Krytyczne stężenie i swobodna energia micelizacji

Krytyczne stężenie micelizacji (cmc) polioksyetylenowanych surfaktantów gemini jest znacznie niższe (często o ponad rząd wielkości) niż odpowiadających im konwencjonalnych monomerycznych odpowiedników [FitzGerald, 2004; Paddon-Jones, 2001; Zhou, 2008].

Analizę wartości cmc oraz właściwości powierzchniowych można przeprowadzić na przykładzie surfaktantów otrzymanych przez Zhou, których ogólny wzór strukturalny przedstawiono na rysunku 6 [Zhou, 2008].

Właściwości powierzchniowe wodnych roztworów tych surfaktantów typu oksyetylenowanego alkoholu hydrochinono-bislaurylowego (HBA(EO)n+m) oraz odpowiadających im monomerów oksyetylatów alkoholu laurylowego (BA(EO)n) przedstawione są w tabeli 4.

Tabela 4. Właściwości powierzchniowe wodnych roztworów surfaktantów gemini HBA(EO)_n+m oraz ich monomerów BA(EO)n [Zhou, 2008]

Surfaktant cmc

[mmol/dm³]

γcmc

[mN/m]

Γcmc

[10^-10 mol/cm²]

A_min [Ų]

HBA(EO)₉ 0,001 31,61 3,77 44

HBA(EO)₂₀ 0,010 36,23 2,78 60

HBA(EO)₈₀ 0,072 39,90 2,15 77

BA(EO)_4,5 0,1 33,20 3,83 44

BA(EO)₁₀ 1,0 41,60 2,84 59

BA(EO)₄₀ 9,5 45,31 1,97 85

Z powyższej tabeli wynikają następujące wnioski:

 cmc monomerycznych surfaktantów (BA(EO)4,5) jest ok. 100 krotnie wyższe niż odpowiadających im surfaktantów gemini (HBA(EO)9) natomiast ich γcmc jest tylko nieco wyższe o około 1,6 do 5,6 mN/m;

 w miarę wzrostu stopnia polioksyetylenowania obserwuje się wzrost wartości cmc, wartości γcmc, oraz minimalnej powierzchni zajmowanej przez cząsteczkę, co jest związane ze wzrostem hydrofilowości cząsteczki;

 zbliżone wartości Amin w przypadku surfaktantów gemini oraz ich monomerycznych odpowiedników sugerują, że powierzchnia międzyfazowa jest ciaśniej upakowana łańcuchami alkilowymi w roztworach tych pierwszych, co może sugerować, że orientacja cząsteczek tych surfaktantów jest prawie prostopadła do powierzchni międzyfazowej.

Podobne zależności wartości cmc oraz γcmc od liczby grup oksyetlenowych w cząsteczce zaobserwował także Paddon-Jones dla związków (C12AmEGn)2 o strukturze przedstawionej na rysunku 7 [Paddon-Jones, 2001]. W porównaniu z monomerycznymi odpowiednikami surfaktanty gemini mają nie tylko niższe wartości cmc ale także niższe γcmc, przez co są bardziej efektywne w obniżaniu napięcia powierzchniowego wody (do niższych wartości γcmc). Są także skuteczniejsze w obniżaniu napięcia powierzchniowego, co wyraża

24

współczynnik pC20 (ujemny logarytm ze stężenia surfaktantu w fazie wodnej, które powoduje redukcję napięcia powierzchniowego wody o 20 mN/m). Podobne różnice między wartościami cmc surfaktantów gemini i ich monomerycznych odpowiedników występują także w przypadku jonowych surfaktantów (cmc klasycznego surfaktantu jonowego jest kilkukrotnie wyższe niż cmc odpowiadającego mu surfaktantu gemini) [Zhu, 1990, 1991].

Wartości cmc niejonowych surfaktantów gemini zależą także od długości łańcucha alkilowego w cząsteczce. Analizy tej zależności dokonał FitzGerald dla związków Gem_nE_{m .} Tabela 5 zawiera zestawienie wartości cmc w zależności od długości łańcucha alkilowego oraz liczby grup oksyetylenowych w cząsteczce [FitzGerald, 2004].

Tabela 5. Wartości cmc (×10^-7 M) niejonowych surfaktantów gemini o wzorze Gem_nE_m gdzie: n – liczba atomów węgla w łańcuchu alkilowym, m – liczba grup oksyetylenowych w cząsteczce surfaktantu [FitzGerald, 2004]

Długość łańcucha węglowego, n

stopień oksyetylenowania, m

5 10 15 20 30

12 dwufazowy 4,0 ± 1,0 6,5 ± 1,5 - -

14 dwufazowy 2,0 ± 1,0 3,0 ± 1,0 - -

20 - 3,0 ± 1,5 2,3 ± 1,0 2,0 ± 1,0 1,5 ± 1,0

Wartości cmc surfaktantów GemnE_m leżą w przedziale 10^-7 do 10^-6 M i są bardzo niskie w porównaniu ze wszystkimi znanymi dotąd niejonowymi surfaktantami, o dodecylowym łańcuchu alkilowym, których cmc zawiera się w przedziale od 10^-5 do 10^-4 M [Becher, 1967].

Wiadomo, że wartości cmc konwencjonalnych niejonowych surfaktantów maleją znacznie wraz ze wzrostem długości łańcucha alkilowego w cząsteczce i nieznacznie rosną ze wzrostem stopnia oksyetylenowania w cząsteczce, jednakże efekt ten jest mniej widoczny przy dużych wartościach m. Jak widać z Tabeli 5 dla surfaktantu gemini Gem₁₂E_m cmc rośnie wraz ze wzrostem liczby grup oksyetylenowych w cząsteczce. Tak samo w przypadku Gem14Em, chociaż efekt ten jest mniej wyraźny. Natomiast przy n = 20 nie zaobserwowano wzrostu ale spadek wartości cmc wraz ze wzrostem stopnia oksyetylenowania (Tab. 5). W celu wyjaśnienia tego zjawiska FitzGerald rozpatrzył zależności między cmc surfaktantów gemini i odpowiadających im surfaktantów monomerycznych w oparciu o równania opisujące termodynamikę micelizacji. Surfaktanty gemini były traktowane jako dwa połączone chemicznie surfaktanty konwencjonalne. Przyjęto ponadto, że zmiana standardowej energii swobodnej przejścia jednej cząsteczki surfaktantu gemini z wody do miceli jest taka sama jak energia przejścia dwóch cząsteczek konwencjonalnego surfaktantu, co obrazuje równanie 1.

Toteż standardowa swobodna energia micelizacji surfaktantu gemini powinna być dwa razy wyższa niż dla konwencjonalnego surfaktantu [Corkill, 1964; Stainsby, 1950; Matijevic, 1958; Shinoda, 1962]:

= 2G⁰conv (1)

25

Dla surfaktantu niejonowego swobodna energia micelizacji wyrażana jest równaniem 2:

G⁰= RTlncmc (2) gdzie:

G⁰– swobodna energia micelizacji surfaktantu niejonowego;

R – stała gazowa 8,314 [kJ/mol];

T – temperatura [K];

cmc – cmc surfaktantu niejonowego.

Po podstawieniu równania 1 do 2 otrzymano wyrażenie:

RTlncmcgem = 2RTlncmcmon (3) Stąd na podstawie znajomości cmc monomerycznego odpowiednika surfaktantu gemini można przewidzieć wartości cmc surfaktantu gemini w zależności od długości łańcucha alkilowego w cząsteczce oraz od stopnia oksyetylenowania, co wyraża równanie 4.

cmcgem = cmc²mon (4) Wyznaczając logarytmiczną zależność między wartościami cmc, a długością łańcucha alkilowego w cząsteczce surfaktantu FitzGerald dowiódł, że poprzez nieznaczne wydłużenie łańcucha alkilowego cząsteczki surfaktantu uzyskać można znaczne obniżenie wartości cmc.

Wartości cmc surfaktantów gemini nie stanowią także liniowej zależności między log(cmc) a długością łańcucha oksyetylenowego. Odchylenia tego typu znane były wcześniej dla konwencjonalnych surfaktantów. Z kolei zmiana stopnia oksyetylenowania (m) powoduje stosunkowo niewielki efekt obniżenia wartości cmc [FitzGerald, 2004]. FitzGerald zauważył, że wartości cmc surfaktantów gemini Gem12E_10,15, Gem₁₄E_10,15 są niższe niż dla konwencjonalnych niejonowych odpowiedników C₁₂ i C₁₄ nawet bez korekcji stopnia oksyetylenowania. Jednakże cmc surfaktantu Gem₂₀E_m jest wyższe niż dla konwencjonalnego odpowiednika C20. Wartości cmc dla tych niejonowych surfaktantów gemini zmieniają się bardzo nieznacznie ze zmianą długości łańcucha alkilowego, chociaż uwzględniając cmc ich

monomerycznych odpowiedników, powinny zmieniać się zgodnie z równaniem 4 (cmc_gem = cmc²_mon).

Menger i współpracownicy przestudiowali właściwości szeregu surfaktantów o długości łańcuchów alkilowych n = 8 ÷ 20 z hydrofobowym łącznikiem i zaobserwowali, że cmc surfaktantu o n = 18 jest wyższe niż cmc surfaktantu o n = 16 [Menger, 1993]. W celu wyjaśnienia źródła tych odchyleń przedstawili oni swobodną energię micelizacji jako sumę kilku składowych czynników, co przedstawia równanie 5 [Tanford, 1980; Israelachvili, 1976].

= ghp + ghg + git (5) gdzie:

g_hp - składowa hydrofobowa;

ghg - składowa odpychania grup hydrofilowych;

g_it - składowa napięcia międzyfazowego.

26

Największy wpływ na ma składowa hydrofobowa ghp, która wyraża swobodną energię uzyskaną z przeniesienia części hydrofobowej surfaktantu z roztworu wodnego do węglowodorowego rdzenia miceli. Składowe ghg i git są praktycznie niezależne od długości łańcucha węglowodorowego cząsteczki. Najprawdopodobniej odchylenia od liniowej zależności log(cmc) = f(n) wytłumaczyć można faktem, że dla surfaktantów gemini ghp ma znacznie niższą wartość niż dla konwencjonalnych surfaktantów i tylko ghp może mieć wystarczająco duży wkład do wartości cmc. Stąd dla uzyskania znacznie wyższych wartości cmc (w porównaniu z przewidzianymi) wartość ghp musi być niższa niż oczekiwana. Energia swobodna części hydrofobowej surfaktantu gemini musi być albo niższa w wodzie, albo wyższa wewnątrz miceli. Jeżeli powierzchnia kontaktu pomiędzy cząsteczkami wody i łańcuchem hydrofobowym surfaktantu ulega zmniejszeniu, wtedy także wartość ghp ulega redukcji. Zakłada się, że ghp zależy od liczby cząsteczek wody będących w kontakcie z hydrofobową częścią surfaktantu, lub z polem hydratowanej powierzchni hydrofobowej wnęki, którą zajmuje cząsteczka w roztworze [Herman, 1972, Reynolds , 1974, Tanford, 1980]. Niektórzy autorzy [Mukerjee, 1967] w przypadku konwencjonalnych surfaktantów sugerowali mechanizm, w którym silnie hydrofobowe łańcuchy węglowodorowe w roztworze łączyły się w dimery, obniżając w ten sposób powierzchnię kontaktu z wodą i efektywnie obniżając siłę napędową tworzenia micel. Postulat ten sprawdza się tylko przy bardzo długich hydrofobowych łańcuchach, co ma miejsce także w przypadku badanych przez FitzGeralda surfaktantów gemini. W przypadku tych surfaktantów powyższy mechanizm może objawiać się w postaci wewnątrzcząsteczkowej asocjacji między dwoma łańcuchami hydrofobowymi w pojedynczej cząsteczce, lub jako międzycząsteczkowa asocjacja w dimery.

Tworzenie się dimerów w przypadku kationowych surfaktantów gemini badał wcześniej Zana [Zana, 2002]. Odkrył on, że dla związku o długości łańcucha C12 i dłuższych oraz dla związku o długości łańcucha C₁₄ z ośmiowęglowym łącznikiem metylenowym występuje premicelarna agregacja. Bazując na wnioskach z jego badań można przypuszczać, że tworzenie się międzycząsteczkowych premicelarnych agregatów jest najbardziej prawdopodobnym wyjaśnieniem tego, że cmc badanych przez FitzGeralda surfaktantów gemini jest wyższe niż wartości uzyskane na podstawie obliczeń termodynamicznych, oraz

tłumaczy odchylenia wartości cmc surfaktantów gemini od liniowej zależności log(cmc) = f(n).