化學(xué)研究方案設(shè)計(jì)

1、椰油酰胺丙基甜菜堿在沐浴露中的應(yīng)用一、理論依據(jù)椰油酰胺丙基甜菜堿(Cocoamidopropylbetaine)是以低成本的椰子油為原料制備的溫和、高效的多功能表面活性劑，是當(dāng)今國(guó)際上高端的洗發(fā)、護(hù)發(fā)用品中使用較廣泛的成分之一。目前，主要用來(lái)配制香波、浴劑、洗面奶、嬰兒護(hù)理用品及其他洗滌劑等。選用椰油酰胺丙基甜菜堿作為描述對(duì)象，從椰油酰胺丙基甜菜堿的分子結(jié)構(gòu)出發(fā)，分析其性能特點(diǎn)，采用結(jié)構(gòu)特征參數(shù)辛醇一水分配系數(shù)作為理化參數(shù)，通過(guò)數(shù)學(xué)模型計(jì)算，從生物積累和生物降解兩方面來(lái)預(yù)測(cè)其環(huán)境行為，并采用QASR法判斷其安全性。1、國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀椰油酰胺丙基甜菜堿屬于兩性表面活性劑，其溫和的性能優(yōu)異于其他兩

2、性表面活性劑，能在洗發(fā)類用品中達(dá)到十分理想的效果。該兩性表面活性劑以其獨(dú)特的多功能著稱，除具有良好的去污、乳化、分散、潤(rùn)濕等作用外，同時(shí)還具備陽(yáng)離子表面活性劑的殺菌、抗靜電、柔軟等作用。1940年，美國(guó)杜邦公司開(kāi)發(fā)了這類化合物，并首次報(bào)道了甜菜堿系兩性表面活性劑。德國(guó)GOLDSCHMIDT公司在20世紀(jì) 60年代開(kāi)發(fā)了這一品種，隨著其應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛，產(chǎn)量也持續(xù)增長(zhǎng)，在歐洲市場(chǎng)已占據(jù)主導(dǎo)地位，逐步成為兩性表面活性劑中的一個(gè)重要產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)自20世紀(jì)70年代后開(kāi)始對(duì)兩性表面活性劑開(kāi)展研究，目前有少量產(chǎn)品投入市場(chǎng)，品種和數(shù)量都不多，因此，在兩性表面活性劑的研究和應(yīng)用方面，我國(guó)仍處于起步階段。八十年

3、代，德國(guó)、法國(guó)廣大消費(fèi)者大都使用淋浴露冼浴，隨后意大利、西班牙和英國(guó)也出現(xiàn)了這種傾向。在這些國(guó)家中沐浴露的應(yīng)用已超過(guò)傳統(tǒng)的肥(香)皂。在美國(guó)，98的家庭都使用沐浴露。而我國(guó)在建國(guó)后連肥皂都不能自己生產(chǎn)，人口眾多，造成國(guó)內(nèi)的生產(chǎn)力水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足國(guó)人對(duì)洗浴用品的需求；而且計(jì)劃經(jīng)濟(jì)更是阻礙了國(guó)內(nèi)很多日化企業(yè)的發(fā)展所以，我國(guó)的洗浴用品無(wú)論是起步還是發(fā)展都比不上世界一流國(guó)家的水平，只是近年來(lái)，隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，國(guó)內(nèi)也陸陸續(xù)續(xù)開(kāi)始出現(xiàn)一些日化公司，并且逐漸成長(zhǎng)壯大起來(lái)。沐浴露作為一種相對(duì)新潮的身體洗護(hù)用品，在日常生活中開(kāi)始扮演一個(gè)舉足輕重的角色了。然而，由于發(fā)展較晚，其總體市場(chǎng)份額還比不上一些發(fā)達(dá)

4、國(guó)家的外資企業(yè)，故，改進(jìn)技術(shù)和使用優(yōu)質(zhì)的原材料，就成了迫在眉睫的首要任務(wù)了。作為洗浴用品，其中的表面活性劑是很重要的大量原料之一。好的表面活性劑可以大大改善產(chǎn)品的性能，如嬰兒用的沐浴露就要求溫和、無(wú)刺激、不傷眼睛等。椰油酰胺丙基甜菜堿就是這樣一種優(yōu)質(zhì)的表面活性劑。在自主品牌的沐浴露乃至其他多種洗浴用品中使用該表面活性劑，不僅可以提高產(chǎn)品的性能，提高其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，而且某種程度上還可以改善國(guó)人的體制，膚質(zhì)。所以，研究如何使用這種優(yōu)良的表面活性劑成了一件很有意義的事情。在此，我們擬自主研發(fā)一種潤(rùn)膚沐浴露，并測(cè)試其性能。2、必要性由于洗護(hù)產(chǎn)品與皮膚直接接觸，使用頻繁，用量多，所以化妝品工業(yè)中使用的表面

5、活性劑必須具有很好的安全性，即與皮膚長(zhǎng)期接觸，不會(huì)有生物積累的毒性，也不會(huì)對(duì)皮膚產(chǎn)生刺激、過(guò)敏，使皮膚色素加深甚至致癌等不良后果，同時(shí)也要具有良好的降解性能。人體的皮膚有大量的皮脂腺和汗腺，每時(shí)每刻都在合成一種天然的“高級(jí)美容霜”，在皮膚上形成一層看不見(jiàn)的防護(hù)膜。它略呈酸性，有強(qiáng)大的殺菌護(hù)膚作用。而如果長(zhǎng)期使用偏堿性的肥皂洗澡，不但會(huì)破壞它的保護(hù)作用，而且會(huì)刺激皮脂腺多“產(chǎn)油”。越是通過(guò)用肥皂洗澡的方式來(lái)除油，皮脂腺產(chǎn)油就會(huì)越多，最后難以收拾。而如果用弱酸性的沐浴露洗澡，則不會(huì)破壞皮膚的酸堿平衡，所以，研制一種好的沐浴露是非常必要的。3、意義國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的大部分沐浴露品牌都是外國(guó)的品牌，國(guó)內(nèi)的市

6、場(chǎng)份額相對(duì)來(lái)說(shuō)比較低,這樣多國(guó)貨的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力很不利，而通過(guò)加入椰油酰胺丙基甜菜堿改進(jìn)的沐浴露就可以有溫和、無(wú)刺激、不傷眼睛等很多特異性功能，可以彌補(bǔ)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的空缺，減小自主品牌的競(jìng)爭(zhēng)壓力，給民族產(chǎn)業(yè)以更多的發(fā)展空間。二、研究方案1、研究目標(biāo)通過(guò)自主的研究來(lái)合成廉價(jià)的椰油酰胺丙基甜菜堿，并改良目前市場(chǎng)上大多數(shù)的普通沐浴露的性能，達(dá)到一種特殊的功能，來(lái)滿足市場(chǎng)的需求，增加國(guó)內(nèi)品牌的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，完善沐浴露行業(yè)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，達(dá)到多元化效果，為企業(yè)創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)效益和附加值，并且改善消費(fèi)者的生活物質(zhì)條件，增強(qiáng)人們的膚質(zhì)和體質(zhì)。2、研究?jī)?nèi)容（1）椰油酰胺丙基甜菜堿的合成（2）椰油酰胺丙基甜菜堿的性能（3）椰

7、油酰胺丙基甜菜堿對(duì)環(huán)境的安全性A. 生物積累 B. 生物降解C. 生物毒性3、擬采取的技術(shù)路線和實(shí)驗(yàn)方案3.1椰油酰胺丙基甜菜堿的合成椰油酰胺丙基甜菜堿的結(jié)構(gòu)式如下： 該分子結(jié)構(gòu)中，正電荷是由氮原子上的固定鍵合產(chǎn)生的，其季氮原子上連有一個(gè)帶負(fù)電荷的羧酸取代基團(tuán)。由于季銨基的強(qiáng)電子誘導(dǎo)作用，幾乎在整個(gè)pH值范圍內(nèi)，羧基都以鹽式基團(tuán)存在。因此，它是一個(gè)真正的兩性離子。縮合反應(yīng)椰子油與丙二胺在堿性條件下發(fā)生縮合反應(yīng)，反應(yīng)式如下：縮合產(chǎn)物與氯乙酸鈉反應(yīng)縮合產(chǎn)物椰油酰胺丙基二甲胺與氯乙酸鈉反應(yīng)制得椰油酰胺丙基甜菜堿，反應(yīng)式如下：3.2椰油酰胺丙基甜菜堿的性能椰油酰胺丙基甜菜堿為微黃色透明液體，刺激性小，

8、性能溫和，泡沫豐富且穩(wěn)定，具有調(diào)節(jié)黏度及殺菌作用，能增強(qiáng)頭發(fā)、皮膚的柔軟性，可用作洗滌劑、調(diào)理劑、潤(rùn)濕劑、殺菌劑、增稠劑及抗靜電劑等。其性能指標(biāo)見(jiàn)表1。椰油酰胺丙基甜菜堿的特殊結(jié)構(gòu)決定了其多功能特性，從結(jié)構(gòu)上分析主要有如下特點(diǎn)。a)酰胺基團(tuán)(CONH)，改變了分子的性能，使其具有更好的泡沫穩(wěn)定性和溫和性，甚至在肥皂和少量油脂存在下，仍能保持發(fā)泡性。在配方中，酰胺基團(tuán)還能起到增加黏度的作用。美國(guó)Scher公司認(rèn)為，甜菜堿中含有酰胺基團(tuán)，可大大改進(jìn)配伍和溶解性能，擴(kuò)大了其應(yīng)用范圍。b)季銨基團(tuán)，能提供直接的抑菌、殺菌作用，且這種作用受 pH值影響很小。季銨根離子帶正電荷而顯示強(qiáng)陽(yáng)離子性，它可與眾多

9、細(xì)菌之間形成電價(jià)鍵(因?yàn)榧?xì)菌表面呈電負(fù)性)，在其細(xì)胞壁上產(chǎn)生應(yīng)力，導(dǎo)致溶菌作用，而使細(xì)菌死亡。其正電性還可使蛋白質(zhì)變性，因此可破壞細(xì)菌細(xì)胞壁的可滲透性，使維持細(xì)菌生命的養(yǎng)分?jǐn)z人量降低而抑制其繁殖生長(zhǎng)，甚至死亡。c)親水基團(tuán)，即易溶于水或易被水所潤(rùn)濕的官能團(tuán)，如羧基、磺酸基、硫酸酯基、醚鍵、氨基。羧基(COO一)是親水基團(tuán)，因而其具有良好的潤(rùn)濕性。d)疏水基團(tuán)，即難溶于水而易溶于有機(jī)溶劑的官能團(tuán)，如烷基、鹵代烷基、苯基、萘基等。甜菜堿型表面活性劑疏水基的鏈長(zhǎng)對(duì)其性能有很大影響。當(dāng)含有1216個(gè)碳原子時(shí)，其泡沫穩(wěn)定性、增黏效果均佳，并具有良好的潤(rùn)膚和調(diào)理性能，而椰油基中主要是以C12月桂基和C 1

10、4豆蔻基為主。e)椰油酰胺丙基甜菜堿具有兩性的特點(diǎn)，在酸性條件下親水基團(tuán)為季銨基團(tuán)，表現(xiàn)出陽(yáng)離子表面活性劑 的特點(diǎn)；在堿性條件下，親水基 團(tuán)為COO一，表現(xiàn)出陰離子表面活性劑的特點(diǎn)。因此，該物質(zhì)可利用對(duì)pH值的高度依賴性來(lái)促使表面活性劑的快速斷裂。與酸或堿催化反應(yīng)相比，在中性條件下，椰油酰胺丙基甜菜堿是以內(nèi)鹽形式存在，表現(xiàn)出兩性的特點(diǎn)，這時(shí)其水溶液的表面張力最高，具有增溶、乳化、潤(rùn)濕和去污等性能。酰胺官能團(tuán)酸催化反應(yīng)的典型活化能8090kJmol，而堿催化反應(yīng)的活化能則在5080kJmol。從結(jié)構(gòu)上分析，易于發(fā)生堿催化反應(yīng)的原因有以下幾點(diǎn)。首先，靠近酰胺基的陰離子所帶的電荷，有很強(qiáng)的誘導(dǎo)作用，

11、使得正酯基季銨鹽幾乎在整個(gè) pH值范圍內(nèi)都很穩(wěn)定，只有在酸性極強(qiáng)的條件下(如pH=1)才可能發(fā)生明顯的質(zhì)子化作用，而在堿中則易于分解。其分解過(guò)程如下：其次，季銨鹽基團(tuán)具有很強(qiáng)的吸電性，其誘導(dǎo)效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致酰胺基上電子云密度降低，對(duì)堿性水解反應(yīng)有利。因?yàn)閴A性水解反應(yīng)是從羥基進(jìn)攻酰胺基上的羰基碳原子開(kāi)始的，胺基是很強(qiáng)的供電基團(tuán)，它將首先與羥基結(jié)合，從而發(fā)生鍵的斷裂。此過(guò)程也稱為氨基去離子化，隨后通過(guò)水的加入，快速變?yōu)榘泛投趸肌５谌?，堿催化反應(yīng)速率受到相鄰的吸電子基團(tuán)的影響，表現(xiàn)出陰離子表面活性劑的特性，其親水基團(tuán)為COO一，而COO一的親水性大于季胺基團(tuán)。同時(shí)，堿性條件下，親水基團(tuán)COO一位于碳鏈

12、末端，比處在中間時(shí)降低表面張力的作用更強(qiáng)，因而甜菜堿在堿性時(shí)更能降低溶液的表面張力。綜上所述，該物質(zhì)因分子結(jié)構(gòu)的特殊性，使它具有其他類型表面活性劑所沒(méi)有的獨(dú)特優(yōu)異性能。3.3椰油酰胺丙基甜菜堿對(duì)環(huán)境的安全性3.3.1 生物積累一般而言，一種有機(jī)物質(zhì)積累生物濃度的潛力與物質(zhì)的親油性有很大關(guān)系。親油性的檢測(cè)指標(biāo)通常采用辛醇一水分配系數(shù)Kow.。Kow.是指該化合物在辛醇相中的濃度與其在水相中的濃度達(dá)到平衡時(shí)的比值。該值可由實(shí)驗(yàn)測(cè)定，也可根據(jù)分子結(jié)構(gòu)來(lái)估算。表面活性物質(zhì)在水溶液里可形成乳狀物，這導(dǎo)致生物藥效部分產(chǎn)生變化，從而給生物積累潛力的解釋帶來(lái)一些困難。此外，表面活性物質(zhì)分子幾乎完全以離子態(tài)存在

13、于水相中，但它們必須與反離子配對(duì)后，才能溶解于辛醇中。因此，試驗(yàn)確定的Kow.值不能描述離子化表面活性物質(zhì)的特點(diǎn)(Tolls，1998)。在沒(méi)有高品質(zhì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可供使用的情況下，可以根據(jù)分子結(jié)構(gòu)來(lái)估算出Kow.值(歐洲聯(lián)盟委員會(huì) A8，1992；經(jīng)合組織 l17，1989)。Kow.與分子結(jié)構(gòu)直接相關(guān)，它表征了分子的結(jié)構(gòu)特征，從而可以替代結(jié)構(gòu)參數(shù)，預(yù)測(cè)化合物的環(huán)境行為。1991年，Klompan等通過(guò)對(duì)各種化合物進(jìn)行歸類分析和計(jì)算，根據(jù)大量的Kow.實(shí)驗(yàn)值與有機(jī)分子各官能團(tuán)(分子碎片)的貢獻(xiàn)率之間的關(guān)系，建立了數(shù)學(xué)模型，如式(1)所示，并驗(yàn)證了 1663種化合物，提出分子碎片法 。式中，口是常數(shù)

14、，一般取一0703；bi代表分子結(jié)構(gòu)中分子的數(shù)目；Bi代表分子的貢獻(xiàn)率；cj代表分子片需要被修正的數(shù)目；Cj代表經(jīng)過(guò)修正后的貢獻(xiàn)率。椰油酰胺丙基甜菜堿的分子片對(duì) lg Kow.值的貢獻(xiàn)見(jiàn)表2。根據(jù)分子碎片法計(jì)算椰油酰胺丙基甜菜堿的lg Kow.值如下：結(jié)構(gòu)式中有 3個(gè) CH3，17個(gè)CH2，1個(gè) N<，1個(gè)COO一。lgKow=0.703+3×0.661+17×0.415+1×(-1.006)+1×(-0.937)+1×(-0.414)=5978有關(guān)資料顯示 ，lg Kow.>34的物質(zhì)具有生物濃度積累潛力，lg Kow <4

15、的物質(zhì)不具有生物積累潛力。從以上計(jì)算結(jié)果可以看出，椰油酰胺丙基甜菜堿能對(duì)水生物引起積累，需要考慮生物降解性能。3.3.2生物降解具有良好的生物降解性能和足夠高的降解速度是解決環(huán)境中表面活性劑濃度超標(biāo)和形成代謝產(chǎn)物問(wèn)題的重要途徑。椰油酰胺丙基甜菜堿具有良好的生物降解性能，酰胺丙基甜菜堿類均屬易生物降解物質(zhì)，在密閉瓶試驗(yàn)中BOD28DOC值至少達(dá)60%，在改良法 OECD篩選試驗(yàn)中，至少可以消除 70%DOC(最終降解度)。椰油酰胺丙基甜菜堿的降解速度也較快，據(jù)有關(guān)資料顯示，引入酰胺基的甜菜堿其降解速度相對(duì)會(huì)加快 4h。3.3.3 生物毒性目前，隨著成千上萬(wàn)種化學(xué)物質(zhì)的生產(chǎn)并排放到生態(tài)系統(tǒng)中，化學(xué)

16、物質(zhì)環(huán)境危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)顯得越來(lái)越重要。定量結(jié)構(gòu)與活性相關(guān)(QuantitativeStructureActivity Relationship，QSAR)是建立有機(jī)物的毒性和理化參數(shù)的相關(guān)性，通過(guò)測(cè)量或計(jì)算有機(jī)物的特征參數(shù)，估算有機(jī)物對(duì)生物毒性的一種方法。QSAR法通過(guò)對(duì)魚(yú)及其他水生生物的毒性效應(yīng)方面的研究，建立了許多結(jié)構(gòu)參數(shù)與活性的相關(guān)方程，并通過(guò)數(shù)學(xué)模型建立了有機(jī)物對(duì)生物的毒性與其理化參數(shù)的關(guān)聯(lián)方程。該法在環(huán)境毒理學(xué)中得到了廣泛的應(yīng)用。QSAR建立的有機(jī)物結(jié)構(gòu)與活性之間的函數(shù)關(guān)系為A=f(S)。在環(huán)境化學(xué)中，A代表有機(jī)物的毒性，常用半致死濃度的負(fù)對(duì)數(shù)(logLC50)表示；S代表有機(jī)物的結(jié)構(gòu)，

17、其表達(dá)形式多種多樣，因而在具體研究中采取合適的理化參數(shù)對(duì)QSAR法的成功具有舉足輕重的作用。在毒理學(xué)研究中，lg Kow是最普通、最重要的理化參數(shù)，它很好地反映了有機(jī)物的親脂性。1995年，Cronin和 Dearden用 lgK。表達(dá)的QSAR模型見(jiàn)式(2)：該方程描述了5O種工業(yè)污染物與虹蛭的麻醉性毒性的定量關(guān)系(R=0988，LC50以molL為單位)。麻醉性毒性主要是對(duì)細(xì)胞或動(dòng)物的中樞神經(jīng)產(chǎn)生抑制作用，是由化合物跨越細(xì)胞膜的傳質(zhì)過(guò)程或由脂溶性所決定的。因此，麻醉性毒性效應(yīng)往往和污染物的Kow具有良好的相關(guān)性。將已經(jīng)計(jì)算的lg Kow值代人式(2)，計(jì)算出椰油酰胺丙基甜菜堿的LC50。根

18、據(jù)我國(guó)環(huán)境化學(xué)物質(zhì)的毒性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，可以核查其安全性。見(jiàn)表3。由表 3可知，椰油酰胺丙基甜菜堿的毒性屬于低毒類。據(jù)報(bào)道，全球著名的化工企業(yè) BASF公司規(guī)定，助劑的先進(jìn)指標(biāo)為L(zhǎng)C50>100mgL，LC50=1 100mgL能夠使用，LC50<1mgL屬于強(qiáng)毒性。另外，有機(jī)化合物的細(xì)菌毒性與K。也有很好的相關(guān)性，其數(shù)學(xué)模型如下：根據(jù)lg Kow可以計(jì)算出椰油酰胺丙基甜菜堿的EC50值兩性表面活性劑的急性和慢性細(xì)菌毒性已得到研究，急性毒性的EC50 (PSputida，耗氧實(shí)驗(yàn))數(shù)值與慢性毒性(PSputida，抑制生長(zhǎng)試驗(yàn))的EC。值相同，均大于100mgL。生態(tài)毒理性標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定EC5

19、0<1mgL屬?gòu)?qiáng)毒性。述數(shù)據(jù)表明，椰油酰胺丙基甜菜堿的毒理性指標(biāo)在安全范圍之內(nèi)，采用數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)的結(jié)果與文獻(xiàn)報(bào)道有很好的一致性。因此，在試驗(yàn)條件不允許的條件下，我們可以運(yùn)用 QSAR法選擇合適的理化參數(shù)，通過(guò)數(shù)學(xué)模型的計(jì)算來(lái)預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)有機(jī)物的安全性。因此，開(kāi)發(fā)環(huán)境友好型表面活性劑的關(guān)鍵，一是首選無(wú)害的原料，并且尋找新方法來(lái)降低生產(chǎn)成本，優(yōu)化合成路線；二是開(kāi)發(fā)可斷裂的表面活性劑，提高其降解速度，同時(shí)使斷裂后的產(chǎn)物具有新功能，其代謝產(chǎn)物無(wú)毒。4、年度研究計(jì)劃及預(yù)期進(jìn)展本項(xiàng)目的研究?jī)?nèi)容相對(duì)較多且比較冗雜，從合成到應(yīng)用，技術(shù)難度較大，而且工作量也比較大。初步分為一年半來(lái)實(shí)現(xiàn)，共18個(gè)月。其中具體的

20、安排為：1月：項(xiàng)目的確定，項(xiàng)目可行性分析，項(xiàng)目申報(bào)、審批，必要原料、儀器的購(gòu)置和前期準(zhǔn)備，項(xiàng)目的從事人員的即研究團(tuán)隊(duì)的建立；210月：從事老得合成路線并進(jìn)一步研究出新的合成工藝或是改善合成條件得到目標(biāo)產(chǎn)率的椰油酰胺丙基甜菜堿這一基本原材料和目標(biāo)產(chǎn)物；1112月：測(cè)試合成的椰油酰胺丙基甜菜堿的各項(xiàng)指標(biāo)及各種性質(zhì)，包括泡沫穩(wěn)定性和溫和性、黏度抑菌、親水潤(rùn)濕性、殺菌作用能力、破壞細(xì)菌細(xì)胞壁的可滲透性、對(duì)環(huán)境的安全性（辛醇一水分配系數(shù)Kow、生物降解性能、BODDOC 值、LC50等）；1314月：對(duì)椰油酰胺丙基甜菜堿的缺點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)，減小其BODDOC 值、LC50等，并將產(chǎn)品初步加入平常的沐浴露中，與未加之前的單一原沐浴露進(jìn)行性質(zhì)對(duì)比，參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，定位產(chǎn)品的特殊性能。對(duì)比較結(jié)果進(jìn)行總結(jié)，改良比例，進(jìn)行小試環(huán)節(jié)；1517月：分析小試產(chǎn)品的性能，調(diào)查統(tǒng)計(jì)一部分人使用小試產(chǎn)