杜斌斌，閆順杰，楊宗鋒，杜山山，辛志榮

（煙臺(tái)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264005）

與傳統(tǒng)表面活性劑相比，雙子表面活性劑具有較高的表面活性、較低的臨界膠束濃度值、良好的鈣皂分散性能和復(fù)配效應(yīng)，且其水溶液表現(xiàn)出一些特殊的相行為和流變性［1-3］。糖基雙子表面活性劑是以天然可再生的糖類(lèi)作為原料制備的環(huán)境友好型“綠色”表面活性劑。該類(lèi)產(chǎn)品以糖基基團(tuán)作為親水頭基，具有特殊的多羥基結(jié)構(gòu)，從而使其表面活性得到顯著提高。另外，還滿足生物安全性，生物相容性和生物降解性的“綠色化學(xué)”原則，在洗滌去污、個(gè)人護(hù)理品、生物醫(yī)藥、農(nóng)藥、材料制備和基因治療等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景［4-8］。

1 糖基雙子表面活性劑概況

在早期表面活性劑的合成中，人們采用糖類(lèi)、固醇以及脂肪酸等天然生態(tài)物質(zhì)作為原料合成新型的雙親分子。從現(xiàn)代角度看來(lái)，這種觀點(diǎn)遵循了“綠色化學(xué)”的概念。糖類(lèi)表面活性劑一直以來(lái)就受到廣泛的關(guān)注［9］，這是因?yàn)椋?）糖類(lèi)的多羥基結(jié)構(gòu)可以以不同的方式與疏水化合物鍵合；2）糖的親水性能夠通過(guò)氧化、還原等反應(yīng)與親水基團(tuán)鍵合而得到改善；3）疏水基團(tuán)能夠容納一條、二條甚至多條的尾鏈，尾鏈可以包括脂肪酸類(lèi)長(zhǎng)鏈、脂肪醇類(lèi)長(zhǎng)鏈、脂肪胺類(lèi)長(zhǎng)鏈等多種類(lèi)型。

1997年，Castro等［10］在烷基葡萄糖苷的基礎(chǔ)上制備了具有優(yōu)良的生態(tài)學(xué)性質(zhì)的糖基雙子表面活性劑。隨后，更多種類(lèi)的糖基雙子表面活性劑被相繼合成和研究。糖基雙子表面活性劑主要包括烷基糖苷型［11-14］、烷基糖（酰）胺型［15-20］、高級(jí)脂肪酸糖酯型［21］、特種糖基型［22］等類(lèi)型。另外，以糖類(lèi)作為聯(lián)接基團(tuán)（Spacer）的雙子表面活性劑也見(jiàn)于報(bào)道［23-24］。幾種常見(jiàn)的糖基雙子表面活性劑類(lèi)型見(jiàn)圖1。

圖1 幾種常見(jiàn)的糖基雙子表面活性劑類(lèi)型

2 糖基雙子表面活性劑的合成方式

2.1 化學(xué)合成法

雙子表面活性劑是通過(guò)聯(lián)接基團(tuán)將糖基及其衍生物和疏水基鍵合而制備。依據(jù)親水基、疏水鏈和聯(lián)接基團(tuán)的鍵合順序不同，可以歸結(jié)為3種合成方法：a）聯(lián)接基團(tuán)加入法；b）疏水鏈加入法；c）親水頭基加入法。圖2是雙子表面活性劑的三種常見(jiàn)合成路線示意圖［25］。

圖2 雙子表面活性劑的合成路線示意

2.1.1 聯(lián)接基團(tuán)加入法

首先制備傳統(tǒng)單頭基糖基表面活性劑分子，然后以聯(lián)接基團(tuán)將兩分子表面活性劑聯(lián)接成雙子結(jié)構(gòu)。通常聯(lián)接基團(tuán)選用雙官能團(tuán)物質(zhì)，如雙環(huán)氧化合物，雙酰氯化合物等。這種合成路線是比較常見(jiàn)的，優(yōu)勢(shì)在于可以考察聯(lián)接基團(tuán)的變化（相對(duì)位置、結(jié)構(gòu)、長(zhǎng)度）對(duì)糖基雙子表面活性劑性能的影響。傳統(tǒng)糖基表面活性劑分子上發(fā)生聯(lián)接反應(yīng)的官能團(tuán)為糖基的伯羥基、仲羥基，或有極化性原子的仲胺基［15-17］。前者的反應(yīng)往往不具有選擇性，需要對(duì)糖基醇通過(guò)酯化反應(yīng)進(jìn)行預(yù)保護(hù)處理［11-14］。后者仲胺基由于存在孤對(duì)電子，具有較強(qiáng)的親核能力，能較好地與作為親電試劑的聯(lián)接基團(tuán)反應(yīng)鍵合。

Warwel等［16-17］以不同鏈長(zhǎng)（C8，C10，C12）的烷基葡萄糖胺與等摩爾量的α，ω-雙環(huán)氧化合物或環(huán)氧樹(shù)脂為原料，在溫和條件下制備了烷基葡萄糖胺雙子表面活性劑（合成路線見(jiàn)圖3）。同時(shí)，考察了不同鏈長(zhǎng)的聯(lián)接基團(tuán)對(duì)雙子性能的影響。與結(jié)構(gòu)單體相比較，雙子表面活性劑的表面活性得到大幅度的提高。

圖3 烷基葡萄糖胺雙子表面活性劑的合成路線

朱紅軍等［26］以烷基糖苷、二乙胺及二溴乙烷為原料合成了Gemini陽(yáng)離子烷基糖苷表面活性劑。他們對(duì)產(chǎn)物的合成工藝進(jìn)行了優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)稍過(guò)量的烷基糖苷可提高產(chǎn)品的產(chǎn)率；同時(shí)對(duì)產(chǎn)物的性能進(jìn)行了測(cè)試，發(fā)現(xiàn)該烷基糖苷Gemini表面活性劑cmc值為3.16×10-3mol／L，γcmc為29.4 mN／m，親水性較好。

2.1.2 疏水鏈加入法

Bola型表面活性劑是由疏水鏈兩端各聯(lián)接鍵合一個(gè)親水基而成的兩親物，可以作為制備雙子表面活性劑的原料［27-28］。用雙糖基的Bola型化合物同時(shí)接入兩條疏水鏈后的得到的產(chǎn)物就是糖基雙子表面活性劑。該方法可選用不同的疏水鏈，合成一系列尾鏈長(zhǎng)度和類(lèi)型不同的雙子表面活性劑。

Fielden［29］等以葡萄糖和烷基二胺為原料，制備了以雙還原糖基為端基的Bola型表面活性劑，然后分別與12～18碳的烷基醛進(jìn)行烷基化反應(yīng)，制備了雙還原糖雙子表面活性劑。反應(yīng)路線見(jiàn)圖4。該雙子表面活性劑的胺基基團(tuán)可以被部分或者全部質(zhì)子化，具有pH-響應(yīng)性的自組裝行為，可以作為基因轉(zhuǎn)染和藥物運(yùn)輸?shù)妮斔洼d體。

圖4 雙還原糖Gemini表面活性劑的合成路線

任艷美［21］等以葡萄糖、乙二醇為原料，以馬來(lái)酸酐為聯(lián)接基團(tuán)制備了雙頭基中間體，中間體與月桂酸發(fā)生酯化反應(yīng)，合成了月桂酸葡萄糖酯乙二醇馬來(lái)酸雙酯（GME）表面活性劑，合成路線見(jiàn)圖5。在最佳合成工藝條件下，產(chǎn)物最終產(chǎn)率為76.67%。測(cè)試發(fā)現(xiàn)，GME在濃度4g／L時(shí)的表面張力為23.6mN／m（20℃），cmc為5.77×10-3mol／L，表明GME是一種具有較高表面活性的雙子表面活性劑。

圖5 月桂酸葡萄糖酯乙二醇馬來(lái)酸雙酯（GME）的合成路線

2.1.3 親水頭基加入法

用聯(lián)接基團(tuán)連接兩條疏水鏈，制備出含有兩個(gè)反應(yīng)位點(diǎn)的長(zhǎng)鏈中間體；中間體再與糖類(lèi)衍生物反應(yīng)，制備出雙子型表面活性劑。此合成方法比較少見(jiàn)?？紤]到空間效應(yīng)，被兩側(cè)長(zhǎng)鏈約束的反應(yīng)位點(diǎn)的活性有所降低，故須與有較強(qiáng)活性的糖基衍生物（如糖基酸內(nèi)酯、糖酸等）反應(yīng)。

Sakai等［30］設(shè)計(jì)出了具有 Glu（n）-2-Glu（n）結(jié)構(gòu)的雙子表面活性劑。乙二胺可在微堿性的環(huán)境中與1-溴代烷發(fā)生親核取代生成N，N′-二烷基乙二胺（n）-2-（n）；（n）-2-（n）提供兩個(gè)仲胺，與葡萄糖酸內(nèi)酯發(fā)生親核反應(yīng)引入親水糖基，制備Glu（n）-2-Glu（n）表面活性劑。反應(yīng)路線及表面活性劑結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6。二聚結(jié)構(gòu)的Glu（n）-2-Glu（n）的cmc數(shù)值明顯的低于相應(yīng)的單頭基酰胺表面活性劑，為后者的1／200～1／100，表現(xiàn)出極高的表面活性。

圖6 Glu（n）-2-Glu（n）表面活性劑的制備路線

2.2 生物酶催化法

在制備糖基雙子表面活性劑的過(guò)程中，有時(shí)會(huì)用生物酶作催化劑。該法反應(yīng)條件溫和，特定選擇性強(qiáng)，純化分離簡(jiǎn)單。但酶催化活性低，酶易失活變性，酶專(zhuān)一性過(guò)強(qiáng)而導(dǎo)致使用范圍有限。Gao等［31-32］通過(guò)脂肪酶催化糖類(lèi)及糖衍生物與不同酸的酯化反應(yīng)，制備了糖基雙子表面活性劑。生物酶催化法和化學(xué)合成方法綜合應(yīng)用，可以得到不同類(lèi)型的糖基雙子表面活性劑（見(jiàn)圖7）。應(yīng)用特定選擇性的酯酶?；Ｗo(hù)部分的單糖和多糖，然后用普通的化學(xué)方法聯(lián)接，往往更容易得到理想產(chǎn)率的產(chǎn)品。

3 分離純化

分離和純化技術(shù)與表面活性劑的發(fā)展有緊密的聯(lián)系，在合成過(guò)程中擔(dān)當(dāng)著重要的角色。得到純凈單一的表面活性劑試樣，對(duì)于表面活性劑的結(jié)構(gòu)性能的研究尤為重要。目前，對(duì)糖基雙子活性劑的分離和純化主要有以下方法：萃取、蒸餾、重結(jié)晶、離子交換樹(shù)脂和色譜法等。

傳統(tǒng)常規(guī)的方法，如萃取、蒸餾、重結(jié)晶，在表面活性劑的分離純化中必不可少，其成本較低，操作簡(jiǎn)單，重現(xiàn)性好，但處理周期長(zhǎng)。在合成中，各種方法可以單獨(dú)使用，也可綜合使用。賴(lài)璐等［33］在合成雙子表面活性劑過(guò)程中，以減壓蒸餾去除溶劑，然后在混合溶劑中重結(jié)晶2～3次，真空干燥獲得純凈的產(chǎn)品。需要注意的是，多次分離純化操作造成雙子表面活性劑的最終產(chǎn)率降低。離子交換樹(shù)脂和色譜法是有機(jī)混合物分離純化的常用技術(shù)和手段。Castro［10］用醋酸化的硅膠柱色譜法對(duì)葡萄糖苷產(chǎn)物中的兩種異構(gòu)產(chǎn)品進(jìn)行了有效分離。

圖7 酶催化與化學(xué)法綜合制備的糖基雙子表面活性劑

在糖基雙子表面活性劑制備過(guò)程中，往往要對(duì)親水性糖基體的活性官能團(tuán)進(jìn)行選擇性保護(hù)，從而造成合成路徑冗長(zhǎng)繁瑣，并會(huì)生成許多副產(chǎn)品，其中對(duì)純度影響最大的是單鏈烷衍生物。此類(lèi)衍生物與主產(chǎn)品在重結(jié)晶的過(guò)程中常以共結(jié)晶的形式析出，不容易進(jìn)一步分離和純化；由于具有較大的相對(duì)分子質(zhì)量，通過(guò)減壓蒸餾很難去除。因而，在雙子表面活性劑制備前，通常分離純化得到純凈單一的中間體，然后再進(jìn)行后續(xù)反應(yīng)。

Menger等［23］對(duì)全?；闹虚g體去除保護(hù)基團(tuán)前，先進(jìn)行柱色譜處理，以保證中間體的純度；純化后的中間體在甲醇和甲醇鈉／甲醇混合液中攪拌過(guò)夜，隨后添加離子交換樹(shù)脂，直至體系pH值呈中性。過(guò)濾，減壓去溶劑，真空干燥后得到純凈的產(chǎn)品。再如任艷美［34］在制備苯酐雙乙二醇糖苷酯中間體的分離提純中，用乙醇作為萃取劑去除過(guò)量的酸酐，并在制備出雙子結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品后，又以一定配比的氯仿和甲醇混合液作為洗脫劑，采用色譜柱法對(duì)目標(biāo)產(chǎn)品進(jìn)行分離純化，得到最終產(chǎn)品。

4 展 望

糖基雙子表面活性劑作為一種綠色高效的非離子性表面活性劑，以其高效的表面活性、獨(dú)特的結(jié)構(gòu)可控性、復(fù)雜的自組裝行為和優(yōu)越的生物特性引起人們濃厚的興趣。但糖基雙子表面活性劑的合成路線冗繁，周期長(zhǎng)，分離提純困難，產(chǎn)率較低，成本較高，從而制約了糖基雙子表面活性劑的更深層次的發(fā)展。因此，遵循“綠色化學(xué)”的原則，以天然資源合成高能高效低成本低生態(tài)負(fù)荷的糖基雙子表面活性劑具有重要的意義。

糖基雙子表面活性劑作為新一代的表面活性劑，可有下述的合成發(fā)展方向：1），選擇低廉的原料來(lái)源，適宜的合成方法和高效的催化劑，以簡(jiǎn)化冗長(zhǎng)的步驟，降低實(shí)驗(yàn)成本，從而利于糖基雙子表面活性劑的常規(guī)使用，逐步替代對(duì)生態(tài)環(huán)境的負(fù)荷大的石化類(lèi)產(chǎn)品；2），生物酶催化法與化學(xué)方法的綜合應(yīng)用，可以開(kāi)發(fā)更多新型的糖基雙子表面活性，以滿足人們不同的需求；3），通過(guò)分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并依靠于分離純化手段的進(jìn)步和檢測(cè)表征技術(shù)的發(fā)展，將有助于對(duì)糖基雙子表面活性劑的在復(fù)雜環(huán)境下的聚集、吸附、pH-響應(yīng)性等自組裝行為的探討研究，也有助于推進(jìn)糖基雙子表面活性劑與生物醫(yī)藥（藥物載體）、新材料制備（納米材料軟模板）、基因治療等交叉領(lǐng)域的深層次發(fā)展。

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