Получение простейшего косметического средства на основе глицерина в условиях школьной лаборатории



Современный человек не может представить свою жизнь без косметических средств, часто не задумываясь о составе выбранного им продукта. Насколько безвредными бывают самые распространенные крема, мыло, шампуни?

Поставив перед собой данную проблему, мы постарались и теоретически, и экспериментально её решить.

Цель работы:выяснить универсальность глицерина в различных косметических средствах и синтезировать простейшее косметическое средство на основе реакции этерификации.

Задачи работы:

– изучить литературу по данному вопросу;

– исследовать физические и химические свойства глицерина, выяснить особенности его взаимодействия с органическими кислотами.

При работе над данной темой выяснилось, что большая часть материала связана с растворимостью глицерина в воде, качественной реакцией на глицерин, с реакцией этерификации (между глицерином и азотной, пальмитиновой, стеариновой кислотами). Появилось желание отойти от сложившихся стереотипов и подробнее познакомиться с малоизвестными свойствами глицерина.

Глицерин CH₂OHCHOHCH₂OH — это трехатомный спирт, представляет собой вязкую жидкость, не имеющую запаха и цвета, сладкую на вкус. Название «глицерин» было получено этой жидкостью именно благодаря своему сладковатому вкусу и происходит от латинского glycos — сладкий. Глицерин не ядовит. Он смешивается с водой, спиртом (метиловым и этиловым), ацетоном, не растворяется в жирах, бензине, аренах, эфире, при этом является растворителем некоторых органических и неорганических веществ, таких как моно- и дисахариды, соли, щелочи и прочие5.

По своим химическим свойствам глицерин схож с одноатомными спиртами. Физические свойства глицерина заключаются в следующих характеристиках: вязкость; гигроскопичность; растворимость; низкая температура замерзания; прозрачность; не токсичность; устойчивость к порче; отсутствие запаха¹.

Благодаря своим химическим и физическим свойствам, глицерин используется во многих областях. Особенно наше внимание привлекло применение глицерина в медицине и косметологии.

Его можно назвать одним из самых дешевых увлажняющих средств. Он входит в состав многих кремов, мазей и мыла.Считается, что данный химический реактив выполняет защитную функцию кожи, так как сохраняет влагу в её клетках. Увлажнение происходит благодаря тому, что глицерин вытягивает из окружающей среды влагу и тем самым обеспечивает коже дополнительное увлажнение. Однако, данное свойство применимо лишь для влажного климата. Нанесенный на поверхность кожи глицерин накапливает в себе влагу и при необходимости отдает ее коже. Однако, при недостатке влаги в воздухе, он будет впитывать ее в себя из кожного покрова, пересушивая поверхность кожи. Если человек находится в сухом климате, то перед нанесением глицерина или средств на основе глицерина, ему необходимо предварительно смочить кожу специальной водой⁶.

В медицине глицерин используют в качестве антисептика при комплексном лечении многих заболеваний, особенно кожных (способствует заживлению ран, препятствует заражению и гноению). В фармакологии — при изготовлении лекарственных препаратов, в качестве добавок, эффективного растворителя для некоторых лекарств. Он поддерживает нужный уровень влажности в таблетках, а жидкие препараты делает более вязкими. Глицерин входит в состав многих мазей, тем самым предохраняет их от высыхания. Его используют при изготовлении высоко концентрированных медицинских растворов⁵.

Молекулы глицерина притягивают воду из воздуха (не менее 65 % влажности), впитывают её в клетки кожи, как губка, и удерживают. Если влажность воздуха ниже нормы, то глицерин начинает «вытягивать» влагу из организма, обезвоживая его⁴.

Важно знать, что в чистом виде глицерин опасен для здоровья, так как оказывает раздражающее действие. Он противопоказан при нарушении кожных покровов⁶.

Было решено экспериментально проверить это суждение.

Для этого приготовили 25 % водный раствор глицерина. Нанесли данный раствор на кожу рук. Возникло ощущение смягчения кожных покровов. Для проведения эксперимента по созданию модели сухого воздуха подержали руки с нанесенным раствором над отопительным прибором в течение 15 минут. По истечению этого времени ощущается дискомфорт: стягивание, шершавость, кожа приобрела матовый оттенок. Складывается впечатление, что руки обработаны мелом.

Опытным путём мы убедились, что чистый глицерин растворяется в воде в любых пропорциях, помимо того, в сухом воздухе он забирает воду с поверхности кожи.

Мы решили проверить наличие глицерина в креме для рук и глицериновом мыле. Нас заинтересовал вопрос: в каком виде находится данное вещество в косметическом продукте? В свободном виде, либо в виде соединения.

С этой целью мы испытали крем для рук «Антошка», содержащий глицерин, на качественную реакцию со свежеосажденным гидроксидом меди (II). При этом осадок голубого цвета растворяется, и раствор приобретает характерную синюю окраску за счет образования комплексного соединения³:

В начале экспериментальной части работы растворили порцию крема в дистиллированной воде в соотношении 1:1. После встряхивания крем полностью растворился. Для чистоты опыта раствор профильтровали. Затем часть полученного раствора прилили к равной порции свежеосажденного гидроксида меди (II). Интенсивно встряхнули смесь. При этом осадок растворился, цвет раствора изменился с голубого на синий.

На основании этого, мы пришли к выводу, что крем для рук содержит глицерин в чистом виде.

Подобным образом был проведен анализ глицеринового мыла. Результаты эксперимента оказались аналогичны выше описанному опыту с кремом для рук.

Нас заинтересовала среда мыльного раствора, она оказалась щелочной, как мы и предполагали.

После проведенных экспериментов у нас возникло желание в условиях школьной лаборатории создать композицию из реактивов, которую можно было использовать как основу для доступного косметического средства по уходу за кожей рук.

При выборе веществ за основу был выбран глицерин как основной объект исследования.

Помимо этого было решено использовать аскорбиновую кислоту.

Аскорбиновая кислота(витамин С) является мощным восстановителем, антиоксидантом, предохраняющим от окисления целый ряд биологически активных веществ. Неплохие результаты дает применение витамина С при отбеливаниивеснушек,возрастных пигментных пятен. Его эффективность в данном случае не уступает таковой гидрохинона. Местное применение витамина С способно свести к минимуму вред, принесенный солнечными лучами и недостаточно нейтрализованными другими солнцезащитными средствами.

В косметологии широко применяют L-аскорбиновую кислоту.

Наличие в аскорбиновой кислоте двух сопряженных двойных связей обусловливает ее способность к обратимому окислению, продуктом которого является дегидроаскорбиновая кислота (ДАК). Она представляет собой бесцветные кристаллы с температурой плавления 220–225°, хорошо растворимые в воде. ДАК очень устойчива. Когда в структуре разрывается лактонная связь, она превращается в 2,3-дикето-L-гулоновую кислоту. Эта реакция необратима2.

Но чистая аскорбиновая кислота хорошо растворяется в воде, при этом не растворяется в глицерине, поэтому было решено использовать водный раствор глицерина. Нам не хотелось использовать синтетическую аскорбиновую кислоту, поэтому было принято решение по применению доступного природного вещества. В литературе часто описывается использование лимонной кислоты как добавка к косметическим средствам. В качестве сырья чаще всего предлагается лимон. Мы же остановили свой выбор на хвое сосны, так как в ее составе также содержится достаточное количество витамина С.

В хвое найдены аскорбиновая кислота, каротин, витамины группы В, пантотеновая кислота (3,8–13,7 мкг/г), антоциановые соединения, накапливающиеся больше зимой и ранней весной, около 5 % дубильных веществ, алкалоиды1.

Для получения экстракта хвои в ступке пестиком растерли хвою с добавлением достаточного количества дистиллированной воды. Полученный экстракт, обладающий сильным специфическим запахом, отфильтровали. В результате был получен бесцветный раствор, обладающий менее выраженным запахом. Это объясняется постепенным разрушением аскорбиновой кислоты. В целях сохранения следов аскорбиновой кислоты, полученный раствор не подвергали нагреванию.

При изучении литературы было установлено, что для придания косметическим средствам приятного запаха используют сложные эфиры.

Уравнение реакции этерификации в общем виде выглядит следующим образом3:

R₁ — COOH + R₂OH ↔ R₁ — COOR₂ + H₂O

В домашних условиях можно использовать экстракты листьев комнатных растений, обладающих ароматом. Мы в своей работе использовали сложный эфир, синтезированный самостоятельно. При выборе реагентов было решено взять уксусную кислоту. Это объясняется ее наличием в школьной лаборатории и при необходимости ее легко приобрести в магазине.

В реакции этерификации, как известно, помимо кислоты используется спирт. В школьном курсе в реакции этерификации используется этиловый спирт, нам захотелось использовать менее распространенное вещество. При этом исходный спирт должен быть не токсичен, безопасен для человека и соответствующий продукт реакции должен обладать приятным запахом. В результате было решено использовать бутиловый спирт.

В качестве водоотнимающего вещества была использована концентрированная серная кислота.

Затем была проведена реакция согласно уравнению реакции:

После остывания продуктов реакции эфир приобрел приятный запах. Поскольку предполагалось использование бутилацетата в косметических целях, после его отделения от продуктов реакции и избытка исходных веществ, проверили среду раствора с помощью универсального индикатора. Среда раствора оказалась близка к нейтральной.

Таким образом, полученный нами продукт можно считать безопасным для применения.

В результате смешивания глицерина, бутилацетата и отфильтрованного водного раствора хвои сосны получился раствор с достаточно приятным запахом.

Нас интересовала не только экспериментальная часть работы, но и химизм происходящих процессов.

Если превращения, происходящие с аскорбиновой кислотой, встречаются в литературе, то уравнение реакции между глицерином и α-дикетогулоновой кислотой в водном растворе при изучении данного вопроса не приведено ни в одном из использованных нами источнике.

Поэтому мы предположили протекание процесса согласно уравнению реакции:

Полученная нами смесь может быть использована в качестве основы для создания домашнего косметического средства. Оно обладает смягчающим свойством при испытании на коже рук.

В результате работы мы пришли к следующим выводам:

– исследовав физические и химические свойства глицерина, удостоверились — глицерин является универсальным компонентом многих косметических средств;

– можно получить простейшее средство для ухода за кожей рук даже в школьной лаборатории;

– компонентами косметических средств могут быть доступные всем в повседневной жизни материалы и вещества.

Считаем, что эта тема может быть полезна для учащихся, изучающих химию на профильном уровне, либо занимающихся данным предметом дополнительно. Быть может, она вовлечет человека в волшебный мир химии.

Литература:

1. Березин Б. Д., Березин Д. Б. Курс современной органической химии. Учебное пособие для вузов. М.: Высшая школа, 2001.
2. Грандберг И. И. Органическая химия: Учебник для студентов вузов, обучающихся по агроном.спец. М.: Дрофа, 2002.
3. Лидин Р. А. ЕГЭ. Химия. Самостоятельная подготовка к ЕГЭ. М.: Издательство «Экзамен», 2015.
4. Петров А. А., Бальян Х. В., Трощенко А. Т. Органическая химия. М.: Высшая школа, 1969.
5. http://www.pcgroup.ru/blog/poleznye-svojstva-glitserina/
6. http://make-self.net/public/29–17/723-interesnye-fakty-o-glicerine.html