手性表面活性剂合成及应用进展
李静，乔卫红
（大连理工大学精细化工国家重点实验室，辽宁 大连 116012）
摘要：简要介绍了手性表面活性剂。重点综述了氨基酸型、葡萄糖苷型、松香型、酒石酸型和麻黄素型手性表面活性剂的合成，阐明了手性表面活性剂在立体选择性合成、手性化合物的分离（如药物分离）以及手性无机材料合成上的应用，最后对手性表面活性剂的应用前景进行了展望。
关键词：手性表面活性剂；合成；应用
中图分类号：TQ423 文献标识码：A 文章编号：1001 - 1803( 2010) 02 - 0116 - 08
手性表面活性剂（chiral surfactants）是一类含有手性中心的手性分子，它具有一般表面活性剂的特性。由于手性分子的一些特性使其能够很好的应用于手性不对称合成和手性分离，尤其是对手性药物的分离。近年来，利用手性表面活性剂作为模板合成手性介孔无机材料也是研究的热点。手性表面活性剂由于应用上的需要，其合成也得到不断的发展和完善。
1手性表面活性剂的合成进展
1.1氨基酸衍生的手性表面活性剂
氨基酸衍生的手性表面活性剂主要是通过手性的氨基酸与各种酰卤在碱的作用下合成的烷酰或烷氧酰氨基酸手性表面活性剂。其结构如下：
R1为C11～C17的烷基或烷氧基，R2为烷基，X为H或Na
1989年，Dobashi等最先合成了十二烷酰—L—缬氨酸钠和十二烷酰—L—丙氨酸钠。随后，其他人合成了十二烷酰—L—谷氨酸钠、十二烷酰—L—丝氨酸、十二烷酰—L—色氨酸钠、十四烷酰—L—谷氨酸钠、十二烷酰—L—天冬氨酸、10—十一烯酰—L—缬氨酸钠等。Mazzeo等先后合成了十二烷氧酰—L—缬氨酸、十二烷氧酰—L—脯氨酸和双手性中心表面活性剂等。
2003年和2004年Rizvi等合成了3种新型的聚烷氧酰氨基酸：聚十一烯氧酰亮氨酸钠(poly —L—SUCLS)、聚十一烯氧酰异亮氨酸钠（poly—L—SUCIL）和聚十一烯氧酰缬氨酸钠（poly—L—SUCVS）。它们与一般的氨基酸衍生的表面活性剂合成路线不一样，合成过程中没有利用手性的氨基酸，而是利用烷氧酰氯与手性氨基醇反应，然后硫酸酯化，最后聚合，其合成路线如下：
这种聚合（高分子）手性表面活性剂的cmc表现为0，胶束浓度与温度、添加剂等无关，并且能形成单分子胶束，具有较大的稳定性和刚性。与这个合成路线类似，在2006年Rizvi等又合成了一类新型的可聚合阳离子型手性表面活性剂。
Gabashvili等合成了一种聚乙氧基聚苯丙氨酸的嵌段共聚表面活性剂，这种手性表面活性剂形成的胶体稳定，首先用于手性二氧化硅的合成，其合成路线为：
黄建滨等在2003年也合成了一种新型的手性 表面活性剂，合成路线如下：
这类手性表面活性剂与一般的手性氨基酸衍生的表面活性剂不同的是疏水链中含有苯环且形成的是亚酰氨基酸手性表面活性剂。通过性能测定，这类表面活性剂在pH较高时仍具有较高的表面活性和聚集能力，并在pH =12时发现了囊泡的形成，这可以通过临界排列参数P= Vc/lcAo解释。
手性氨基酸衍生的表面活性剂是最常用的手性表面活性剂，其合成过程在不断改进，合成的类型也不断增加，有望在更多的领域得到应用。
1.2糖头长烷基链手性表面活性剂
Tickle等最先合成的烷基葡糖苷型手性表面活性剂为阴离子型十二烷基—β—D—吡喃葡糖苷磷酸酯和十二烷基—β—D—吡喃葡糖苷硫酸酯，结构为：
这两种手性表面活性剂在水中溶解度均较大，cmc分别为0.5mmol/L和1.0mmol/L，同时还可以合成L型结构。
随后其他人又合成了烷基（包括庚基、辛基、壬基、癸基、十二烷基等—β—D—吡喃葡糖苷。这类表面活性剂首先见于手性化合物的分离。
1.3 松香基手性表面活性剂
松香属于典型的两亲分子，且分子中有多个手性碳原子，其分子结构又易于改造，是廉价的手性原材料。
国外早在20世纪20年代就已经开始利用松香合成表面活性剂的研究工作，60年代合成了松香酸酯磺酸盐、松香胺聚氧乙烯醚等表面活性剂。70年代以来，研究工作进一步深入，美国、德国、日本以及前苏联等国家在这方面进行了卓有成效的研究，出现了许多有价值的研究论文和实用专利。进入90年代以后，由于国外松香资源缺乏，以松香为原料合成新型表面活性剂的研究没有深入进行，而偏重于松香类表面活性剂的应用研究，我国在这方面做了大量的研究工作，合成了许多新型的表面活性剂。
合成的松香类表面活性剂类型有很多，在孙岩等编著的《新表面活性剂》中都有详细介绍，下面将介绍两种新型的松香基手性表面活性剂。
1.3.1脱氢松香基手性表面活性剂
脱氢松香酸又称去氢枞酸，是一种天然二萜类树脂酸。脱氢松香酸是由枞酸型树脂酸歧化而得，主要是一部分树脂酸脱去氢原子，使双键重排，从而得到具有苯环结构的脱氢松香酸。其合成路线如下：
脱氢松香酸分子中的三环菲骨架具有良好的疏水性，又可通过其中的羧基引入亲水性基团，其分子含有三个手性碳原子(4，5，10)且构型稳定，比旋光度大，构型易于改造，是天然易得的手性原料。
广西师范大学的王恒山、潘英明等教授在合成脱氢松香基手性表面活性剂方面作了很大贡献，并指导其学生赵志才利用Kushnir等的方法合成了5种脱氢松香酸衍生的手陛表面活性剂，其合成路线如下：
通过性能测定发现5种产物中，7b的效能最好，其发泡能力好且泡沫稳定，乳化时间长达44937 s，这与产品的分子结构和分子中亲水基团的极性有关。7b分子中亲水基团呈链状且含有—OH，使得亲水性比其他产物强，而5a与5b分子中受到哌嗪结构的影响，水溶性下降，但这几种化合物都具有很好的光学活性，有望成为良好的对映体拆分剂。
利用Kushnir等的方法合成的脱氢松香类手性表面活性剂还有：脱氢松香酸—N—琥珀酰亚胺酯(N—HSDA)、12—溴代脱氢松香酸—N—琥珀酰亚胺酯(N—HSBDA)和脱氢松香异硫腈酸酯(DHA—NCS)，并且这些手性化合物都可以用于手性分离试剂。
1.3.2马来海松酸基手性表面活性剂
马来海松酸是由左旋枞酸在加热条件和马来酸酐发生Diels — Alder反应生成，其合成路线如下：
利用马来海松酸可以合成很多松香基表面活性剂。例如：邓礼波等用马来海松酸合成了三种松香马来酐聚酰亚胺酯，尹红梅等用马来海松酸合成了马来海松酸三异辛酯和醇酸树脂等。
广西师范大学的赵志才利用马来海松酸合成了新型的马来海松酸基手性表面活性剂——马来海松三酸钠和马来海松四磺酸钠。并对这些产物进行了性能测定，发现这些表面活性剂具有良好的表面物理化学性能，并且具有良好的光学活性，有望成为对映体拆分剂。
1.4酒石酸衍生的手性表面活性剂
酒石酸类手性表面活性剂是利用手性的酒石酸合成的一类新型手性表面活性剂。酒石酸中有两个羧基和两个羟基，因此可以引入其他基团。一般的酒石酸衍生的表面活性剂多是羧基的酯化或氨解，但由于两个羧基的活性一样，因此得到的多为酒石酸单双酯混合物或单双酰胺混合物。据文献报道，Dalton等合成了新型的酒石酸类手性表面活性剂，它是基于(R， R)—酒石酸和长链脂肪胺在一定条件下合成而得到。其合成路线如下：
(R，R一二乙酰酒石酸单癸酰胺( C10FA)和(R， R)—二乙酰酒石酸单十二酰胺( Cl2 FA)在甲醇钠和甲醇作用下分别得到(R，R) -二乙酰酒石酸单癸酰胺钠盐( NaCl0FA)和(R，R)—二乙酰酒石酸单十二酰胺钠盐( NaC12 FA)。同时也可以用(S，S)-酒石酸来合成二乙酰酒石酸单酰胺。
酒石酸单酯的合成和上面合成路线相似。一般是先将酒石酸变成酸酐，然后再酯化，或是形成二酯后再水解。形成酸酐主要是基于酸酐酯化的特性，当酯化上一个酯后，形成了一个羧基，而羧基的活性低于酸酐，只有升高温度或改变其他条件才能酯化第二个。因此，控制好摩尔比就能形成较纯的酒石酸单酯。更多酒石酸衍生的手性表面活性剂已经得到研发并用于手性分离试剂。
1.5麻黄素基手性表面活性剂
麻黄素基手性表面活性剂是基于手性的麻黄素中伯胺的季铵化而产生，一般多为阳离子型手性表面活性剂。已合成的有（1R，2S）一（一）-N -十二烷基一 N-甲基麻黄素溴化物和(1R，2S) —（一）-N-十六烷基-N-甲基麻黄素溴化物等，这类表面活性剂主要用于有机不对称合成。麻黄素的结构如下：
2手性表面活性剂的应用进展
2.1 手性表面活性剂用于有机不对称合成
手性表面活性剂溶液形成的手性胶束用于模拟酶的立体化学专一性诱导不对称有机反应已经越来越受到重视。1978年，Goldberg等[19]首次报道在(+) -R-N-十二烷基-N，N-二甲基-a-苯基乙基铵盐所形成的手性胶束水溶液中，用硼氢化钠还原潜手性酮的苯基酮可以诱导出新的手性中心，得到具有光学活性的醇，但对映体过量百分率值很低。周青山等研究了同样的反应，但用的手性表面活性剂为(+)和（一）-N -十六烷基-N，N-二甲基-a-苯基乙基溴化铵和N-十二烷基-N，N-二甲基麻黄素溴化铵，对映体过量值最高可达到8.6%。后来，还报道了手性胶束中硫醚的氧化、氨基酸的合成、查耳酮的氧化、Michael加成、不对称Darzens缩合、Diels - Alder反应等。通过研究发现，增加表面活性剂的链长，能够提高产物的对映体过量百分率值，这是因为表面活性剂的烷基链增长后，胶束与底物间的疏水亲脂作用增强，胶束包络底物的能力增大，从而有利于不对称诱导反应。周青山等研究还发现，胶束诱导不对称反应所得产物的构型和所用胶束的构型相反，并且与Goldberg等得到的结果相同，这表明受物和手性胶束间的络合不仅是立体有序的，而且是有着一定的绝对立体化学构型关系，这些性质都具有酶催化的特征。他们还通过改变胶束的结构，提高了产物的对映体过量百分率值。这说明改变胶束的结构有可能成为不对称合成的新方法之一。
2.2手性表面活性剂用于手性化合物的分离
不对称合成是获得单一旋光化合物的重要方法，但要为每种手性化合物开发一个合适的路径，无疑会付出相当高的成本和开发时间。可见手性化合物的制备性分离显得十分必要。结晶法、酶促拆分法及色谱法等手性分离方法的研究促进了手性化合物的研究和发展。而毛细管电泳技术( CE)以其高效、快速、微量并能保持样黾生物活性、仪器装置简单和操作费用较低等优点，在手性分离方面引起了普遍的兴趣。随后在毛细管电泳技术的基础上发展了其他分离技术，如毛细管区域电泳( CZE)、胶束电动毛细管色谱( MECC)、毛细管胶束电动色谱(MEKC)等方法。这些方法所用的手性试剂也由一般的环糊精及其衍生物、冠醚等发展到手性表面活性剂。手性表面活性剂作为手性试剂使得MECC和MEKC快速发展。
2.2.1天然的手性表面活性剂
胆汁酸（盐）是天然的手性阴离子表面活性剂，可用于手性对映体拆分，尤其是手性药物。Terabe等最早用胆酸盐以MEKC法分离了三种药物和几种氨基酸。Nishi等研究了不同胆酸盐类的分离条件，其中，胆酸钠( SC)和脱氧胆酸钠(SDC)只能用于 pH >5的情况，牛磺胆酸钠(STC)和牛磺脱氧胆酸钠( STDC)可在pH >3使用，同时发现脱氧牛磺胆酸盐的效果最好。Aumatell等认为胆酸盐胶束手性分离取决于溶质分子结构与胶束螺旋形空穴的相适应性以及手性溶质与胶束极性内层的特殊相互作用。同时还有研究胆酸盐与环糊精(CD)联用在MEKC法分离技术，并且得到了很好的分离效果。胆酸盐类还可以运用在MECC法手性分离，并且可以与多种手性试剂联用形成混合胶束分离而产生协同的分离效果。
中性的黄皂苷类手性表面活性剂只能与阴离子表面活性剂一起才能形成带电胶束而用于MEKC法分离，而常用的阴离子表面活性剂为十二烷基硫酸钠(SDS)。
2.2.2合成的手性表面活性剂
Dobashi等最早合成了十二烷酰—L—缬氨酸钠和十二烷酰—L—丙氨酸钠并应用于MEKC法分离。其后，又合成了多种氨基酸衍生的手性表面活性剂应用于手性分离，并且发现当加入甲醇或尿素时可以改善峰形，提高分离度。Dobashi等提出了在MECC中这类胶束的手性识别模式：靠近sterm层的内核界面上有L-氨基酸侧链提供的手性垒；胶束内核界面上的酰胺基与手性溶质形成氢键；手性溶质穿入胶束对手性垒的微扰不同，它们决定了分离的程度。 Mazzeo等合成了双手性中心的表面活性剂并用于手性分离。同时合成的高分子氨基酸型手性表面活性剂也被用于手性分离，并且由于高分子表面活性剂的优点：能形成单分子胶束；cmc值表现为零；具有较大的稳定性和刚性。从而提高了分离的效果。
Tickle等合成了十二烷基—β—D—吡哺葡糖苷磷酸酯和十二烷基—β—D—吡喃葡糖苷硫酸酯，并应用于多种毛细管分离技术。这两种表面活性剂在水中溶解度较大，临界胶束浓度分别为0.5mmol/L和1.0mmol/L，紫外区的吸收值较低，可以分离多种手性化合物。而中性的烷基—β—D—吡喃葡糖苷表面活性剂运用在带电的毛细管分离技术中则需要加入SDS形成混合胶柬，或在硼酸缓冲溶液中使用。
松香类手性表面活性剂的合成主要是用来做手性分离试剂，并且由于其原料易得，合成过程也相对简单，而且合成的表面活性剂的比旋光度大，结构稳定，作为手性分离试剂是很可观的。而且现在已经合成了多种新型松香类手性表面活性剂并用于手性分离。例如赵书林等合成的3—[（3—脱氢松香酰胺丙基）二甲氨基]—1—丙磺酸盐(DHAMAP)以用于CE法分离D/L氨基酸衍生的化合物。
酒石酸双酯类手性表面活性剂常用在药物拆分上，因为酒石酸类表面活性剂无毒且容易合成。酒石酸单酯类很少见于手性拆分上的应用。酒石酸上有两个手性中心，因此其应用还可以进一步研究。
近几年来，Mohanty等对可以形成微囊的手性单体表面活性剂进行了研究，所形成的微囊比通常所形成的胶束要大，可增加与待分离物质的相互作用，更适用于强疏水性手性化合物对映体的分离。
其他的用于手性分离的手性表面活性剂还有很多，但现在普遍使用的是上面几种，并且对它们的研究还在进行中。
2.3手性表面活性剂作为模板合成手性无机材料
随着材料科学的广泛发展，利用表面活性剂的模板作用和表面活性剂可以在分散体系中形成胶束、反胶束、乳状液、微乳液或囊泡的性质从而成功的合成了一系列分子筛。而现在随着科学和工业的发展，对材料不断提出性能和结构的要求，从而为手性表面活性剂在手性无机材料领域中的应用开辟了新的道路。
最先使用手性阴离子表面活性剂作为模板合成手性介孔分子筛的是上海交通大学的车顺爱等。他们基于阴离子的氨基酸型手性表面活性剂可以在极性溶液中自聚，然后加入无机前躯体3—氨丙基三甲氧基硅烷( APS)或N—三甲氧基硅烷—N，N，N—三甲基氯化铵( TMAPS)作为共结构导向剂，有机小分子四乙氧基硅烷( TEOS)作为氧化硅源，在一定条件下合成了具有规整结构的六方螺旋柱状手性介孔分子筛。在这基础上，车顺爱的学生高川波等进行研究发现，分子筛的结构与手性表面活性剂在溶液中的离子化度有关，这可以用表面活性剂的临界堆积参数P= Vc/lcAo来解释。其中Vc是疏水基体积；lc为疏水基碳氢链的长度，其值不超过碳氢链的伸展长度；Ao亲水基在紧密排列的单层中平均占有面积。当P≤1/3时，体系形成球形胶团；1/3
手性表面活性剂作为模板剂不仅在合成手性分子筛中得到应用，在合成纳米级类的手性材料中都得到研究。手性表面活性剂作为模板合成手性材料得到越来越多的重视，这不仅为材料学作出了贡献，而且还能根据材料的要求研究出更多类型的手性表面活性剂。
3结束语
随着科学的发展，手性表面活性剂由于其独特的分子结构特性，开辟了表面活性剂合成和应用的新领域。但手性表面活性剂合成还只局限于应用已有的手性源来合成，使其类型不多，因此，开发新的合成路线和新品种是必要的。从近几年手性表面活性剂的应用来看，手性表面活性剂应用于手性介孔材料的合成是新的热点，有望其应用在更多的手性材料的合成上。同时，手性表面活性剂作为模板应用在手性无机材料的合成机理也会随着研究而不断完善。
