《Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects》：Facile and green synthesis of piperazine-based amido-amine surfactants: enabling dual mode pH-switchable and multi-stimuli-responsive self-assembly
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高效合成pH双响应表面活性剂及多刺激自组装特性研究。
Fan Min|朱佳明|丁伟|周文婷|王德祺|Cécile A. Dreiss|朱宗林
湖南大学化学与化学工程学院化学与生物传感国家重点实验室，长沙410082，中国
摘要
刺激响应性氨基胺表面活性剂的开发常常受到合成方法效率低下、对环境造成负担以及单一响应模式有限的阻碍。我们假设，利用膜辅助脱水策略可以实现复杂表面活性剂结构的绿色合成，并提升其自组装能力。本文报道了一种新型哌嗪基氨基胺表面活性剂的高效无催化剂合成方法，该方法采用了一种配备超疏水膜的定制装置。通过持续调整反应平衡，该方法实现了接近定量的产率。所得表面活性剂含有哌嗪结构单元，赋予其独特的双模式pH响应性，从而形成明显的高粘度窗口。该粘度状态的转变表现出不对称的动力学特性：在高pH值下迅速发生（几秒内），而在低pH值下则逐渐发生（几小时内）。通过使用不同的酸可以调节这一pH窗口，其中醋酸能够诱导时间依赖性的粘度变化和盐响应性。通过流变分析、核磁共振光谱和冷冻透射电子显微镜（cryo-TEM）的全面表征发现，这些新型性质源于哌嗪结构单元对自组装过程的影响。此外，该表面活性剂还表现出对二氧化碳（CO2）的响应性，进一步拓展了其应用范围。这项工作克服了传统合成方法和单一刺激系统的局限性，为设计先进的智能材料提供了一个多功能平台。
引言
自组装是软物质化学中的基本过程[1]，[2]，其过程由表面活性剂分子的亲水-亲油性质和疏水驱动力[3]调控。这些分子在溶液中自发形成多种形态：球体[4]、囊泡[5]和其他纳米结构[6]，这些形态决定了其在药物输送[7]和材料科学[8]等众多领域的功能、宏观性质和最终应用。传统上，表面活性剂来源于石化产品，这引发了关于可持续性和环境影响的担忧[9]，[10]。为了解决这些问题，氨基胺表面活性剂因其可生物降解性和较低的毒性[11]，[12]，[13]而成为有前景的替代品。然而，氨基胺表面活性剂的合成仍然具有挑战性，通常需要复杂的多步骤过程，这些过程既不高效也不环保[14]，[15]，[16]。理想的合成方法是直接缩合胺类和羧酸，这是一种简单且原子利用效率高的反应[17]，[18]，[19]。然而，由于反应受到平衡的限制，很难获得高产率，这常常导致转化不完全[20]。克服这些合成障碍对于充分发挥氨基胺表面活性剂在可持续软物质技术中的潜力至关重要。
能够通过外部刺激（如pH值[21]，[22]、光[23]，[24]和热[25]，[26]）调节自组装特性的表面活性剂具有重要的应用优势。在这些刺激因素中，pH值是最实用且经济的选择[27]。然而，目前的pH响应系统通常功能有限，需要添加助溶剂[28]，并且通常只表现出单一模式的响应性[29]。这一限制显著影响了它们在需要精确控制纳米结构自组装和解组装的应用中的多功能性，而纳米结构的这些特性决定了材料的性能和流变特性[30]。这一限制的根本原因在于传统表面活性剂的线性结构，它们通常只有一个质子化位点[31]，[32]，[33]。因此，迫切需要创新的分子设计来充分发挥pH响应性氨基胺表面活性剂的潜力。
为了解决这些挑战，我们开发了一种同时考虑合成效率和分子设计的新方法。我们的策略利用了这样一个原理：从胺类和羧酸的缩合反应中去除水可以使平衡向酰胺形成方向移动，从而显著提高合成效率。我们通过一种配备耐热超疏水/超亲油多孔玻璃（HR-SPG）膜的定制装置实现了这一概念[34]。在表面活性剂的设计中，选择了芥酸和哌嗪衍生的胺类作为原料（图1a）。芥酸是一种存在于多种植物中的疏水性C22单不饱和ω-9脂肪酸[35]，通常能生成具有极低临界胶束浓度（CMC）的表面活性剂，从而大幅减少表面活性剂的使用量——这是提高环境可持续性的关键因素[36]，[37]，[38]。哌嗪结构单元引入了一个独特的六元环结构，具有两个不同的质子化位点[39]。这一结构特征使我们能够同时利用空间构象和静电相互作用，从而精细控制表面活性剂的自组装行为。这种双位点设计有望克服传统单位点线性表面活性剂的局限性，可能实现对pH响应性自组装的前所未有的控制。
该定制装置无需催化剂或活化剂即可实现接近100%的产率，且不产生任何废物，这是绿色化学领域的一项重大进展。合成的哌嗪基氨基胺表面活性剂表现出卓越的pH响应性，在整个pH范围内表现出独特的粘度特性。具体表现为在碱性条件下粘度迅速增加，在酸性环境下逐渐增稠，这是单组分表面活性剂系统中前所未有的双模式响应特性。该过程还具有优异的循环稳定性和耐盐性。引入不同的酸可以进一步调节高粘度窗口。特别是醋酸表现出有趣的时间依赖性粘度变化和盐敏感性行为，表明可以获得盐响应性和耐盐性的自组装。流变分析、核磁共振研究和冷冻透射电子显微镜成像揭示了这些现象的分子基础，将其归因于哌嗪结构单元的三态转变和独特的环状构象。除了对pH值和盐的响应性外，该表面活性剂还对二氧化碳（CO2）敏感，使其成为一种独特的多刺激响应性构建模块，从而在控制超分子自组装方面取得了重大突破。
材料
配备超疏水膜的专用装置是使用先前报道的方法[34]制造的，其中使用乙基三氯硅烷（TCI Chemicals，98%）作为化学气相沉积的前驱体。原料包括芥酸（80%）、2-(4-甲基-哌嗪-1-基)乙胺（98%）、甲酸（≥99.0%）、醋酸（≥99.9%）、己酸（99.0%）、马来酸（≥99.0%）、苯甲酸（≥99.0%）、水杨酸（99.5%）和甲苯（Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd.，AR级）
通过HR-SPG膜辅助酰胺化高效合成哌嗪基氨基胺表面活性剂（PAS）
为了在羧酸和胺类之间的脱水反应中实现高产率并形成酰胺，彻底去除系统中的水分至关重要。我们设计的装置（图1b）包含一个耐高温的超疏水超亲油膜。在回流反应过程中，该膜允许缩合后的溶剂甲苯以及反应物羧酸和胺类通过，同时保留缩合产生的水。这样就使得系统中的水分含量非常低
结论
总之，本研究成功解决了胶体化学中的两个关键挑战：绿色高效的表面活性剂合成需求以及多刺激响应性自组装系统的需求。通过使用定制的超疏水膜反应器，我们实现了无催化剂、可回收溶剂的使用，并获得了接近定量的哌嗪基氨基胺表面活性剂（PAS）的合成。这种方法显著优于传统的受平衡限制的缩合方法
补充数据
与本文相关的补充材料可以在在线版本中找到。CRediT作者贡献声明
Fan Min：撰写——初稿撰写、实验研究、数据分析。Jiaming Zhu：实验研究。Ding Wei：实验研究。Wenting Zhou：实验研究。Deqi Wang：实验研究。Cécile A. Dreiss：撰写——审稿与编辑。Zonglin Chu：撰写——审稿与编辑、验证、项目管理、方法学设计、资金获取、数据分析、概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：22172046）的资助。
