脂肪酸，又名棕榈酸，学名十六烷酸，并且物理性质和化学性质较稳定，是合成表面活性剂的的良好原料，价格便宜。
本实验以软脂酸和浓硫酸为主要原料来合成一种传统的表面活性剂α-磺化软脂酸钠。
目的旨在探究在怎样的条件下使α-磺化软脂酸钠得产量最高，为以后传统表面活性剂的研究和生产提供实际和理论依据。
本实验分两步合成。
在第一步浓硫酸和软脂酸的磺化反应中，采用的是正交试验，影响因素为反应温度、浓硫酸的浓度、软脂酸的比例（软脂酸和浓硫酸的物质的量之比）。
实验结果表明：
在温度为85℃，浓硫酸为95%，软脂酸的比例为1.5时，所生成的中间产物α-磺化软脂酸的产率最高。
第二部再用氢氧化钠与生成的中间产物α-磺化软脂酸发生中和反应就生成了所需要的物质。
实验结果还对制得的产物进行了表征。
用红外光谱初步确定其结构。
实验表明该目标物水溶液的CMC和γcmc都低于SDS（十二烷基硫酸钠），具有较高的表面活性，且具有良好的起泡性和稳泡性，具有一定的理论意义和使用价值。
2.实验部分
2.1原料与仪器
实验原料
试剂名称
化学式
试剂规格
生产厂家
软脂酸
CH3（CH2）14COOH
分析纯
普盟化工
浓硫酸
H2SO4
分析纯
普盟化工
氢氧化钠
NaOH
分析纯
普盟化工
丙酮
C3H6O
分析纯
西安化学试剂厂
实验仪器
仪器名称
型号
生产厂家
红外光谱仪
Paragon1000
PE公司
恒温干燥箱
202-00型
联泰仪器有限公司
电子天平
APTP457A
安普特电子有限公司
恒温水浴
HHS-1
光地设备仪器有限公司
三口烧瓶
500ML24*24*24
志达实验器材
分液漏斗
125ml
好奇教学仪器有限公司
容量瓶
（100ml）
志达实验器材
抽滤器
VP30
志达实验器材
试管
100ml50ml
志达实验器材
温度计
100℃
志达实验器材
烧杯
100ml500ml
志达实验器材
2.2反应机理
饱和长碳链脂肪酸同浓硫酸反应在α位进行单磺化反应，以氢氧化钠中和而制得α-磺化软脂酸钠［8－10］。
（1）磺化反应
（2）中和反应
2.3合成方法
2.3.1α-磺化软脂酸的合成
在装有玻璃棒，温度计和滴液漏斗的三口烧瓶中准确加入质量为25.6g的软脂酸（0.1mol），以恒温水浴控制温度为88～90℃，待软脂酸熔化完全，用玻璃棒缓慢均匀的开始搅拌，调节水浴温度为85℃左右，在搅拌下逐滴加入浓硫酸（具体反应温度，浓硫酸的浓度和软脂酸的比例见后面的正交试验），滴加速度为6s/滴为宜。
（在滴定过程中20分钟之后开始有黑色糊状物质生成，且越变越稠，到最后滴加完毕全部变成黑色稠糊状物质）滴加完毕后继续恒温反应6h［11］，倒出中间产物于烧杯中，降温，冷却。
加入90ml水和丙酮（体积比为1:
2）混合液与中间产物溶液中并加热至60℃，溶解后在搅拌下冷却，有大量的晶体析出，抽滤后再倒入烧杯中，继续加热，反复用水—丙酮混合液洗涤（此后所用水—丙酮用量逐次减少），抽滤，直到晶体呈现白色为止（此试验中呈灰白色），自然干燥，得α-磺化软脂酸称量其质量。
2.3.2α-磺化软脂酸钠的制备
实验装置如同2.3.1，加入α-磺化软脂酸，调节水浴温度为60—65℃。
加入适量的水，待α-磺化软脂酸基本溶解后，用滴液漏斗缓慢滴加一定量的2mol/L的NaOH溶液，直至溶液的pH值呈现中性时，停止滴定，结束后，反应2h，得白色蜡状物。
将其抽滤，在70℃烘干为白色固体，即α-磺化软脂酸钠。
该产物易溶于水和乙醇，在硬水中稳定。
2.3.3正交试验
正交试验发是一种科学安排实验的数学方法，它通过少数次实验，推断出最合理的反应条件，并得到比预期结果更多的对各因素的分析信息，同时明确得到了进一步实验的方向。
本实验考查了三个因素：
温度、浓硫酸的浓度、软脂酸的比例（软脂酸与浓硫酸的物质的量之比），具体见表1，表2。
（1）正交试验水平设计：
表1L9（33）因素水平表
试验号
温度（℃）
浓硫酸浓度（%）
软脂酸比例（n软脂酸：
n浓硫酸）
1
2
3
80
85
90
93
95
98
1:
1.2
1:
1.5
1:
1.8
（2）正交试验表
表2L9（33）正交试验计算表
试验号
A温度（℃）
B浓硫酸浓度（%）
C软脂酸比例
α-磺化软脂酸质量（g）
1
1
1
1
29.04
2
2
1
2
29.05
3
3
1
3
28.80
4
1
2
2
29.00
5
2
2
3
29.10
6
3
2
1
28.93
7
1
3
3
28.90
8
2
3
1
29.01
9
3
3
2
28.97
K1
28.98
28.96
29.00
K2
29.05
29.01
29.01
K3
28.90
28.96
28.93
R
0.15
0.05
0.08
利用正交试验对各个因素的平均值进行综合比较，正交试验及计算结果分别如表1、表2所示。
表中极差大小反映因素水平的变化对α-磺化软脂酸产量的影响。
极差大表明该因素的两个水平对α-磺化软脂酸的产量的影响大；极差小表明该因素的两个水平对α-磺化软脂酸的产量没有什么影响［12］。
在每个因素水平变化的范围之内，相应的平均α-磺化软脂酸的产量变化范围较大（即极差较大）的因素就是主要影响因素。
从上面两表可以直接看出，各因素的重要性次序为A>C>B,及反应温度>软脂酸比例>浓硫酸浓度。
综合比较，极差分析所得的最佳组合为A2B2C2，即反应温度85℃+浓硫酸浓度95％+软脂酸比例1.5。
3结果与讨论
3.1α-磺化软脂酸的表征
用KBr压片制样，以PE公司生产的Paragon1000型红外光谱仪对所合成的α-磺化软脂酸进行红外光谱分析，红外图谱中各普带的归属如图1［13－16］。
图5α-磺化软脂酸红外光谱图
由于在目标物种存在长链烷基，在其红外图谱中出现了亚甲基－CH2－的C－H反对称伸缩振动和对称伸缩振动谱带1921.50cm-1,2850.00cm-1,而在1455.00cm-1出现C－H弯曲振动普带。
在2963.00cm-1出现了烷基链端—CH3的C－H反对称伸缩振动普带（肩峰），由于—CH3的摩尔量比－CH2－少的多，因此其谱带较弱；1440.00cm-1出现了甲基C－H的弯曲振动谱带。
在谱带中有1716.00cm-1的强谱带是羟基二聚缔合的C=O振动吸收。
表明目标物的羟基以二聚体缔合存在，而在3000.00cm-1的羟基—OH缔合谱带也对此给予了证实，羟基的缔合还在900.00cm-1形成较宽的面外弯曲谱带。
谱带的720.16cm-1的强谱带是C—S伸缩振动所引起的，又在1221.50cm-1，1093.21cm-1出现了S=O的反对称伸缩振动和对称伸缩振动谱带，在688.50cm-1出现了S—O的伸缩振动谱带，表明了目标物种硫酸基的存在。
α-磺化软脂酸红外光谱数据及其归属见图5及表3[17].
表3α-磺化软脂酸的红外光谱数据
波数／cm_1
峰形和强度
归属
2921.50
尖，很强
VasCH2－（C－H反对称伸缩振动
2850.00
尖，强
VaCH2－（C－H对称伸缩振动）
1455.00
宽，中强
VCH2－（C－H弯曲振动谱带）
2963.00
宽，很强
δasCH3－（C－H反对称伸缩振动）
1400.00
尖，中
CH3－（C－H的弯曲振动谱带）
1716.00
尖，强
V羟基二聚体（C=O振动吸收）
3000.00
宽，很强
VOH—（OH—吸收峰）
900.00
宽，弱
V羟基二聚体（OH—面外弯曲谱带）
720.16
尖，弱
VC—S（C—S伸缩振动）
1221.50
尖，中
VS=O（S=O的反对称伸缩振动）
1093.21
尖，中
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