2018, Vol. 35 
2. 河北师范大学 分析测试中心, 河北 石家庄 050024
2. Analysis and Testing Center, Hebei Normal University, Shijiazhuang 050024, China
非离子表面活性剂在溶液中不是以离子形式存在的，所以稳定性很高、不易受强电解质和酸碱环境的影响，且与其他表面活性剂相容性较好.表面活性剂混合体系较单一表面活性剂性能更加优越，是实现高效率化学过程的一个有效途径，因此其聚集结构和性质的研究一直是胶体化学研究的热点之一，尤其是表面活性剂混合胶束的动态研究一直是研究者探讨表面活性剂复配体系的重中之重.利用核磁共振（NMR）技术能探测分子内部但不破坏分子本身，以及能捕捉其它波谱方法所不能得到的信息的优点，本课题组先后对阳离子-非离子表面活性剂形成的混合体系进行了系统研究[1-4]，获得了Gemini氯化物季铵盐分别与多个非离子表面活性剂形成的复配体系中混合胶束相互作用的动态性能信息.
在本研究中，我们进行了非离子-非离子表面活性剂复配体系的NMR研究，揭示了壬基酚聚氧乙烯醚（NP-10）分别与另外两种非离子表面活性剂（Tween40和C10E6）形成的混合体系在各种复配比例下的不同行为，从混合胶束的作用点排列方式及其相同与不同分子间相互作用随不同复配比例的改变等方面探究了两个混合体系的微观结构变化.
1 实验部分 1.1 实验试剂表面活性剂NP-10、Tween40和C10E6分别购自Nikko Chemicals Co., Ltd.、Tokyo Chemicals Industry Co., Ltd.和Sigma-Aldrich Co., LLC，纯度经高效液相色谱法（HPLC）测定均大于99.0%；重水（D2O, 99.9%氘代）购自Cambridge Isotope Laboratories, Inc. NP-10、Tween40和C10E6的临界胶束浓度（CMC）在298 K下由表面张力测得分别为0.06、0.86和0.19 mmol/L，三者的分子结构式及质子编号见图 1~3.
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图 1 三个非离子表面活性剂的分子结构式与质子编号 Figure 1 Molecular structures and proton indices of the three nonionic surfsctants |
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图 2 NP-10/Tween40混合体系的1H NMR谱（D2O） Figure 2 1H NMR spectrum of the NP-10/Tween40 mixture (D2O) |
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图 3 NP-10/C10E6混合体系的1H NMR谱（D2O） Figure 3 1H NMR spectrum of the NP-10/C10E6 mixture (D2O) |
NMR实验均在质子工作频率为500.13 MHz的Bruker DMX-500型NMR波谱仪上测定，溶剂为D2O，测定温度为298 K，利用预饱和反转恢复法和CPMG脉冲序列测量纵向弛豫时间（T1）和横向弛豫时间（T2），二维NOESY谱采用标准脉冲序列.为确保2D NOESY谱中相关点强度的准确性，避免系统中慢运动导致的自扩散，经过筛选最佳混合时间选为300 ms.
2 结果与讨论 2.1 化学位移值（δH）的变化表面活性剂复配体系的质子化学位移（δH）对所处化学环境较敏感，是研究复配体系的一个重要参数.位于表面活性剂胶束极性端质子在经历由单分子到聚集体形成的过程中，它的化学环境会有所改变；烷烃尾链上的质子（又称疏水链）从单一的分散状态到进入胶束内层的疏水核中，都会发生化学位移的改变.但是上述原因导致的质子化学位移变化都小于不同分子间相互作用而造成的化学位移变化.在NP-10/Tween40和NP-10/C10E6体系中，固定NP-10浓度为5.9 mmol/L，逐渐增加Tween40和C10E6的摩尔浓度.结果显示：（1）随着Tween40和C10E6的摩尔浓度的增加（从1:1/3、1:1/2、1:1、1:2、1:3……至1:10）和体系内表面活性剂总浓度的不断增大，两个体系的质子的化学位移都逐渐移向低场（见图 4、表 1和表 2）；（2）不同质子的化学位移变化差值（Δδ，见表 1和表 2）不同.在两个复配体系中，NP-10上质子化学位移变化有一致性，其分子上的N4和N5质子Δδ相对较大；Tween40分子上的T3、T4和T5质子向低场位移相对较大，Δδ分别为0.096、0.090和0.087，其余质子的Δδ在0.071~0.023之间；C10E6分子上的C4、C3和C1质子向低场位移相对较大，Δδ分别为0.094、0.083和0.082，其余质子的∆δ在0.069~0.018之间.Δδ相对较大说明该质子周围化学环境发生了较大的变化，我们推断NP-10分子上的苯环部位分别与Tween40分子上的T3、T4、T6周围和C10E6中C1、C3、C4周围发生分子间相互作用.该初步判断还需要后面二维NOESY结果的验证.
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图 4 不同复配比时，(a) NP-10/Tween40和(b) NP-10/C10E6复配体系的1H NMR谱（CNP-10=5.9 mmol/L） Figure 4 1H NMR spectra of NP-10/Tween40 (a) and NP-10/C10E6 (b) at different molar ratios (CNP-10=5.9 mmol/L) |
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表 1 不同复配比时，NP-10/Tween40复配体系中各质子的化学位移（δH）和最大化学位移变化差值（Δδ）(CNP-10=5.9 mmol/L) Table 1 1H NMR assignment and Δδ of NP-10/Tween40 at different molar ratios (CNP-10=5.9 mmol/L) |
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表 2 不同复配比时，NP-10/C10E6复配体系中各质子的化学位移（δH）和最大化学位移变化差值（Δδ）(CNP-10=5.9 mmol/L) Table 2 1H NMR assignment and Δδ of NP-10/C10E6 at different molar ratios (CNP-10=5.9 mmol/L) |
NMR实验中的弛豫时间是动力学参数，分为T1和T2两种.T1为自旋-晶格驰豫时间，对分子局部高频运动比较灵敏；T2为自旋-自旋弛豫时间，对长分子链的慢运动扩散敏感，若测得的T2/T1≤1，说明分子链的运动受到了限制[5-7].所以通过对弛豫时间的测定能获得体系混合胶束的运动状况及分子内和分子间相互作用的大小转换等重要信息.分子的质子密度越多时，质子间的偶极相互作用就越强，分子链运动就越慢，导致T2较低.在单一体系中，使得胶束的弛豫（相同分子间作用力）占主导，各质子T2的变化规律是相似的，都是随着胶束浓度的增加，各质子的T2呈现缓慢下降的趋势.但当形成复配体系后，随着总浓度的增加，各质子的T2在一定比例内出现了缓慢上升的趋势（表 3），这充分证明了混合胶束中产生了不同分子间相互作用.而当复配体系中Tween40和C10E6的摩尔浓度分别超过NP-10的2倍和4倍后，各质子T2又逐渐减小.这说明两复配体系摩尔比分别在1:2和1:4范围内，不同分子间的相互作用较强，占主导作用；当继续增加复配体系中Tween40和C10E6的摩尔浓度时，不同分子间的相互作用开始减小，而相同分子间的相互作用开始起主导作用，故不同分子间和相同分子间的相互作用随着复配比例的不同是处在动态变化中.两分子间相互作用的大小直接影响混合体系中的协同效应，即分别1:2和1:4比例下，两个复配体系协同效能较好，该结论也得到后面2D NOESY实验结果的支持.
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表 3 两体系中部分质子随复配比例变化的T2（单位为ms, CNP-10=5.9 mmol/L） Table 3 T2 values (ms) of the two mixed micellization at different molar ratios (CNP-10=5.9 mmol/L) |
TR值（即T2/T1）可判断分子链运动的难易程度：当TR≤1，表示分子链运动受到限制；若TR≤0.5，则说明分子链运动已受限严重.在这两个体系中，各分子的质子的TR值均小于1，说明两体系的混合胶束堆积的比较紧密，胶束中分子链运动受到限制；比较两体系的TR值，NP-10/Tween40较NP-10/C10E6稍小（见表 4），表明与NP-10/C10E6体系相比，NP-10/Tween40体系较胶束的分子链运动受限更加严重.
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表 4 两体系中部分质子随复配比例变化的TR（即T2/T1，CNP-10=5.9 mmol/L） Table 4 TR (T2/T1) values of the two mixed micellization at different molar ratios (CNP-10=5.9 mmol/L) |
二维NOESY谱是基于核Overhauser效应（NOE）而采用二维方式得到基团间的NOE信息的手段，换而言之它是研究大分子聚集结构中空间距离小于0.5 nm的核间距的重要方法，它能够反映混合胶束中两个表面活性剂分子之间的相互作用强弱、质子之间的距离大小以及分子的排列方式.无论是分子内质子还是分子间质子，只要是质子核间距离较近（或小于0.5 nm）的两核，在二维NOESY谱上都会出现交叉峰，而且交叉峰强度与核间距离的六次方成反比，依据NOE效应的强度与质子间的距离存在如下的关系式，可求出质子间的距离及其变化[8, 9].
| $ \sqrt[^{^{^{^{^{^{6}}}}}}]{\frac{{{I}_{45}}}{{{I}_{mn}}}}=\frac{\mathop{r}_{mn}}{\mathop{r}_{45}} $ | (1) |
(1) 式中，rmn表示m质子和n质子之间的距离，Imn表示m质子和n质子之间的交叉峰强度.(1)式表明交叉峰的强度越强，说明两质子间的距离越近，那么作用力越强，由此就可以从2D NOESY谱图中定量的分析出两个表面活性剂的相互作用力变化情况.
为方便比较，选择NP-10苯环上N-4与N-5质子间距（r45）为参考距离.依据苯环的空间结构，可以求出N-4与N-5之间的距离是0.24 nm，再由(1)式可以计算出其它两个质子间的距离.
在298 K下两个体系NP-10/Tween40和NP-10/C10E6的2D NOESY谱在不同摩尔比下都存在着分子间的相互作用点. NP-10/Tween40体系的2D NOESY谱中，除了分子内相互作用点如T6-T3、N4-N1、N4-N5外，还显示8个不同分子间相关点：T6-N4、T6-N5、T4-N4、T4-N5、T4-N6、T4-N3、T3-N4和T3-N5（见图 5），表明了NP-10苯环的质子与Tween40的五元环氧烷烃质子和部分烷烃链质子间距离小于0.5 nm，这些部位存在分子间相互作用，证明了NP-10与Tween40复配后能够形成混合胶束，且随着体系的摩尔比从1:1/3增大到1:10时，混合胶束分子间质子距离是动态变化的（见表 5），在体系摩尔比1:2时，NP-10与Tween40分子间的相互作用最强（Tween40中的T2与NP-10中的N2峰重叠，故不予讨论）.
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图 5 NP-10/Tween40体系复配比例为1:1时的2D NOESY谱图及局部扩展图 Figure 5 The full and partial 2D NOESY spectra of NP-10/Tween40 at the molar ratio of 1:1 |
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表 5 不同复配比例下，混合胶束的质子距离（单位为nm） Table 5 Proton distance (nm) of the mixed micelles at different molar ratios |
在NP-10/C10E6体系的2D NOESY谱中，除了存在分子内相互作用点如C1-C4、N7-N1、N4-N5外，也存在8个分子间相关点：C1-N4、C1-N5、C2-N4、C2-N5、C3-N4、C3-N5、C4-N4和C4-N5（见图 6），表明了NP-10苯环的质子与C10E6分子非极性部分的烷烃链质子C1、C2、C3和C4均有相互作用，形成混合胶束.同样随着体系的摩尔比从1:1/3增大到1:10时，混合胶束分子间质子距离是动态变化的（见表 5），在体系摩尔比1:4时，NP-10与C10E6分子间的相互作用最强.
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图 6 NP-10/C10E6体系复配比例为1:1时的2D NOESY谱图及局部扩展图 Figure 6 The full and partial 2D NOESY spectra of NP-10/C10E6 at the molar ratio of 1:1 |
在上述两个体系中，由2D NOESY实验（表 5）得出NP-10/Tween40体系中分子间质子间距比NP-10/C10E6更短，说明与NP-10/C10E6相比，NP-10/Tween40体系中分子间相互作用更大.
根据分子间相互作用点（箭头表示）可推测出两分子间形成胶束的排列方式（图 7）.
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图 7 (a) NP-10/Tween40和(b) NP-10/C10E6胶束相互作用点及排列方式的示意图 Figure 7 The arrangement and interaction sites of NP-10/Tween40 (a) and NP-10/C10E6 (b) |
本文研究和比较了两种复配体系（NP-10/Tween40和NP-10/C10E6）在不同的摩尔比下的各种NMR参数（δ、T1、T2、质子间距）变化.通过Δδ和2D NOESY实验确认了不同分子间相互作用的具体位点，通过二维NOESY谱中交叉峰面积计算得到了两个体系在不同复配比例时的分子间作用大小，又依据分子间相互作用点得到了它们空间的排列方式.结果表明两个混合胶束中不同分子间和相同分子间的质子间距离均随着复配比例的增加而变化；但是分子间相互作用位点不随复配比例的增加而改变，它们不同分子间作用点都在NP-10的苯环上；与NP-10/C10E6相比，NP-10/Tween40体系的不同分子间质子间距更小，相互作用更大.T2测定和空间距离计算结果表明NP-10/Tween40和NP-10/C10E6两个复配体系的较佳摩尔配比分别为1:2和1:4.T2/T1反映了与NP-10/C10E6相比，NP-10/Tween40混合胶束分子链的运动受限更加严重.
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