學習重點 界面活性劑依具界面活性部分的電荷分為陰離子、陽離子、兩性及非離子型;分類不能只看鈉、鈣或氯等對等離子。 脂肪酸皂屬陰離子型;SLS 也是陰離子型,但屬烷基硫酸酯鹽,與脂肪酸皂的羧酸鹽結構不同。 掌握非離子型系列:Span、Arlacel、Tween、Myrj、Brij,並區分 sorbitan esters 與 polyoxyethylene sorbitan fatty acid esters。 四級銨化合物及甲基藍屬陽離子型;dodecyl-β-alanine 屬兩性型。 SLS 的碳鏈含12 個碳;本單元保有其離子特性的酸鹼值考點為pH 大於 8。 核心觀念 一、分類看活性部分,對等離子維持電中性 界面活性劑通常具有疏水部分與親水部分。離子型界面活性劑的分類,取決於具界面活性的離子帶何種電荷;與其配對的離子稱為對等離子(counterion),主要功能是維持電中性。 類別離子特性代表物 陰離子型活性部分帶負電,對等離子帶正電SLS、sodium stearate、sodium laurate 陽離子型活性部分帶正電,對等離子帶負電Benzalkonium chloride、甲基藍 兩性型同時具有可形成正、負電荷的基團,帶電情形受 pH 影響Dodecyl-β-alanine 非離子型親水部分不靠解離產生電荷Span、Tween、polyoxyl 40 stearate 例如 sodium stearate 解離後,具活性的硬脂酸根帶負電,因此屬陰離子型;Na⁺ 是陽離子對等離子,不能因名稱含 sodium 就判為陽離子型。 二、脂肪酸皂:鈉、鉀、鈣與胺皂的共同點 脂肪酸與鹼形成鹽後,親水端為羧酸根(–COO⁻)。因此月桂酸形成的鈉皂、鉀皂、鈣皂及三乙醇胺皂,分類上均屬陰離子型。 鈉皂、鉀皂:一般較易溶於水,常用於 O/W 乳化系統;鈉皂較硬,鉀皂較軟。 鈣皂:水溶性較差,較偏親油,可用於 W/O 乳化系統,但不會因搭配 Ca²⁺ 就變成陽離子型。 三乙醇胺皂:脂肪酸根仍帶負電,質子化的三乙醇胺為對等離子,因此不是非離子型。 綠肥皂(green soap)是由植物油經鉀鹼皂化製得的軟皂製品,不能將所有鉀皂,或單一月桂酸鉀,直接等同於綠肥皂。 Sodium stearate 為硬脂酸鈉,屬羧酸鹽型陰離子界面活性劑,不是烷基硫酸酯鹽,也不稱為綠肥皂。月桂酸與鈉形成的 sodium laurate,同樣屬陰離子型。 三、SLS 的結構、用途與酸鹼值 Sodium lauryl sulfate(SLS)即 sodium dodecyl sulfate(SDS)。Lauryl/dodecyl 表示十二碳烷基,其親水端是硫酸酯陰離子,故屬陰離子界面活性劑。 SLS 親水性強,可用於清潔、起泡、潤濕及 O/W 乳化系統;在本單元的用途判斷中,應掌握不是 W/O 乳化劑,也不是以殺菌用途為主要特色。 酸鹼值對陰離子型的影響,須依親水基結構區分。脂肪酸皂在酸性環境會因羧酸根質子化,形成水溶性較差的游離脂肪酸,使功能受影響;SLS 則為硫酸酯鹽,不能直接套用脂肪酸皂的解離方式,強酸條件下另須考慮水解與安定性。 本單元以「使用 SLS 時,為保有其離子特性最適合的酸鹼值」設問,應掌握pH 大於 8。這是此處的作答重點,不代表 SLS 在 pH 8 以下便完全不帶電或完全失去界面活性,也不能推論所有陰離子界面活性劑都只能在此範圍使用。 四、陽離子型的抑菌作用與染料辨識 四級銨化合物是常見的陽離子界面活性劑。Benzalkonium chloride 的活性部分帶正電,可吸附於帶負電的微生物細胞表面,與細胞膜發生陽離子交換及膜作用,改變膜的通透性而產生抑菌活性。 陽離子型與陰離子型混合,可能形成離子對或沉澱,使活性降低,因此 benzalkonium chloride 與肥皂、SLS 等的配伍須留意。 染料離子性辨識重點 甲基藍(methylene blue)陽離子型發色離子帶正電,屬鹼性染料 橙色二號(Orange II)陰離子型含帶負電的磺酸根 剛果紅(Congo red)陰離子型含帶負電的磺酸根 五、兩性型與非離子型的區別 Dodecyl-β-alanine具有長碳鏈及可帶電的胺基、羧基,屬胺基酸型的兩性界面活性劑。酸性時較偏陽離子性,鹼性時較偏陰離子性;即使某些條件下淨電荷為零,仍不能歸為非離子型。 非離子型則主要藉多元醇羥基或聚氧乙烯鏈與水作用,不靠親水端解離。其離子性受 pH 的影響較小,但不表示化學安定性完全不受酸鹼影響。 六、非離子型商品名與結構對照 葡萄糖還原可得山梨醇(sorbitol),山梨醇脫水形成山梨醇酐(sorbitan)。Sorbitan 是多元醇骨架;常用的界面活性劑為其脂肪酸酯,不能把 sorbitan 說成陰離子界面活性劑。 系列化學類別辨識重點 SpanSorbitan fatty acid esters山梨醇酐脂肪酸酯,較親油;Span 20 為 sorbitan monolaurate,Span 80 為 sorbitan monooleate Arlacel本單元以山梨醇酐酯類辨識性質最接近 Span TweenPolyoxyethylene sorbitan fatty acid esters即 polysorbates;加入聚氧乙烯鏈後親水性提高,常用於 O/W 乳化 MyrjPolyoxyethylene stearates聚氧乙烯硬脂酸酯;polyoxyl 40 stearate 為非離子型 BrijPolyoxyethylene alkyl ethers聚氧乙烯烷基醚,注意是醚類 Sorbitan monolaurate、Span 80、Tween 20、polysorbate 80 與 polyoxyl 40 stearate 均為非離子型。PEG 是聚乙二醇,不能將其名稱直接等同於 Tween 的完整結構。 常考陷阱 「有鈣就是陽離子、有胺就是非離子」:分類要看具活性的部分;鈣皂、三乙醇胺皂仍是陰離子型。 「陰離子型的對等離子也是陰離子」:錯。對等離子須帶相反電荷,主要維持電中性。 「月桂酸鉀就是綠肥皂」:不能直接畫等號;綠肥皂是特定的植物油鉀皂製品。 「SLS 是陽離子型、適合 W/O、主要作殺菌劑」:均不符合本單元重點;應記陰離子、十二碳、偏親水。 「SLS 只有 pH 大於 8 才會帶電」:說法過度。本單元最適酸鹼值選大於 8,但不可把此值當成完全解離與完全不解離的分界。 「兩性型淨電荷為零就是非離子型」:錯。Dodecyl-β-alanine 仍具有可帶正、負電的基團。 「Span 與 Tween 結構相同」:Tween 多了聚氧乙烯鏈;sorbitan esters 對應 Span,polyoxyethylene sorbitan fatty acid esters 對應 Tween。 「甲基藍是陰離子染料」:錯。甲基藍為陽離子型;橙色二號、剛果紅為陰離子型。 記憶口訣 「分類看活性,陪離子中性」:看活性部分的電荷,對等離子維持電中性。 「皂是陰,甲藍陽,丙胺酸有兩樣」:皂類陰離子、甲基藍陽離子、dodecyl-β-alanine 兩性。 「Span 山梨酐,Tween 加氧乙;Myrj 硬脂酯,Brij 記作醚」。 「SLS 十二碳,酸鹼考點大於八」:同時記結構數字與本單元的 pH 作答重點。