石瑩瑩

（三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院食品園林學(xué)院，河南 三門峽 472000）

氨基酸表面活性劑的合成研究進(jìn)展

石瑩瑩

（三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院食品園林學(xué)院，河南 三門峽 472000）

綜述了目前氨基酸表面活性劑的合成研究動(dòng)態(tài)，介紹了其分類及結(jié)構(gòu)，著重介紹了各類氨基酸表面活性劑的合成方法，包括化學(xué)合成法、酶合成法、化學(xué)-酶合成法，并比較了其優(yōu)缺點(diǎn)，同時(shí)對(duì)其合 成方法做了展望，以期為其進(jìn)一步的開發(fā)和應(yīng)用提供參考。

氨基酸表面活性劑；分類結(jié)構(gòu)；化學(xué)合成法；酶合成法；化學(xué)-酶合成法

隨著人們?cè)絹碓疥P(guān)注各類產(chǎn)品的安全性、溫和性以及對(duì)環(huán)境保護(hù)要求的提高，研究并開發(fā)多功能高質(zhì)量的環(huán)境友好表面活性劑已成為表面活性劑工業(yè)的主要方向。氨基酸的價(jià)值以及作為表面活性劑制備 原料的植物油衍生物的價(jià)值是在20世紀(jì)發(fā)現(xiàn)的［1］。最初它們被用作藥品和化妝品的防腐劑，后來人們發(fā)現(xiàn)它們能抵御多種致病細(xì)菌、腫瘤和病毒，進(jìn)入20世紀(jì)70年代后人們對(duì)氨基酸表面活性劑的研究逐漸活躍起來［2-5］。

氨基酸表面活性劑是以氨基酸為原料合成的，由于原料屬生物體構(gòu)成部分，可再生，易于生物降解且毒性低［6］，因此在食品、醫(yī)藥、化妝品等行業(yè)中有很大的應(yīng)用前景［7］，目前較有影響的產(chǎn)品有美國(guó)的Hamposyl，德國(guó)的 Medialan，日本的Amisoft 等。近年來我國(guó)的氨基酸生產(chǎn)技術(shù)不斷進(jìn)步，現(xiàn)在已經(jīng)可以大規(guī)模地生產(chǎn)比較廉價(jià)的氨基酸表面活性劑，從而促進(jìn)了氨基酸類表面活性劑的發(fā)展和應(yīng)用。

氨基酸表面活性劑目前研究和開發(fā)比較多的是N-烷基氨基酸表面活性劑和N-?；被岜砻婊钚詣?，其中尤以N-酰基氨基酸表面活性劑最多，目前已經(jīng)系列化工業(yè)生產(chǎn)。

1　氨基酸表面活性劑的分類

從氨基酸的分子結(jié)構(gòu)上看，氨基酸表面活性劑的分子基本結(jié)構(gòu)中含有一個(gè)氨基和一個(gè)羧基，除此之外，還有一個(gè)疏水基R。理論上疏水基R可以連接在氨基酸的氨基或羧基上，有4條合成路徑。如圖1所示，連接鍵的不同使得產(chǎn)品的性能也各不相同。

圖1　氨基酸表面活性劑的基本合成路徑

在合成路徑1中，脂肪醇與氨基酸反應(yīng)生成兩親性的酯基胺化合物，此反應(yīng)是一個(gè)典型的酯化反應(yīng)，由氨基酸和脂肪醇在催化劑和脫水劑存在的條件下回流生成。

在合成路徑2中，氨基酸與脂肪胺反應(yīng)生成酰胺鍵得到兩性的酰胺化合物，通常是把氨基酸的羧基活化以后參與反應(yīng)。

在合成路徑3中，氨基酸的氨基與脂肪酸反應(yīng)，通常是脂肪酸先生成酰氯，然后再發(fā)生?；磻?yīng)。

在合成路徑4中，氨基酸分子中的氨基與鹵代烷烴反應(yīng)生成長(zhǎng)鏈的烷基氨基酸。

這些不同的合成路徑可以生成不同的氨基酸表面活性劑，它們的離子性質(zhì)也不一樣。

氨基酸表面活性劑可以分成2種基本類型，如表1所示［8］。

第一種類型主要分為兩大類，一類是N-取代化合物，一類是C-取代化合物。在N-取代化合物中，氨基被一個(gè)疏水基團(tuán)或羧基取代，失去了其堿性；在C-取代化合物中，羧基被酰胺基或酯基取代。N-?；被岜砻婊钚詣┦堑湫偷腘-取代化合物，它們是陰離子表面活性劑，在其分子結(jié)構(gòu)中，由酰胺鍵連接疏水基團(tuán)和親水基團(tuán)。酰胺鍵有很強(qiáng)的氫鍵結(jié)合能力，在酸性條件下水解可斷裂，因此它們有很好的生物降解性。C-取代化合物是酯或酰胺，屬于陽離子表面活性劑。

表1　氨基酸表面活性劑的基本結(jié)構(gòu)（以甘氨酸為例）

第二種類型化合物，它們的分子結(jié)構(gòu)中親水基團(tuán)既有氨基又有羧基，也有兩種類型，N-取代和C-取代，其中主要品種是N-烷基氨基酸表面活性劑，是兩性離子型表面活性劑。

在這些氨基酸表面活性劑中，N-?；被衔锏难芯孔疃?，因其具有低毒性和高生物降解性能而受到廣泛重視。

2　氨基酸型表面活性劑的合成

目前氨基酸表面活性劑的合成方法主要有化學(xué)合成法、酶合成法、化學(xué)-酶合成法3種［9-11］。

2.1化學(xué)合成法

化學(xué)法合成氨基酸型表面活性劑始于1909年S.Bondi合成N-?；劝彼幔?0世紀(jì)70年代起研究工作開始活躍起來。由于化學(xué)法工藝流程和設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，原料易得，國(guó)內(nèi)在工業(yè)上仍主要采用化學(xué)法來合成氨基酸型表面活性劑。采用該法合成的氨基酸型表面活性劑有N-烷基氨基酸、氨基酸酯、N-?；被峒捌潲}類。

2.1.1N-?；被猁}的合成

目前此類表面活性劑研究較多的是N-酰基氨基酸及其鹽類，其合成工藝［12］有脂肪酸酐與氨基酸鹽的?；磻?yīng)工藝、脂肪腈水解?；磻?yīng)工藝、酰胺羰基化反應(yīng)工藝、脂肪酰氯與氨基酸反應(yīng)工藝及脂肪酸與氨基酸鹽反應(yīng)工藝等。脂肪酸酐與氨基酸鹽的?；磻?yīng)工藝早在20世紀(jì)60年代就已提出，但由于反應(yīng)中需要大量的脂肪酸酐，成本增高，分離困難，因此沒有大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)［13］。脂肪腈水解?；磻?yīng)工藝于1955年提出，但由于該法設(shè)備要求高，在反應(yīng)過程中有劇毒物質(zhì)HCN或NaCN產(chǎn)生，因此也未實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用。酰胺羰基化反應(yīng)工藝由M.貝勒等提出，產(chǎn)率可達(dá)90%以上，但需要在CO高壓下反應(yīng)，對(duì)設(shè)備要求高，反應(yīng)過程中需要羰基鈷絡(luò)合物［Co2（CO）8］作為催化劑，活性不高，無法實(shí)現(xiàn)工業(yè)化［14］。脂肪酰氯與氨基酸反應(yīng)工藝由肖頓-鮑曼等人提出，是目前工業(yè)上最常用的方法，它對(duì)工藝、設(shè)備的要求低，而且反應(yīng)條件溫和，很容易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。脂肪酸與氨基酸鹽反應(yīng)工藝是由R.P.烏布賴等人提出的，它是在170～190℃和氮?dú)獗Ｗo(hù)下，由脂肪酸與氨基酸鈉反應(yīng)直接得到產(chǎn)品，流程簡(jiǎn)單，環(huán)境友好，但產(chǎn)品分離困難［15］，也無法實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。

綜上所述，目前工業(yè)生產(chǎn)中用得最多的合成方法是肖頓-鮑曼（Schotten-Baumann）縮合反應(yīng)方法。它是由脂肪酰氯和氨基酸在堿性水溶液或其他有機(jī)溶劑中反應(yīng)制得N-酰基氨基酸鹽，然后再經(jīng)無機(jī)酸中和分離得到N-?；被岽制?，再加堿中和成為較純的N-?；被猁}表面活性劑。此法的優(yōu)點(diǎn)是操作方法簡(jiǎn)單，反應(yīng)條件溫和易實(shí)現(xiàn)，產(chǎn)率高，易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。目前國(guó)內(nèi)利用此法已合成出多種N-?；被岜砻婊钚詣?6-18］。據(jù)報(bào)道，國(guó)內(nèi)上海中獅公司利用該工藝開發(fā)出了較高質(zhì)量的N-脂肪酸基谷氨酸鹽和甘氨酸鹽，已有批量產(chǎn)品以30%水劑供應(yīng)市場(chǎng)［19］。

在上述反應(yīng)進(jìn)行的同時(shí)，可能發(fā)生兩個(gè)副反應(yīng)：1）脂肪酰氯的水解反應(yīng)；2）脂肪酰氯與甘氨酸羧基的成酐反應(yīng)。主要的副反應(yīng)是酰氯的水解，因此反應(yīng)過程中嚴(yán)格控制反應(yīng)條件，減少水解產(chǎn)物的生成以及產(chǎn)物的分離純化是獲得高純度產(chǎn)品的關(guān)鍵。有文獻(xiàn)報(bào)道［20］，合成后產(chǎn)物采用酸析后將混合物加熱至60～65℃再靜置冷卻的方法，產(chǎn)品收率在94%以上。也有文獻(xiàn)報(bào)道［21］采用重結(jié)晶過濾的分離方法，獲得了高純的產(chǎn)品，活性物含量達(dá)95%以上。

2.1.2N-烷基氨基酸鹽的合成

N-烷基氨基酸系列表面活性劑研究相對(duì)較少，目前其主要品種有N-烷基-β-丙氨酸、N-烷基谷氨酸、N-烷基甘氨酸、N-烷基天冬氨酸等。其中N-烷基-β-丙氨酸的合成工藝有丙烯酸甲酯工藝［22］、丙烯腈工藝［23］、丙烯酸工藝、β-丙內(nèi)酯工藝等。

1）N-烷基-β-丙氨酸的合成工藝

①丙烯酸甲酯工藝。是最常用的N-烷基-β-丙氨酸化學(xué)合成方法，此工藝較為成熟，美國(guó)General Mill 公司的Deriphat系列產(chǎn)品就是由此方法制得。此工藝采用C12～C18的脂肪胺與丙烯酸甲酯反應(yīng)，然后將生成的產(chǎn)物進(jìn)行皂化后得到產(chǎn)品。反應(yīng)路線如下所示：

②丙烯腈工藝。由我國(guó)最先研制，此方法中采用的丙烯腈價(jià)格較低，替代了價(jià)格較高的丙烯酸甲酯與脂肪胺作用，使得生產(chǎn)成本降低，目前國(guó)內(nèi)外采用此法的研究并不多。

③其它方法。丙烯酸法是脂肪胺與丙烯酸在渾濁溶液中進(jìn)行加成反應(yīng)；β-丙內(nèi)酯法是脂肪胺與β-丙內(nèi)酯反應(yīng)，這些方法文獻(xiàn)報(bào)道較少，很不成熟，需要進(jìn)一步研究。

2）其他N-烷基氨基酸表面活性劑的合成工藝

據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道［24］，目前合成N-十二烷基谷氨酸比較合理的工藝是：使用十二醛和谷氨酸直接縮合，然后使用NaBH3CN或NaBH4還原的方法，可以直接得到產(chǎn)物，收率也較為理想。

有文獻(xiàn)［25］報(bào)道了兩種合成N-烷基甘氨酸表面活性劑的方法，一種是以溴代烷和氨基丙酸乙酯為原料合成，一種是以溴代乙酸和脂肪胺為原料合成的，其合成反應(yīng)路線如下所示。

路線一：

路線二：

N-十二烷基天冬氨酸表面活性劑的合成［26］是采用十二胺和馬來酸酐為原料，合成路線如下所示：

此合成反應(yīng)就是一個(gè)Michael 加成反應(yīng)，十二胺是親核試劑，馬來酸的碳碳不飽和雙鍵上接有吸電子基團(tuán)COOH。第一步是RNH2帶著孤對(duì)電子加到一個(gè)不飽和碳上，形成一個(gè)碳負(fù)離子中間體。第二步是碳負(fù)離子中間體與帶正電的親電試劑相結(jié)合。文獻(xiàn)報(bào)道，此反應(yīng)收率為75%。

總的來說，化學(xué)法合成氨基酸表面活性劑存在能耗成本高、產(chǎn)生有害副產(chǎn)品、產(chǎn)品雜質(zhì)含量高及污染環(huán)境等缺點(diǎn)。

2.2酶合成法

與化學(xué)合成法相比，酶合成法具有諸多優(yōu)點(diǎn)，如反應(yīng)條件溫和（T＜70℃，pH=7.0左右），選擇性好，產(chǎn)率高，產(chǎn)物易分離純化，可避免有毒有害副產(chǎn)品的產(chǎn)生及酶可以重復(fù)使用等，因此此法引起了廣泛關(guān)注和重視，其研究工作從20世紀(jì)80年代中期開始活躍起來。NOVO-Nordisk最早報(bào)道了用Candida antarctica脂肪酶（Novozyme 435）催化脂肪酸羧基與氨基酸氨基之間的酰胺化反應(yīng)［27］。目前酶法合成的主流是采用有機(jī)溶劑體系和無溶劑體系，其中無溶劑體系受到了更廣泛的關(guān)注，此法特別適用于脂氨酸的合成，因?yàn)楹茈y找到合適的溶劑。酶法合成中普遍采用的酶制劑主要有脂肪酶和蛋白水解酶，但其產(chǎn)率相對(duì)較低，將蛋白水解酶用于合成氨基酸表面活性劑產(chǎn)率一般只有2%～19%左右。脂肪酶Novozyme 435催化合成精氨酸甲酯的N-?；磻?yīng)收率只有10%～15%。孟祥河等［28］用Novo脂肪酶催化合成了一種甘油酯型氨基酸表面活性劑N-乙酰谷氨酸甘油酯，收率為80%。雖然產(chǎn)率可以通過改變反應(yīng)條件得以改善，但仍不適用于工業(yè)化生產(chǎn)。目前酶合成法在國(guó)內(nèi)外仍處于研究階段，要實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)有待進(jìn)一步的深入研究。

2.3化學(xué)-酶合成法

化學(xué)- 酶合成法是將化學(xué)合成法與酶合成法兩者結(jié)合起來的方法，此法不僅具有酶合成法的諸多優(yōu)點(diǎn)，而且化學(xué)法的引入一定程度上解 決了酶法產(chǎn)率低的問題。

氨基酸表面活性劑的酶法合成一般都用此法來合成，酶催化只針對(duì)其中的?；糠?，其它部分則由化學(xué)法合成［29］。Beller M等人［30］用化學(xué)-酶合成法制備了光學(xué)純的N-?；?α-芳基甘氨酸，夏詠梅等人［31］以月桂酸酯與3-氨基丙烯腈為原料，用脂肪酶催化合成了N-月桂酰-β-氨基丙腈，原料轉(zhuǎn)化率達(dá)到了96.8%。 李可彬和楊璐［32］以甘氨酸、甘油和十四烷酸為原料，先用化學(xué)法合成甘氨酰甘油，再用酶法合成1-O-甘氨酰-3-O-十四烷?；视?，最終收率為40%。

當(dāng)然化學(xué)-酶合成法也存在成本高、對(duì)環(huán)境造成 一定污染等缺點(diǎn)，但與前兩種方法相比，它既緩和了化學(xué)法的環(huán)境污染問題，又在一定程度上解決了酶法產(chǎn)率低的問題，使得氨基酸型表面活性劑的生產(chǎn)工藝朝著綠色化學(xué)的方向發(fā)展，因此當(dāng)前此法具有更為廣闊的前景。

3　結(jié)論

氨基酸表面活性劑作為環(huán)境友好型產(chǎn)品，目前普遍采用的是化學(xué)合成法，同時(shí)部分產(chǎn)品已由該法實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。酶法合成正在走向成熟，相對(duì)來說化學(xué)-酶合成法具有明顯的優(yōu)勢(shì)，故具有很廣闊的發(fā)展前景。

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Synthesis Progress of Amino Acid-based Surfactant

SHI Ying-ying
（Food and Landscape Architecture Department， Sanmenxia Polytechnic， Sanmenxia 472000， China）

The synthesis research status of amino acid-based surfactants was sum marized. The classification and its structures were introduced. The synthetic methods included the chemical synthesis， enzymatic synthesis， chemo-enzymatic synthesis， were emphatically introduced. Finally， the synthesis development trends of the amino acid-based surfactants were viewed in order to provide reference for its further development and application.

amino acid-based surfactant； classifi cation and structure； chemical synthesis； enzymatic synthesis； chemo-enzymatic synthesis

TQ 423.3

A

1671-9905（2015）12-0044-05

石瑩瑩（1984-），女，碩士，講師，主要從事精細(xì)化學(xué)品的合成及應(yīng)用研究。E-mail：syy.a@163.com

2015-10-12