《Chemical Engineering Science》：Effects of the side chain structure of hydrophilic head group on the properties of amino acid-based fluorocarbon surfactants
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氟碳表面活性剂开发：基于氨基酸的SAFB和LAFB合成及其性能研究，比较羟基与烷基侧链对表面张力（21.53 vs 23.02 mN/m）、临界胶束浓度（0.66 vs 0.50 mmol/L）及热稳定性影响，揭示亲水头结构对泡沫性能、乳液稳定性和环境风险的作用机制。
郝虎|朱和成|李佳明|张丁|江彪
南京科技大学化学与化学工程学院，中国南京210094
摘要
随着对环境问题日益关注，开发传统全氟辛酸（PFOA）和全氟辛烷磺酸（PFOS）的替代品已成为氟碳表面活性剂研究的热点。在本研究中，合成了两种含有全氟支链的氨基酸基氟碳表面活性剂（SAFB和LAFB）。通过表面张力测量、接触角测量和泡沫性能测量等方法，系统地研究了这两种表面活性剂的性质以及亲水头基侧链结构对其性质的影响。结果表明，亲水头基中的羟基有助于降低氨基酸基氟碳表面活性剂的表面张力（SAFB的γCMC为21.53 mN/m，LAFB为23.02 mN/m）。同时，羟基对其水溶液的铺展性能、泡沫性能以及极性油相乳液系统的乳液稳定性有积极影响。这主要归因于SAFB亲水基侧链上的羟基之间可以形成氢键。然而，羟基的存在也导致SAFB的热稳定性和润湿性低于具有烷基侧链的LAFB。此外，SAFB的临界胶束浓度（CMC）（0.66 mmol/L）高于LAFB（0.50 mmol/L）。因此，本研究为开发环保型氟碳表面活性剂提供了一种新方法。
引言
氟碳表面活性剂是一类重要的特殊表面活性剂，其疏水基烷链上的氢原子被氟原子完全或部分取代。氟原子是所有原子中电负性最强的，形成的碳-氟键较短且键能更强。此外，氟原子难以极化，导致碳-氟键的极性较低（Iacono等人，2019年）。这两个因素共同赋予氟碳表面活性剂高表面活性、高化学稳定性、高热稳定性以及疏水性和疏油性（Peng等人，2024年）。因此，氟碳表面活性剂被广泛应用于消防、石油、纺织等工业领域（Li等人，2025年）。然而，传统的氟碳表面活性剂主要是指全氟辛烷磺酸（PFOS）和全氟辛酸（PFOA），相关研究表明它们具有高生物毒性、环境持久性和生物累积性，对自然环境造成不可逆的伤害（Krafft和Riess，2015年）。随着环境保护在全球范围内受到重视，PFOS和PFOA已被列入《斯德哥尔摩公约》中的持久性有机污染物名单。因此，开发环保型氟碳表面活性剂已成为主要研究课题之一（Zhang等人，2016年；Sagisaka等人，2019年）。
在这种背景下，研究人员已经证明，通过缩短氟碳链长度、引入支链以及设计新型氟碳表面活性剂分子结构等创新策略，可以有效降低其环境风险和生态危害（Sha等人，2015年）。氨基酸表面活性剂是一类以天然氨基酸作为亲水头基，通过酰胺或酯键与疏水链（如脂肪酸）结合而成的绿色表面活性剂。这类表面活性剂的核心优势在于其温和性和环保性。由于它们的分子结构与人体皮肤角质层的氨基酸成分相似，且pH值接近皮肤的天然酸碱度，因此对皮肤和眼睛的刺激性远低于传统的硫酸盐基表面活性剂。因此，它们被广泛用于高端个人护理产品，如敏感肌肤护理和婴儿用品（Pinazo等人，2011年）。此外，它们的原料来自天然氨基酸和植物脂肪酸，生物降解率超过90%，符合当前可持续发展的环境要求。现有的关于氨基酸表面活性剂的研究主要集中在其独特的氨基酸残基对表面活性、临界胶束浓度（CMC）和界面吸附等物理化学性质的影响（Zhao等人，2024a；Zhao等人，2024b；Zhang等人，2023年），以及不同氨基酸侧链的脂肪酸表面活性剂在水介质中的胶束自组装行为（Moshikur等人，2020年）。然而，氨基酸表面活性剂的疏水链通常是非功能性的烷基链，这限制了它们的应用。因此，Han等人（2024年）开发了一种多功能氨基酸表面活性剂——类黑色素氨基酸表面活性剂，该表面活性剂具有低生物刺激性和高pH耐受性，引入的多酚使其具有抗氧化和抗菌性能。
我们小组之前的研究结果（Zhu等人，2026年）表明，将氟碳表面活性剂与氨基酸表面活性剂结合可以有效增强氨基酸表面活性剂的表面活性。此外，鉴于支链氟碳短链的环保性和氨基酸段的完全可降解性及低生态毒性，有望显著提高氟碳表面活性剂的环保性能，使基于氨基酸的氟碳表面活性剂兼具两者的优点。同时，双亲水头基会显著影响表面活性剂的物理化学性质，如溶解度、聚集行为、乳液稳定性和泡沫稳定性。相比之下，除了溶解速率较低外，具有单亲水头基的氨基酸基氟碳表面活性剂在所有性能方面均优于具有双亲水头基的表面活性剂。因此，在单亲水头基的基础上，本研究进一步探讨了亲水头基侧链结构对氨基酸基氟碳表面活性剂的表面活性、热力学参数、聚集行为等性质的影响。
在本研究中，设计、合成并表征了两种N-酰基氨基酸基氟碳表面活性剂。通过表面张力测量、电导率测量、透射电子显微镜（TEM）和动态光散射（DLS）等实验方法，系统研究了它们的表面活性、热力学性质、聚集行为等物理化学性质。其中一种氨基酸基氟碳表面活性剂的亲水头基侧链含有羟基，另一种则含有疏水烷链，用于对比研究。
材料
4-(3,3,4,4,5,5,5-七氟-2,2-双(三氟甲基)戊基)苯甲酸（HTBA）在实验室中合成，相关合成方法在文献中有详细描述（Zhang等人，2019年）。L-天冬氨酸二甲酯盐酸盐（纯度98%）、甘氨酸甲酯盐酸盐（纯度99%）和N,N-二异丙基乙胺（纯度99%，DIPEA）均购自Aladdin公司（中国上海）。β-丙氨酸甲酯盐酸盐（纯度99%）购自Macklin公司
SAFB和LAFB的制备与表征
图2显示了SAFB和LAFB的FT-IR光谱及其相应的吸收峰位置。水解反应后，SAFB和LAFB均显示出
COO-在1590 cm
?1处的不对称伸缩振动峰，以及
C
O在1635 cm
?1处的伸缩振动峰。与SAFB相比，LAFB的亲水头基侧链中含有更多的甲基，这体现在更明显的甲基伸缩振动峰上
结论
本研究通过两步酰胺化和水解反应合成了两种新型氨基酸基氟碳表面活性剂（SAFB和LAFB），并利用FT-IR和NMR光谱分析了它们的结构特征。通过研究并比较这两种氨基酸基氟碳表面活性剂的热稳定性、表面活性、热力学参数、铺展性能、聚集行为、润湿性、泡沫性能和乳液稳定性，
未引用参考文献
Peng等人，2024a；Jiménez-Angeles和Firoozabadi，2018年；Peng等人，2024b；Peng等人，2024c；Peng等人，2024d；Yu等人，2025a；Yu等人，2025b。
CRediT作者贡献声明
郝虎：撰写——初稿。朱和成：撰写——初稿。李佳明：数据分析、数据整理。张丁：撰写——审阅与编辑。江彪：撰写——审阅与编辑。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了国家重点研发计划（编号：2022YFC3004901-3）和国家自然科学基金（编号：21908109）的支持。样品的表征工作得到了南京科技大学分析测试中心的帮助。
