史立文,李忠紅,葛 贊,裴壯壯,雷小英,方靈丹,李伏益

(贊宇科技集團(tuán)股份有限公司,浙江 杭州 310000)

N-?；被嵝捅砻婊钚詣┚哂袃?yōu)良的表面活性、潤(rùn)濕性、乳化性、增溶性和泡沫性,被廣泛應(yīng)用于日用化學(xué)品、紡織、石油開采、潤(rùn)滑等領(lǐng)域[1-2];此外,N-?；被嵝捅砻婊钚詣┮蚓哂辛己玫纳锝到庑?、低毒性、低刺激性等優(yōu)勢(shì),在生物醫(yī)藥領(lǐng)域用作藥物緩釋劑、創(chuàng)傷敷料等材料[3-4]。近年來,隨著氨基酸型個(gè)人洗護(hù)產(chǎn)品市場(chǎng)的推廣,N-?；被嵝捅砻婊钚詣┊a(chǎn)品的需求量持續(xù)增加。因此,開發(fā)環(huán)保高效的N-?；被嵝捅砻婊钚詣┖铣陕肪€成為研究熱點(diǎn)。

N-?；被嵝捅砻婊钚詣┯砷L(zhǎng)鏈脂肪酸與氨基酸通過酰胺鍵連接,結(jié)構(gòu)通式如圖1所示。其中R為疏水脂肪酸碳鏈;R′為氨基酸殘基,取決于氨基酸的種類,應(yīng)用較為廣泛的有谷氨酸、甘氨酸、丙氨酸、肌氨酸等;M一般為Na、K及有機(jī)堿類。在此,作者對(duì)N-?；被嵝捅砻婊钚詣┑暮铣煞椒ㄟM(jìn)行綜述,包括化學(xué)法、酶法、化學(xué)-酶法和生物發(fā)酵法,并對(duì)各種合成方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析。

圖1 N-?；被嵝捅砻婊钚詣┑慕Y(jié)構(gòu)通式Fig.1 General structure of N-acyl amino acid surfactants

1 化學(xué)法

化學(xué)法合成N-?；被嵝捅砻婊钚詣┲饕袃蓷l路線:一是從天然油脂出發(fā),得到不同的?；噭?再與氨基酸發(fā)生酰胺化反應(yīng);二是直接合成特定的氨基酸頭基,如脂肪酰胺基醇羰基化法和脂肪腈水解法。

1.1 脂肪酸直接酰胺化法

脂肪酸直接酰胺化法是將脂肪酸與氨基酸鈉直接進(jìn)行酰胺化反應(yīng)得到N-酰基氨基酸鈉(圖2),該方法原子經(jīng)濟(jì)性高,但往往需在170 ℃以上高溫使氨基酸鹽在熔融狀態(tài)下與脂肪酸反應(yīng)。Takizawa等[5]最早報(bào)道了脂肪酸直接酰胺化法;Woodbury等[6]對(duì)該方法進(jìn)行了改進(jìn),在氮?dú)獗Ｗo(hù)下不斷脫除生成的水,從而提高產(chǎn)品收率,但高溫導(dǎo)致副產(chǎn)物增多且產(chǎn)品色澤深,導(dǎo)致該方法不能普及應(yīng)用。曾平等[7]以硼酸為催化劑,在液體石蠟體系中合成了N-月桂?；谆；撬徕c,在最優(yōu)條件下N-甲基?；撬徕c轉(zhuǎn)化率達(dá)95%以上,但需脫除溶劑和催化劑,后處理復(fù)雜,導(dǎo)致該方法經(jīng)濟(jì)性較差。

圖2 脂肪酸直接酰胺化法合成路線Fig.2 Synthesis route of direct amidation of fatty acid

1.2 脂肪酸酐酰胺化法

脂肪酸酐的?；钚愿哂谥舅?因此脂肪酸酐酰胺化法的合成路線(圖3)也受到研究者的關(guān)注。早在1963年,Carl[8]公開了一種脂肪酸酐與氨基酸鈉在100 ℃以下合成N-?；被徕c的方法,該方法為抑制酸酐水解采用了過量的酸酐投料比,同時(shí)有脂肪酸副產(chǎn)物產(chǎn)生,導(dǎo)致該方法原子經(jīng)濟(jì)性差、成本高,不適于工業(yè)化生產(chǎn)。

圖3 脂肪酸酐酰胺化法合成路線Fig.3 Synthesis route of amidation of fatty acid anhydride

1.3 脂肪酸活化酯酰胺化法

脂肪酸活化酯酰胺化法首先通過脂肪酸與N-羥基丁二酰亞胺(NHS)偶合得到活化酯中間體,該過程往往需N,N′-二環(huán)己基二亞胺(DCC)為脫水劑以保證轉(zhuǎn)化率,然后再與氨基酸鈉發(fā)生酰胺化反應(yīng)得到N-?；被徕c(圖4)。該方法可得到高選擇性的N-?；被徕c,避免活性基團(tuán)發(fā)生副反應(yīng)[9-11],但NHS和DCC的使用導(dǎo)致毒性大且經(jīng)濟(jì)性差,不適于工業(yè)化生產(chǎn),而主要用于實(shí)驗(yàn)室合成。

圖4 脂肪酸活化酯酰胺化法合成路線Fig.4 Synthesis route of amidation of fatty acid activated ester

1.4 肖頓-鮑曼縮合法

肖頓-鮑曼縮合法是指脂肪酰氯與氨基酸鹽通過酰胺化反應(yīng)合成N-?；被猁}[12],該方法反應(yīng)溫度低、對(duì)設(shè)備要求低,是目前工業(yè)上最常采用的N-?；被猁}生產(chǎn)工藝。肖頓-鮑曼縮合法分為有機(jī)溶劑-水法和水相法兩種工藝。

1.4.1 有機(jī)溶劑-水法工藝

有機(jī)溶劑-水法工藝指在親水有機(jī)溶劑(常用的有丙酮、四氫呋喃、乙醇等)和水的混合體系中,通過酰氯化、縮合、酸化、成鹽等步驟得到N-?；被猁}(圖5)。有機(jī)溶劑-水混合體系可以溶解脂肪酰氯,可加快反應(yīng)速率并有效抑制脂肪酰氯的水解副反應(yīng)。Jungermann等[13]首次將肖頓-鮑曼縮合法應(yīng)用于N-酰基氨基酸的合成,此后該方法受到廣泛關(guān)注[14-17]。盧峰等[14]以月桂酰氯和谷氨酸鈉為原料,在丙酮-水混合體系中合成了N-月桂?；?L-谷氨酸鈉,在最優(yōu)條件下收率高達(dá)98.2%。盧云等[15]在四氫呋喃-水混合體系中合成了N-月桂酰肌氨酸鈉,并發(fā)現(xiàn)以碳酸鈉為中和劑更便于控制反應(yīng)pH值,在最優(yōu)條件下N-月桂酰肌氨酸鈉收率達(dá)到94%以上。肖頓-鮑曼縮合法有機(jī)溶劑-水法工藝因使用的有機(jī)溶劑必須經(jīng)酸化等后處理,導(dǎo)致三廢增加;同時(shí)溶劑回收能耗大、存在生產(chǎn)安全隱患及溶劑殘留等問題都限制了該工藝的進(jìn)一步發(fā)展。

圖5 肖頓-鮑曼縮合法有機(jī)溶劑-水法工藝路線Fig.5 Synthesis route of organic solvent/water-based Shotton-Baumman condensation process

1.4.2 水相法工藝

水相法工藝可以避免使用有機(jī)溶劑帶來的三廢高、溶劑殘留等問題,目前大多采用該工藝大量生產(chǎn)N-?；被猁}。水相法指在氨基酸鹽水溶液中加入脂肪酰氯和液堿,直接一步反應(yīng)得到N-酰基氨基酸鹽。相較于有機(jī)溶劑-水法,水相法中脂肪酰氯更易水解為脂肪酸皂,使產(chǎn)品皂含量偏高,往往在5%～10%以上[18-22]。水相法可省略有機(jī)溶劑-水法的后處理步驟,從而降低成本、提高產(chǎn)量。但該方法制備的產(chǎn)品中皂含量高、NaCl含量高以及脂肪酰氯來源的非綠色性,仍是較難解決的問題。

1.5 脂肪酸甲酯酰胺化法

脂肪酸甲酯可通過油脂的酯交換反應(yīng)直接得到,脂肪酸甲酯酰胺化法(圖6)縮短了天然油脂合成N-?；被岬墓に嚵鞒?。徐寶財(cái)?shù)萚23]以月桂酸甲酯和谷氨酸鈉為原料,以丙酮-水為混合溶劑,在相轉(zhuǎn)移催化劑作用下合成了N-月桂?；劝彼?收率為33.1%。劉群等[24]以月桂酸甲酯和甘氨酸鈉為原料,以甘油為溶劑,在甲醇鈉催化作用下合成了N-月桂?；拾彼徕c,收率達(dá)到78.7%。該方法具有一定的工業(yè)化應(yīng)用潛力,如何克服脂肪酸甲酯和氨基酸鹽的非均相性及有效脫除副產(chǎn)物甲醇是目前研究的方向。

1.6 油脂酰胺化法

油脂酰胺化法以油脂為原料與氨基酸鈉直接反應(yīng)(圖7),進(jìn)一步縮短了天然油脂制氨基酸型表面活性劑的工藝流程。譚婷婷[25]研究了大豆油、花生油、椰子油、棕櫚仁油等多種油脂與肌氨酸鈉反應(yīng)的可行性,得到各類油脂酰肌氨酸鈉的收率為59.9%～85.0%。Zhang等[26]以椰子油和甘氨酸鈉為原料,在甲醇鈉催化作用下合成了N-椰油酰基甘氨酸鈉,收率為87%。Wang等[27]以從椰子、棕櫚仁和大豆中提取的天然油脂為?；w,分別與賴氨酸、絲氨酸、蘇氨酸和蛋氨酸反應(yīng)合成了一系列N-?；被嵝捅砻婊钚詣?收率為60%～93%,但產(chǎn)品需經(jīng)酸化分離未反應(yīng)油脂,若能進(jìn)一步提高油脂轉(zhuǎn)化率、免去純化步驟,將大大加快其工業(yè)化推廣進(jìn)程。

圖7 油脂酰胺化法合成路線Fig.7 Synthesis route of amidation of oil

1.7 脂肪酰胺基醇羰基化法

脂肪酰胺基醇羰基化法首先以脂肪酰胺和甲醛為原料,經(jīng)催化加成得到伯酰胺基醇,再與CO發(fā)生羰基化反應(yīng)得到N-?；被?圖8)。Akiyama等[28]最早報(bào)道了脂肪酰胺基醇羰基化法;Beller等[29-30]對(duì)催化劑進(jìn)行了改進(jìn),在高溫高壓下催化合成了N-月桂?；“彼?收率最高達(dá)到99%。該方法收率高、路線簡(jiǎn)單,但催化劑昂貴限制了其進(jìn)一步發(fā)展,石化基原料的應(yīng)用也不符合綠色化學(xué)的理念。

圖8 脂肪酰胺基醇羰基化法合成路線Fig.8 Synthesis route of carbonylation of fatty amido alcohol

1.8 脂肪腈水解法

脂肪腈水解法首先通過Strecker反應(yīng)得到甲氨基乙腈,再與脂肪酰氯發(fā)生酰胺化反應(yīng)得到脂肪腈,最后經(jīng)水解得到N-?；被?圖9)。Sotoya等[31]最早報(bào)道了脂肪腈水解法,得到的N-?；“彼崾章士蛇_(dá)95%以上。該方法工藝流程長(zhǎng)且氰化物的毒性大,不適于工業(yè)化生產(chǎn)。

圖9 脂肪腈水解法合成路線Fig.9 Synthesis route of hydrolysis of fatty nitrile

2 酶法

N-?；被岬拿阜ê铣芍杏玫降拿钢饕兄久?、蛋白酶等。Montet等[32]以甘油三酯和賴氨酸為原料,在脂肪酶催化作用下合成了N-ε-?；嚢彼?并對(duì)比研究了不同有機(jī)溶劑及無溶劑條件對(duì)酶促合成N-ε-?；嚢彼崾章实挠绊?。Ferjancic-Biagini等[33]以豬腎和腸氨基?；笧榇呋瘎?以C1～C6鏈為?；w,在有機(jī)溶劑-水混合體系中合成了短鏈N-?；鞍彼?收率為20%～30%。Soo等[34]以棕櫚油和賴氨酸為原料,以正己烷為溶劑,在脂肪酶催化作用下合成了N-棕櫚?；嚢彼猁},在最優(yōu)條件下收率達(dá)到40%。Wada等[35]在甘油-水混合體系中,以豬腎氨基?；涪翊呋铣闪嗽鹿瘐＞彼帷⒃鹿瘐９劝彼岷驮鹿瘐５鞍彼?在最優(yōu)條件下月桂酰谷氨酸收率為44%。Bourkaib等[36]研究了水介質(zhì)中脂肪酶催化不同碳鏈脂肪酸和多種氨基酸的?；磻?yīng),得到的N-?；被崾章蕿?%～23%,并發(fā)現(xiàn)帶正電的氨基酸如賴氨酸、精氨酸的反應(yīng)效果較好,而帶負(fù)電的氨基酸如天門冬氨酸、谷氨酸基本不反應(yīng)。王紅偉等[37]以賴氨酸和油酸為原料,在微水有機(jī)溶劑體系中,以脂肪酶Lipozyme?TL IM催化合成了N-ε-油?；嚢彼?在最優(yōu)條件下賴氨酸轉(zhuǎn)化率可達(dá)58%。年彬彬[38]在天然低共熔溶劑中酶促合成了N-?；嚢彼?分析了酶促反應(yīng)機(jī)制,并篩選了溶劑及酶,在最優(yōu)條件下Gemini型月桂酰賴氨酸收率最高達(dá)77%左右。

N-?；被岬拿阜ê铣裳芯恐?研究者不僅關(guān)注酶的優(yōu)化篩選,還重點(diǎn)研究酶促反應(yīng)介質(zhì)對(duì)合成效率的影響。水介質(zhì)可以顯著改善酶的剛性,使其保持較高的催化活性,而非水介質(zhì)及無溶劑體系又有助于酶活的保持[35,38]。優(yōu)選反應(yīng)體系并開發(fā)高效酶以提高酶法收率,是目前較為關(guān)注的問題。酶法反應(yīng)條件溫和,過程綠色安全,但存在收率較低、酶易失活、成本高等問題,實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用還需充足的基礎(chǔ)理論研究。

3 化學(xué)-酶法

Valivety等[39]通過將底物絲氨酸甘油酯改進(jìn)為N-肉豆蔻?；z氨酸甘油酯,酶促合成N-?；z氨酸,發(fā)現(xiàn)底物轉(zhuǎn)化率較改進(jìn)前提高了23%以上。夏詠梅等[40]以月桂酸甲酯和β-氨基丙腈為原料,在有機(jī)相中酶促合成了N-月桂酰-β-氨基丙腈,70 ℃下反應(yīng)24 h,β-氨基丙腈轉(zhuǎn)化率可達(dá)96.8%?；瘜W(xué)-酶法有效提高了單一酶法的反應(yīng)效率,但酶的高特異性導(dǎo)致普適性差,不適于工業(yè)化推廣。

4 生物發(fā)酵法

生物發(fā)酵法是一種成本較低的生物基表面活性劑合成方法,該法在酵母菌等真菌或芽孢桿菌等細(xì)菌的作用下,通過生物代謝方式將生物質(zhì)原料轉(zhuǎn)化為表面活性劑[41-42]。Reznik等[43]最早報(bào)道了生物發(fā)酵法合成N-酰基氨基酸,以大豆殼等纖維素材料為生物質(zhì)原料,以一種具有肽合成酶的枯草芽孢桿菌(Bacillussubtilis)為發(fā)酵菌株,通過表征證明發(fā)酵產(chǎn)物為N-脂肪酰基谷氨酸(FA-Glu)及其多肽結(jié)構(gòu)的混合物。Marti等[44]在上述基礎(chǔ)上研究了生物質(zhì)原料基質(zhì)對(duì)發(fā)酵速率和產(chǎn)量的影響,發(fā)現(xiàn)基質(zhì)會(huì)大大影響菌種發(fā)酵速率,在大豆殼水解物基質(zhì)上脫去其固體顆粒后,Bacillussubtilis繁殖更快,FA-Glu的產(chǎn)量更高。Lamsal等[45]系統(tǒng)篩選了發(fā)酵法合成FA-Glu的菌株,并分別以大豆、甘蔗渣、柳枝稷、苜蓿的水解產(chǎn)物為碳源進(jìn)行研究,在最優(yōu)條件下FA-Glu總收率可達(dá)95%。

生物發(fā)酵法大大降低了N-?；被岬暮铣沙杀?反應(yīng)條件溫和,極具環(huán)境友好性,適合大規(guī)模生產(chǎn)。但目前該方法在國(guó)內(nèi)還鮮有報(bào)道,應(yīng)加強(qiáng)生物發(fā)酵法合成N-酰基氨基酸型表面活性劑的基礎(chǔ)研究,同時(shí)由于該方法得到的產(chǎn)物多為N-酰基氨基酸及其多肽結(jié)構(gòu)的混合物,還應(yīng)針對(duì)性地研究產(chǎn)物的性能及應(yīng)用差異。

5 結(jié)語(yǔ)

N-?；被嵝捅砻婊钚詣┚哂衼碓刺烊?、性能優(yōu)良、生物降解性好等優(yōu)點(diǎn),受到廣泛關(guān)注。目前,N-酰基氨基酸型表面活性劑的合成主要采用肖頓-鮑曼縮合法,但該法存在脂肪酰氯易水解、副產(chǎn)物氯化鈉含量高及原料來源不環(huán)保等問題?；瘜W(xué)法中,以脂肪酸、天然油脂為原料的合成路線更短、環(huán)境影響更小,是目前的研究重點(diǎn)。從易于工業(yè)化生產(chǎn)的角度出發(fā),應(yīng)重點(diǎn)研究成本較低的生物發(fā)酵法,有助于推動(dòng)N-?；被嵝捅砻婊钚詣┥a(chǎn)的全流程綠色發(fā)展,同時(shí)實(shí)現(xiàn)資源的高效利用,推動(dòng)表面活性劑行業(yè)的全生命周期的碳減排進(jìn)程。