关于苯氧乙醇与抗坏血酸在水介质中发生的温度依赖性分子相互作用的热物理和声学研究

《Journal of Molecular Liquids》：Thermophysical and acoustic insights into temperature-dependent molecular interactions of phenoxyethanol with ascorbate species in aqueous media

　　

Sunita Devi | Ashpinder Kaur Gill | Nabaparna Chakraborty | K.C. Juglan

物理系，Lovely Professional University，Phagwara 144401，旁遮普邦，印度

摘要

通过测定不同浓度（0.00–0.35）和温度（288.15–318.15 K）下的密度和超声速度，研究了含有苯氧乙醇和水溶性抗坏血酸（即抗坏血酸或抗坏血酸钠）的三元混合物的物理化学行为。利用DSA 5000 M仪器获得的测量数据，评估了多种热力学参数，包括表观摩尔体积、压缩性、表观摩尔膨胀系数、热膨胀系数以及传递和相互作用参数，以阐明溶质-溶剂之间的相互作用。通过Hepler的热力学原理解释了溶质的结构效应，这些效应表明了它们具有构建或破坏结构的倾向。利用Passynski的关系式从压缩性数据中推导出了水合数。总体而言，这些发现为化学、食品、化妆品和制药应用中设计稳定高效的配方提供了见解。

引言

超声研究因其精确性、灵敏度和非破坏性而成为强大的分析工具。它们可以在不破坏系统完整性的情况下研究材料性质。近年来，这些技术在包括制药、食品技术、农业、化妆品和材料科学在内的多个科学领域得到了广泛应用[1]、[2]。对液体混合物中的体积和声学参数的评估为理解控制系统稳定性的热力学行为提供了宝贵的见解。对于像苯氧乙醇这样的防腐剂的物理化学作用尤为重要，因为它被广泛用于延长众多领域中配方的保质期和性能。因此，探索含有抗坏血酸的苯氧乙醇系统的声学和体积性质不仅有助于阐明分子相互作用机制，还有助于设计更高效和稳定的工业配方。类似的方法也被广泛用于通过密度和超声速度测量来研究水溶液中的分子相互作用，从而提供有关水合行为和结构效应的信息[3]、[4]、[5]。

苯氧乙醇是一种广泛用于化妆品和制药配方的防腐剂，因为它具有广谱抗菌性能和高化学稳定性。它是一种芳香族甘醇醚，能有效抑制细菌、酵母和霉菌的生长，确保配方产品的安全性、质量和长寿命[6]、[7]、[8]。这种化合物特别受到重视，因为它在广泛的pH范围内具有稳定性，并且与多种配方成分兼容，使其成为传统防腐剂的理想替代品[9]、[10]。苯氧乙醇的分子结构包含一个芳香环和一个羟基，这使其能够参与多种分子间相互作用。这些相互作用对其溶解度、分散性和在复杂液体系统中的有效性至关重要。抗坏血酸是一种不可或缺的水溶性营养素和抗氧化剂，在人类健康和工业应用中起着关键作用[11]。从化学角度来看，它是一种含有烯二醇基团的内酯，能够捐赠电子，从而在生物和工业系统中高效地中和氧自由基并防止氧化降解。此外，抗坏血酸还参与重要的生理过程，包括胶原蛋白生物合成、铁吸收、伤口愈合、免疫系统支持以及细胞对抗氧化应激[12]、[13]、[14]。抗坏血酸钠具有高水溶性且酸度较低，这减少了与pH相关的稳定性问题，并降低了化妆品和药品中的潜在刺激性。其增强的溶解性和缓冲能力使其成为水溶液、饮料和注射配方中的理想成分。在酸性条件下可能降解其他活性成分或影响产品性能的情况下，抗坏血酸钠尤其有价值[15]、[16]。

Boo[17]强调了抗坏血酸作为化妆品的作用，它通过减少氧化应激和促进胶原蛋白合成来保护皮肤健康，从而增加真皮胶原蛋白并限制皮肤老化的迹象。这些技术已被广泛用于研究各种水溶液的物理化学性质。先前的研究表明，体积和声学参数提供了关于溶质-溶剂相互作用、水合现象以及不同溶液系统（包括基于碳水化合物的溶液、药物混合物和氨基酸-离子液体系统）中结构变化的宝贵信息[18]、[19]、[20]。

尽管已有关于抗坏血酸及其盐在水和电解质介质中的体积和声学研究的报道，但这些研究主要局限于二元系统，无法反映实际配方环境的复杂性。在实际的制药和化妆品制剂中，抗坏血酸与像苯氧乙醇这样的抗菌防腐剂共存，苯氧乙醇是一种两亲性芳香族甘醇醚，能够改变水的氢键结构。高度亲水的、具有氢键作用的抗氧化剂和结构不同的防腐剂的同时存在可能会产生竞争性的溶质-溶质和溶质-溶剂相互作用，导致非理想的行为和微观结构重排，这些现象无法从单一溶质系统中推断出来。据我们所知，尚未有系统的体积和超声研究针对这种苯氧乙醇-抗坏血酸混合物。本研究选择了288.15 K至318.15 K的温度范围，以涵盖从低于室温到接近生理温度的条件。这一范围允许适当检查溶质-溶剂相互作用、密度和超声速度随温度的变化。此外，本研究中研究的抗菌防腐剂和维生素C衍生物在这一温度区间内保持化学稳定并有效发挥作用，因此对于制药和化妆品配方非常相关。在高于318.15 K的温度下，这些化合物可能会发生热降解，从而影响其化学稳定性并导致实验结果的不可靠性。关于苯氧乙醇、抗坏血酸钠或抗坏血酸水溶液的声学和体积特性的综合研究非常有限。当前的研究旨在通过检查含有抗坏血酸（抗坏血酸/抗坏血酸钠）的苯氧乙醇溶液的密度和声速来解决这一空白。为此，进行了详细的热力学参数评估，以阐明液体系统内的分子相互作用和结构变化。预计这些发现将增强我们对多组分系统中物理化学行为的理解，并为优化食品、化妆品和制药配方的稳定性和性能提供宝贵见解。

章节摘录

所用化学品

本研究中使用的化学品包括抗坏血酸钠、L-抗坏血酸和苯氧乙醇，这些化学品均从经过认证的供应商处采购。为了去除微量水分并提高储存稳定性，试剂经过真空干燥，并放置在含有P₂O₅的干燥器中放置两天。化学品的详细性质和纯度水平见表1。溶液制备使用的是Milli-Q纯化单元（Millipore）提供的双蒸馏去离子水。

仪器和方法

所有

密度和声速

体积和声学研究使用了实验确定的抗坏血酸钠和抗坏血酸在水合苯氧乙醇溶液中的密度和声速数据。这些测量在四个温度和不同的溶质浓度下进行。表2中的结果显示，对于固定的苯氧乙醇浓度，随着抗坏血酸摩尔浓度的增加，溶液的密度增加，而密度略有下降

结论

本研究评估了温度（288.15–318.15 K）和不同组成范围对苯氧乙醇-水介质中AA或SA的热声响应的影响。超声研究表明，随着温度的升高，密度降低，而声速随着苯氧乙醇浓度和温度的升高而增加。检测到的$V_{\varphi }$' role="presentation">$V_{?}$随温度和浓度的升高而增强，这支持了明显的溶质-溶剂相互作用的存在。

CRediT作者贡献声明

Sunita Devi：撰写——原始草稿、可视化、验证、资源、方法论、调查、数据分析、概念化。Ashpinder Kaur Gill：撰写——原始草稿、调查、数据分析。Nabaparna Chakraborty：撰写——审阅与编辑、验证、监督、资源、数据分析、概念化。K.C. Juglan：撰写——审阅与编辑、可视化、验证、监督、资源、项目管理、方法论、资金

资金来源

本研究未获得公共部门、商业部门或非营利部门的任何特定资助。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢Lovely Professional University，Phagwara为实验研究提供了必要的设施。此外，作者还感谢旁遮普邦Amritsar的GNDU提供的仪器支持，这对进行实验工作至关重要。我们还要感谢Nagaland大学的支持，并允许我们在2026年4月举行的国际会议上展示这些成果。