חומרים פעילי שטח קטיוניים הם בעיקר נגזרות אמינות אורגניות המכילות חנקן. מכיוון שאטום החנקן במולקולות שלהם מכיל זוג אלקטרונים בודד, הוא יכול להתחבר עם המימן במולקולות חומצה באמצעות קשרי מימן, מה שגורם לקבוצת האמינו לשאת מטען חיובי. לכן, הם מפגינים פעילות שטח טובה רק בסביבה חומצית; בסביבה בסיסית, הם נוטים לשקוע ולאבד את פעילות השטח שלהם. בנוסף לחומרים פעילי שטח קטיוניים המכילים חנקן, ישנו גם חלק קטן של חומרים פעילי שטח קטיוניים המכילים יסודות כגון גופרית, זרחן וארסן.
1. סטטוס פיתוח
חומרים פעילי שטח קטיוניים אינם בשימוש נרחב בתעשייה מזה זמן רב, והביקוש שלהם גדל במהירות משנה לשנה. עם זאת, מכיוון שהשימושים העיקריים שלהם הם בשימושים מיוחדים כגון קוטלי פטריות, מרככי סיבים וחומרים אנטי-סטטיים, השימוש בהם קטן יחסית בהשוואה לחומרים פעילי שטח אניוניים ולא יוניים.
לחומרים פעילי שטח קטיוניים יש בדרך כלל תכונות טובות כגון אמולסיה, הרטבה, שטיפה, עיקור, ריכוך, אנטיסטטי וקורוזיה. בשל תכונותיהם ויישומיהם המיוחדים, יש להם פוטנציאל פיתוח טוב. ככל שהיקף היישומים התעשייתיים והאזרחיים ממשיך להתרחב, המגוון והביקוש שלהם ימשיכו לגדול.
2. סיווג
רוב החומרים הפעילי שטח קטיוניים בעלי ערך מסחרי הם נגזרות של תרכובות חנקן אורגניות, כאשר המטען החיובי נישא על ידי אטומי חנקן. ישנם גם כמה סוגים חדשים של חומרים פעילי שטח קטיוניים שבהם המטען החיובי נישא על ידי אטומים כגון זרחן, גופרית, יוד וארסן. על פי המבנה הכימי של חומרים פעילי שטח קטיוניים, ניתן לחלק אותם בעיקר לארבע קטגוריות: סוג מלח אמין, סוג מלח אמוניום רבעוני וסוג הטרוציקלי.
חומרים פעילי שטח קטיוניים מסוג מלחי אמין הם מונח כללי למלח אמין ראשוני, מלחי אמין משני ומלחי אמין שלישוני. תכונותיהם דומות מאוד, ומוצרים רבים הם תערובות של אמינים ראשוניים ואמינים משניים. חומר פעיל שטח מסוג זה מורכב בעיקר ממלחים הנוצרים מאמינים שומניים וחומצות אנאורגניות, והוא מסיס רק בתמיסות חומציות. בתנאים בסיסיים, מלחי אמין מגיבים בקלות עם בסיסים ליצירת אמינים חופשיים, מה שמפחית את מסיסותם ובכך מגביל במידה מסוימת את היקף השימוש שלהם.
חומרים פעילי שטח קטיוניים מסוג מלחי אמוניום רבעוניים הם הסוג החשוב ביותר של חומרים פעילי שטח קטיוניים, עם תכונות ושיטות הכנה שונות מאלה של חומרים פעילי שטח מסוג מלחי אמין. חומרים פעילי שטח כאלה יכולים להתמוסס הן בתמיסות חומציות והן בתמיסות בסיסיות, בעלי סדרה של תכונות מצוינות, ותאימות טובה עם סוגים אחרים של חומרים פעילי שטח. לכן, יש להם מגוון רחב יחסית של יישומים.
Hסוג אטרוסיקלי
הטבעות ההטרוציקליות הכלולות במולקולות פעילי שטח קטיוניות הן בעיקר טבעות המכילות חנקן כגון טבעת מורפולין, טבעת פירידין, טבעת אימידזול, טבעת פיפרזין וטבעת כינולין.
3. סינתזה
התגובה העיקרית לסינתזה של חומרים פעילי שטח קטיוניים היא תגובת N-אלקילציה. ביניהן, התגובה שבה אמינים שלישוניים מגיבים עם חומרי אלקילציה ליצירת מלחי אמוניום רבעוניים נקראת גם תגובת קווטרניזציה.
מלח אמוניום רביעוני אלקילי
מלחי אמוניום רביעוניים של אלקיל הם אחד הסוגים החשובים של חומרים פעילי שטח קטיוניים מסוג מלחי אמוניום רביעוניים, והם נמצאים בשימוש נרחב כקוטלי פטריות, מרככי סיבים, חומרי ציפה מינרלים, מתחלבים וכו'. המאפיין המבני שלהם הוא שאטום החנקן מחובר לארבע קבוצות אלקיל, כלומר, כל ארבעת אטומי המימן של יון האמוניום מוחלפים בקבוצות אלקיל. בדרך כלל, רק אחת או שתיים מקבוצות אלקיל אלו הן קבוצות אלקיל פחמימניות ארוכות שרשרת, וקבוצות האלקיל הנותרות מכילות אטום פחמן אחד או שניים. על פי המאפיינים המבניים שלהם, ישנן בעיקר שלוש שיטות סינתזה למלחי אמוניום רביעוניים של אלקיל: מוכנים על ידי תגובה של הלידים אלקיליים גבוהים יותר עם אמינים שלישוניים נמוכים יותר, מוכנים על ידי תגובה של אמינים אלקיליים גבוהים יותר עם הלידים אלקיליים נמוכים יותר, ומוכנים על ידי שיטת פורמלדהיד-חומצה פורמית.
מלחי אמוניום רבעוניים המכילים הטרואטומים
מלחי אמוניום רבעוניים המכילים הטרואטומים מתייחסים כאן בדרך כלל למלחי אמוניום רבעוניים המכילים הטרואטומים כגון O, N ו-S בשרשראות הפחמימנים ההידרופוביות שלהם, כלומר, חומרים פעילי שטח המכילים קשרי אמיד, קשרי אתר, קשרי אסטר או קשרי תיואתר בקבוצות הליפופיליות שלהם. מכיוון שקבוצת קטיון האמוניום הרביעוני ההידרופילית וקבוצת האלקיל ההידרופובית מחוברות באמצעות קבוצות כגון אמיד, אסטר, אתר או תיואתר במקום להיות מקושרות ישירות, יש אנשים המתייחסים גם למלחי אמוניום רבעוניים כאלה כאל חומרים פעילי שטח קטיוניים המקושרים בעקיפין.
מלחי אמוניום רבעוניים המכילים טבעות בנזן
סוג זה של חומר פעיל שטח משמש בעיקר כחומר בקטריצידי, חומר מקציף, חומר הרטבה וחומר קיבוע צבע, בין היתר. בתהליך הסינתזה, השיטה העיקרית להחדרת טבעות ארומטיות היא שימוש בבנזיל כלוריד כמגיב אלקילציה כדי להגיב עם אמינים שלישוניים. בנזיל כלוריד מיוצר על ידי תגובת כלורינציה של שרשרת צד של טולואן. כדי למנוע כלורינציה על טבעת הבנזן, תגובה זו נדרשת להתבצע בקומקום אמייל או בכור מגדל מצופה זכוכית.
מלחי אמוניום רבעוניים המכילים הטרוציקלים
הטבעות ההטרוציקליות הכלולות במולקולות מלח אמוניום רבעוני הן בעיקר טבעת מורפולין, טבעת פיפרזין, טבעת פירידין, טבעת כינולין וטבעת אימידזול וכו'.
Aסוג מלח מכרה
חומרים פעילי שטח קטיוניים מסוג מלחי אמין כוללים בעיקר שלוש קטגוריות עיקריות: מלחי אמין ראשוניים אלקיליים ארוכי שרשרת, מלחי אמין משניים ומלחי אמין שלישוניים.
4. יישום
לחומרים פעילי שטח קטיוניים יש פונקציות טובות כגון עיקור, ריכוך,אנטיסטטי, ותכונות נוגדות קורוזיה, כמו גם תכונות אמולסיה והרטבה מסוימות. הם משמשים לעתים קרובות גם כזרזים להעברת פאזה. עם זאת, סוג זה של חומר פעיל שטח משמש לעתים רחוקות לבדו כחומר ניקוי. מכיוון שפני השטח של מצעים רבים בתמיסות מימיות, במיוחד בתמיסות מימיות אלקליות, נושאים בדרך כלל מטען שלילי. במהלך היישום, החומר הפעיל שטח המטען החיובי יתמקם על פני המצע כאשר הקבוצות ההידרופיליות פונות פנימה והקבוצות ההידרופוביות החוצה, מה שהופך את פני המצע להידרופוביים, דבר שאינו תורם לשטיפה ואף עלול להיות בעל השפעות שליליות. בנוסף, תחומי היישום העיקריים של סוג זה של חומר פעיל שטח שונים מחומרים פעילי שטח אחרים, המשמשים להפחתת מתח פנים. במקום זאת, הם מנצלים את המאפיינים המבניים שלהם ליישומים מיוחדים אחרים.
זמן פרסום: 19 במרץ 2026