表面活性剂（SAA）是广为人知的一类化学品，应用极为广泛。

在我的印象中，表面活性剂分为阴离子、阳离子、两性离子和非离子，阴离子型的比如有十二烷基苯磺酸钠（SDBS）、十二烷基硫酸钠（SDS）等，用作洗涤剂、乳化剂等；阳离子型的主要是各种季铵盐，用作柔软剂、抗静电剂、杀菌剂等；两性型的能在不同环境中表现出不同的离子性，主要是氨基酸类和甜菜碱类；非离子型的比如脂肪醇聚氧乙烯醚（AEO）、乙二醇二硬脂酸酯（PEGMO）等，不会由于阴阳离子的存在而导致表面活性的丧失。家用洗衣液中的表面活性剂是阴离子为主，柔顺剂中则是阳离子为主，所以两者混在一起用会产生沉淀（聚沉）并失效，要先把洗衣液漂洗干净再加入柔顺剂；两性型和非离子型的对应用场景酸碱度、盐度硬度等适应性强，对皮肤刺激小（俗称“温和”），随着生活水平的提高，在SAA整体市场中的占比逐渐上升。

我所在的单位主营相转移催化剂（PTC），包括阳离子型的季铵盐、季鏻盐、季铵碱，以及非离子型的冠醚。起初我看到名字叫“季铵盐”，想当然地认为PTC是SAA的一个分支，但印象中表面活性剂相关资料中并未看到过PTC的字样，那么用作PTC的SAA具有什么特点呢？

1.学习过程

首先通过探讨催化剂原理，总结出以下关键点：

催化剂通常可以加快反应速度，不改变反应平衡，表面原因是降低了活化能，深层原因是改变了反应物之间的电子云重叠。

催化剂是吸附中心。催化剂可以同时与不同的反应物分子、基团结合，提高相互之间的电子云重叠，从而加速反应进行；同时，催化剂与反应物的结合作用小于共价键作用，反应结束后，催化剂和反应产物可分离。

于是可以知道：

1）催化剂都是极性物质，否则改变不了局部电子云重叠；

2）有机反应物的极性太低，因此普遍需要催化剂；

3）对于合成反应，催化剂需对反应物均有亲和性、但不形成共价键；

4）最小的阳离子H⁺赋予有机物极性、PTC结和不同相反应物、分子筛的孔洞吸附反应物分子、贵金属空轨道吸附反应物等。

PTC作为SAA的最大疑点是，后者能大幅降低表面张力、存在临界胶束浓度（CMC）可形成乳液，而前者虽然能同时溶于水油两相，但几乎不能降低表面张力、也不能形成乳液。

带着这个疑问，搜遍了网络也没有满意的回答，于是我买了一本《表面活性剂应用原理》的书，粗略翻了翻果然也没有发现PTC的字样，于是给编者发邮件请教两者的关系。经过几个来回，确认了：

1）SAA和PTC存在交集，但不存在包含关系；

2）同样是含有碳链（C_nH_2n+1）的季铵盐，一般PTC的n≤4，不具有疏水性；SAA的n≥8，具有疏水性；

3）有些既可用作SAA，也可用作PTC。

同样是季铵盐，四丁基溴化铵(TBAB)主要用作PTC，油酰胺咪唑啉季铵盐主要用作柔软剂发挥表面活性效果，而苯扎氯铵用作杀菌剂，既发挥表面活性效果大量吸附到细菌表面，又发挥增溶效果使细胞溶解、死亡。

SAA和PTC都是功能层面的定义，本质上都是两亲化合物。

2. SAA的作用原理

SAA主要基于水体系，分子中含有亲水基和疏水基（主要是长碳链），疏水基有离开水相的趋势，会富集到表面（包含气相的界面称为表面）形成亲水基朝水、疏水基朝空气的排列。液体的表面张力由表面分子间的作用力决定，当疏水基在水相表面一字排开并朝外时就形成了新的表面，于是水的表面张力（72.8N/m）向疏水基的表面张力靠近。

来源：肖进新，赵振国. 表面活性剂应用原理（第二版）[M]. 化学工业出版社. 2015: 9.

为什么SAA主要用于水体系，因为水的表面张力足够大，能给SAA提供宽广的舞台，而有机溶剂的表面张力本来就低（比如辛烷：25.5 N/m），只有氟碳（比如全氟丁烷：10.2N/m）类SAA能发挥出降低表面张力的效果。

胶束的本质是在水相内部形成新表（界）面，或称内表（界）面。SAA起泡的原理是，在扰动下进入水相的空气会被包裹到胶束中形成稳定的气泡，并不是纯水在扰动下不会产生气泡，而是有了SAA后泡沫变得更稳定，产生的速度比破裂的速度更快，所以泡沫越来越多。SAA乳化的原理类似，区别只在于进入胶束的是不溶于水的疏水性物质，比如俗称的“油”。

3. PTC的作用原理

降低SAA分子中疏水基的疏水性（比如缩短碳链长度），则两亲分子不再能大量富集到水相界面或形成胶束，而是分散在水相主体中。分散质粒子的尺寸可能会随着非极性基团的疏水性增强而变大，从真溶液（四甲基溴化铵-水）逐渐转变为胶体（四己基溴化铵-水？）、乳液（十六烷基三甲基溴化铵-水）。

来源：赵地顺. 相转移催化原理及应用[M]. 化学工业出版社. 2007: 4.

以季铵盐等阳离子型PTC为例，溶于水相的PTC分子形成离子对Q⁺X^-并可发生离子交换，可溶于有机相的阳离子Q⁺与反应物中难溶于有机相的阴离子CN^-结合形成离子对Q⁺CN^-，该离子对在Q+的带动下穿过相界面进入有机相，从而与反应物RX发生均相反应，生成产物和Q⁺X^-，后者又可进入水相去搬运作为反应物的阴离子CN^-。

以上离子可以有许多变种，比如非离子PTC不能与反应物形成离子对，而是通过与反应物中的阴离子或阳离子形成配位键，从而把反应物整个“搬运”到有机相中，多用于无水的、有气相或固相参与的反应体系；反相PTC则是把有机相中的反应物分子（RX）带入到水相中，由于阻力太大基本不用。

4.感想

同样是两亲化合物，同样是季铵盐，碳链长的用作SAA，碳链短的用作PTC。

做材料做配方的大多只用SAA，做有机合成的大多只用PTC，做乳液聚合的会用到SAA。跟以前做材料做配方的朋友说起现在在做相转移催化剂或相转移剂，他们听了大多一脸懵逼。

找遍知网、小木虫和相关书籍，都找不到两者关系的清晰说明，连书籍的编者也不能一下子说清楚，果真是隔行如隔山。或许基于我工作经历的特殊性，对SAA和PTC的理解已经是行业内领先的。

4个月前往期刊投稿时需要写研究领域，想来想去写的是“特种表面活性剂”，意思是不只是“相转移剂”，经过最近对两亲化合物的更为系统的梳理（详见昨天的博文），或许以后写成“两亲化合物”更合适？可是两亲化合物的范围实在太大了，有点Hold不住。

学海无涯，一个小小的知识点就有可能困扰几个月，希望大家作为研究人员都能更加包容吧。