《化学研究方案设计》word版.doc

椰油酰胺丙基甜菜碱在沐浴露中的应用一、理论依据椰油酰胺丙基甜菜碱(Cocoamidopropylbetaine)是以低成本的椰子油为原料制备的温和、高效的多功能表面活性剂，是当今国际上高端的洗发、护发用品中使用较广泛的成分之一。目前，主要用来配制香波、浴剂、洗面奶、婴儿护理用品及其他洗涤剂等。选用椰油酰胺丙基甜菜碱作为描述对象，从椰油酰胺丙基甜菜碱的分子结构出发，分析其性能特点，采用结构特征参数辛醇一水分配系数作为理化参数，通过数学模型计算，从生物积累和生物降解两方面来预测其环境行为，并采用QASR法判断其安全性。1、国内外发展现状椰油酰胺丙基甜菜碱属于两性表面活性剂，其温和的性能优异于其他两性表面活性剂，能在洗发类用品中达到十分理想的效果。该两性表面活性剂以其独特的多功能著称，除具有良好的去污、乳化、分散、润湿等作用外，同时还具备阳离子表面活性剂的杀菌、抗静电、柔软等作用。1940年，美国杜邦公司开发了这类化合物，并首次报道了甜菜碱系两性表面活性剂。德国GOLDSCHMIDT公司在20世纪 60年代开发了这一品种，随着其应用范围越来越广泛，产量也持续增长，在欧洲市场已占据主导地位，逐步成为两性表面活性剂中的一个重要产品。国内自20世纪70年代后开始对两性表面活性剂开展研究，目前有少量产品投入市场，品种和数量都不多，因此，在两性表面活性剂的研究和应用方面，我国仍处于起步阶段。八十年代，德国、法国广大消费者大都使用淋浴露冼浴，随后意大利、西班牙和英国也出现了这种倾向。在这些国家中沐浴露的应用已超过传统的肥(香)皂。在美国，98的家庭都使用沐浴露。而我国在建国后连肥皂都不能自己生产，人口众多，造成国内的生产力水平远远不能满足国人对洗浴用品的需求；而且计划经济更是阻碍了国内很多日化企业的发展所以，我国的洗浴用品无论是起步还是发展都比不上世界一流国家的水平，只是近年来，随着市场经济的飞速发展，国内也陆陆续续开始出现一些日化公司，并且逐渐成长壮大起来。沐浴露作为一种相对新潮的身体洗护用品，在日常生活中开始扮演一个举足轻重的角色了。然而，由于发展较晚，其总体市场份额还比不上一些发达国家的外资企业，故，改进技术和使用优质的原材料，就成了迫在眉睫的首要任务了。作为洗浴用品，其中的表面活性剂是很重要的大量原料之一。好的表面活性剂可以大大改善产品的性能，如婴儿用的沐浴露就要求温和、无刺激、不伤眼睛等。椰油酰胺丙基甜菜碱就是这样一种优质的表面活性剂。在自主品牌的沐浴露乃至其他多种洗浴用品中使用该表面活性剂，不仅可以提高产品的性能，提高其市场竞争力，而且某种程度上还可以改善国人的体制，肤质。所以，研究如何使用这种优良的表面活性剂成了一件很有意义的事情。在此，我们拟自主研发一种润肤沐浴露，并测试其性能。2、必要性由于洗护产品与皮肤直接接触，使用频繁，用量多，所以化妆品工业中使用的表面活性剂必须具有很好的安全性，即与皮肤长期接触，不会有生物积累的毒性，也不会对皮肤产生刺激、过敏，使皮肤色素加深甚至致癌等不良后果，同时也要具有良好的降解性能。人体的皮肤有大量的皮脂腺和汗腺，每时每刻都在合成一种天然的“高级美容霜”，在皮肤上形成一层看不见的防护膜。它略呈酸性，有强大的杀菌护肤作用。而如果长期使用偏碱性的肥皂洗澡，不但会破坏它的保护作用，而且会刺激皮脂腺多“产油”。越是通过用肥皂洗澡的方式来除油，皮脂腺产油就会越多，最后难以收拾。而如果用弱酸性的沐浴露洗澡，则不会破坏皮肤的酸碱平衡，所以，研制一种好的沐浴露是非常必要的。3、意义国内市场上的大部分沐浴露品牌都是外国的品牌，国内的市场份额相对来说比较低,这样多国货的市场竞争力很不利，而通过加入椰油酰胺丙基甜菜碱改进的沐浴露就可以有温和、无刺激、不伤眼睛等很多特异性功能，可以弥补国内市场的空缺，减小自主品牌的竞争压力，给民族产业以更多的发展空间。二、研究方案1、研究目标通过自主的研究来合成廉价的椰油酰胺丙基甜菜碱，并改良目前市场上大多数的普通沐浴露的性能，达到一种特殊的功能，来满足市场的需求，增加国内品牌的市场竞争力，完善沐浴露行业的产品结构，达到多元化效果，为企业创造更多的经济效益和附加值，并且改善消费者的生活物质条件，增强人们的肤质和体质。2、研究内容（1）椰油酰胺丙基甜菜碱的合成（2）椰油酰胺丙基甜菜碱的性能（3）椰油酰胺丙基甜菜碱对环境的安全性A. 生物积累 B. 生物降解C. 生物毒性3、拟采取的技术路线和实验方案3.1椰油酰胺丙基甜菜碱的合成椰油酰胺丙基甜菜碱的结构式如下： 该分子结构中，正电荷是由氮原子上的固定键合产生的，其季氮原子上连有一个带负电荷的羧酸取代基团。由于季铵基的强电子诱导作用，几乎在整个pH值范围内，羧基都以盐式基团存在。因此，它是一个真正的两性离子。缩合反应椰子油与丙二胺在碱性条件下发生缩合反应，反应式如下：缩合产物与氯乙酸钠反应缩合产物椰油酰胺丙基二甲胺与氯乙酸钠反应制得椰油酰胺丙基甜菜碱，反应式如下：3.2椰油酰胺丙基甜菜碱的性能椰油酰胺丙基甜菜碱为微黄色透明液体，刺激性小，性能温和，泡沫丰富且稳定，具有调节黏度及杀菌作用，能增强头发、皮肤的柔软性，可用作洗涤剂、调理剂、润湿剂、杀菌剂、增稠剂及抗静电剂等。其性能指标见表1。椰油酰胺丙基甜菜碱的特殊结构决定了其多功能特性，从结构上分析主要有如下特点。a)酰胺基团(CONH)，改变了分子的性能，使其具有更好的泡沫稳定性和温和性，甚至在肥皂和少量油脂存在下，仍能保持发泡性。在配方中，酰胺基团还能起到增加黏度的作用。美国Scher公司认为，甜菜碱中含有酰胺基团，可大大改进配伍和溶解性能，扩大了其应用范围。b)季铵基团，能提供直接的抑菌、杀菌作用，且这种作用受 pH值影响很小。季铵根离子带正电荷而显示强阳离子性，它可与众多细菌之间形成电价键(因为细菌表面呈电负性)，在其细胞壁上产生应力，导致溶菌作用，而使细菌死亡。其正电性还可使蛋白质变性，因此可破坏细菌细胞壁的可渗透性，使维持细菌生命的养分摄人量降低而抑制其繁殖生长，甚至死亡。c)亲水基团，即易溶于水或易被水所润湿的官能团，如羧基、磺酸基、硫酸酯基、醚键、氨基。羧基(COO一)是亲水基团，因而其具有良好的润湿性。d)疏水基团，即难溶于水而易溶于有机溶剂的官能团，如烷基、卤代烷基、苯基、萘基等。甜菜碱型表面活性剂疏水基的链长对其性能有很大影响。当含有1216个碳原子时，其泡沫稳定性、增黏效果均佳，并具有良好的润肤和调理性能，而椰油基中主要是以C12月桂基和C 14豆蔻基为主。e)椰油酰胺丙基甜菜碱具有两性的特点，在酸性条件下亲水基团为季铵基团，表现出阳离子表面活性剂 的特点；在碱性条件下，亲水基 团为COO一，表现出阴离子表面活性剂的特点。因此，该物质可利用对pH值的高度依赖性来促使表面活性剂的快速断裂。与酸或碱催化反应相比，在中性条件下，椰油酰胺丙基甜菜碱是以内盐形式存在，表现出两性的特点，这时其水溶液的表面张力最高，具有增溶、乳化、润湿和去污等性能。酰胺官能团酸催化反应的典型活化能8090kJmol，而碱催化反应的活化能则在5080kJmol。从结构上分析，易于发生碱催化反应的原因有以下几点。首先，靠近酰胺基的阴离子所带的电荷，有很强的诱导作用，使得正酯基季铵盐几乎在整个 pH值范围内都很稳定，只有在酸性极强的条件下(如pH=1)才可能发生明显的质子化作用，而在碱中则易于分解。其分解过程如下：其次，季铵盐基团具有很强的吸电性，其诱导效应会导致酰胺基上电子云密度降低，对碱性水解反应有利。因为碱性水解反应是从羟基进攻酰胺基上的羰基碳原子开始的，胺基是很强的供电基团，它将首先与羟基结合，从而发生键的断裂。此过程也称为氨基去离子化，随后通过水的加入，快速变为胺和二氧化碳。第三，碱催化反应速率受到相邻的吸电子基团的影响，表现出阴离子表面活性剂的特性，其亲水基团为COO一，而COO一的亲水性大于季胺基团。同时，碱性条件下，亲水基团COO一位于碳链末端，比处在中间时降低表面张力的作用更强，因而甜菜碱在碱性时更能降低溶液的表面张力。综上所述，该物质因分子结构的特殊性，使它具有其他类型表面活性剂所没有的独特优异性能。3.3椰油酰胺丙基甜菜碱对环境的安全性3.3.1 生物积累一般而言，一种有机物质积累生物浓度的潜力与物质的亲油性有很大关系。亲油性的检测指标通常采用辛醇一水分配系数Kow.。Kow.是指该化合物在辛醇相中的浓度与其在水相中的浓度达到平衡时的比值。该值可由实验测定，也可根据分子结构来估算。表面活性物质在水溶液里可形成乳状物，这导致生物药效部分产生变化，从而给生物积累潜力的解释带来一些困难。此外，表面活性物质分子几乎完全以离子态存在于水相中，但它们必须与反离子配对后，才能溶解于辛醇中。因此，试验确定的Kow.值不能描述离子化表面活性物质的特点(Tolls，1998)。在没有高品质试验数据可供使用的情况下，可以根据分子结构来估算出Kow.值(欧洲联盟委员会 A8，1992；经合组织 l17，1989)。Kow.与分子结构直接相关，它表征了分子的结构特征，从而可以替代结构参数，预测化合物的环境行为。1991年，Klompan等通过对各种化合物进行归类分析和计算，根据大量的Kow.实验值与有机分子各官能团(分子碎片)的贡献率之间的关系，建立了数学模型，如式(1)所示，并验证了 1663种化合物，提出分子碎片法 。式中，口是常数，一般取一0703；bi代表分子结构中分子的数目；Bi代表分子的贡献率；cj代表分子片需要被修正的数目；Cj代表经过修正后的贡献率。椰油酰胺丙基甜菜碱的分子片对 lg Kow.值的贡献见表2。根据分子碎片法计算椰油酰胺丙基甜菜碱的lg Kow.值如下：结构式中有 3个 CH3，17个CH2，1个 N<，1个COO一。lgKow=0.703+3×0.661+17×0.415+1×(-1.006)+1×(-0.937)+1×(-0.414)=5978有关资料显示 ，lg Kow.>34的物质具有生物浓度积累潜力，lg Kow <4的物质不具有生物积累潜力。从以上计算结果可以看出，椰油酰胺丙基甜菜碱能对水生物引起积累，需要考虑生物降解性能。3.3.2生物降解具有良好的生物降解性能和足够高的降解速度是解决环境中表面活性剂浓度超标和形成代谢产物问题的重要途径。椰油酰胺丙基甜菜碱具有良好的生物降解性能，酰胺丙基甜菜碱类均属易生物降解物质，在密闭瓶试验中BOD28DOC值至少达60%，在改良法 OECD筛选试验中，至少可以消除 70%DOC(最终降解度)。椰油酰胺丙基甜菜碱的降解速度也较快，据有关资料显示，引入酰胺基的甜菜碱其降解速度相对会加快 4h。3.3.3 生物毒性目前，随着成千上万种化学物质的生产并排放到生态系统中，化学物质环境危险性评价显得越来越重要。定量结构与活性相关(QuantitativeStructureActivity Relationship，QSAR)是建立有机物的毒性和理化参数的相关性，通过测量或计算有机物的特征参数，估算有机物对生物毒性的一种方法。QSAR法通过对鱼及其他水生生物的毒性效应方面的研究，建立了许多结构参数与活性的相关方程，并通过数学模型建立了有机物对生物的毒性与其理化参数的关联方程。该法在环境毒理学中得到了广泛的应用。QSAR建立的有机物结构与活性之间的函数关系为A=f(S)。在环境化学中，A代表有机物的毒性，常用半致死浓度的负对数(logLC50)表示；S代表有机物的结构，其表达形式多种多样，因而在具体研究中采取合适的理化参数对QSAR法的成功具有举足轻重的作用。在毒理学研究中，lg Kow是最普通、最重要的理化参数，它很好地反映了有机物的亲脂性。1995年，Cronin和 Dearden用 lgK。表达的QSAR模型见式(2)：该方程描述了5O种工业污染物与虹蛭的麻醉性毒性的定量关系(R=0988，LC50以molL为单位)。麻醉性毒性主要是对细胞或动物的中枢神经产生抑制作用，是由化合物跨越细胞膜的传质过程或由脂溶性所决定的。因此，麻醉性毒性效应往往和污染物的Kow具有良好的相关性。将已经计算的lg Kow值代人式(2)，计算出椰油酰胺丙基甜菜碱的LC50。根据我国环境化学物质的毒性分级标准，可以核查其安全性。见表3。由表 3可知，椰油酰胺丙基甜菜碱的毒性属于低毒类。据报道，全球著名的化工企业 BASF公司规定，助剂的先进指标为LC50>100mgL，LC50=1 100mgL能够使用，LC50<1mgL属于强毒性。另外，有机化合物的细菌毒性与K。也有很好的相关性，其数学模型如下：根据lg Kow可以计算出椰油酰胺丙基甜菜碱的EC50值两性表面活性剂的急性和慢性细菌毒性已得到研究，急性毒性的EC50 (PSputida，耗氧实验)数值与慢性毒性(PSputida，抑制生长试验)的EC。值相同，均大于100mgL。生态毒理性标准规定EC50<1mgL属强毒性。述数据表明，椰油酰胺丙基甜菜碱的毒理性指标在安全范围之内，采用数学模型预测的结果与文献报道有很好的一致性。因此，在试验条件不允许的条件下，我们可以运用 QSAR法选择合适的理化参数，通过数学模型的计算来预测评价有机物的安全性。因此，开发环境友好型表面活性剂的关键，一是首选无害的原料，并且寻找新方法来降低生产成本，优化合成路线；二是开发可断裂的表面活性剂，提高其降解速度，同时使断裂后的产物具有新功能，其代谢产物无毒。4、年度研究计划及预期进展本项目的研究内容相对较多且比较冗杂，从合成到应用，技术难度较大，而且工作量也比较大。初步分为一年半来实现，共18个月。其中具体的安排为：1月：项目的确定，项目可行性分析，项目申报、审批，必要原料、仪器的购置和前期准备，项目的从事人员的即研究团队的建立；210月：从事老得合成路线并进一步研究出新的合成工艺或是改善合成条件得到目标产率的椰油酰胺丙基甜菜碱这一基本原材料和目标产物；1112月：测试合成的椰油酰胺丙基甜菜碱的各项指标及各种性质，包括泡沫稳定性和温和性、黏度抑菌、亲水润湿性、杀菌作用能力、破坏细菌细胞壁的可渗透性、对环境的安全性（辛醇一水分配系数Kow、生物降解性能、BODDOC 值、LC50等）；1314月：对椰油酰胺丙基甜菜碱的缺点进行改进，减小其BODDOC 值、LC50等，并将产品初步加入平常的沐浴露中，与未加之前的单一原沐浴露进行性质对比，参照行业标准，定位产品的特殊性能。对比较结果进行总结，改良比例，进行小试环节；1517月：分析小试产品的性能，调查统计一部分人使用小试产品，并结合统计结果改善产品结构。进一步改进数据比例，调节配方。18月：总结整理研究过程和结果，起草相关学术论文，整理实验数据，存档备案，或申请专利，以及其他后续工作。5、预期成果如果研究顺利，按照这18个月的研究工作的计划展开，而且团队能很好的协作，充分发挥各自特长，认真保质保量完成年度计划的内容，那么预期会按时完成或提前制备出优质价廉的椰油酰胺丙基甜菜碱，并且能够找到其为了增加沐浴露的特异性而在配方中的最适合比例，通过普通沐浴露研制出具有特性的特殊功能沐浴露。三、项目经费预算研究经费预算列于下表，单位（万元）1、合成过程要用到原料椰子油 （ 1.4 ）2、辅助合成与检测试剂： 总（ 0.7 ）乙醚-正丁醇（2:1）混合溶液 氯化钠20%水溶液酚酞10g/L乙醇溶液氢氧化钠，c（NaOH）=1mol/L溶液无水乙醇-水（1:1）溶液盐酸标准滴定溶液，c（HCl）=0.05mol/L 盐酸，c（HCl）=1mol/L溶液氢氧化钠标准滴定溶液，c（NaOH）=0.1mol/L 。3、仪器设备 水浴锅：可控温90左右 （ 0.8 ）酸度计：分度不大于0.02pH，配有玻璃电极（如231型） （ 1.2 ）甘汞电极（如232型），并配有电位滴定 （ 0.5 ）气相色谱仪（借用） （ 1.8 ）液相色谱仪（借用） （ 2.0 ）电磁搅拌器：带包裹聚四氟乙烯的搅拌棒 （ 0.2 ）半微量滴定管：10ml。 （ 1.3 ）红外光谱（借用） （ 0.1 ）4、人力成本 （ 10 ）所以初步预算需要经费20.0万元。16