氨基酸型表面活性剂的进展

王 杰 薄纯玲 王淑钰 王 轩 茅沁怡 方 云

（1. 江南大学化学与材料工程学院，江苏无锡，214122，2. 江南大学至善学院，江苏无锡，214122）

开发高质量多功能环境友好型表面活性剂已成为表面活性剂工业的主要方向，例如氨基酸型表面活性剂[1-3]。氨基酸型表面活性剂不仅生物质原料来源广泛，毒副作用小，性能温和，刺激性小且生物降解性好，而且其良好的乳化、润湿、增溶、分散、起泡等性能在当下备受人们的关注，被逐渐应用于洗涤、个人护理和食品工业等诸多领域[4]。对氨基酸型表面活性剂分类通常可以按照氨基和羧基的数目分为酸性（如N-酰基肌氨酸）、中性（如N-酰基谷氨酸）或碱性（如N-酰基-L-赖氨酸）三大类；也可以按照亲水基荷电性不同分为阴离子型（如N-酰基谷氨酸）、阳离子型（如N-椰子酰精氨酸乙酯）、两性型（如N-烷基天冬氨酸-b-烷基酯）及非离子型（如 N-酰基谷氨酸二酯）。本文将从构建单链或双链的方法以及不同结构疏水链的角度对氨基酸型表面活性剂分类，阐述其合成方法、性能以及在各个领域中的应用。

1 氨基酸型表面活性剂的合成

1.1 单链氨基酸型表面活性剂的合成

各种酸性、碱性或中性氨基酸如天门冬氨酸、谷氨酸、精氨酸、丙氨酸、甘氨酸、亮氨酸、脯氨酸、丝氨酸和蛋白质水解产物均被用于合成单链氨基酸型表面活性剂[5]，疏水链可以连接在氨基酸的氨基、a-COOH或侧链基团上（图1）。若脂肪酸或烷基卤化物与氨基反应，分别产生相应的N-酰基或N-烷基氨基酸衍生物（图1中化合物1和2）；若脂肪胺或脂肪醇与羧基缩合，分别得到N-烷基或O-烷基酯类氨基酸衍生物（图1中化合物3和4）。单链氨基酸型表面活性剂可以是阴离子、阳离子、非离子或两性化合物，因此，具有化学结构多样性及其物理化学和生物学性质的多样性。图2例举了以精氨酸为原料分别获得N-酰基（系列1），N-烷基酰胺（系列2）和O-烷基酯（系列3）3种氨基酸衍生阳离子表面活性剂。化学法、酶合成法或化学-酶合成法等均被用于合成氨基酸型表面活性剂，由于化学法的工艺流程和设备相对简单，原料易得，自1909年Bondi用于合成N-酰基谷氨酸后，在20世纪70年代逐渐活跃起来，目前仍是国内外采用的主要方法[6]。

图1 氨基酸与疏水基的不同连接方式

1.1.1 N-酰基氨基酸型表面活性剂

N-酰基氨基酸型表面活性剂仍然是最主要的氨基酸型表面活性剂，合成方法分为直接法和间接法。脂肪酸原料直接合成法包括酶催化合成和脱水缩合，其中酶催化合成受制于转化率低、反应时间长及酶制剂价格昂贵等因素；而脱水缩合受制于反应条件苛刻、设备要求高及能耗大等因素而有待提高。间接合成法有脂肪酰氯酰化、脂肪腈水解酰化、脂肪酸酐酰化、酰胺羰基化反应等，其中由脂肪酰氯替代脂肪酸与氨基酸在碱性溶液中反应的肖顿－鲍曼( Schotten-Baumann) 缩合法是目前实验室或工业中应用最广泛的合成方法，具有设备要求相对较低、原料价格低廉易得、反应条件温和及副产物容易处理等优势，并正在深入研究如何减少酰氯水解和简化产品后处理。该法主要通过如下所示的酰氯化、缩合、酸化及成盐四个步骤完成：

图2 不同连接方式得到的不同单链精氨酸型阳离子表面活性剂

R1COOH + PCl3→ R1COCl

HOOCCHR2NH2+ R1COCl →

NaOOCCHR2NHCOR1

NaOOCCHR2NHCOR1+ HCl →

HOOCCHR2NHCOR1

HOOCCHR2NHCOR1+ NaOH →

NaOOCCHR2NHCOR1

脂肪腈水解酰化反应工艺在1955年提出，反应产率和选择性大于95%，但由于该法设备要求高，且反应过程中有剧毒物质HCN和NaCN产生也未能实现工业化，反应方程式如下：

脂肪酸酐和氨基酸盐的酰化反应工艺由Thomnas等在20世纪60年代提出，酸酐在熔点之上（不超过100℃）与氨基酸盐在水中反应，无需催化剂也无需控制水量但脂肪酸酐耗量大，导致成本高和分离困难，因此并未用于大规模工业生产。反应方程式如下：

酰胺羰基化反应工艺是Beller等提出的，该法原料成本低、不使用酰氯又无副产物因而避免环境污染、原子经济效益高且产率可达90%以上，但此反应需在高压CO存在下反应因而对设备要求高，而且催化剂羰基钴络合物[Co2(CO)8]活性不高，较难实现工业化。反应方程式如下：

近期Bougueroua[7]等人以丙氨酸与烷基磺酰氯合成得到一系列的氨基酸型表面活性剂，方法简单而且产品收率良好，对其理化性质的研究表明，随着表面活性剂疏水长度的增加和表面活性剂浓度的增加，表面张力值逐渐减小。同时还发现向亲水部分添加甲基对CMC，饱和吸附量Gmax等表面参数具有重要影响，对正构烷烃磺酰氨基-2-丙酸钠盐良好的泡沫性能也有一定的影响。

1.1.2 N-烷基氨基酸型表面活性剂

N-烷基氨基酸型表面活性剂主要通过脂肪胺与丙烯酸类化合物构建氨基酸结构，可以采用丙烯酸甲酯、丙烯腈、丙烯酸或b-丙内酯等为原料。例如将月桂胺C12H25NH2先在60～70℃下加热熔融，边搅拌边缓慢滴加入1.0～2.0mol的丙烯酸甲酯，反应方程式如下：

丙烯腈法比丙烯酸甲酯法的经济性更高，但反应要求更高因而研究不多，据报道，该法的产品质量较差且不稳定，其合成反应方程式如下：

丙烯酸与脂肪胺在110-120℃及无溶剂条件下直接混合加热合成N-烷基-b-氨基丙酸，操作简单快捷，但体系黏度较大，还可能发生聚合反应或生成亚胺化合物导致分离困难，反应方程式如下：

b-丙内酯与脂肪胺反应则得到两种产物， N-烷基氨基酸和N-酰基氨基酸型表面活性剂的混合物，反应方程式如下：

1.1.3 氨基酸酯

脂肪醇与氨基酸发生催化酯化反应制得氨基酸酯表面活性剂[8]，主要包括气体催化、液体催化、固体催化、酶催化、微波协助催化等。气体催化法（氯化氢法）是Fischer最早研究出的氨基酸酯化的方法，几乎所有的L-氨基酸甲酯和乙酯的盐酸盐均可用这个方法制备，且合成产物产率较大，纯度较高。同时此方法工艺重现性好，反应周期短，催化剂易得，产物易分离，最适于工业化。游离的氨基酸酯容易发生缩合，所以市售氨基酸酯多为其盐酸盐的形式。但由于反应时通入HCl且反应后要脱除等，使操作非常繁琐，而使其应用受到限制。采用H2SO4酯化氨基酸的方法也有一定的应用[9]，通过成盐和酯化两步反应得到氨基酸酯，主要用作高级醇酯的制备。由于硫酸具有强氧化性和脱水性，易脱水、易氧化的氨基酸，多羟基醇都不适用。反应如下：

液体催化法主要采用离子液体催化剂，与传统的有机溶剂、水或超临界流体相比具有对许多无机和有机材料良好的溶解能力，利于均相反应的进行，且蒸汽压小有利于高真空下的反应及取代常规挥发性溶剂，符合绿色化学的要求；固体催化法有利于催化剂重复使用和在线分离，可连续化生产而提高经济效益；酶催化法有很高的专一性和选择性且反应条件温和，但成本较高、生产周期长且需要精确控制反应条件；微波辅助催化合成氨基酸酯已经取得一定的进展，缩短反应时间、提高反应产率等优点使其有可能替代传统加热方式成为今后的重点研究方向之一。

1.1.4 其他类型

利用带有苯环或聚氧乙烯酚醚的卤代物与牛磺酸或甲基牛磺酸反应可制得磺基氨基酸型两性表面活性剂。反应式如下：

硫酸基氨基酸型表面活性剂主要由含双键或羟基的脂肪胺进行硫酸化反应得到。反应式如下：

磷酸基氨基酸型表面活性剂主要是通过氧乙基桥接而成，尚处在实验室研究阶段。

1.2 氨基酸型双子表面活性剂的合成

双子(Gemini)表面活性剂是一类性能卓越的表面活性剂，本文主要介绍3种氨基酸型双子表面活性剂的合成方法[10]：先合成单链再连接为双子、先合成双疏水链再接入亲水基、先合成双亲水基再接入疏水链。

1.2.1 单长链结构偶联法

借鉴上述单链氨基酸型表面活性剂的方法先合成单体再用连接基将其连接为氨基酸型双子表面活性剂，连接基有亲水型（如聚环氧乙烷链）和疏水型（烷基链），或柔性（链状）和刚性（苯环状）之分。如下例：

1.2.2 双长链结构官能团化法

先将两个疏水链通过连接基连接，再通过羧基化合成氨基酸型双子表面活性剂，连接基常常采用二元胺，如下例：

1.2.3 双亲水结构双长链化法

两个亲水的氨基酸头基通过连接基连接后再引入两个疏水基合成氨基酸型双子表面活性剂，也常用二元胺作为连接基，如下例：

2 氨基酸型表面活性剂的性能及应用

与其他传统表面活性剂类似，氨基酸型表面活性剂具有良好的乳化、润湿、增溶、分散、发泡等性能，同时可以降低传统表面活性剂潜在的危险性。氨基酸型表面活性剂表现出的优秀生物降解性和生物相容性、杀菌功效和高安全性等优良特性，使其被广泛应用于日化行业，并显示在生物医药、食品和其他工业领域的应用前景。

2.1 日化领域

由于氨基酸型表面活性剂的pH范围在7～9（10%水溶液），与人体肌肤适应pH具有良好的匹配性，因而具有清洁作用且温和不刺激；同时还具有良好的润湿性能和发泡功能；以及良好的杀菌功效[11]，对革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌均有良好的杀灭作用 （包括白色念珠菌、金黄色葡萄球菌、沙门氏菌、李斯特菌等等），同时对酵母菌及一些病毒也有效。因此，氨基酸型表面活性剂在当下追求安全和生活品质的时代被广泛用于洗涤用品、化妆品和个人护理用品等行业，包括洗发水、沐浴露、洗面奶、牙膏等，不仅满足了环境友好的要求，也满足了人们对产品安全性和温和性不断提高的要求[12]。 氨基酸型双子表面活性剂（12-GsG-12）与长链醇（C16OH）和水形成a-凝胶的研究结果表明[13]，a-凝胶的熔点随着C16OH含量的增加而增加；与其单体（12-Glu）不同，较少量C16OH即可使双子表面活性剂产生饱和a-凝胶，故双子化拓宽了氨基酸型表面活性剂的应用范围。

2.2 生物医药领域

氨基酸型表面活性剂近年来也被应用于生物和医药领域并取得了快速的发展，例如N-酰基氨基酸型表面活性剂可以用于改善维生素E在水中的溶解性，提高人体的吸收能力且温和不刺激；还可以从人血液、动植物细胞、微生物中快速安全地提取RNA，定量提取DNA等；还在免疫学中有一定的应用。酰基氨基酸/肽的囊泡还可以用作药物载体以及脂肽配体的功能性脂质体的制备；阴离子类氨基酸型表面活性剂可以用于积累皮肤中的亲水物质和提高皮肤的渗透通量，有望成为皮肤的局部治疗剂[2]。氨基酸型双子表面活性剂作为运输生物活性分子的潜在载体显示出特别的前景，对聚阳离子双子表面活性剂和精胺基双子表面活性剂作为基因递送中的有效试剂也有一定的研究[5]。Nagasaka等人[14]最近研究了由亲水性氨基酸（组氨酸）和疏水性醛（辛醛）组成的自推进系统：一个油滴系统自发地生产氨基酸基表面活性剂，然后导致液滴的自我推进。该系统是一种能够自行产生推进燃料的主动系统，可以用作细胞代谢的概念模型，此类氨基酸型表面活性剂自驱动体系也有望应用于更多领域。

2.3 食品领域

随着人民生活水平的提高，食品安全问题引人关注，氨基酸型表面活性剂的安全性和生物相容性正好符合了食品领域的这一需求。例如，氨基酸酯代替氨基酸作为食品添加剂，可以改变食品的口味和风味，增加食品的保鲜期，提高食品的营养成分[8]。少量的N-酰基氨基酸型表面活性剂作为食品添加剂可以保持糖果、植物油脂和可可粉等食品的香味不溢出，防止异味的滋生，同时还有防腐的作用；还可以抑制酸性物质发酵并残留在龋齿上，防止了对龋齿的酸蚀。此外，氨基酸型表面活性剂还有防雾和抗静电的作用，可用于食品包装的塑料薄膜中[2]。

2.4 工业领域

随着氨基酸型表面活性剂的深入研究，其在工业领域也有了一定的发展。例如N－月桂酰肌氨酸钠可作为高效的阳极缓蚀剂，并与甲基苯骈三氮唑或硫酸锌复配，均具有很好的协同增效作用；N－月桂酰基谷氨酸作为润滑油添加剂能够提高润滑油的生物降解性能，并表现出良好的防锈、抗磨和耐摩性能[2]。N-酰基氨基酸盐可用于纺织及塑料薄膜制品中降低静电，亦是一种性能优良的矿物浮选剂。此外，氨基酸型表面活性剂在原油缺乏的当下还可以用于原油的开采等领域。

3 氨基酸型表面活性剂的发展趋势与展望

由于我国的精细化工产业在国民经济中发挥着举足轻重的作用，表面活性剂又是精细化工产业的支柱，因此具有优秀性能的氨基酸型表面活性剂正作为一类重要的新型精细化学品备受关注，近年来发展迅速。氨基酸型表面活性剂工业化进程在我国的起步时间较晚，合成技术和工艺存在许多不足，高品质和小批量氨基酸型表面活性剂大部分仍然依靠进口，价格昂贵，尚未得到广泛应用，许多与之相关的行业也因此发展缓慢。氨基酸型特别是酰基氨基酸型表面活性剂是日用化学工业的重要原料，许多发达国家已经具有完整的研究开发体系，能够系列化、多样性地实现产品的研究与开发，目前我国的氨基酸型表面活性剂领域还有很大的发展空间，因此，合成性能优良的氨基酸型表面活性剂也是目前我国的一个重大科研项目。基于氨基酸型表面活性剂的种种优良特性，如何更高效更绿色环保地生产和应用成为最主要的发展方向：生物酶法、生物酶和化学法结合的合成方法更加符合未来绿色发展的需要；利用天然植物和生物废弃物生产更加经济的氨基酸型表面活性剂可以降低成本；加深对氨基酸型表面活性剂的结构-性能关系的研究，并拓宽其可应用领域等都将成为未来氨基酸表面活性剂的主流发展趋势。

[1]Pinazo A, Pons R, Pérez L, et al. Amino acids as raw material for biocompatible surfactants[J]. Industrial and Engineering Chemistry Research, 2011, 50(9)： 4805—4817.

[2]胡卫强, 黎华美, 陈浩. N-酰基氨基酸表面活性剂的制备及应用进展[J]. 广州化工, 2016, 44(16)： 34-36.

[3]孔玉明, 罗跃, 任朝华, 等. 氨基酸型两性表面活性剂的合成进展[J].化学与生物工程, 2012, 29(3)： 9-12.

[4]刘青. 官能化氨基衍生的琥珀酸单十二酯钠盐类氨基酸表面活性剂的合成与性能测试[D]. 湖南师范大学, 2015.

[5]Morán M C, Pinazo A, Pérez L, et al. Green amino acidbased surfactants[J]. Green Chemistry, 2004： 233-240.

[6]石莹莹. 氨基酸表面活性剂的合成研究进展[J]. 化工技术与开发,2015, 44(12)： 44-48.

[7]Bougueroua M, Mousli R, Tazerouti A. Synthesis and physicochemical properties of alanine-based surfactants[J].Journal of Surfactants and Detergents, 2016, 19(6)：1121-1131.

[8]尚岩, 王春颖. 氨基酸酯合成方法最新研究进展[J]. 哈尔滨理工大学学报, 2008(2)： 107-111.

[9]王炳琴, 黎植昌. 氨基酸酯的制备方法及应用[J]. 氨基酸和生物资源, 1995(4)： 40-45.

[10]武丽丽. 氨基酸型双子表面活性剂的合成与性能研究进展[J]. 日用化学工业, 2015, 45(6)： 342-346.

[11]徐建敏. 具有杀菌功效的氨基酸类型两性表面活性剂[C]. 第36届（2016）中国洗涤用品行业年会论文集, 2016：1.

[12]周晓璐, 王云, 张伟雄, 等. 氨基酸表面活性剂的性能及应用[J]. 广东化工, 2014, 41(15)： 143-144, 146.

[13]Sakai K, Ohno K, Nomura K, et al. α-Gel formation by amino acid-based Gemini surfactants[J]. Langmuir, 2014, 30(26)：7654-7659.

[14]Nagasaka Y, Tanaka S, Nehira T, et al. Spontaneous emulsification and self-propulsion of oil droplets induced by the synthesis of amino acid-based surfactants[J]. Soft Matter,2017,13(37)： 6450-6457.