Катионные поверхностно-активные вещества представляют собой в основном азотсодержащие производные органических аминов. Поскольку атом азота в их молекулах содержит неподеленную пару электронов, он может соединяться с водородом в молекулах кислоты посредством водородных связей, в результате чего аминогруппа приобретает положительный заряд. Поэтому они проявляют хорошую поверхностную активность только в кислой среде; в щелочной среде они склонны к осаждению и потере поверхностной активности. Помимо азотсодержащих катионных поверхностно-активных веществ, существует также небольшая доля катионных поверхностно-активных веществ, содержащих такие элементы, как сера, фосфор и мышьяк.
1. Состояние развития
Катионные поверхностно-активные вещества уже давно не получили широкого распространения в промышленности, и спрос на них быстро растёт с каждым годом. Однако, поскольку их основное применение связано со специальными задачами, такими как фунгициды, смягчители волокон и антистатические агенты, их использование относительно меньше по сравнению с анионными и неионогенными поверхностно-активными веществами.
Катионные поверхностно-активные вещества, как правило, обладают хорошими свойствами, такими как эмульгирование, смачивание, промывка, стерилизация, размягчение, антистатические и антикоррозионные свойства. Благодаря своим особым свойствам и областям применения, они имеют большой потенциал развития. По мере расширения сферы промышленного и гражданского применения, их разнообразие и спрос будут продолжать расти.
2. Классификация
Большинство катионных поверхностно-активных веществ, имеющих коммерческую ценность, являются производными органических азотсодержащих соединений, где положительный заряд несут атомы азота. Существуют также некоторые новые типы катионных поверхностно-активных веществ, где положительный заряд несут такие атомы, как фосфор, сера, йод и мышьяк. В зависимости от химической структуры катионные поверхностно-активные вещества можно разделить на четыре основные категории: аминные соли, четвертичные аммониевые соли и гетероциклические соединения.
Катионные поверхностно-активные вещества аминосолевого типа — это общее название для поверхностно-активных веществ, содержащих первичные, вторичные и третичные амины. Их свойства чрезвычайно схожи, и многие продукты представляют собой смеси первичных и вторичных аминов. Этот тип поверхностно-активных веществ в основном представляет собой соли, образованные жирными аминами и неорганическими кислотами, и растворим только в кислых растворах. В щелочных условиях аминосоли легко реагируют со щелочами, образуя свободные амины, что снижает их растворимость и, следовательно, в некоторой степени ограничивает область их применения.
Четвертичный аммониевый солевой тип
Катионные поверхностно-активные вещества на основе четвертичных аммониевых солей являются наиболее важным типом катионных поверхностно-активных веществ, свойства и методы их получения отличаются от свойств и методов получения веществ на основе аминных солей. Такие поверхностно-активные вещества растворяются как в кислых, так и в щелочных растворах, обладают рядом превосходных свойств и хорошей совместимостью с другими типами поверхностно-активных веществ. Поэтому они имеют относительно широкий спектр применения.
Hэтероциклический тип
В состав катионных поверхностно-активных веществ входят преимущественно азотсодержащие гетероциклические кольца, такие как морфолиновое кольцо, пиридиновое кольцо, имидазольное кольцо, пиперазиновое кольцо и хинолиновое кольцо.
3. Синтез
Основной реакцией синтеза катионных поверхностно-активных веществ является реакция N-алкилирования. Среди них реакция, в которой третичные амины реагируют с алкилирующими агентами с образованием четвертичных аммониевых солей, также называется реакцией кватернизации.
Алкильная четвертичная аммониевая соль
Алкильчетвертичные аммониевые соли являются одним из важных типов катионных поверхностно-активных веществ четвертичного аммониевого типа и широко используются в качестве фунгицидов, смягчителей волокон, минеральных флотационных агентов, эмульгаторов и т. д. Их структурная особенность заключается в том, что атом азота связан с четырьмя алкильными группами, то есть все четыре атома водорода иона аммония замещены алкильными группами. Обычно только одна или две из этих алкильных групп представляют собой длинноцепочечные углеводородные алкильные группы, а остальные алкильные группы содержат один или два атома углерода. В зависимости от их структурных характеристик существует три основных метода синтеза алкилчетвертичных аммониевых солей: получение путем реакции высших алкилгалогенидов с низшими третичными аминами, получение путем реакции высших алкиламинов с низшими алкилгалогенидами и получение методом формальдегид-муравьиной кислоты.
Четвертичные аммониевые соли, содержащие гетероатомы
Так называемые четвертичные аммониевые соли, содержащие гетероатомы, в данном контексте обычно подразумевают четвертичные аммониевые соли, содержащие гетероатомы, такие как O, N и S, в своих гидрофобных углеводородных цепях, то есть поверхностно-активные вещества, содержащие амидные, эфирные, сложноэфирные или тиоэфирные связи в своих липофильных группах. Поскольку гидрофильная катионная группа четвертичного аммония и алкильная гидрофобная группа соединены через такие группы, как амид, сложноэфирная, эфирная или тиоэфирная, а не напрямую, некоторые также называют такие четвертичные аммониевые соли косвенно связанными катионными поверхностно-активными веществами.
Четвертичные аммониевые соли, содержащие бензольные кольца
Этот тип поверхностно-активных веществ в основном используется в качестве бактерицидного, пенообразователя, смачивающего агента, фиксатора красителей и в других целях. В процессе синтеза основным методом введения ароматических колец является использование бензилхлорида в качестве алкилирующего реагента для реакции с третичными аминами. Бензилхлорид получают путем реакции хлорирования боковой цепи толуола. Чтобы избежать хлорирования бензольного кольца, эту реакцию необходимо проводить в эмалированном котле или башенном реакторе со стеклянной футеровкой.
Четвертичные аммониевые соли, содержащие гетероциклы
В состав молекул четвертичных аммониевых солей входят в основном гетероциклические кольца: морфолиновое кольцо, пиперазиновое кольцо, пиридиновое кольцо, хинолиновое кольцо, имидазольное кольцо и др.
Aтип шахтной соли
Катионные поверхностно-активные вещества аминосолевого типа в основном включают три основные категории: соли первичных аминов с длинной цепью алкильных групп, соли вторичных аминов и соли третичных аминов.
4. Применение
Катионные поверхностно-активные вещества обладают такими полезными свойствами, как стерилизация, смягчение и т.д.антистатическийОбладают антикоррозионными свойствами, а также некоторыми эмульгирующими и смачивающими свойствами. Их также часто используют в качестве катализаторов межфазного переноса. Однако этот тип поверхностно-активных веществ редко используется в качестве моющего средства в чистом виде. Это связано с тем, что поверхность многих субстратов в водных растворах, особенно в щелочных, обычно имеет отрицательный заряд. При нанесении положительно заряженное поверхностно-активное вещество располагается на поверхности субстрата гидрофильными группами внутрь, а гидрофобными — наружу, делая поверхность субстрата гидрофобной, что не способствует мытью и может даже иметь негативные последствия. Кроме того, основные области применения этого типа поверхностно-активных веществ отличаются от других поверхностно-активных веществ, используемых для снижения поверхностного натяжения. Вместо этого они используют свои структурные характеристики для других специальных применений.
Дата публикации: 19 марта 2026 г.