表面活性剂相关知识整理

涉及表面活性剂的概念、分类、基本性质、生物学性质和应用。

表面活性剂

• 表面活性剂的概述
  • 概念
    • 表面活性剂指具有很强表面活性、能使液体的表面张力显著下降的物质。
    • 表面张力指使液体表面分子向内收缩至最小面积的这种力。
  • 结构特点
    • 表面活性剂分子
      • 非极性烃链包括八个碳原子以上烃链。
      • 极性基团包括羧酸、硫酸、磺酸、氨基或胺基及其盐，也可是羟基、酰胺基、醚键等。
  • 吸附性
    • 表面活性剂分子在溶液中的正吸附
      • * 表面活性剂在溶液的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，体现出较低的表面张力，进而产生较好的湿润性、乳化性、起泡性等。 * 当表面活性剂浓度很低，但降低表面活性张力很显著，则它的表面活性越强，越容易形成正吸附。
    • 表面活性剂分子在固体表面的吸附
      • * 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。 * 对于极性固体物质在表面活性剂浓度较低时形成单层吸附；当其达到临界胶束浓度时，转为双层吸附；对于非极性分子，一般只发生单分子层吸附。
  • 分类
    • 根据分子组成特点和极性基团解离性质
      • 离子表面活性剂
        • 阳离子表面活性剂
          • 起表面活性作用的部分是阴离子，亦称阳性皂
            • 结构：含有一个五价氮原子
            • 特点：水溶性大，在酸性和碱性溶液中较稳定，具有良好的表面活性和杀菌作用。
            • 应用：杀菌，防腐，皮肤、粘膜手术器械的消毒。
            • 常用药物：苯扎氯铵(结尔灭)，苯扎溴铵(新洁尔灭)
        • 阴离子表面活性剂
          • 起表面活性作用的部分是阴离子
            • 高级脂肪酸盐
              • 通式：(RCOO)n-Mn+
              • 分类：
                • 一价金属皂（钾、钠皂）
                • 二价或多价皂(铅、钙、铝皂)
                • 有机胺皂(三乙醇胺皂)
              • 性质：具有良好的乳化能力，易被酸及多价盐破坏，电解质使之盐析。
              • 应用：具有一定的刺激性，只供外用。
            • 硫酸化物
              • 通式：R·O·SO3-M+
              • 分类：
                • 硫酸化油(硫酸化蓖麻油称土耳其红油)
                • 高级脂肪醇硫酸脂（十二烷基硫酸钠）
              • 性质：可与水混溶，为无刺激的去污剂和润湿剂；乳化性很强，稳定、耐酸、钙，易与一些高分子阳离子药物发生沉淀。
              • 应用：代替肥皂洗涤皮肤；有一定刺激性，主要用于外用软膏的乳化剂，有时也用于片剂等固体制剂的润湿剂或增溶剂。
            • 磺酸化物
              • 通式：R·SO3-M+
              • 分类：
                • 脂肪族磺酸化物(二辛玻珀酸脂磺的钠)
                • 烷基芳基磺酸化物(十二烷基苯磺酸钠、常用洗涤剂)
                • 烷基苯磺酸化物
                • 胆酸盐(牛黄胆酸钠)
              • 性质：水溶性，耐酸、钙、镁盐性比硫酸化物差，不易水解。
              • 应用：用作肠胃脂肪的乳化剂和但脂肪酸甘油酸的增溶剂；较好的洗涤剂。
        • 两性离子表面活性剂
          • 分子结构上同时具有正负电荷基团的表面活性剂，随介质的pH可成阳或阴离子型。
            • 常用品种：卵磷脂、氨基酸型和甜菜碱型两性离子型表面活性剂。
            • 最大优点：适用于任何pH溶液，在等电点时也无沉淀。
            • 性质：碱性水溶液中呈阴离子性质，起泡性良好、去污能力强；酸性水溶液中呈阳离子性质，杀菌能力强，毒性小。
      • 非离子表面活性剂
        • 在水溶液中不解离
          • 结构组成
            • 亲水基团(甘油、聚乙二醇、山梨醇)
            • 亲油基团(长链脂肪酸、长链脂肪醇、烷基或芳基)
            • 酯键、醚键
          • 性质：毒性，溶血作用较小，化学上不解离，不易受电解质、pH值影响，能与大多数药物配伍，应用广泛(外用、内服、注射)。
          • 常用品种：
            • 脂肪酸甘油酯
              • 主要有脂肪酸单甘油酯和脂肪酸二甘油酯，
              • 性质：不溶于水，在水、热、酸、碱及酶的作用下易水解成甘油和脂肪酸，HLB 3~4，表面活性弱。
              • 应用：主要用作W/O型辅助乳化剂。
            • 多元醇型
              • 蔗糖脂肪酸酯
                • 简称蔗糖酯，是蔗糖和脂肪酸反应生成的一大类化合物。
                • 根据脂肪酸取代数不同分为：单酯、二酯、三酯及多酯。
                • 性质：溶于丙二醇、乙醇，但不溶于水和油；在酸、碱及酶的作用下易水解成蔗糖和脂肪酸，HLB 5~13，表面活性弱。
                • 应用：主要用作O/W型乳化剂、分散剂。
              • 脂肪酸山梨坦(司盘类Spans)
                • 即脱水山梨醇脂肪酸酯，是山梨糖醇及其单酐和二酐＋各种脂肪酸→Spans(混合物)
                • 根据脂肪酸品种和数量不同分为
                • 应用：HLB 1.8~3.8，因其亲油性较强，一般用作水/油乳剂的乳化剂，；用于搽剂，软膏，也可作为乳剂的辅助乳化剂。
              • 聚山梨酯(吐温Tweens)
                • 即聚氧乙烯脱水山梨醇脂肪酸酯
                • 脱水山梨醇脂肪酸酯＋环氧乙烷→Tweens(亲水性化合物)。因也有一次和二次脱水，故为混合物。
                • 根据脂肪酸品种和数量不同分为
                • 应用：亲水性大大增加，为水溶性表面活性剂，用作增溶剂、乳化剂、分散剂和湿润剂。
            • 聚氧乙烯型
              • 聚氧乙烯脂肪酸酯(卖泽类Myrj)
                • 系聚乙二醇与长链脂肪酸缩合而成的酯。
                • 通式：R·COO·CH2(CH2OCH2)nCH2·OH
                  • 因n不同，产品常用的有：Myrj-45/-49/-51/-52/-53
                • 应用：具有较强水溶性，乳化能力强，做增溶剂和油/水型乳化剂。常用的有聚氧乙烯40硬脂酸酯。
              • 聚氧乙烯脂肪醇醚
                • 系乙二醇与脂肪缩醇合而成的醚。
                • 通式：R·O·(CH2OCH2)nH
                • 产品种类：
                  • 苄泽类(Brij)。如Brij-30和Brij-35分别为不同分子量的聚乙二醇和月桂醇的缩合物。n为10-20时做油/水乳化剂。
                  • 西土马哥(Cetomacrogol)。为聚乙二醇和十六醇的缩合物。
                  • 平平加O(Perogol O)。为15单位氧乙烯与油醇的缩合物。
                  • 埃莫尔弗(Emlphor)。为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，埃莫尔弗易溶于水和醇及多种有机溶剂，HLB 12~18，具有较强亲水性，乳化能力强，做增溶剂和油/水型乳化剂。如西土马哥为聚氧乙烯蓖麻油甘油醚，氧乙烯单位为35~40，HLB 12~14。
            • 聚氧乙烯-聚氧丙烯共聚物
              • 即泊洛沙姆(poloxamer)，商品名普朗尼克(Pluronic)。
              • 通式：HO(C2H4O)a-(C3H6O)b-(C2H4O)cH
              • 性质：
                • 为淡黄色液体或固体
                • 分子量：1000~14000
                • HLB：0.5~30
                • 随聚氧丙烯比例增加，则亲油性增强；随聚氧乙烯比例增加，则亲水性增强；具有乳化、湿润、分散、气泡和消泡等多种优良性能，但增溶能力较弱。
              • 特点：对皮肤无刺激和过敏性，对粘膜刺激性很大，毒性较小。Poloxamer 118(Pluronic 68)可作为O/W型乳化剂，是目前用于静脉乳剂少数合成的乳化剂之一，用本品制备的乳剂能耐受热压灭菌和低温冰冻儿不改变其物理稳定性。
    • 高分子表面活性剂和低分子表面活性剂
• 表面活性剂的基本性质和应用
  • 表面活性剂胶束
    • 临界胶束浓度
      • 胶束：当溶液内表面活性剂分子不断增加时，其疏水部分相互吸引，缔和在一起，亲水部分向着水，几十个或更多分子缔和在一起形成缔和的粒子，称为胶束。
      • 临界胶束浓度(CMC)：表面活性剂分子缔和形成胶束的最低浓度。
    • 胶束的结构
    • 临界胶束浓度的测定
      • CMC时，溶液表面张力基本达到最低值，而且溶液的摩尔电导、粘度、渗透压、密度、光散射等多种物理性质发生急剧变化。利用这些性质与表面活性剂浓度之间的关系，可推测出表面活性剂的临界胶束浓度。(过了临界胶束浓度，表面张力不再变化嘛？)
      • 温度、浓度、电解质、pH值等因素对测定结果也会产生影响。
  • 亲水亲油平衡值
    • HLB值的概念
      • 亲水亲油平衡值系表面活性剂分子中亲水和亲油基团对油或水的综合亲和力，是用来表示表面活性剂的亲水亲油强弱的数值。
      • 数值范围：HLB 0~40。其中非离子表面活性剂 HLB 0~20，即石蜡为0，聚氧乙烯为20。
      • 特性与应用：
        • 亲油性表面活性剂的HLB低，亲水性表面活性剂的HLB高。亲油性或亲水性很大的表面活性剂易溶于油或易溶于水。
        • * HLB值 3~6的表面活性剂适合作W/O型乳化剂； * HLB值 8~18的表面活性剂适合作O/W型乳化剂； * HLB值 7~9的表面活性剂适合作润湿剂； * HLB值 13~18的表面活性剂适合作增溶剂；
    • HLB的计算
      • 对非离子型表面活性剂，可通过经验式求得：非离子型表面活性剂的HLB具有加和性。HLBab=(HLBa×Wa+HLBb×Wb)/(Wa+Wb)
      • 理论计算法：如果HLB值是由表面活性剂分子中各种结构基团贡献的总和，则每个基团对HLB值的贡献可用数值表示，此数值称为HLB基团数。 HLB=∑(亲水基团HLB)+∑(亲油基团HLB)+7
  • 表面活性剂的增溶作用
    • 胶束增溶
      • 表面活性剂在水溶液中达到CMC后，一些水不溶性或微溶性物质在胶束溶液中的溶解度可显著增加，形成透明胶体溶液，这种作用称为增溶。
      • * 一些挥发油、脂溶性维生素、甾体激素等许多难溶性药物常借此增溶，形成澄明溶液及提高浓度。 * 胶束增溶体系是热力学稳定体系也是热力学平衡体系。 * 在CMC以上，随着表面活性剂用量的增加，胶束数量增加，增溶量也相应增加。 * 当表面活性剂的用量为1g时，增溶药物达到饱和的浓度即为最大增溶浓度(MAC)。 * 表面活性剂CMC及缔合数不同，增溶MAC就不同，CMC越低，缔合数越大，MAC就越高。
    • 温度对增溶的影响
      • * 影响胶束的形成； * 影响增溶质的溶解； * 影响表面活性剂的溶解度； * (对于离子表面活性剂，温度上升主要是增加增溶质在胶束中的溶解度，以及增加表面活性剂的溶解度。)
    • Krafft点
      • 当温度升高至某一温度时，离子表面活性剂在水中的溶解度急剧升高，该温度称为krafft点，相对应的溶解度即为该离子表面活性剂的临界胶束浓度(CMC)。
      • * krafft点是离子表面活性剂的特征值，krafft点越高，则CMC越小。 * krafft点也是离子表面活性剂应用温度的下限，即只有高于krafft点，表面活性剂才能更大的发挥作用。
    • 起昙与昙点
      • 对聚氧乙烯型非离子表面活性剂，温度升高可导致聚氧乙烯链与水之间的氢键断裂，当温度上升到一定程度时，聚氧乙烯链可发生强烈的脱水和收缩，是增溶空间减小，增溶能力下降，表面活性剂溶解度急剧下降和析出，溶液出现浑浊，此现象称为起昙，此时的温度称为昙点(或浊点)。
      • 在聚氧乙烯链相同时，碳氢链越长，浊点越低；在碳氢链长相同时，聚乙烯链越长，浊点越高。
  • 表面活性剂的复配
    • 复配：
      • 表面活性剂相互间或与其他化合物的配合使用称为复配。
      • 适当的复配体系在增溶、乳化、气泡等性能方面优于单一表面活性剂体系，不适当的配伍将破坏表面活性的作用。
    • 与中性无机盐的配伍
      • 在离子表面活性剂溶液中加入可溶性的中性无机盐，则反离子会产生一定的影响：反离子结合率越高和浓度越高，表面活性剂CMC降低就越显著，从而增加了胶束数量，增加烃核总体积，增加了烃类增溶质的增容量。
      • 由于无机盐是胶束栅状层分子间的电斥力减少，分子排列更紧密，减少了极性增溶质的有效增溶空间，故对极性药物的增溶量降低。
      • 无机盐对离子表面活性剂的影响较小，但在高浓度时(＞0.1mol/L)可破坏表面活性剂聚氧乙烯等亲水基与水分子的结合，使浊点降低。
    • 有机添加剂
      • 脂肪醇与表面活性分子形成混合胶束，烃核的体积增大，对碳氢化合物的增溶量增加，一般对碳原子在12以下的脂肪醇有较好的效果。
      • 一些多元醇(如果糖、木糖、山梨醇等也有类似效果)
      • 一些短链醇不仅不能与表面活性剂形成混合胶束，还可能破坏胶束的形成，如C1~C6的醇等。
      • 极性有机物(如尿素、N-甲基乙酰胺、乙二醇等均升高表面活性剂的临界胶束浓度)。
    • 水溶性高分子
      • 水溶性高分子吸附表面活性剂，减少溶液中游离表面活性剂的分子数量，临界胶束浓度升高。
      • 水溶性高分子与表面活性剂形成不溶性复合物，但在含有高分子的溶液中，一旦有胶束形成，其增溶效果却显著增加。
    • 表面活性剂混合体系
      • 同系物混合体系
        • 两个同系物等量混合体系的表面活性介于两者之间而更趋于活性较高(即碳链更长)的活性物，对CMC较小组分有更大影响。
        • 混合体系的CMC与各组分摩尔分数不呈线性关系，也不等于简单加和平均值。
      • 非离子型表面活性剂与离子型表面活性剂混合体系
        • 两者更容易形成混合胶束，CMC介于两种表面活性剂的CMC之间，或低于其中任一表面活性剂的CMC。
        • 对于阴离子型表面活性剂与聚氧乙烯型非离子型表面活性剂混合体系，当聚氧乙烯数增加时，可能发生更强的协同作用，但电解质可使协同作用减弱。
      • 阳离子型表面活性剂与阴离子型表面活性剂混合体系
        • 表面活性剂混合物的增效程度与两者混合比例及碳氢链长度有关，碳氢链长度越接近以及碳氢链越长，增溶作用也越强。
        • 带有相反电荷的离子型表面活性剂的适当配伍可形成具有很高表面活性的分子复合物，对湿润、增溶、起泡、杀菌等均有增效作用。
        • 如混合比例不当、混合方法不适，可导致溶解度很小的离子化合物从溶液中沉淀。
  • 表面活性剂增溶作用的应用
    • 增溶相图
      • 增溶体系是溶剂、增溶剂和增溶质组成的三元体系，三元体系的最佳比例常通过实验制作三元相图来确定。
      • 制作三元相图：按一组比例取增溶剂和增溶质混匀，分别滴加蒸馏水，计算各混浊点处三组分的重量或体积百分数，并绘入三角坐标图中。
    • 解离性药物的增溶
      • 当解离药物与带有相反电荷的表面活性剂混合时，在不同配比下可能出现增溶、形成可溶性复合物和不溶性复合物等复杂情况。
      • 解离药物与非离子表面活性剂的配伍很少形成不溶性复合物，但pH值可明显影响药物的增溶量。对于弱酸性药物而言，在偏酸性环境中有较大程度的增溶；对于弱碱性药物而言，在偏碱性环境中有较大程度的增溶；作为两性离子则在等电点时有最大增溶量。
    • 多组分增溶质的增溶
      • 制剂中有多组分存在时，对主药的增溶效果取决于各组分与表面活性剂的相互作用。
      • 增溶量减少
        • 多种组分与主药竞争同一增溶位置。
        • 某一组分吸附或结合表面活性剂分子。
      • 主药的增溶量增加
        • 某些组分也可扩大胶束体积。
    • 抑菌剂的增溶
      • 抑菌剂或其他抗菌药物在表面活性剂溶液中易被增溶而降低活性，需增加用量才能达到原来相同的抑菌效果。
    • 表面活性剂溶液的化学稳定性
      • 药物增溶后的稳定性可能与胶束表面性质、结构和胶束缔和体的反应性、药物本身的降解途径、环境的pH值、离子强度等多种因素有关。
    • 增溶剂的加入顺序
      • 在实际增溶时，增溶剂的增溶能力可因组分的加入顺序不同出现差别。
      • 通常将增溶质与增溶剂先行混合要比增溶剂与水混合的效果好。如果在使用中无需稀释，则用二元相图选择配比较好。
      • 在增溶药物时，达到增溶平衡时往往需要较长的时间。
  • 表面活性剂的其他应用
    • 表面活性剂除了增溶外，还常用做乳化剂、润湿剂、助悬液、起泡剂、消泡剂、去污剂、消毒剂或杀菌剂等。
    • 起泡剂和消泡剂：起泡剂通常具有较强的亲水性和较高的HLB值。在产生稳定泡沫的情况下，加入一些HLB值为1~3的亲油性较强的表面活性剂，可以使泡沫破坏。
    • 去污剂：HLB值一般在13~16左右。
    • 消毒剂和杀菌剂：大多数阳离子表面活性剂和两性离子表面活性剂都可以作为消毒剂，少数阴离子表面活性剂也有类似作用。
• 表面活性剂的生物学性质
  • 对药物吸收的影响
    • * 表面活性剂的存在可能增加药物吸收，也可能降低药物的吸收。 * 若药物系被增溶在胶束 内，且能顺利从胶束内扩散或胶束本身迅速与胃肠粘膜融合，则可增加吸收。 * 溶解生物膜脂质增加皮细胞的通透性，从而改善吸收。 * 形成高粘度团块，降低胃空速率，增加药物吸收。 * 浓度的大小也有重要影响。
  • 表面活性剂与蛋白质的相互作用
    • 离子型蛋白质在酸性或碱性介质中都有可能与蛋白质结合。 *在碱性中，羧基解离，[蛋白质]-加[表面活性剂]+→电性结合。 *在酸性中，胺基、氨基酸解离，[蛋白质]-加[表面活性剂]+→电性结合。 *蛋白质构象中的次级键(盐键、氢键、疏水键)+表面活性剂→盐键、氢键、疏水键破坏→蛋白质内部变成无秩序的疏松状态→破坏螺旋结构→蛋白质变性。
  • 表面活性剂的毒性
    • 表面活性剂毒性大小：一般是阳离子型>阴离子型＞非离子型
    • 口服给药呈慢性毒性：大小顺序也是阳离子型>阴离子型＞非离子型，非离子型表面活性剂口服相对没有毒性。静脉给药与口服比较具有较大的毒性。阴、阳离子表面活性剂不仅毒性较大，而且有溶血作用。非离子型表面活性剂也有溶血作用，但一般比较小。
  • 表面活性剂的刺激性
    • 各类表面活性剂以外用制剂的形式长期应用或高浓度使用时可能出现皮肤或粘膜损害。但非离子型的表面活性剂对皮肤、粘膜的刺激最小。