На сегодняшний день синтез катионных поверхностно-активных веществ представляет интерес для многих исследователей во всем мире. Этаноламиды жирных карбоновых кислот являются катионными поверхностно-активными веществами, которые сочетают в себе дезинфицирующие, смачивающие, пенообразующие, антикоррозийные и гидрофобизирующие свойства. Хотя другие типы поверхностно-активных веществ, такие как анионные, неионные и амфотерные поверхностно-активные вещества, обладают некоторой антимикробной активностью в зависимости от конкретного биоцида, катионные поверхностно-активные вещества обладают наибольшей антимикробной активностью. В отличие от более распространенных дезинфицирующих средств (хлор, фенол, гипохлорит натрия), они обладают такими же полезными свойствами, как хорошая растворимость в воде, отсутствие неприятного и едкого запаха, способность проявлять свои бактерицидные свойства даже в больших разбавлениях, при этом они безвредны для человеческого организма.
Целью данного исследования является синтез катионных поверхностно-активных веществ на основе различного жирового сырья (животного жира), обладающих бактерицидными,пенообразующими и флотационными свойствами.
Поверхностно-активные вещества – одни из наиболее типичных химических продуктов, которые потребляются в больших количествах каждый день во всем мире. Слово ПАВ происходит от сокращения терминов «поверхностно-активное вещество» и охватывает группу молекул, которые способны изменять межфазные свойства жидкостей (водных или неводных), в которых они присутствуют.
Особые свойства этих молекул заключаются в их амфифильном характере, который связан с тем, что каждая молекула поверхностно-активного вещества имеет как гидрофильную часть, так и гидрофобную (или липофильную) часть. В результате они концентрируются на границах раздела несмешивающихся фаз, уменьшая межфазное натяжение [1].
В зависимости от природы гидрофильного фрагмента, обеспечивающего сродство молекулы к воде, основные ПАВ можно разделить на анионные, катионные, амфотерные и неионогенные классы. Гидрофобной частью молекулы в большинстве случаев является углеводородная цепь, однако в некоторых поверхностно-активных веществах эта гидрофобная часть может быть неуглеводородной цепью (в таких как полидиметилсилоксан или перфторуглерод).
Одним из наиболее перспективных классов поверхностно-активных веществ являются катионные ПАВ, к которым относятся и ряд синтезированных этаноламидов жирных кислот.
Катионные ПАВ характеризуются очень высокой субстантивностью на различных подложках, особенно на отрицательно заряженных, и последующими модификациями поверхности. Поэтому они широко используются в качестве кондиционирующих агентов при уходе за тканями и средствах по уходу за волосами [2].
Некоторые катионные соединения, такие как хлорид додецилдиметилбензиламмония или хлорид цетилтриметиламмония, также используются в качестве бактерицидных агентов (бактерицидов и фунгицидов). Этаноламиды высших карбоновых кислот как повернохностно-активные вещества совмещают в себе такие свойства, как бактерицидная способность, пенообразующая способность. Они являются эмульгаторами и стабилизаторами эмульсий, находят широкое применение как флотореагенты в обогащении ископаемого сырья. Этаноламиды представляют собой жидкие вязкие вещества маслянисто-коричневого цвета, имеют приятный запах, а также обладают умеренно широким спектром антимикробной активности, остаточным бактериостатическим действием на обработанные поверхности, не вызывают коррозию и эффективны в широком диапазоне pH [3].
За счет своих химических и физико-химических свойств эти вещества находят широкое применение в различных отраслях промышленности. Но больший интерес эти вещества вызывают благодаря своим бактерицидным свойствам.
В условиях сохранения рисков распространения коронавирусной инфекции потребность в синтезе этих соединений, обладающих бактерицидными свойствами, особенно велика, поскольку эти вещества могут стать ключевым ингредиентом многих чистящих и дезинфицирующих средств, включая жидкости для мытья посуды, мыло для рук, освежители воздуха и дезинфицирующие спреи, используемые в медицинских учреждениях, больницах, школах, офисах и домах.
Материалы и методы исследования
Для синтеза новых соединений в качестве сырья использовали животный жир – свиной, куриный и гусиный. Входящие в состав жира высшие карбоновые кислоты вступают в реакцию с диэтаноламином. В качестве катализатора использовался едкий калий [4].
Процесс химического взаимодействия между амином и карбоновой кислотой отображен на рисунке 1.
Рис. 1. Взаимодействие этаноламина с карбоновой кислотой
Таблица 1
Количественный состав карбоновых кислот в жире
|
Кислоты, входящие в состав жира, их количественное содержание в жире, % |
Сырье |
||
|
Свиной жир |
Гусиный жир |
Куриный жир |
|
|
Стеариновая |
17,9 |
15 |
10 |
|
Пальмитиновая |
30,4 |
31,2 |
28,6 |
|
Миристиновая |
1,1 |
3 |
2,1 |
|
Олеиновая |
41,2 |
30 |
39,8 |
|
Линолевая |
5,7 |
19,3 |
18 |
|
Арахидиновая |
2 |
- |
1 |
|
Прочие кислоты |
1,7 |
1,5 |
0,5 |
Рис. 2. Синтез амидов на различном животном сырье
За гидрофильную часть будущих ПАВ отвечали амины. Качественный и количественный состав карбоновых кислот в жире отображен в таблице 1.
В химический стакан загрузили 100 г (0,06 моль) сырья животного происхождения и 36 мл (0,18 моль) диэтаноламина и нагрели до 100°С, добавили катализатор – 0,2 г KOH. Реакционную смесь медленно нагрели до 150°С и выдержали при этой температуре в течение 3 часов.
По истечении 1 часа в химическом стакане начинают происходить изменения, а именно наблюдается, как в разделе границы двух фаз происходит диффузия, то есть химическое взаимодействие между амином и кислотой. Через 2 часа реакционная смесь становится гомогенной, и ПАВ приобретает ярко-выраженную желто-коричневую окраску.
Синтез на основе животных жиров представлен на рисунке 2.
По окончании синтеза ПАВ были проведены исследования физико-химических показателей образцов: определены их пенообразующая способность, водородный показатель, цвет и консистенция. Физико-химические показатели полученных ПАВ жирных кислот животного жира представлены в таблице 2.
Таблица 2
Физико-химические показатели ПАВ
|
Наименование показателей |
ПАВ |
||
|
Свиной жир |
Куриный жир |
Гусиный жир |
|
|
Внешний вид и консистенция |
Маслянистые вязкие жидкости |
||
|
Цвет |
Светло-желтый |
Коричневый |
Светло-коричневый |
Таблица 3
Результаты определения показателей ПАВ
|
ПАВ |
pH |
Пенообразующая способность |
Устойчивость |
|
ПАВ на свином жиру |
8 |
25 |
Устойчиво |
|
ПАВ на курином жиру |
7 |
20 |
Устойчиво |
|
ПАВ на гусином жиру |
8 |
20 |
Устойчиво |
Также было проведено определение бактерицидных свойств синтезированных ПАВ. Предварительно в термостате при 37ºС в течение 48 часов выращивали плесень (рис. 4).
Главным показателем действия поверхностно-активных веществ является их пенообразующая способность. Пенообразующая способность – это объем пены, образующийся при определенных условиях (температуре, концентрации ПАВ, способе пенообразования) из определенного объема раствора.
Пенообразующую способность ПАВ определяли согласно ГОСТ 22567.1-77, измеряя высоту столба пены, полученной встряхиванием нескольких капель исследуемого ПАВ и некоторого объема дистиллированной воды в мерном цилиндре (рис. 3).
Рис. 3. Исследование пенообразующей способности ПАВ
Количественной мерой такого свойства может служить объем получаемой пены. Образование устойчивой пены свидетельствует о хорошем качестве ПАВ, поэтому данное свойство проверяется и в условиях производственного синтеза данных соединений.
Ислледуемый образец 1 – диэтаноламид жирных кислот свиного жира, пенообразующая способность – 25 мм.
Ислледуемый образец 2 – диэтаноламид жирных кислот куриного жира, пенообразующая способность – 20 мм.
Ислледуемый образец 3 – диэтанолламид жирных кислот гусиного жира, пенообразующая способность – 20 мм.
Также было осуществлено определение значения водородного показателя. Результаты проведенных определений приведены в таблице 3.
Рис. 4. Определение бактерицидной способности ПАВ
Рис. 5. Контрольная проба плесени
Рис. 6. Образцы плесени после обработки бактерицидами
Затем брали стерильные чашки Петри, наливали 10 мл рабочего дезинфицирующего раствора 1%-ного и добавляли при помощи стерильного пинцета плесень, оставляли образцы на 24 часа. На следующий день образцы плесени без бактерицида и образец плесени с бактерицидом изучали на микроскопе (рис. 5, 6).
Заключение
В ходе проведения синтеза были получены этаноламиды жирных кислот, о чем свидетельствовали изменения в химическом стакане, а именно: по истечении 1 часа две фазы начинают смешиваться, в результате чего происходит реакция, и реакционная смесь становится однородной; наблюдается внешнее изменение цвета реагентов в стакане.
Установлено, что на основе животного сырья, содержащего в своем составе жирные кислоты, можно получать продукты амидирования этих кислот, то есть растительное сырье возможно заменить животным. Результаты этого исследования могут способствовать решению проблемы утилизации жировых отходов мясоперерабатывающих предприятий [5].
Полученные результаты по основным показателям качества соответствуют требованиям технических условий различных производителей, что свидетельствует о хорошем качестве получаемой продукции, также из 3 исследованных образцов диэтаноламид жирных кислот свиного жира обладает лучшей пенообразующей способностью. Также все поверхностно-активные вещества проявили свойство подавлять биоценоз грибковых и плесневых бактерий.