Alkylglycoside Surfactants - Self-Assembly, Solid-State Properties and Interactions with Hydrophobic Molecules

Abstract

A thorough physical-chemical characterisation of alkylglycosides has been performed. The effects of temperature, salt, concentration and deuterium exchange on the self-aggregation of n-nonyl-b-D-glucoside (b-C9G1) and n-tetradecyl-b-D-maltoside (b-C14G2) have been studied in dilute solutions by static and dynamic light scattering, neutron scattering, rheology, capillary viscometry and tensiometry. The data suggest that the aggregates grow in one dimension upon increasing concentration, addition of salting-out salts, changes in temperature and a substitution of D2O for H2O. However, the temperature effect on the micellar size is dramatically different for the two alkylglycosides. For b-C9G1, a decrease in size is observed with increasing temperature whereas the opposite is observed for b-C14G2, i.e. an increase in micellar size with increasing temperature. The effects can be rationalised as effects on unimer geometry, rather than on unimer solubility. The micelle morphology at higher surfactant concentrations was investigated by rheology and capillary viscometry. The results suggest that alkylmaltosides form entangled rod-like micelles whereas alkylglucosides have a stronger tendency to form branched aggregates and micellar networks. The thermotropic phase behaviour and phase structure of crystalline and non-crystalline alkylmaltosides as well as crystalline n-dodecyl-b-D-glucoside (b-C12G1) have been investigated by means of differential scanning calorimetry and X-ray techniques. Two different non-crystalline structures for the alkylmaltosides were identified, a gel and a glass. The gel was formed for alkylmaltosides with a hydrocarbon chain longer than 12 carbons whereas short- and medium-chained alkylmaltosides formed a glass. The results highlight the importance of intermolecular head-group interactions for the phase behaviour of alkylglycosides. Finally, the solubilisation of naphthylalkylates and the stabilisation of polypeptides by alkylglycosides were investigated. The results reveal that the unimer geometry governs both the solubilising and stabilising capacity.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Tensider är en mycket vanlig typ av kemikalier som använts i tusen år och som man ofta stöter på i vardagliga livet. De ingår i exempelvis rengöringsmedel, diskmedel, tvättmedel, lim, målarfärger, hudkrämer och schampo. Tensider är ytaktiva ämnen som anrikas på ytor där de reducerar ytspänningen och därmed ändrar ytans egenskaper. En tensidmolekyl består av en hydrofil del (vattenälskande) och en hydrofob del (vattenskyende). Dessa dubbla egenskaper medför att de aggregerar till små klot, så kallade miceller, vars insida består av de vattenskyende svansarna, medan de vattenälskande huvudena befinner sig på ytan och gör micellen vattenlöslig. Ökas koncentrationen av tensid i en vattenlösning kommer mer tätpackade aggregat att bildas med exempelvis hexagonal, kubisk och lamellär struktur. Tensider indelas i icke-laddade och laddade beroende på ladding av huvudgruppen.



Lösligheten i vatten av diverse hydrofoba molekyler kan ökas avsevärt genom tillsats av tensider. Detta används tex. när du tvättar händerna med tvål. Den feta smutsen blir vattenlöslig genom att gömma sig i den hydrofoba inre regionen av micellen. Ett annat användningsområde där tensidernas förmåga att lösa in hydrofoba substanser utnyttjas är i läkemedelsberedningar. Här används tensiderna som löslighetsförbättrare för de aktiva substanserna eller på annat sätt för att stabilisera formuleringen. Detta sker vanligtvis med hjälp av icke-laddade tensider då dessa är mindre irriterande på slemhinnor än laddade tensider. De mest vanligt förkommande icke-laddade tensiderna är baserade på polyetylenoxid. Dessvärre framställs dessa av petrokemiska råvaror och nedbrytningen i naturen är långsam där giftiga nedbrytningsprodukter bildas. Den långsamma nedbrytningen kan medföra att vattenlevande djur och växter tar skada. Den ökande användningen av tensider och det ökande miljömässiga tänkandet har medfört att sökandet efter mer miljömässiga tensider som ersättare för de traditionella har ökat markant de senaste åren.



En ny klass av tensider som framställs utifrån förnyelsebara råvaror är alkylglykosider. De kallas även sockertensider eftersom deras hydrofila del är baserad på glukos. Denna typ av tensider bryts ner snabbt i naturen till relativt ofarliga produkter och är därmed ett intressant alternativ till de traditionellt använda polyetylenoxid-baserade tensiderna. Dess unika egenskaper har medfört att de används i stor utsträckning i industriella tillämpningar men dock har ingen produkt inom läkemedelsindustrin innehållande alkylglykosider nått marknaden.



Målet med denna studie var att undersöka det fysikalisk-kemiska beteendet hos alkylglykosider i såväl vattenlösningar som det fasta tillståndet. Detta är nödvändigt för att i ett senare skede kunna förbättra befintliga produkter och även kunna introducera dem i läkemedelstillämpningar. Ett brett urval av såväl alkylglukosider (huvudgruppsenhet bestående av en glukosenhet) som alkylmaltosider (huvudgruppsenhet bestående av två glukosenheter) har använts i detta projekt. Alkylglykosiderna har tendens att bilda miceller som växer i en dimension till trådlika miceller vid ändring av yttre faktorer som exempelvis temperatur, salt, koncentration och utbyte av H2O mot D2O. Beroende på balansen mellan den hydrofila och den hydrofoba delen kommer endast vissa att påverkas av dessa faktorer. Packningen av tensidmolekylerna i en avlång micell skiljer sig av förklarliga skäl från den i en rund micell. Detta kommer i sin tur att ha en stark inverkan på en rad olika egenskaper hos tensidlösningen som tex. förmågan att lösa in hydrofoba molekyler och stabilisera peptidlösningar. Detta är av speciell stor betydelse i läkemedelsberedningar där tensidkoncentrationen måste minimeras.



En annan del av arbetet som presenteras i denna avhandling handlar om alkylglykosider i det fasta tillståndet. Alkylglykosiders möjlighet att bilda vätebindningar med närliggande glukosenheter medför att denna typ av tensid visar mycket intressanta fasbeteenden.



Genom detta arbete har kunskapen om alkylglykosiders fasbeteende förbättrats och förhoppningsvis kortat den långa vägen mot användning av alkylglykosider i läkemedelsberedningar.

• author: Ericsson, Caroline
• supervisor: Stefan Ulvenlund
• opponent: Dr Lynch, Matthew, Procter & Gamble Company, Cincinnati, Ohio
• organization: Physical Chemistry
• publishing date: 2005
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Physical Chemistry
• keywords: Fysikalisk kemi, Physical chemistry, peptide stabilisation, solubilisation, micelle morphology, solid-state behaviour, alkylglycosides, nonionic surfactants
• pages: 162 pages
• defense location: Lecture hall C, Centre for Chemistry and Chemical Engineering, Lund University
• defense date: 2005-06-02 10:30:00
• ISBN: 91-7422-081-0
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Caroline Ericsson, Louise Ericsson and Stefan Ulvenlund. 2005. Solid-State Phase Behaviour of Dodecylglycosides Carbohydrate Research, (inpress); Caroline Ericsson, Louise Ericsson, Vitaly Kocherbitov, Olle Söderman and Stefan Ulvenlund. 2005. Thermotropic Phase Behaviuor of Long-Chain Alkylmaltosides Phys. Chem. Chem. Phys., (accepted); Caroline Ericsson, Olle Söderman, Vasil Garamus, Magnus Bergström and Stefan Ulvenlund. 2004. Effects of Temperature, Salt, and Deuterium Oxide on the Self-Aggregation of Alkylglycosides in Dilute Solution. 1. n-Nonyl-b-D-glucoside Langmuir, vol 20 pp 1401-1408. Department of Physical Chemistry 1, Centre for Chemistry and Chemical Engineering, P.O. Box 124, 221 00 Lund; Caroline Ericsson, Olle Söderman, Vasil Garamus, Magnus Bergström and Stefan Ulvenlund. 2005. Effects of Temperature, Salt, and Deuterium Oxide on the Self-Aggregation in Dilute Solution. 2. n-Tetradecyl-b-D-maltoside Langmuir, vol 21 pp 1507-1515. Department of Physical Chemistry 1, Centre for Chemistry and Chemical Engineering, P.O. Box 124, 221 00 Lund; Caroline Ericsson, Olle Söderman and Stefan Ulvenlund. 2005. Aggregate Morphology and Flow Behaviour of Micellar Alkylglycoside Solutions Colloid and Polymer Science, Department of Physical Chemistry 1, Centre for Chemistry and Chemical Engineering, P.O. Box 124, 221 00 Lund (submitted); Helen Sjögren, Caroline Ericsson, Johan Evenäs and Stefan Ulvenlund. 2005. Interactions Between Charged Polypeptides and Non-Ionic Surfactants Biophysical Journal, Department of Physical Chemistry 1, Centre for Chemistry and Chemical Engineering, P.O. Box 124, 221 00 Lund (submitted); Caroline Ericsson, Johan Evenäs and Stefan Ulvenlund. . Solubilisation of Naphthylalkylates in Alkylglycoside Micelles Department of Physical Chemistry 1, Centre for Chemistry and Chemical Engineering, P.O. Box 124, 221 00 Lund (manuscript)
• id: 84808291-5c1c-42f6-978b-b54ab1542705 (old id 544927)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:26:38
• date last changed: 2018-11-21 20:58:48