Tensioattivi cationici: alchilammine, ammonio quaternario

I tensioattivi cationici sono caratterizzati dal fatto che la parte idrofoba della molecola porta una carica positiva quando il composto è disciolto in acqua. Tale carica, nel caso più frequente, è associata a un atomo di azoto che può essere amminico o quaternario.

I prodotti hanno assunto una certa importanza quando nel 1935 è stato trovato che i tensioattivi cationici hanno proprietà batteriostatiche. Per questa proprietà e per la tendenza, dovuta alla loro carica positiva, a essere adsorbiti da un gran numero di substrati, i tensioattivi cationici hanno trovato un impiego abbastanza diffuso. Vengono riportati i prodotti più significativi con le loro proprietà chimiche.

Tensioattivi cationici più diffusi

Ammine

Le alchilammine nel campo C12-C18 non sono solubili in acqua e pertanto devono essere usate sotto forma di acidi inorganici o organici e si possono considerare come interessanti intermedi per la preparazione di vari composti tensioattivi. Esistono in commercio diversi tipi di ammine che possono essere caratterizzate con le seguenti strutture:

a) ammine primarie, secondarie e terziarie

b) diammine R-NH-(CH2)n– NH2

c) ammine cicliche come imidazolina, piridina, chinolina, piperidina, morfolina

d) ammine legate alla parte idrofoba attraverso un gruppo di tipo ammidico o etereo. La preparazione delle alchilammine da primarie a terziarie si effettua industrialmente a partire da acidi grassi, attraverso la formazione di nitrile e sua successiva idrogenazione. Ad esempio:

R-COOH + NH3 ⇄ R-CO-NH2 + H2O ⇄ R-CN + H2O

R-CN + 2 H2 ⇄ R-CH2-NH2

Trattandosi di reazioni di equilibrio esse possono essere orientate a seconda delle condizioni impiegate. Oltre che da acidi grassi di origine naturale si sono sviluppate delle sintesi di alchilammine a partire da prodotti di origine petrolchimica: in particolare α-olefine e paraffine costituiscono le materie prime, dalle quali, con opportuni processi si ottengono le ammine sintetiche.

Le olefine nei casi più comuni vengono trasformate per reazione con acido cianidrico in nitrili che vengono successivamente idrogenati; le paraffine portano ad ammine attraverso la formazione di alogenuri o nitroparaffine. Le diammine si possono ottenere da alchilammine primarie e acrilonitrile o da alogenuri alchilici e etilenoiammina secondo le seguenti reazioni:

R-NH2 + CH2=CH-CN ⇒ R-NH-CH2-CH2CN

R-NH-CH2-CH2CN + 2 H2 ⇒ R-NH-CH2-CH2– CH2-NH2

R-Cl + H2N-CH2-CH2-NH2 ⇒ R-NH- CH2– CH2-NH2 + HCl

Ammonio quaternario

Lo ione ammonio quaternario è il più idrofilo dei gruppi amminici per cui i composti sono solubili in acqua anche in ambiente alcalino.

I tensioattivi appartenenti a questa sottoclasse  sono in genere ottenuti per addizione di un alogenuro alchilico a una base terziaria; il gruppo idrofobo può far parte inizialmente dell’alogenuro o della base terziaria. I tipi più interessanti rispondono alle seguenti strutture:

R-N(+) ≣R3‘    R2=N(+)=R2

Dove R = serie alchilica grassa, ciclo alchilico, ciclo aromatico; R’ = metile, etile, benzile ecc.

Altri derivati dell’azoto. In questa sottoclasse sono riportati due tipi di prodotti: gli amminossidi e le ammine etossilate, entrambi derivati da ammine.

Amminossidi. Gli amminossidi si ottengono in genere da ammine terziarie per trattamento con acqua ossigenata secondo lo schema:

R-N (CH3)2 + H2O2 ⇒ R-N→ O(CH3)2 + H2O

Si ha un legame semipolare tra azoto e ossigeno con densità elettronica spostata sull’ossigeno; per la loro struttura questi composti si comportano come tensioattivi non ionici in soluzioni neutre o alcaline e come cationici in soluzioni acide in cui si forma uno ione idrossilammonio.

Ammine etossilate. Le ammine etossilate, in particolare quelle a relativamente basso grado di etossilazione si comportano come tensioattivi cationici in soluzioni acide, mentre in soluzioni neutre o alcaline si comportano come non ionici e la loro solubilità è legata al contenuto di ossido di etilene: le proprietà non ionogene vengono inoltre esaltate da un maggior contenuto di ossido di etilene nella molecola. I composti che si preparano a partire da ammine e ossido di etilene C2H4O, si possono dare monoammine o diammine etossilate.

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