N一酰基氨基酸型表面活性剂的合成与应用进展

 近年来，出于对环保和生物安全性的需要，开发和使用环境友好的表面活性剂日益受到世界各国的重视。氨基酸型表面活性剂是以生物质为基础的表面活性剂，由于分子中具有氨基酸骨架，除兼有其他系列表面活性剂性能外，还具有其独特的一些功能，如有抑茵效果、生物相容性好、降解安全迅速等。氨基酸为亲水结构，合成表面活性剂则需引入疏水基，根据氨基酸酸碱性及溶于水时离子类型的不同，可将所制得的表面活性剂分为阴离子型、阳离子型、两性离子型和非离子型^[1]。N-酰基氨基酸型表面活性剂是氨基酸类表面活性剂中一类典型的阴离子表面活性剂．一般经由氨基酸与长链脂肪酸缩合而成。

N-酰基氨基酸型表面活性剂具有良好的润湿性、起泡性、抗茵性以及抗蚀、抗静电能力等．几乎无毒无害．对皮肤温和，其降解产物为氨基酸和脂肪酸，故对环境几乎没影响，而且还具有与其他各种表面活性剂相容性好的优点，可广泛用于化妆品(洗面奶、沐浴露、香波、面膜等)、洗涤剂、食品、饮料、医药卫生、矿物浮选、石油燃料、金属清洗加工、纺织印染、农药调配等刚。从20世纪初该类型表面活性剂合成开始，其应用领域就不断拓展，在20世纪70年代其应用和研究都达到高潮。目前，该类型产品在国外已得到广泛应用，较有影响的有美国的Hamposyl、德国的Medialan、日本的AmisoR等产品。但在我国应用还不广泛，需求上也主要依赖进口。

合成工艺及进展

合成N-酰基氨基酸系列表面活性剂常用的氨基酸(及其盐)主要有肌氨酸、谷氨酸、丝氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸等，其中以前二者特别是肌氨酸最为常用。所用到的脂肪酸分为饱和和不饱和两种，如月桂酸、油酸、椰子油酸、棕榈油酸、硬脂肪酸、辛酸、癸酸等，其中以月桂酸和油酸最为常用。合成工艺根据起始反应原料可分为直接法和间接法。

1直接法

    直接法是指以脂肪酸或脂肪酸酯(动植物油)与氨基酸进行缩合反应的工艺。由于直接法的缩合反应需要较高的化学选择性，因此该方法的反应条件较苛刻，反应收率不高，大都需要特殊的催化剂。N-酰基氨基酸型产品属绿色化工产品，但如果在生产过程中工艺过长导致“三废”过多则产品仍会被社会逐渐淘汰。近些年来，随着“绿色化学”概念的提出，逐渐要求化工产品从源头上就采用绿色工艺进行生产。直接法由于原料易得，工艺简单，符合“绿色化学”概念，以该方法合成Ⅳ-酰基氨基酸型表面活性剂的研究工作呈增多趋势。

酶催化合成是直接法研究领域的主要方向。N-酰基氨基酸型表面活性剂的酶合成法最早由Nordisk等人提出．近年来酶在非水介质催化反应的迅速发展为该类生物有机合成提供了新的发展机会^[5～6]。在酶催化合成法中普遍采用的酶制剂主要有蛋白水解酶和脂肪酶两种研．这两种酶都比较容易获得。反应体系多采用有机溶剂体系，常用的有机溶剂为正己烷、乙腈、乙酸乙酯、甲苯和异辛烷等。S00等人在以棕榈油为酰基来源．酶催化法合成L-谷氨酸、L-丝氨酸和L-精氨酸等不同氨基酸产品的过程中。考察了Hpozyme、Novozym 435、AK脂肪酶、C．mgosa脂肪酶和蛋白酶胰岛素5种酶的催化效果，发现用Lpozyme酶作为固定酶时所得的结果最佳嘲。Montet等人在产自Mucor miehei脂肪酶的催化下，将大豆油和L一赖氨酸的有机溶剂悬浮液保温7天制得N-酰基赖氨酸^[9]。虽然酶催化合成法具有选择性高，操作条件绿色、温和等优点，但仍存在反应转化率低、反应时间长、酶的回收分离困难、价格昂贵等缺点。目前报道的酶催化合成工艺收率都较低，一般在2％～l9％左右，因此，实现采用酶催化合成进行工业化生产的目标．必须要解决酶的回收再利用问题以及酶活性的保持问题，通过探索最佳反应条件以提高产率和缩短反应时间。

另外，也有文献报道在高温下脱水缩合氨基酸和脂肪酸合成N一酰基氨基酸碱金属盐的方法。如Woodbury等提出一种制备方法。即在170～190℃和氮气保护下，由肌氨酸钠和月桂酸反应，可直接得到N-月桂酰肌氨酸钠。以氨基酸计的产物收率在57％以上。此法的优点是流程简单，环境友好，但存在着产品分离困难、设备复杂的缺点^[10]。James等以椰子油酸和N-甲基牛磺酸钠为原料，通过加入氧化锌或氧化镁作催化剂，先在200℃氮气保护下反应然后减压操作，N-甲基牛磺酸钠的转化率达到了97％，所得活性物椰油酰基甲基牛磺酸钠含量在88％以上，产品气味颜色俱佳，但该工艺操作复杂，能耗太高，难以实现产业化^[11]。2间接法

    间接法合成工艺包括脂肪酸酐与氨基酸盐的酰化反应工艺^[12]、脂肪腈水解酰化反应工艺^[13]、酰胺羰基化反应工艺^[14]、脂肪酰氯与氨基酸反应工艺(肖顿一鲍曼法)^[15～16]等，最近也有报道将硬脂酸经与偶合剂酯化后再与氨基酸缩合的工艺^[17]。目前在工业上主要用肖顿一鲍曼(Schotten—Banmann)缩合反应制备N-酰基氨基酸及其盐。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一步制得N-酰基氨基酸盐，然后经无机酸中和分离得N-酰基氨基酸粗品，再加碱中和而成为较纯的N-酰基氨基酸盐。此法的优点是操作简单，反应条件温和，反应温度不高(40～70℃左右)，产率较高，易于实现工业化生产。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-脂肪酰基谷氨酸盐和甘氨酸盐，已有批量产品以30％水剂供应市场^[18]。国内最近有合成N-歧化松香酰基肌氨酸^[l9]、松香酰甘氨酸冽、N-十四酰基甘氨酸钠^[21]等的报道。

以肌氨酸为例。肖顿一鲍曼法工艺具1体合成路线如下(RCOOH为长链脂肪1酸)：

①酰化

②缩合

③酸化

④成盐

    在上述缩合反应的过程中，主要副反应是脂肪酰氯的水解皂化反应：

由于酰氯与氨基酸的缩合反应是放热反应，为减少副反应的发生常采用低温缩合，一般在0～20℃之间，但酰氯的水解性极强，生成皂化物难以避免。活性物中皂化物和盐的存在都会影响产品的净洗效果，控制反应条件减少皂化物的生成以及脱盐工艺的选择是获得高纯度产品的关键。文献圈通过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，纯度可达96％。初白等^[23]采用重结晶过滤的分离方法，获得了高纯度的N-酰基甲基牛磺酸钠产品．活性物含量可达95％以上。目前利用肖顿一鲍曼法合成的工艺大都采用亲水性溶剂水一丙酮作缩合反应的溶剂，丙酮自身的缩合反应会产生有臭味的物质，在后期分离中很难除尽。尤其影响该类型产品在无味化妆品及护理用品中的应用。山胁幸男等^[24～25]以水一叔丁醇为缩合反应溶剂，在酸析后的有机层中加人叔丁醇．形成稳定的水／叔丁醇／活性物三元体系而再次分层，将该三元物质分出进行蒸馏提纯，采用边蒸馏边加入水的办法．可以将叔丁醇蒸出而得到含杂质很少而且没有气味的产品。目前间接法合成工艺虽然比较成熟，但仍存在工艺较长、提纯困难的缺点，酰化过程以及萃取、洗涤过程中“三废”排放严重，工艺还有待进一步简化改进。

应用状况

N-酰基氨基酸表面活性剂除了具备传统表面活性剂的功能外，因其良好的生物降解性、安全性和抗菌能力而在很多方面得到应用，除了在传统的个人清洁剂、食品添加剂、金属加工、矿石浮选和石油开采等领域的应用不断扩大外．近年来在生物医药领域也得到一些应用^[26]。

(1)在日化用品中的应用

    表面活性剂是绝大多数日化用品中最重要的成分．其生物降解的安全性和对皮肤的刺激性直接关系到产品的使用性能。N-酰基氨基酸及其盐类由于对皮肤和毛发作用温和，有很高亲和力及润湿效果．能产生丰富且稳定的泡沫。因此它是各种香波及许多化妆品的主要原料。该类表面活性剂在护理用品中使用较多的为N-月桂酰谷氨酸、N-月桂酰天冬氨酸、N一脂酰肌氨酸、N一椰油酰基甲基牛磺酸钠等。如N-月桂酰谷氨酸的镁盐、钻盐等都是块状净化剂的基料，能克服脂肪酸肥皂的某些缺点。能在硬水中使用．以该类表面活性剂为原料配制的洗面乳具有良好的洗净力和起泡性，能增加皮肤光润．不刺激皮肤和眼睛．特别适合皮肤敏感的人及婴儿使用^[l8]。很多液体或膏体的个人护理用品在较低的气温下使用时会因凝固而难以挤出软管，在其中添加入一定的N-酰基氨基酸盐(如N-酰基甘氨酸钠)后产品对温度变化的适应范围增大。可以起到很好的改善效果^[27]。

    由于N-酰基氨基酸类表面性剂在口腔内具有抑制将葡萄糖变为乳酸的乳酸菌的作用．作为牙粉起泡剂用于牙膏配方可起到很好的清洁效果并使口气清新^[28～29]。有文献^[30]将N-椰油酰基谷氨酸钠、N-月桂酰谷氨酸钾等表面活性剂添加入洗涤剂配方而使产品不刺激皮肤，还可保持洗涤剂中酶的活性。将N-月桂酰基赖氨酸用于以C0₂为溶剂的干洗可使清洁过程无毒无污染_[31]，也有研究将碳原子数为基数的长链N-酰基氨基酸盐用于配制促进头发生长剂，通过刺激加速头皮下的血液循环而促进头发的生长，可起到很好的效果吲。

    (2)在生物医药方面的应用

    在药物制造和生物化学研究中，N-酰基氨基酸及其盐的应用是近年来表面活性剂应用的热点。Casid0^[33]研究指出．在眼药水(或眼膏中)加入少量N-酰基氨基酸或其盐可提高药物的安全性和舒适性．使药物更稳定并增加其抗菌能力：Chin_[34]的研究表明，N-酰基氨基酸可使维生素E在水中快速溶解并提高其溶解度，从而提高人体对它的吸收，减少其对皮肤的刺激作用：Hiroshi在其专利^[35]中指出，在含有药物的口香糖中加入少许N-月桂酰肌氨酸钠可使药物的缓释长效。N-酰基氨基酸盐也可用于农药制剂．少量该类表面活性剂的加入就可减少杀虫剂用量并显著提高杀虫效果^[36]，Cruddenst^[37～38]等发现，在配制杀虫药物时加入该类表面活性剂可明显增加药物有效成分的活性．而使其对周围环境的刺激性和毒性减小。另外，将N-酰基氨基酸应用于RNA的分离和提取技术也取得了不少成果^[39～40]。

结语

    氨基酸种类有两百多种，目前可用于合成N一酰基氨基酸表面活性剂的只是其中的十几种基本氨基酸，由于氨基酸本身的差异性以及与之组合的脂肪长链在碳链分布和支链分布上的差异，繁多品种的该类型产品虽显示出共性但也有个性，因此应在具体领域开发其用途。随着社会对环保要求的提高以及人们对高质量生活的追求。N-酰基氨基酸型表面活性剂将使用越来越广泛，可以预测其市场潜能巨大。