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第十章 表面活性剂
第一节 概述 一、表面活性剂的概念
一定条件下的任何纯液体都具有表面张力,20℃时，水的表面张力为72.75ｍＮ·ｍ-1。当溶剂中溶入溶质时，溶液的表面张力因溶质的加入而发生变化，水溶液表面张力的大小因溶质不同而改变，如一些无机盐可以使水的表面张力略有增加，一些低级醇则使水的表面张力略有下降，而肥皂和洗衣粉可使水的表面张力显著下降。使液体表面张力降低的性质即为表面活性。表面活性剂是指那些具有很强表面活性、能使液体的表面张力显著下降的物质。此外，作为表面活性剂还应具有增溶、乳化、润湿、去污、杀菌、消泡和起泡等应用性质，这是与一般表面活性物质的重要区别。
二、表面活性剂的结构特征
表面活性剂分子一般由非极性烃链和一个以上的极性基团组成，烃链长度一般在8个碳原子以上，极性基团可以是解离的离子，也可以是不解离的亲水基团。极性基团可以是羧酸及其盐、磺酸及其盐、硫酸酯及其可溶性盐﹑磷酸酯基﹑氨基或胺基及它们的盐，也可以是羟基、酰胺基、醚键﹑羧酸酯基等。如肥皂是脂肪酸类（R-COO-）表面活性剂，其结构中的脂肪酸碳链(R-)为亲油基团，解离的脂肪酸根（COO-）为亲水基团。
三、表面活性剂的吸附性
1．表面活性剂分子在溶液中的正吸附 表面活性剂在水中溶解时，当水中表面活性剂的浓度很低时，表面活性剂分子在水-空气界面产生定向排列，亲水基团朝向水而亲油基团朝向空气。当溶液较稀时，表面活性剂几乎完全集中在表面形成单分子层，溶液表面层的表面活性剂浓度大大高于溶液中的浓度，并将溶液的表面张力降低到纯水表面张力以下。表面活性剂在溶液表面层聚集的现象称为正吸附。正吸附改变了溶液表面的性质，最外层呈现出碳氢链性质，从而表现出较低的表面张力，随之产生较好的润湿性、乳化性、起泡性等。如果表面活性剂浓度越低，而降低表面张力越显著，则表面活性越强，越容易形成正吸附。因此，表面活性剂的表面活性大小，对于其实际应用有着重要的意义。
2．表面活性剂在固体表面的吸附 表面活性剂溶液与固体接触时，表面活性剂分子可能在固体表面发生吸附，使固体表面性质发生改变。极性固体物质对离子表面活性剂的吸附在低浓度下其吸附曲线为Ｓ形，形成单分子层，表面活性剂分子的疏水链伸向空气。在表面活性剂溶液浓度达临界胶束浓度时，吸附达到饱和，此时的吸附为双层吸附，表面活性剂分子的排列方向与第一层相反，亲水基团指向空气。提高溶液温度，吸附量将随之减少。对于非极性固体，一般只发生单分子层吸附，疏水基吸附在固体表面而亲水基指向空气，当表面活性剂浓度增加时，吸附量并不随之增加甚至有减少的趋势。
固体表面对非离子表面活性剂的吸附与前相似，但其吸附量随温度升高而增大，且可以从单分子层吸附向多分子层吸附转变。
第二节 表面活性剂的分类
根据分子组成特点和极性基团的解离性质，将表面活性剂分为离子表面活性剂和非离子表面活性剂。根据离子表面活性剂所带电荷，又可分为阳离子表面活性剂、阴离子表面活性剂和两性离子表面活性剂。一些表现出较强的表面活性同时具有一定的起泡、乳化、增溶等应用性能的水溶性高分子，称为高分子表面活性剂，如海藻酸钠、羧甲基纤维素钠、甲基纤维素、聚乙烯醇、聚维酮等，但与低分子表面活性剂相比，高分子表面活性剂降低表面张力的能力较小，增溶力、渗透力弱，乳化力较强，常用做保护胶体。 一、离子表面活性剂
（一）阴离子表面活性剂
阴离子表面活性剂起表面活性作用的部分是阴离子。
1．高级脂肪酸盐 系肥皂类，通式为（RCOO-）nM+。脂肪酸烃链R一般在C11～C17之间，以硬脂酸、油酸、月桂酸等较常见。根据M的不同，又可分碱金属皂（一价皂）、碱土金属皂（二价皂）和有机胺皂（三乙醇胺皂）等。它们均具有良好的乳化性能和分散油的能力，但易被酸破坏，碱金属皂还可被钙、镁盐等破坏，电解质可使之盐析。一般只用于外用制剂。
－+
2．硫酸化物 主要是硫酸化油和高级脂肪醇硫酸酯类，通式为R·O·SO3M，其中脂肪烃链Ｒ在C12～C18范围。硫酸化油的代表是硫酸化蓖麻油，俗称土耳其红油，为黄色或桔黄色粘稠液，有微臭，约含48.5％的总脂肪油，可与水混合，为无刺激性的去污剂和润湿剂，可代替肥皂洗涤皮肤，也可用于挥发油或水不溶性杀菌剂的增溶。高级脂肪醇硫酸酯类中常用的是十二烷基硫酸钠(SDS，又称月桂醇硫酸钠、SLS)、十六烷基硫酸钠（鲸蜡醇硫酸钠）、十八烷基硫酸钠（硬脂醇硫酸钠）等。它们的乳化性也很强，并较肥皂类稳定，较耐酸和钙、镁盐，但可与一些高分子阳离子药物发生作用而产生沉淀，对粘膜有一定的刺激性，主要用做外用软膏的乳化剂，有时也用于片剂等固体制剂的润湿剂或增溶剂。
3．磺酸化物 系指脂肪族磺酸化物和烷基芳基磺酸化物等。通式分别为R·SO3-M＋和
-＋
RC6H5·SO3M。它们的水溶性及耐酸、耐钙、镁盐性比硫酸化物稍差，但即使在酸性水溶液中也不易水解。常用的品种有二辛基琥珀酸磺酸钠（阿洛索－OT）、二己基琥珀酸磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠等，后者为目前广泛应用的洗涤剂。另外，甘胆酸钠、牛磺胆酸钠等胆酸盐也属此类，常用做胃肠道脂肪的乳化剂和单硬脂酸甘油酯的增溶剂。
（二）阳离子表面活性剂
这类表面活性剂起作用的部分是阳离子，亦称阳性皂。其分子结构的主要部分是一个五价的氮原子，所以也称为季铵化物，其特点是水溶性大，在酸性与碱性溶液中较稳定，具有良好的表面活性作用和杀菌作用。常用品种有苯扎氯铵和苯扎溴铵等。
（三）两性离子表面活性剂
这类表面活性剂的分子结构中同时具有正、负电荷基团，在不同pH值介质中可表现出阳离子或阴离子表面活性剂的性质。
1．卵磷脂 卵磷脂是天然的两性离子表面活性剂。其主要来源是大豆和蛋黄，根据来源不同，又可称豆磷脂或蛋磷脂。卵磷脂的组成十分复杂，包括各种甘油磷脂，如脑磷脂、磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺、丝氨酸磷脂、肌醇磷脂、磷脂酸等，还有糖脂、中性脂、胆固醇和神经鞘脂等，其基本结构为：
CH2OOCR1CHOOCR2OCH2OPOCH2CH3CH2NCH3n
CH3
在不同来源和不同制备过程的卵磷脂中各组分的比例可发生很大的变化，从而影响其使用性能。例如，在磷脂酰胆碱含量高时可作为水包油型乳化剂，而在肌醇磷脂含量高时则为油包水型乳化剂。卵磷脂外观为透明或半透明黄色或黄褐色油脂状物质，对热十分敏感，在60℃以上数天内即变为不透明褐色，在酸性和碱性条件以及酯酶作用下容易水解，不溶于水，溶于氯仿、乙醚、石油醚等有机溶剂，是制备注射用乳剂及脂质微粒制剂的主要辅料。 2．氨基酸型和甜菜碱型 这两类表面活性剂为合成化合物，阴离子部分主要是羧酸盐，
+-其阳离子部分为季铵盐或胺盐，由胺盐构成者即为氨基酸型（R·NH2·CH2CH2·COO）；由季
铵盐构成者即为甜菜碱型（R·+N·（CH3）2·CH2·COO-）。氨基酸型在等电点时亲水性减弱，并可能产生沉淀，而甜菜碱型则无论在酸性、中性及碱性溶液中均易溶，在等电点时也无沉淀。
两性离子表面活性剂在碱性水溶液中呈阴离子表面活性剂的性质，具有很好的起泡、去污作用；在酸性溶液中则呈阳离子表面活性剂的性质，具有很强的杀菌能力。常用的一类氨基酸型两性离子表面活性剂“Tego”杀菌力很强而毒性小于阳离子表面活性剂。1%TegoMHG(十二烷基双（氨乙基）－甘氨酸盐酸盐，又称Dodecin HCL)水溶液的喷雾消毒能力强于相同浓度的洗必泰和苯扎溴铵以及70%的乙醇。
二、非离子表面活性剂
这类表面活性剂在水中不解离，分子中构成亲水基团的是甘油、聚乙二醇和山梨醇等多元醇，构成亲油基团的是长链脂肪酸或长链脂肪醇以及烷基或芳基等，它们以酯键或醚键与亲水基团结合，品种很多，广泛用于外用、口服制剂和注射剂，个别品种也用于静脉注射剂。
（一）脂肪酸甘油酯
主要有脂肪酸单甘油酯和脂肪酸二甘油酯，如单硬脂酸甘油酯等。脂肪酸甘油酯的外观根据其纯度可以是褐色、黄色或白色的油状、脂状或蜡状物质，熔点在30～60℃，不溶于水，在水、热、酸、碱及酶等作用下易水解成甘油和脂肪酸。其表面活性较弱，HLB为3～4，主要用做W/0型辅助乳化剂。
（二）多元醇型
1．蔗糖脂肪酸酯 蔗糖脂肪酸酯简称蔗糖酯，是蔗糖与脂肪酸反应生成的一大类化合物，属多元醇型非离子表面活性剂，根据与脂肪酸反应生成酯的取代数不同，有单酯、二酯、三酯及多酯。改变取代脂肪酸及酯化度，可得到不同HLB值（5～13）的产品。
蔗糖脂肪酸酯为白色至黄色粉末，随脂肪酸酯含量增加，可呈蜡状、膏状或油状，在室温下稳定，高温时可分解或发生蔗糖的焦化，在酸、碱和酶的作用下可水解成游离脂肪酸和蔗糖。蔗糖酯不溶于水，但在水和甘油中加热可形成凝胶，可溶于丙二醇、乙醇及一些有机溶剂，但不溶于油。主要用做水包油型乳化剂、分散剂。一些高脂肪酸含量的蔗糖酯也用做阻滞剂。
2.脂肪酸山梨坦 脂肪酸山梨坦是失水山梨醇脂肪酸酯，是由山梨糖醇及其单酐和二酐与脂肪酸反应而成的酯类化合物的混合物，商品名为司盘（spans）。根据反应的脂肪酸的不同，可分为司盘20（月桂山梨坦）、司盘40（棕榈山梨坦）、司盘60（硬脂山梨坦）、司盘65（三硬脂山梨坦）、司盘80（油酸山梨坦）和司盘85（三油酸山梨坦）等多个品种，其结构如下：
OCH2OOCR RCOO为脂肪酸根HOOHOH
脂肪酸山梨坦是粘稠状、白色至黄色的油状液体或蜡状固体。不溶于水，易溶于乙醇，在酸、碱和酶的作用下容易水解，其HLB值从1.8～3.8，是常用的油包水型乳化剂，但在水包油型乳剂中，司盘20和司盘40常与吐温配伍用做混合乳化剂；而司盘60，司盘65等则适合在油包水型乳剂中与吐温配合使用。
3.聚山梨酯（Polysorbate） 是聚氧乙烯失水山梨醇脂肪酸酯，是由失水山梨醇脂肪酸酯与环氧乙烷反应生成的亲水性化合物。氧乙烯链节数约为20，可加成在山梨醇的多个羟基上，所以也是一种复杂的混合物。商品名为吐温（Tweens），美国药典品名为Polysorbate，与司盘的命名相对应，根据脂肪酸不同，有聚山梨酯20(吐温20)、聚山梨酯 40、聚山梨酯60、聚山梨酯65、聚山梨酯80(吐温80)和聚山梨酯85等多种型号，其结构如下：
OCH2OORH(C2H4O)xOO(C2H4O)yHO(C2H4O)zH
聚山梨酯是粘稠的黄色液体，对热稳定，但在酸、碱和酶作用下也会水解。在水和乙醇以及多种有机溶剂中易溶，不溶于油，低浓度时在水中形成胶束，其增溶作用不受溶液pH值影响。聚山梨酯是常用的增溶剂、乳化剂、分散剂和润湿剂。
（三）聚氧乙烯型 1．聚氧乙烯脂肪酸酯 系由聚乙二醇与长链脂肪酸缩合而成的酯，通式为R·COO·CH2
（CH2OCH2）nCH2·OH，商品有卖泽（Myrij）。根据聚乙二醇部分的分子量和脂肪酸品种不同而有不同品种。这类表面活性剂有较强水溶性，乳化能力强，为水包油型乳化剂，常用的有聚氧乙烯 40硬脂酸酯等。
2.聚氧乙烯脂肪醇醚 系由聚乙二醇与脂肪醇缩合而成的醚，通式为R·O·（CH2OCH2）
，如Brij30和Brij35分别为不同分子量的聚乙二醇与月桂醇缩合物；nH，商品有苄泽（Brij）
西土马哥（Cetomacrogol）为聚乙二醇与十六醇的缩合物；平平加O（PerogolO）则是15个单位的氧乙烯与油醇的缩合物。埃莫尔弗（Emolphor）是一类聚氧乙烯蓖麻油化合物，由20个单位以上的氧乙烯与油醇缩合而成，为淡黄色油状液体或白色糊状物，易溶于水和醇及多种有机溶剂，HLB值在12～18范围内，具有较强的亲水性质。常用做增溶剂及O/W型乳化剂。如 Cremophore EL为聚氧乙烯蓖麻油甘油醚，氧乙烯单位为35～40，HLB=12～14。 （四）聚氧乙烯-聚氧丙烯共聚物
本品又称泊洛沙姆（Poloxamer），商品名普郎尼克(Pluronic)。通式为HO（C2H4O）a-（C3H6O）b-（C2H4O）aH；根据共聚比例的不同，本品有各种不同分子量的产品（表10-1）。分子量可在1000～14000，HLB值为0.5～30。随分子量增加，本品从液体变为固体。随聚氧丙烯比例增加，亲油性增强；相反，随聚氧乙烯比例增加，亲水性增强。本品作为高分子非离子表面活性剂，具有乳化、润湿、分散、起泡和消泡等多种优良性能，但增溶能力较弱。Poloxamer 188（PluronicF68）作为一种水包油型乳化剂，是目前用于静脉乳剂的极少数合成乳化剂之一，用本品制备的乳剂能够耐受热压灭菌和低温冰冻而不改变其物理稳定性。 表10-1 泊洛沙姆及对应普郎尼克型号及其分子量
Poloxamer 124 188 237 338 407
Pluronic L44 F68 F87 F108 F127
平均分子量 2090～2360 7680～9510 6840～8830 12700～10400 9840～14600
a 12 79 64 141 101
b 20 28 37 44 56
第三节 表面活性剂的基本性质和应用
一、表面活性剂胶束
（一）临界胶束浓度
当表面活性剂的正吸附到达饱和后继续加入表面活性剂，其分子则转入溶液中，因其亲油基团的存在，水分子与表面活性剂分子相互间的排斥力远大于吸引力，导致表面活性剂分子自身依赖范德华力相互聚集，形成亲油基团向内，亲水基团向外、在水中稳定分散、大小在胶体粒子范围的胶束（micelles）。在一定温度和一定的浓度范围内，表面活性剂胶束有一定的分子缔合数，但不同表面活性剂胶束的分子缔合数各不相同，离子表面活性剂的缔合数约在10～100，少数大于1000。非离子表面活性剂的缔合数一般较大，例如月桂醇聚氧乙烯