采用微波辅助离子液体催化合成辛基糖苷

江文辉，文鹤林

(1. 中南大学 化学化工学院，湖南 长沙，410083；2. 广州合成材料研究院，广东 广州，510665)

烷基糖苷作为一种绿色的表面活性剂，具有对人体毒性小、降解容易、表面活性高、去污和配伍性能好等优点，已经开始工业化生产[1]。近年来，有关烷基糖苷的应用研究不断发展，例如，用作增稠剂[2]、二氧化钛的分散剂[3]，以及在化妆品和药物配方中作为添加剂[4]。迄今为止，已经开发了许多烷基糖苷的合成方法，但比较经济的只有Fischer synthesis方法，即在酸性催化剂作用下低分子糖与醇的反应。Fischer synthesis方法的关键是选用合适的催化剂。硫酸、对甲基苯磺酸和烷基苯磺酸等可用作反应的催化剂[1]，反应结束后需要用大量的碱中和，这样会产生大量的废水，另外，酸对反应容器有腐蚀性；磺酸树脂也可作反应的催化剂[5]，反应结束后过滤分离不会产生废水，但这种催化剂成本高。运用离子液体可以改变反应机理，导致新的催化活性，提高转化率和选择性[6−7]。文献[8]报道了具有 Brφnsted酸性的离子液体可以作为酯化和醚化反应的催化剂，并且对用内酰胺与酸中和反应合成的离子液体进行研究，认为基于内酰胺的离子液体具有B酸的特性和没有腐蚀性，而且成本低廉。微波技术在有机合成中已经有广泛的应用[9−11]。本文作者用已内酰胺−对甲基苯磺酸离子液体作催化剂，采用微波技术合成烷基糖苷。

1 实验

1.1 试剂与仪器

1.1.1 试剂

试剂为：无水葡萄糖(化学纯)；无水甲醇(分析纯)；正辛醇(化学纯)；吡啶(分析纯)；正二十二醇(色谱级)；辛基糖苷(分析纯)；三甲基氯硅烷(色谱级)；六甲基二硅胺烷(色谱级)；费林试剂(自配)；其他试剂，为分析级。

1.1.2 仪器

实验所用仪器有：Bruker 300 Hz 核磁共振仪；日本岛津GC-14CPF气相色谱仪；AVATAR23602FT 型傅里叶红外光谱仪；WRD熔点仪；PerkinElmer 2400 型元素分析仪。

1.2 离子液体的合成与表征方法

已内酰胺-对甲苯磺酸(CP-ptsa)的合成按文献[8]中的方法进行：在250 mL的三口瓶中，加入30 mL苯，11.32 g(0.1 mol)已内酰胺，分5批加入总量19 g(0.1 mol)含1个结晶水的对甲苯磺酸，在加料期间用冰水浴控制反应温度在5 ℃以下，当对甲苯磺酸全部加入并全部溶解在苯液中后，使反应温度升至室温，并开始计时，反应5 h；反应完成后，过滤除去苯液，滤渣用无水乙醇溶解，用乙醚使CP-ptsa沉淀出来(对甲基苯磺酸留在溶液里)，过滤得白色固体，其熔点为108 ℃。

用元素分析仪对离子液体的元素组成进行定量分析。分别用氘代三氯甲烷和重水为溶剂，用1HNMR核磁共振进行离子液体结构的确认。用红外光谱吡啶探针分析离子液体酸的类型(B酸或L酸)。

1.3 辛基糖苷的合成与表征方法

在50 mL的反应瓶中加入0.05 mol的无水葡萄糖(分4批加入)、0.3 mol的正辛醇和离子液体CP-ptsa(质量为所用葡萄糖质量的4%)，磁力搅拌微波加热(微波功率为600 W)，反应中用费林试剂检测至没有砖红色(即原料葡萄糖全部反应)作为反应终点，同时，用薄层色谱(展开剂为CHCl3-CH3OH，体积比为10∶1)检测到烷基糖苷的斑点。反应结束后，用减压蒸馏除去大部分辛醇，然后用柱色谱分离(洗脱液为CHCl3-CH3OH，体积比为10∶1)，收集含辛基糖苷的色谱组分，用旋转蒸发除去溶剂得到辛基糖苷。

用氘代甲醇作溶剂，用13C NMR (CD3OD)核磁共振确认辛基糖苷结构。用气相色谱法对辛基糖苷进行定量分析[12]。气相色谱条件如下：色谱柱 AT.SE-30系列；检测器为FID；柱温为300 ℃；进样口温度为350 ℃；载气为氮气。

2 结果与讨论

2.1 离子液体的表征结果

对CP-ptsa的组成元素进行元素分析，结果(质量分数)如表1所示。

表1 CP-ptsa的元素分析Table 1 Result of element analysis of CP-ptsa %

CP-ptsa的1H NMR (CDCl3)核磁共振检测有2个活泼氢8.11 (s, 1H), 11.89 (s, 1H)，重水交换后的氢谱1H NMR (D2O)中无活泼氢信号，根据文献[8]，可以确认为N原子上的活泼氢，即已内酰胺上的N原子被质子化。1H NMR(CDCl3)：化学位移1.68～1.84(m, 6H),2.51(t,J=4.9 Hz, 2H), 3.27(t,J=5.2 Hz, 2H), 8.11(s, 1H),11.89(s, 1H)；7.32(d,J=5.8 Hz, 2H), 7.65(d,J=5.9 Hz,2H), 2.39(s, 3H)；1H NMR(D2O): 1.63～1.78 (m, 6H),2.14(t,J=4.4 Hz, 2H), 2.90(t,J=4.8 Hz, 2H), 2.39(s,3H),7.42(d,J=5.9 Hz, 2H), 7.75(d,J=6.1 Hz, 2H)。

用吡啶作探针，CP-ptsa与吡啶作用的红外光谱在1 542 cm−1处有吸收，而在1 450 cm−1附近无吸收，根据文献[13]证明CP-ptsa具有Brφnsted酸性。

2.2 产物烷基糖苷的表征结果

13C核磁共振表明产物中有α和β2种构型的糖苷。α糖环上C1的化学位移为100.1，β糖环上C1的化学位移为104.7，这2个位移峰位于低场，与糖环上其他碳原子的共振峰比较，没有干扰，易于辨认，根据文献[14]，可以证明存在糖苷键。产物的13C NMR(CD3OD)：化学位移 100.1 (C-1α), 104.7(C-1β), 77.9(C-3β), 77.2 (C-5β), 74.5～74.9 (C-3α和 C-2β), 73.0(C-2α和 C-5α), 71.8 (C-4α和 C-4β), 62.7 (C-6α和C-6β)；68.1, 34.2, 31.1. 30.6, 30.1, 28.1, 23.7, 14.6(octyl)。

气相色谱测试各样品纯度为98%，杂质主要为未反应的辛醇和低聚糖。

2.3 离子液体对烷基糖苷合成产率的影响

葡萄糖与醇合成烷基糖苷的反应是葡萄糖分子上的异头碳在酸的存在下与一分子醇作用变成缩醛，酸在反应中起催化作用。红外光谱分析结果表明：合成的离子液体(Cp-ptsa)具有B酸的特性。因此，Cp-ptsa对辛基糖苷合成反应的催化机理可能是：作为B酸的Cp-ptsa提供质子进攻葡萄糖上的苷羟基的氧原子，形成异头碳正离子，然后，作为亲核试剂的醇进攻碳正离子生成糖苷。Cp-ptsa的用量对合成辛基糖苷的影响如图1所示。由图1可知：随着催化剂用量的加大，辛基糖苷的产率提高，当催化剂用量大于 4%时，产率开始下降，这是因为合成糖苷的反应是可逆的，Cp-ptsa溶于水且对逆反应有催化作用，当催化剂量少时，作为反应生成物之一的水的含量较少，催化剂主要分散在醇中对正反应起催化作用，因此，体系的水解反应对糖苷产率的影响小。当催化剂过多时，在体系水中的溶解量也增加，辛基糖苷水解反应趋势加强，从而使辛基糖苷的产率下降。

图1 催化剂的用量对辛基糖苷产率的影响Fig.1 Effect of catalyst dosage on yield of octyl glucoside

2.4 反应温度对烷基糖苷合成产率的影响

反应温度对烷基糖苷产率的影响如图2所示。可见：温度升高使催化剂在醇中的溶解度加大；当反应温度为90 ℃以下时，催化剂在弱极性的醇中溶解少，催化作用小，烷基糖苷的产率较低；当反应温度升高到100 ℃时，有部分催化剂溶解，这时反应物葡萄糖的反应也加快，烷基糖苷的产率提高；在110～120 ℃时，Cp-ptsa完全溶解在辛醇中形成均相催化体系，糖苷产率最高；当温度升高到120 ℃以上时，葡萄糖有明显的焦结现象，从而造成产率下降。因此，反应温度控制在110～120 ℃比较好。

图2 反应温度对辛基糖苷产率的影响Fig.2 Effect of reaction temperature on yield of octyl glucoside

2.5 醇糖物质的量比对烷基糖苷合成产率的影响

醇糖反应的物质的量比对辛基糖苷合成的影响见图3。在理论上，醇糖反应的物质的量比为1∶1，但在实验中，按此比例反应很难定量完成，因为葡萄糖在醇中的溶解度很低，并且容易吸收水分变稠，无法分散在反应体系中，从而影响了反应体系的传质进行，进而在高温(120 ℃以上)时迅速结团和焦化变黄。因此，醇糖反应的物质的量比应大于理论值，实验证明应该在3∶1以上。在其他条件相同时，当醇糖物质的量比为6∶1时，可以观察到反应完成(反应体系变得清亮，反应终点检测没有葡萄糖原料)只需3 min，而醇糖物质的量比为3∶1时反应完成需要10 min。可见醇糖物质的量比对反应速率有一定的影响。

2.6 微波对烷基糖苷合成产率的影响

在其他条件不变的情况下，考察不同微波功率对反应的影响。用功率为250 W微波辐射10 min后，用TLC检测不到产物，而用 250 W 以上的微波辐射10 min后，能够检测到产物的斑点。在功率为600 W

图3 醇糖物质的量比对产率和反应时间的影响Fig.3 Effect of molar ratio of alcohol to glucose on yield ofoctyl glucoside and reaction time

的微波辐射下产率最大，而当功率大于600 W时，反应体系结焦，有黑色碳化物，因此，在本文中的微波功率都选用600 W。与常用的辛基糖苷合成方法所需时间为 4～5 h[15−17]相比，在微波辅助下辛基糖苷反应时间大大缩短。

3 结论

(1) 用已内酰胺与对甲基苯磺酸合成的离子液体具有Brφnsted酸性，在合成辛基糖苷的反应中具有催化作用。催化剂的最佳用量为所用葡萄糖质量的4%。

(2) 与常用的合成方法相比，微波的辐射可以缩短辛基糖苷的反应时间，而对产率的影响不大。

(3) 在微波功率为600 W，反应温度为120 ℃，反应时间为10 min，醇糖物质的量比为 6∶1，催化剂质量为葡萄糖质量的4%的反应条件下合成辛基糖苷，产率可以达到72%左右，产品的纯度为98%，杂质主要为未反应的辛醇和低聚糖。

[1] von Rybinski W, Hill K. Alkyl polyglycosides: Properties and applications of a new class of surfactants[J]. Angew Chem Int Ed,1998, 37(10): 1328−1345.

[2] Lehmann A, Volkert B, Fischer S, et al. Starch based thickening agents for personal care and surfactant systems[J]. Colloids and Surfaces A: Physicochem Eng Aspects, 2008, 331(1): 150−154.

[3] George A S. Alkyl polyglycoside as a dispersant for titanium dioxide: USA, 5279662[P]. 1994.

[4] Rull P S. Cosmetic and/or pharmaceutical compositions containing fatty acids and extracts of castaneva sativa: europe,wo2006/005463A1[P]. 2004.

[5] Unilever N V. Process for the preparation of alkyl glycosides:europe, EP0378710A1[P]. 1990−07−25.

[6] 顾彦龙, 彭家建, 乔琨, 等. 室温离子液体及其在催化和有机合成中的应用[J]. 化学进展, 2005, 15(3): 223−241.GU Yan-long, PENG Jia-jian, QIAO Kun, et al. Room temperature ionic liquids and their applications in catalysis and organic reactions[J]. Progress in Chemistry, 2005, 15(3):223−241.

[7] Miao W, Chan T H. Ionic-liquid-supported synthesis: A novel liquid-phase strategy for organic synthesis[J]. Acc Chem Res,2006, 39(12): 897−908.

[8] DU Zheng-yin, LI Zuo-peng, GUO Shu, et al. Investigation of physicochemical properties of lactam-based bronsted acidic ionic liquids[J]. J Phys Chem B, 2005, 109(41): 19542−19546.

[9] Bosea A K, Gangulya S N, Manhas M S, et al. Microwave promoted energy-efficient N-formylation with aqueous formic acid[J]. Tetrahedron Letters, 2006, 47(27): 4605−4607.

[10] Vvedensky V Y, Ivanov Y V, Volodymyr K, et al.Microwave-mediated reactions of 3-aminomethylpyridines with acetylenedicarboxylates: A novel synthetic route to dihydronaphthyridines and naphthyridine-1-ones[J]. Tetrahedron Letters, 2005, 46(23): 3953−3956.

[11] Wipf P, Fletcher J M, Scarone L. Microwave promoted oxazole synthesis: cyclocondensation cascade of oxides and acyl chlorides[J]. Tetrahedron Letters, 2005, 46(33): 5463−5466.

[12] Gorius O, Bertho J N, Nuzillard J M. Determination and prediction of the average olymerization degree of alkylpolyglucosides[J]. Analytica Chimica Acta, 2001, 440(2):231−237.

[13] YANG Ya-li, KOU Yuan. Determination of the Lewis acidity of ionic liquids by means of an IR-spectroscopic probe[J]. Chem Comm, 2004, 4(2): 226−227.

[14] Walker T E, London R E, Whaley L T W, et al. Carbon-1 3 nuclear magnetic resonance spectroscopy of [1-3C] enriched monosaccharides. Signal assignments and orientational dependence of geminal and vicinal carbon-carbon and carbon-hydrogen spin-spin coupling constants[J]. Journal of the American Chemical Society, 1976, 98: 5807.

[15] McCurry Jr P M, Varvil J R, Pickens C E. Process for making alkyl polyglycosides: USA , 5512666[P]. 1994.

[16] Wolf G, Wolf H. Preparation of alkyl polyglycosides: USA,5585472[P]. 1996.

[17] McDaniel Jr R S. Vanderburgh L F, Sommer S J. Preparation of alkyl glycosides: USA, H619[P]. 1989.