氨基酸表面活性剂的合成研究进展

石莹莹

（三门峡职业技术学院食品园林学院，河南 三门峡 472000）

氨基酸表面活性剂的合成研究进展

石莹莹

（三门峡职业技术学院食品园林学院，河南 三门峡 472000）

综述了目前氨基酸表面活性剂的合成研究动态，介绍了其分类及结构，着重介绍了各类氨基酸表面活性剂的合成方法，包括化学合成法、酶合成法、化学-酶合成法，并比较了其优缺点，同时对其合 成方法做了展望，以期为其进一步的开发和应用提供参考。

氨基酸表面活性剂；分类结构；化学合成法；酶合成法；化学-酶合成法

随着人们越来越关注各类产品的安全性、温和性以及对环境保护要求的提高，研究并开发多功能高质量的环境友好表面活性剂已成为表面活性剂工业的主要方向。氨基酸的价值以及作为表面活性剂制备 原料的植物油衍生物的价值是在20世纪发现的［1］。最初它们被用作药品和化妆品的防腐剂，后来人们发现它们能抵御多种致病细菌、肿瘤和病毒，进入20世纪70年代后人们对氨基酸表面活性剂的研究逐渐活跃起来［2-5］。

氨基酸表面活性剂是以氨基酸为原料合成的，由于原料属生物体构成部分，可再生，易于生物降解且毒性低［6］，因此在食品、医药、化妆品等行业中有很大的应用前景［7］，目前较有影响的产品有美国的Hamposyl，德国的 Medialan，日本的Amisoft 等。近年来我国的氨基酸生产技术不断进步，现在已经可以大规模地生产比较廉价的氨基酸表面活性剂，从而促进了氨基酸类表面活性剂的发展和应用。

氨基酸表面活性剂目前研究和开发比较多的是N-烷基氨基酸表面活性剂和N-酰基氨基酸表面活性剂，其中尤以N-酰基氨基酸表面活性剂最多，目前已经系列化工业生产。

1　氨基酸表面活性剂的分类

从氨基酸的分子结构上看，氨基酸表面活性剂的分子基本结构中含有一个氨基和一个羧基，除此之外，还有一个疏水基R。理论上疏水基R可以连接在氨基酸的氨基或羧基上，有4条合成路径。如图1所示，连接键的不同使得产品的性能也各不相同。

图1　氨基酸表面活性剂的基本合成路径

在合成路径1中，脂肪醇与氨基酸反应生成两亲性的酯基胺化合物，此反应是一个典型的酯化反应，由氨基酸和脂肪醇在催化剂和脱水剂存在的条件下回流生成。

在合成路径2中，氨基酸与脂肪胺反应生成酰胺键得到两性的酰胺化合物，通常是把氨基酸的羧基活化以后参与反应。

在合成路径3中，氨基酸的氨基与脂肪酸反应，通常是脂肪酸先生成酰氯，然后再发生酰基化反应。

在合成路径4中，氨基酸分子中的氨基与卤代烷烃反应生成长链的烷基氨基酸。

这些不同的合成路径可以生成不同的氨基酸表面活性剂，它们的离子性质也不一样。

氨基酸表面活性剂可以分成2种基本类型，如表1所示［8］。

第一种类型主要分为两大类，一类是N-取代化合物，一类是C-取代化合物。在N-取代化合物中，氨基被一个疏水基团或羧基取代，失去了其碱性；在C-取代化合物中，羧基被酰胺基或酯基取代。N-酰基氨基酸表面活性剂是典型的N-取代化合物，它们是阴离子表面活性剂，在其分子结构中，由酰胺键连接疏水基团和亲水基团。酰胺键有很强的氢键结合能力，在酸性条件下水解可断裂，因此它们有很好的生物降解性。C-取代化合物是酯或酰胺，属于阳离子表面活性剂。

表1　氨基酸表面活性剂的基本结构（以甘氨酸为例）

第二种类型化合物，它们的分子结构中亲水基团既有氨基又有羧基，也有两种类型，N-取代和C-取代，其中主要品种是N-烷基氨基酸表面活性剂，是两性离子型表面活性剂。

在这些氨基酸表面活性剂中，N-酰基氨基化合物的研究最多，因其具有低毒性和高生物降解性能而受到广泛重视。

2　氨基酸型表面活性剂的合成

目前氨基酸表面活性剂的合成方法主要有化学合成法、酶合成法、化学-酶合成法3种［9-11］。

2.1化学合成法

化学法合成氨基酸型表面活性剂始于1909年S.Bondi合成N-酰基谷氨酸，至20世纪70年代起研究工作开始活跃起来。由于化学法工艺流程和设备相对简单，原料易得，国内在工业上仍主要采用化学法来合成氨基酸型表面活性剂。采用该法合成的氨基酸型表面活性剂有N-烷基氨基酸、氨基酸酯、N-酰基氨基酸及其盐类。

2.1.1N-酰基氨基酸盐的合成

目前此类表面活性剂研究较多的是N-酰基氨基酸及其盐类，其合成工艺［12］有脂肪酸酐与氨基酸盐的酰化反应工艺、脂肪腈水解酰化反应工艺、酰胺羰基化反应工艺、脂肪酰氯与氨基酸反应工艺及脂肪酸与氨基酸盐反应工艺等。脂肪酸酐与氨基酸盐的酰化反应工艺早在20世纪60年代就已提出，但由于反应中需要大量的脂肪酸酐，成本增高，分离困难，因此没有大规模工业生产［13］。脂肪腈水解酰化反应工艺于1955年提出，但由于该法设备要求高，在反应过程中有剧毒物质HCN或NaCN产生，因此也未实现工业应用。酰胺羰基化反应工艺由M.贝勒等提出，产率可达90%以上，但需要在CO高压下反应，对设备要求高，反应过程中需要羰基钴络合物［Co2（CO）8］作为催化剂，活性不高，无法实现工业化［14］。脂肪酰氯与氨基酸反应工艺由肖顿-鲍曼等人提出，是目前工业上最常用的方法，它对工艺、设备的要求低，而且反应条件温和，很容易实现工业化。脂肪酸与氨基酸盐反应工艺是由R.P.乌布赖等人提出的，它是在170～190℃和氮气保护下，由脂肪酸与氨基酸钠反应直接得到产品，流程简单，环境友好，但产品分离困难［15］，也无法实现工业化。

综上所述，目前工业生产中用得最多的合成方法是肖顿-鲍曼（Schotten-Baumann）缩合反应方法。它是由脂肪酰氯和氨基酸在碱性水溶液或其他有机溶剂中反应制得N-酰基氨基酸盐，然后再经无机酸中和分离得到N-酰基氨基酸粗品，再加碱中和成为较纯的N-酰基氨基酸盐表面活性剂。此法的优点是操作方法简单，反应条件温和易实现，产率高，易实现工业化生产。目前国内利用此法已合成出多种N-酰基氨基酸表面活性剂［16-18］。据报道，国内上海中狮公司利用该工艺开发出了较高质量的N-脂肪酸基谷氨酸盐和甘氨酸盐，已有批量产品以30%水剂供应市场［19］。

在上述反应进行的同时，可能发生两个副反应：1）脂肪酰氯的水解反应；2）脂肪酰氯与甘氨酸羧基的成酐反应。主要的副反应是酰氯的水解，因此反应过程中严格控制反应条件，减少水解产物的生成以及产物的分离纯化是获得高纯度产品的关键。有文献报道［20］，合成后产物采用酸析后将混合物加热至60～65℃再静置冷却的方法，产品收率在94%以上。也有文献报道［21］采用重结晶过滤的分离方法，获得了高纯的产品，活性物含量达95%以上。

2.1.2N-烷基氨基酸盐的合成

N-烷基氨基酸系列表面活性剂研究相对较少，目前其主要品种有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-丙氨酸的合成工艺有丙烯酸甲酯工艺［22］、丙烯腈工艺［23］、丙烯酸工艺、β-丙内酯工艺等。

1）N-烷基-β-丙氨酸的合成工艺

①丙烯酸甲酯工艺。是最常用的N-烷基-β-丙氨酸化学合成方法，此工艺较为成熟，美国General Mill 公司的Deriphat系列产品就是由此方法制得。此工艺采用C12～C18的脂肪胺与丙烯酸甲酯反应，然后将生成的产物进行皂化后得到产品。反应路线如下所示：

②丙烯腈工艺。由我国最先研制，此方法中采用的丙烯腈价格较低，替代了价格较高的丙烯酸甲酯与脂肪胺作用，使得生产成本降低，目前国内外采用此法的研究并不多。

③其它方法。丙烯酸法是脂肪胺与丙烯酸在浑浊溶液中进行加成反应；β-丙内酯法是脂肪胺与β-丙内酯反应，这些方法文献报道较少，很不成熟，需要进一步研究。

2）其他N-烷基氨基酸表面活性剂的合成工艺

据文献报道［24］，目前合成N-十二烷基谷氨酸比较合理的工艺是：使用十二醛和谷氨酸直接缩合，然后使用NaBH3CN或NaBH4还原的方法，可以直接得到产物，收率也较为理想。

有文献［25］报道了两种合成N-烷基甘氨酸表面活性剂的方法，一种是以溴代烷和氨基丙酸乙酯为原料合成，一种是以溴代乙酸和脂肪胺为原料合成的，其合成反应路线如下所示。

路线一：

路线二：

N-十二烷基天冬氨酸表面活性剂的合成［26］是采用十二胺和马来酸酐为原料，合成路线如下所示：

此合成反应就是一个Michael 加成反应，十二胺是亲核试剂，马来酸的碳碳不饱和双键上接有吸电子基团COOH。第一步是RNH2带着孤对电子加到一个不饱和碳上，形成一个碳负离子中间体。第二步是碳负离子中间体与带正电的亲电试剂相结合。文献报道，此反应收率为75%。

总的来说，化学法合成氨基酸表面活性剂存在能耗成本高、产生有害副产品、产品杂质含量高及污染环境等缺点。

2.2酶合成法

与化学合成法相比，酶合成法具有诸多优点，如反应条件温和（T＜70℃，pH=7.0左右），选择性好，产率高，产物易分离纯化，可避免有毒有害副产品的产生及酶可以重复使用等，因此此法引起了广泛关注和重视，其研究工作从20世纪80年代中期开始活跃起来。NOVO-Nordisk最早报道了用Candida antarctica脂肪酶（Novozyme 435）催化脂肪酸羧基与氨基酸氨基之间的酰胺化反应［27］。目前酶法合成的主流是采用有机溶剂体系和无溶剂体系，其中无溶剂体系受到了更广泛的关注，此法特别适用于脂氨酸的合成，因为很难找到合适的溶剂。酶法合成中普遍采用的酶制剂主要有脂肪酶和蛋白水解酶，但其产率相对较低，将蛋白水解酶用于合成氨基酸表面活性剂产率一般只有2%～19%左右。脂肪酶Novozyme 435催化合成精氨酸甲酯的N-酰化反应收率只有10%～15%。孟祥河等［28］用Novo脂肪酶催化合成了一种甘油酯型氨基酸表面活性剂N-乙酰谷氨酸甘油酯，收率为80%。虽然产率可以通过改变反应条件得以改善，但仍不适用于工业化生产。目前酶合成法在国内外仍处于研究阶段，要实现工业化生产有待进一步的深入研究。

2.3化学-酶合成法

化学- 酶合成法是将化学合成法与酶合成法两者结合起来的方法，此法不仅具有酶合成法的诸多优点，而且化学法的引入一定程度上解 决了酶法产率低的问题。

氨基酸表面活性剂的酶法合成一般都用此法来合成，酶催化只针对其中的酰化部分，其它部分则由化学法合成［29］。Beller M等人［30］用化学-酶合成法制备了光学纯的N-酰基-α-芳基甘氨酸，夏咏梅等人［31］以月桂酸酯与3-氨基丙烯腈为原料，用脂肪酶催化合成了N-月桂酰-β-氨基丙腈，原料转化率达到了96.8%。 李可彬和杨璐［32］以甘氨酸、甘油和十四烷酸为原料，先用化学法合成甘氨酰甘油，再用酶法合成1-O-甘氨酰-3-O-十四烷酰化甘油，最终收率为40%。

当然化学-酶合成法也存在成本高、对环境造成 一定污染等缺点，但与前两种方法相比，它既缓和了化学法的环境污染问题，又在一定程度上解决了酶法产率低的问题，使得氨基酸型表面活性剂的生产工艺朝着绿色化学的方向发展，因此当前此法具有更为广阔的前景。

3　结论

氨基酸表面活性剂作为环境友好型产品，目前普遍采用的是化学合成法，同时部分产品已由该法实现了工业化生产。酶法合成正在走向成熟，相对来说化学-酶合成法具有明显的优势，故具有很广阔的发展前景。

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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

石莹莹（1984-），女，硕士，讲师，主要从事精细化学品的合成及应用研究。E-mail：syy.a@163.com

2015-10-12