对称型双子咪唑表面活性剂合成及分子动力学的研究

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1、博士学位论文对称型双子咪唑表面活性剂的合成及分子动力学研究RESEARCHONSYNTHESIS,MOLECULARDYNAMICSOFSYMMETRICGEMINIIMIDAZOLIUMSURFACTANTS刘国宇哈尔滨工业大学2013年04月国内图书分类号：O648学校代码：10213国际图书分类号：O468密级：公开理学博士学位论文对称型双子咪唑表面活性剂的合成及分子动力学研究博士研究生：刘国宇导师：顾大明申请学位：工学博士学科、专业：化学工程与技术所在单位：理学院化学系预答日期：2013年04月授予学位单位：哈尔

2、滨工业大学ClassifiedIndex:TQO69U.D.C:544DissertationfortheDoctoralDegreeofScienceRESEARCHONSYNTHESIS,MOLECULARDYNAMICSOFSYMMETRICGEMINIIMIDAZOLIUMSURFACTANTSCandidate：LiuGuoYuSupervisor：Prof.GuDaMingAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofScienceSpeciality：ChemicalEngineerin

3、gandTechnologyAffiliation：SchoolofScienceDateofDefence：April,2013Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要综述了双子表面活性剂的特点及国内外相关研究领域的发展现状。以咪唑、不同链长的溴代烷等为主要原料，合成系列以亚甲基链为联接基团，具有对称和不同疏水基团链长及联接基团链长的系列对称型双子咪唑表面活性剂，采用红外、核磁谱图和元素分析的手段表征活性剂分子结构。在分析证实产物为目标结

4、构的基础上，用表/界面张力法、电导率法测定了五种具有对称结构的系列对称型双子咪唑表面活性剂在溶液中的表界面活性、构效关系及胶束化热力学性质，结果显示，活性剂分子表现出良好的表面活性，当活性剂分子联接基团长度一定时，随分子两侧疏水烷基链碳原子数的增加，活性剂分子吸附于气/液界面的趋势逐渐增大，双子咪唑表面活性剂降低表面张力的效率也逐渐升高；当活性剂分子疏水烷基链长度不变时，系列双子咪唑表面活性剂中联接基团长度较短的具有较高的表面活性，更易吸附在气/液界面处。对于同一种结构的双子咪唑表面活性剂而言，在室温至45℃阶段，随着温

5、度的升高，其胶束反离子结合度逐渐增大，胶束体尺寸逐渐增加；当温度升至45℃以上时，结合度呈现下降趋势，胶束体尺寸减小；吉布斯自由能变化情况说明，系列对称型双子咪唑表面活性剂在水溶液中胶束化为自发进行过程，其体系为热力学稳定体系；随温度的增加，自由能逐渐降低，胶束体稳定性逐渐提高；温度相同，当活性剂分子疏水基团碳原子数增加时，自由能逐渐降低，胶束稳定性上升；而随着亲水基团长度的增加，自由能逐渐增大，胶束体稳定性逐渐减弱。针对实验手段难以在分子层次上解释胶束化机理及构效关系的缺陷，设计了在微观水平上对多种不同结构表面活性剂性

6、质进行研究的分子动力学系统，并通过压力张量、自由能微扰、回旋半径和径向分布函数等方法系统的研究了对称型双子咪唑表面活性剂、季铵盐型两性离子双子表面活性剂以及传统烷基芳基磺酸盐型表面活性剂的表面活性、热力学及动力学性质。分子动力学研究结果表明，压力张量、自由能微扰法等分子动力学手段研究三种不同结构表面活性剂的理论结果与实验值相近，说明所设计的分子动力学系统和模型可以用于预测多种表面活性剂溶液中的表面活性、热力学及动力学性质；对于结构确定的双子咪唑表面活性剂，其表面活性和在水溶液中的胶束化能力与温度、疏水基及联接基团的结构有

7、关，随着温度的升高，分子热运动加剧，胶束化能力降低；联接基团长度不变时，随着疏水烷烃链碳原子数增加，胶束化能力得到提高；联接基团长度不同的离子液体型双子咪唑表面活性剂可能遵循不同的胶束化机理，联接基团长度小于6时，随着联接基团长度增加，分子胶束化能力降低；当联接基团长度大于6时,分子胶束化能力提高。-I-哈尔滨工业大学博士学位论文在相同条件下，两性离子液体型双子表面活性剂体系胶束化自由能变高于双子咪唑表面活性剂，说明前者水溶液中形成的胶束体与后者相比稳定性较差；而当外界条件相同时，两性离子液体型双子表面活性剂与传统驱油用

8、烷基芳基磺酸盐表面活性剂在溶液中胶束化过程的热力学性质相近。采用量子化学拓扑理论和多种动力学方法研究系列双子咪唑表面活性剂单分子性质、在溶液中的水合作用以及与水分子和其它表面活性剂间的复配效应。结果表明，不同理论计算方法中，量子化学拓扑法计算结果最为精确；表面活性剂分子疏水尾部受极性亲水基团的影响，带有少量弱电荷而略