十二烷基二甲基甜菜碱的合成和性能测定

十二烷基二甲基甜菜碱的合成和性能测定一、实验目的1、了解两性离子表面活性剂的性质与用途；2、了解十二烷基二甲基甜菜碱的合成原理和合成工艺；3、了解十二烷基二甲基甜菜碱熔点和起泡性能的测定方法；4、学会使用乌氏或奥氏粘度计测定溶液粘度的方法。二、实验原理两性离子表面活性剂易溶于水，难溶于有机溶剂；毒性小，杀菌性、耐硬水性、相容性、洗涤性、分散性均较好。分子中有两个亲水基，一个带正电，一个带负电。兼有阴离子性和阳离子性亲水基（阳离子部分：胺盐、季铵盐、咪唑啉类；阴离子部分：羧酸盐、磺酸盐、硫酸盐、磷酸盐），在酸（碱）性溶液中呈阳（阴）离子性而在中性溶液中有类似非离子表面活性剂的性质。主要应用于香波起泡剂、护发剂、杀菌剂、纤维柔软剂、抗静电剂、防锈剂等。十二烷基二甲基甜菜碱，又名月桂基二甲基甜菜碱，BS-12（简称/商品名）。属于羧基甜菜碱型两性（离子型）表面活性剂。无色或淡黄色透明粘稠液体，密度1．03g／cm3（20℃）。活性物含量为30±2％，pH值：6．5—7．5。在碱性、酸性和中性条件下均可溶于水，稳定性好，刺激性小，生物降解性和配伍性优良；有良好的去污、起泡、渗透和抗静电性能，杀菌作用温和。适用于制造无刺激的调理香波、纤维柔软剂、抗静电剂、匀染剂、防锈剂、金属表面加工助剂和杀菌剂等。十二烷基二甲基甜菜碱是用N,N-二甲基十二烷胺和氯乙酸钠反应合成的，反应方程式为：C12H25N(CH3)2+ClCH2COONa60~80℃NCH3CH3C12H25CH2COO-+NaCl+N,N-二甲基十二烷胺氯乙酸钠BS-128.5mL0.03mol3.5g0.03mol20ml(or30ml)50%乙醇溶液回流反应至反应液变透明为止生成的具有比氨基酸型两性表面活性剂良好的去污、渗透及抗静电等性能。特别其杀菌作用比较柔和，刺激性较少。不像阳离子表面活性剂那样对人体有毒性。三、实验仪器和试剂仪器：250mL三口烧瓶、水浴锅、电动搅拌器、烘箱、真空泵、布氏漏斗、滤纸、温度计、球形冷凝管、分析天平、玻璃棒、b形管、毛细管、酒精灯、乌氏粘度计、容量瓶（1000mL，2个）、罗氏泡沫仪、涂-4粘度计。试剂：N,N-二甲基十二烷胺、氯乙酸钠、50%乙醇、盐酸、乙醚、甘油、硫酸镁、氯化钙四、实验步骤（一）十二烷基二甲基甜菜碱的合成1、将250mL三口烧瓶、恒温水浴锅、电动搅拌器、温度计、球形冷凝管连成反应装置；2、称量10.7gN,N-二甲基十二烷胺、5.8g氯乙酸钠（摩尔质量为116.48g/mol）、30ml50%乙醇，先后在三口烧瓶中加入乙醇、N,N-二甲基十二烷胺、氯乙酸钠；3、N-烷基化反应：60~80℃下回流反应，至反应液变成透明为止；4、冷却，测pH值；再搅拌状态下滴加盐酸，至出现乳状液不再消失为止，测pH值（6.5-7.5）；5、放置结晶、过滤、洗涤、减压抽滤，分别用7ml50%乙醇溶液洗涤两次，然后干燥滤饼；6、所得粗产品用乙醇：乙醚=2：1的溶液重结晶，得精制的十二烷基二甲基甜菜碱。（二）十二烷基二甲基甜菜碱性能的测定1、十二烷基二甲基甜菜碱的熔点的测定（毛细管法）○1熔点管通常用内径约lmm、长约60~7Omm、一端封闭的毛细管作为熔点管；○2样品的填装取0.1~0.2g样品,放在干净的表面皿或玻片上,用玻棒或不锈钢刮刀研成粉末,聚成小堆,将毛细管的开口插入样品堆中,使样品挤入管内,把开口一端向上竖立,轻敲管子使样品落在管底；○3利用Thiele管(又叫b形管也叫熔点测定管)。将熔点测定管夹在铁座架上,装入甘油于熔点测定管中至高出上侧管时即可,熔点测定管口配一缺口单孔软木塞,温度计插入孔中,刻度应向软木塞缺口。把毛细管如同前法附着在温度计旁。温度计插入熔点测定管中的深度以水银球恰在熔点测定管的两侧管的中部。加热时,火焰须与熔点测定管的倾斜部分接触；○4此时应该特别注意温度的上升和毛细管中样品的情况,当毛细管中样品开始蹋落和有湿润现象,出现小滴液体时,表示样品已开始熔化,为始熔,记下温度,继续微热至微量固体样品消失成为透明液体时,为全熔,即为该化合物的熔程。例如某一化合物在112℃时开始萎缩蹋落,113℃时有液滴出现,在114℃时全部成为透明液体,应记录为该物质的熔点113~114℃,112℃蹋落(或萎缩)，以及颜色的变化。2、十二烷基二甲基甜菜碱的的起泡力的测定（罗氏泡沫仪）○1配制150mg/L的硬水：称取硫酸镁0.143g，氯化钙0.132g溶解于1000mL容量瓶中，加入蒸馏水定容，摇匀；○2试液的配制：准确称取2.5g试样于1000mL容量瓶中，加入配制好的硬水定容、摇匀；○3测定：水浴锅恒温至40℃±1℃，先后用蒸馏水、试样液体冲洗罗氏泡沫仪管壁，应冲洗完全，自刻度管底部注入试液50mL，静置5min，调节活塞，使试液液面恰在50mL刻度处（注意：此试液必须事先预热到40℃再注入仪器内）；○4将球管或称液管注满200mL试液，安装到测量装置上，使它与刻度管的断面垂直，保证试液沿刻度管中心线滴下，球管出口置于900mL刻度线上。打开球管活塞，使试液流下，当球管中的试液流完时，立即开动秒表，并记录泡沫高度再记录5分钟后泡沫高度；○5重复以上试验2~3次，每次试验之间必须将管壁冲洗干净。两次试验的平均作为最后结果，允许误差应不超过5mm。3、十二烷基二甲基甜菜碱的溶液粘度的测定A、乌氏粘度计法○1先将乌氏粘度计用洗液和蒸馏水洗干净，然后烘干备用；○2调节乌氏粘度计恒温槽至(25.0±0.1)℃，在粘度计的B管和C管上都套上橡皮管，然后将其垂直放入恒温槽，使水面完全浸没G球，并用吊锤检查是否垂直；○3用移液管分别吸取已知浓度的待测试样溶液10mL，由A管注入粘度计中，在C管处用洗耳球打气，使溶液混合均匀，浓度记为C1，恒温15min，进行测定；○4将C管用夹子夹紧使之不通气，在B管处用洗耳球将溶液从F球经D球、毛细管、E球抽至G球2/3处，解去C管夹子，让C管通大气，此时D球内的溶液即回入F球，使毛细管以上的液体悬空。毛细管以上的液体下落，当液面流经a刻度时，立即按停表开始记时间，当液面降至b刻度时，再按停表，测得刻度a、b之间的液体流经毛细管所需时间；○5重复以上操作至少三次，它们间相差不大于0.3s，取三次的平均值为t；○6溶剂流出时间的测定用蒸馏水洗净粘度计，尤其要反复流洗粘度计的毛细管部分。用水洗1～2次，然后由A管加入约15mL水溶液，用同法测定溶剂流出的时间t0。图1乌氏粘度计图2奥氏粘度计B、奥氏粘度计法○1先将奥氏粘度计用洗液和蒸馏水洗干净，然后烘干备用；○2然后调节奥氏粘度计恒温槽至(25.0±0.1)℃；○3用移液管取一定量待测液放入奥氏粘度计中，然后把奥氏粘度计垂直固定在恒温槽中，恒温5min～10min；○4用打气球接于1管并堵塞2管，向管内打气。待液体上升至A球的2/3处，停止打气，打开管口2。利用秒表测定液体流经两刻度间所需的时间。重复同样操作，测定5次，要求各次的时间相差不超过0.3s，取其平均值；○5最后将奥氏粘度计中的待测液倾入回收瓶中，用热风吹干。再用移液管取10mL蒸馏水放入粘度计中，与前述步聚相同，测定蒸馏水流经m1至m2所需的时间，重复同样操作，要求同前。C、涂-4粘度计法○1用碎布蘸溶剂将粘度杯内部擦拭干净，在空气中干燥或用冷风吹干。对光检查粘度杯漏嘴是否清洁，如果发现有污垢，应进行清洁后再使用；○2用手指堵住粘度杯的漏嘴，将试样倒满粘度杯，用玻棒将杯口多余试样和气泡刮入凹槽。并用来装置试样的容器放在粘度杯漏嘴下方；○3迅速移开手指，同时启动秒表，待试样流束刚中断时立即按停秒表。秒表读数即为试样的流出时间（s）。测试两次，误差范围不应大于平均值的3%；○4测定完后将涂-4粘度杯清洗干净，以保证下次测定的准确性。五、实验数据记录（一）十二烷基二甲基甜菜碱的合成干燥后十二烷基二甲基甜菜碱的样品质量_________g精制后十二烷基二甲基甜菜碱的溶液质量_________g（二）十二烷基二甲基甜菜碱的性能测定十二烷基二甲基甜菜碱的熔点：℃十二烷基二甲基甜菜碱的起泡力：mm十二烷基二甲基甜菜碱的溶液的粘度：S附录一乌氏粘度计的测定原理和方法（一）实验原理高聚物摩尔质量不仅反映了高聚物分子的大小，而且直接关系到它的物理性能，是个重要的基本参数。与一般的无机物或低分子的有机物不同，高聚物多是摩尔质量大小不同的大分子混合物，所以通常所测高聚物摩尔质量是一个统计平均值。高聚物稀溶液的粘度是它在流动时内摩擦力大小的反映，这种流动过程中的内摩擦主要有：纯溶剂分子间的内摩擦；高聚物分子与溶剂分子间的内摩擦；以及高聚物分子间的内摩擦。这三种内摩擦的总和称为高聚物溶液的粘度，记作η0。实践证明，在相同温度下ηη0为了比较这两种粘度，引入增比粘度的概念，以ηsp表示：高聚物溶液的ηsp往往随质量浓度C的增加而增加。为了便于比较，定义单位浓度的增比粘度ηsp/C为比浓粘度，定义lnηr/C为比浓对数粘度。在一定温度和溶剂条件下，特性粘度[η]和高聚物摩尔质量M之间的关系式是Mark-Houwink经验方程：[η]=K·Mα式中M为粘均分子量；K为比例常数；α是与分子形状有关的经验参数。K和α值与温度、聚合物、溶剂性质以及分子量大小有关。K值受温度的影响较明显，而α值主要取决于高分子线团在某温度下，某溶剂中舒展的程度，其数值介于0.5～1之间。K与α的数值可通过其它绝对方法确定，从粘度法只能测定得[η]。因为根据实验，在足够稀的高聚物溶液中有如下经验公式：式中，κ和β分别称为Huggins和Kramer常数。当溶液无限稀时有如下：当溶液无限稀释时，高聚物分子彼此相隔甚远，它们的相互作用可以忽略。我们获得[η]的方法如图所示：一种方法是以ηsp/C对C作图，外推到C→0的截距值；另一种是以lnηr/C对C作图，也外推到C→0的截距值，两根线应会合于一点，这也可校核实验的可靠性。本实验采用毛细管法测定粘度，通过测定一定体积的液体流经一定长度和半径的毛细管所需时间而获得。当液体在重力作用下流经毛细管时，其遵守泊肃叶(Poiseuille)定律：000()//1sprcc2sp][][ccr2][][lnsp00lnlimlim[]rcccc[]式中：η为液体的粘度；ρ为液体的密度；L为毛细管的长度；r为毛细管的半径；t为V体积液体的流出时间；V为流经毛细管的液体体积；h为流过毛细管液体的平均液柱高度；m为毛细管末端校正的参数。对于某一只指定的粘度计而言，上式中许多参数是一定的，因此可以改写成：式中，B＜1，当流出的时间t在2min左右(大于100s)，该项可以忽略，即又因通常测定是在稀溶液中进行，溶液的密度和溶剂的密度近似相等，因此可将ηr写成：式中：t为测定溶液粘度时液面从a刻度流至b刻度的时间；t0为纯溶剂流过的时间；所以通过测定溶剂和溶液在毛细管中的流出时间，从上式求得ηr，再由外推法求[η]。（二）实验方法1、仪器：恒温槽；乌氏粘度计；分析天平；移液管(10mL2支、5mL1支）；停表；洗耳球；螺旋夹；橡皮管(约5cm长)2根；吊锤。2、方法：○1粘度计的洗涤先用热洗液(经砂心漏斗过滤)将粘度计浸泡，再用丙酮、自来水、蒸馏水分别冲洗几次，每次都要注意反复流洗毛细管部分，洗好后烘干备用(上一组的准备)；○2调节恒温槽温度至(30.0±0.1)℃，在粘度计的B管和C管上都套上橡皮管，然后将其垂直放入恒温槽，使水面完全浸没G球，并用吊锤检查是否垂直；○3溶液流出液时间的测定A、用移液管分别吸取已知浓度的待测试样溶液10mL，由A管注入粘度计中，在C管处用洗耳球打气，使溶液混合均匀，浓度记为C1，恒温15min，进行测定；B、将C管用夹子夹紧使之不通气，在B管处用洗耳球将溶液从F球经D球、毛细管、E球抽至G球2/3处，解去C管夹子，让C管通大气，此时D球内的溶液即回入F球，使毛细管以上的液体悬空。毛细管以上的液体下落，当液面流经a刻度时