基于离子液体结构的无卤素表面活性剂在水溶液中的聚集行为

Various halogen-free surfactants, based on the chemical structures of ionic liquids, will be obtained. Subsequently, studies on their aggregation behavior in aqueous solution will be carried out. The main research contents are as follows: (1) A series of ionic liquid-based halogen-free surfactants will be designed and synthesized with varying nitrogen heterocyclic cations, alkyl acid anion headgroups and alkyl chain length; (2) The effects of molecular structure internal cause (anion/cation type and alkyl chain length) and external factors (temperature and additives) on the aggregation behavior of this series of surfactants in aqueous solution will be investigated systematically and deeply by various technical methods, such as isothermal titration calorimetry (ITC), surface tensiometer, rheometer, NMR，and cryo-TEM based on the confirmation of their chemical structures and basic physicochemical properties; (3) The formation and transition mechanisms of various aggregates (including micelles, vesicles and liquid crystals, etc. ) will be probed; (4) The relationship will be explored between the self-aggregation properties of such series of surfactants in aqueous solution and their molecular structure characteristics as well as the external factors. The work will help to widen the category of surfactants and develop more neoteric self-aggregation systems. It will also provide a powerful technical support and theoretical basis for their applications in a variety of fields, e.g. chemical catalysis, drug delivery, and preparation of functional materials.

合成基于离子液体化学结构的无卤素表面活性剂，开展其在水溶液中的聚集行为研究。主要研究内容包括：（1）设计、合成一系列基于离子液体结构的无卤素表面活性剂（具有不同的氮杂环阳离子、烷基酸根阴离子和烷基链长）；（2）在确认了化学结构和基本物理化学性质的基础上，采用等温滴定量热、表面张力、流变、核磁共振和冷冻蚀刻电镜等技术，系统深入地研究分子结构内因(阴/阳离子的种类和烷基链长)及外界因素（温度、添加剂）对该类阴离子表面活性剂在水溶液中聚集行为的影响；（3）探知各种聚集体（包括胶束、囊泡、液晶等）的形成及转变机理；（4）获取所合成的表面活性剂在水溶液中的自聚集性质与其分子结构特征和外界因素之间的关系。 研究结果有助于拓宽表面活性剂的种类，发展更为新颖的自聚集体系，为其在化学催化、药物缓释和功能材料制备等领域的应用提供有力的技术支持和理论依据。

作为新型的绿色溶剂和“软”功能材料，离子液体已经引起了全球学术界和工业界的重视。烷基链较长的离子液体具有两亲性特征，被称为表面活性离子液体，相比于传统表面活性剂，其独特的结构丰富了分子间弱相互作用的类型，构筑的各种有序聚集体具有更广阔的应用前景。但绝大多数研究涉及的表面活性离子液体含有卤素阴离子，易于水解，进而会引发环境和生物水体污染问题，且其聚集行为与分子结构和外界因素的关系、形成机理研究得尚不系统深入，这在很大程度上限制和影响了其实际应用。因此亟需设计开发无卤素、更加绿色的表面活性离子液体并进行相关研究。. 本项目通过改变阴/阳离子的种类、结构及烷基链长，设计合成了系列无卤素表面活性离子液体；在进行化学结构和基本物理化学性质表征的基础上，通过表面张力仪、等温滴定量热仪、流变仪、小角X射线散射仪、偏光显微镜、扫描电镜、透射电镜和冷冻蚀刻电镜等多种技术手段，系统地研究了分子结构内因及外界环境条件（温度、光照和添加剂等）对该类表面活性剂在水溶液中聚集行为的调控作用；将实验技术和理论计算方法相结合，深入分析了各种聚集体（包括胶束、液晶和超分子凝胶等）的形成机理，尤其阐明了离子的静电势及分子间相互作用能是影响表面活性离子液体聚集行为的关键因素；揭示了无卤素表面活性离子液体在水溶液中形成的有序聚集体形貌及其宏观聚集性质与微观分子结构及外界条件之间的关系。本项目研究工作的开展，取得了一系列创新性的研究成果，既拓展了表面活性剂的种类，又完善了表面活性离子液体聚集行为的研究内容，为将构筑的自聚集体系应用于化学催化、药物运输及功能材料制备等领域提供了坚实的理论基础和有力的技术支持。