胆酸盐类双亲分子与阳离子表面活性剂的相互作用

摘要

相反电荷表面活性剂混合体系的相互作用和协同效应极大地改变了溶液的表面性质和体相性质，得到了日益广泛的应用。生物相容聚集体的构建及结构调控是溶液、胶体、生物、医药等相关学科的热点课题，是发展聚集体药物载体的关键所在。因此对于双亲分子的聚集体的生物相容性、热力学稳定性、以及聚集形态的可调控性研究，应从双亲分子的空间构象、疏水基团的性质、极性基团的大小和电荷密度等因素进行综合考虑。目前对于这类体系能够得到的可参考的热力学参数是孤立的，并且相当稀少，急需热力学方面系统完整的工作。论文采用恒温滴定量热与电导率和浊度测定互补的方法，从热力学的角度，研究了含有胆汁酸的双亲分子混合体系的自组装热力学。研究内容和结果如下:
　　1.恒温滴定量热计的标定
　　恒温滴定量热法(ITC)是研究分子间弱相互作用最有效的实验手段之一，也是本论文工作运用的主要热力学研究方法。因此我们首先对TAMⅢ-ITC(TAinstruments美国)纳焦级量热计进行了电标定实验和标准反应热测量，结果表明本量热计的精密度为±0.09％;量热用基准物质三羟甲基氨基甲烷(Tris)与盐酸的反应热((-47.48±0.12)kJ·mol-1)与文献值很好地一致。
　　2.单一双亲分子水溶液的自组装热力学
　　采用恒温滴定量热法(ITC)与电导率测定方法对于合成的阳离子二聚体型和阴离子胆汁酸盐型生物表面活性剂在水溶液中的分子自组装行为进行了热力学表征。目前对于胆汁酸盐表面活性剂直接的量热研究很少，因此对其胶束化的热力学性质缺乏系统和定量的表征，对于预胶束和胶束形成的热力学控制因素还缺少直接的量热证明，对于聚集机理的讨论也存在不同争议。工作取得的主要结果如下:
　　(1)对于阳离子二聚体(C12CsC12Br2，S=2，6，10)和它的单体季铵盐（十二烷基三甲基溴化铵）DTAB以及胆汁酸盐（（胆酸钠与脱氧胆酸盐）NaC，NaDC)，我们获得了它们的胶束化热力学性质，并研究了胶束形成的热力学机理。
　　(2)NaDC恒温滴定量热实验结果显示NaDC的观测焓曲线在低浓度区和较高浓度区有两个明显的ΔHobs突变，表明NaDC水溶液有两种聚集形态形成。从能量上获得的信息支持了NaDC的分步聚集模型。由此我们得到NaDC的预胶束和胶束化过程的一系列热力学参数。我们讨论了NaDC的预胶束和稳定胶束形成的热力学机理，表明预胶束化过程是熵驱动，而胶束化过程是由熵焓共同驱动的。
　　3.相反电荷混合表面活性剂体系的热力学和相行为
　　生物表面活性剂胆汁酸盐的分子之间存在疏水面之间的相互作用、亲水面羟基的氢键作用和羧基极性头之间的氢键与静电排斥作用，这些相互作用会反映在混合表面活性剂体系。了解这些相互作用能量的相对大小、能量平衡的建立，是建立适合的热力学模型和调控混合表面活性剂分子间聚集形态的基础。我们研究了如下相反电荷表面活性剂混合体系:(i)传统的阳离子季铵盐和阴离子胆汁酸盐（DTAB+NaC，DTAB+NaDC）;(ii)合成阳离子二聚体、和阴离子胆汁酸盐(C12CsC12Br2+NaC，C12CsC12Br2+NaDC)。工作取得的主要结果如下:
　　(1)我们通过恒温滴定量热研究了这些混合体系在富胆汁酸盐区和富DTAB或富C12CsC12Br2区的热力学行为。由此得到它们重要的热力学参数——临界混合胶束浓度、混合胶束化焓以及两种表面活性剂之间的相互作用焓。从这些热力学能量参数，分析了聚集体形成的驱动力。富NaDC或NaC胶束化过程为熵驱动，而富DTAB或C12CsC12Br2的两种胶束形态转变过程为熵焓共同驱动的热力学机理。
　　(2)表面活性剂的分子结构对于混合体系的聚集行为有着重要影响，结果表明DTAB和NaDC的协同作用明显强于DTAB和NaC体系。NaDC与NaC相比在亲水面上少一个羟基，因此有更小的cmc值，并直接影响混合cmcmic-mix值。
　　(3)C12CsC12Br2/NaC体系在等电荷比之前形成液晶的聚集体，而非等电荷沉淀。在等电荷比之后，混合体系液晶完全溶解，即转变为富阳离子混合胶束。对于不同摩尔比下的C12C6C12Br2/NaDC混合体系，结果表明在C12C6C12Br2的低浓度区，没有形成1∶1的离子对，而是形成等电荷复合物。对于不同间隔集团(spacer)对C12CsC12Br2(S=2，6，10)/NaDC混合体系相互作用的影响，我们得到了体系存在较宽的液晶相组成区间。对于含C12C6C12Br2或C12C10C12Br2的混合体系，最大浊度皆出现在等电荷浓度(cnc)之前，而含C12C2C12Br2的混合体系，最大浊度出现在cnc之后。C12CsC12Br2/NaDC体系与C12CsC12Br2/NaC体系的一个重要的差别是在等电荷比以前没有出现再溶解的临界点，说明有NaDC存在的体系形成更加稳定的聚集体结构。
　　我们通过恒温滴定量热法与电导率和浊度测定相结合，确定了上述类型混合体系的相界限，分析了这些相反电荷混合体系的相行为。从而提出了链式与面式两种不对称疏水结构表面活性剂之间相互作用的热力学模型。
　　4.相反电荷的疏水改性聚电解质和表面活性剂混合体系的自组装热力学
　　我们选用含胆汁酸疏水改性侧链的葡聚糖(Dex-CACOONa15)分别与DTAB及C12C6C12Br2构成混合体系，采用ITC与浊度技术相结合，研究了这类体系的分子聚集热力学特性和相行为。探讨了二者浓度和混合比变化对聚集形态转变和宏观上的相变的影响，确定了相界限和相互作用的热力学参数。在论文中我们也讨论了聚电解质的胆酸疏水改性部分、表面活性剂分子的结构以及双亲分子的浓度对混合体系相互作用的影响，由此分析确定了混合聚集体形成的驱动力。
　　所有的研究工作在《物理化学学报》、《J.Chem.Thermodynamics》、《中国科学》杂志上发表论文3篇，国内外会议论文6篇，另有一篇工作在整理中。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 表面活性剂的热力学研究

1．2．1 传统单链表面活性剂的热力学研究进展

1．2．2 二聚体表面活性剂的热力学研究进展

1．2．3 生物相容性表面活性剂胆汁酸盐的热力学研究进展

1．3 胆汁酸盐和相反电荷表面活性剂混合体系的热力学研究

1．3．1 胆汁酸盐和传统单链表面活性剂之间的相互作用

1．3．2 胆汁酸盐和C12CSC12Br2表面活性剂之间的相互作用

1．4 表面活性剂与疏水改性聚电解质之间的相互作用

1．4．1 表面活性剂与疏水改性聚电解质混合体系(HMPEs)

1．4．2 传统单链表面活性剂与疏水改性聚电解质的相互作用的热力学进展

1．4．3 C12CSC12Br2表面活性剂与疏水改性聚电解质混合体系

1．5 恒温滴定量热计(ITC)

1．6 本论文的研究意义和主要内容

1．6．1 研究意义

1．6．2 研究内容

第二章 恒温滴定量热计的标定及测试

2．1 恒温滴定量热计简介

2．2 实验部分

2．2．1 实验仪器与试剂

2．2．2 电标定实验

2．2．3 化学标定实验

2．3 结果与讨论

2．3．1 电标定实验

2．3．2 Tris和HCl化学标定实验

2．4 结论

第三章 表面活性剂的自组装热力学

3．1 临界胶束浓度(cmc)和胶束化焓(ΔHobs)的确定

3．2 实验部分

3．2．1 试剂

3．2．2 C12CSC12Br2(S=2，6，10)表面活性剂的合成

3．2．3 双亲分子水溶液恒温滴定量热的测定

3．2．4 双亲分子水溶液电导率的测定

3．3 结果与讨论

3．3．1 传统单链表面活性剂SDS、DTAB的聚集热力学

3．3．2 生物型表面活性剂NaC、NaDC的聚集热力学

3．3．3 C12CSC12Br2(S=6，10)表面活性剂的聚集热力学

3．4 结论

第四章 相反电荷混合表面活性剂体系的自组装热力学

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 试剂

4．2．2 相反电荷混合体系的恒温滴定量热

4．2．3 相反电荷混合体系的电导率测定

4．2．4 相反电荷混合体系浊度的测量

4．2．5 混合体系透射电镜(TEM)的测定

4．3 结果与讨论

4．3．1 DTAB／NaC混合体系的聚集热力学

4．3．2 DTAB／NaDC混合体系的聚集热力学

4．3．3 C12CSC12Br2／NaC混合体系的聚集热力学

4．3．4 C12CSC12Br2／NaDC混合体系的聚集热力学

4．4 小结

第五章 疏水改性聚电解质与相反电荷表面活性剂的相互作用

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 试剂

5．2．2 混合体系的恒温滴定量热

5．2．3 混合体系浊度的测定

5．2．4 混合体系透射电镜(TEM)的测定

5．3 结果与讨论

5．3．1 疏水改性聚电解质Dex-CACOONa15的自聚集过程

5．3．2 DTAB／Dex-CACOONa15的混合体系的聚集热力学

5．3．3 C12C6C12Br2／Dex-CACOONa15的混合体系的聚集热力学

5．4 小结

第六章 结论与展望

参考文献

致谢

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