糖基雙子表面活性劑合成現(xiàn)狀

杜斌斌，閆順杰，楊宗鋒，杜山山，辛志榮

（煙臺大學化學化工學院，山東 煙臺 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配效應，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作為原料制備的環(huán)境友好型“綠色”表面活性劑。該類產品以糖基基團作為親水頭基，具有特殊的多羥基結構，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”原則，在洗滌去污、個人護理品、生物醫(yī)藥、農藥、材料制備和基因治療等領域有著廣闊的應用前景［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、固醇以及脂肪酸等天然生態(tài)物質作為原料合成新型的雙親分子。從現(xiàn)代角度看來，這種觀點遵循了“綠色化學”的概念。糖類表面活性劑一直以來就受到廣泛的關注［9］，這是因為：1）糖類的多羥基結構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氧化、還原等反應與親水基團鍵合而得到改善；3）疏水基團能夠容納一條、二條甚至多條的尾鏈，尾鏈可以包括脂肪酸類長鏈、脂肪醇類長鏈、脂肪胺類長鏈等多種類型。

1997年，Castro等［10］在烷基葡萄糖苷的基礎上制備了具有優(yōu)良的生態(tài)學性質的糖基雙子表面活性劑。隨后，更多種類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］、高級脂肪酸糖酯型［21］、特種糖基型［22］等類型。另外，以糖類作為聯(lián)接基團（Spacer）的雙子表面活性劑也見于報道［23-24］。幾種常見的糖基雙子表面活性劑類型見圖1。

圖1 幾種常見的糖基雙子表面活性劑類型

2 糖基雙子表面活性劑的合成方式

2.1 化學合成法

雙子表面活性劑是通過聯(lián)接基團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)接基團的鍵合順序不同，可以歸結為3種合成方法：a）聯(lián)接基團加入法；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)接基團將兩分子表面活性劑聯(lián)接成雙子結構。通常聯(lián)接基團選用雙官能團物質，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的，優(yōu)勢在于可以考察聯(lián)接基團的變化（相對位置、結構、長度）對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)接反應的官能團為糖基的伯羥基、仲羥基，或有極化性原子的仲胺基［15-17］。前者的反應往往不具有選擇性，需要對糖基醇通過酯化反應進行預保護處理［11-14］。后者仲胺基由于存在孤對電子，具有較強的親核能力，能較好地與作為親電試劑的聯(lián)接基團反應鍵合。

Warwel等［16-17］以不同鏈長（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（合成路線見圖3）。同時，考察了不同鏈長的聯(lián)接基團對雙子性能的影響。與結構單體相比較，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陽離子烷基糖苷表面活性劑。他們對產物的合成工藝進行了優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)稍過量的烷基糖苷可提高產品的產率；同時對產物的性能進行了測試，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型化合物同時接入兩條疏水鏈后的得到的產物就是糖基雙子表面活性劑。該方法可選用不同的疏水鏈，合成一系列尾鏈長度和類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碳的烷基醛進行烷基化反應，制備了雙還原糖雙子表面活性劑。反應路線見圖4。該雙子表面活性劑的胺基基團可以被部分或者全部質子化，具有pH-響應性的自組裝行為，可以作為基因轉染和藥物運輸?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，以馬來酸酐為聯(lián)接基團制備了雙頭基中間體，中間體與月桂酸發(fā)生酯化反應，合成了月桂酸葡萄糖酯乙二醇馬來酸雙酯（GME）表面活性劑，合成路線見圖5。在最佳合成工藝條件下，產物最終產率為76.67%。測試發(fā)現(xiàn)，GME在濃度4g／L時的表面張力為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)接基團連接兩條疏水鏈，制備出含有兩個反應位點的長鏈中間體；中間體再與糖類衍生物反應，制備出雙子型表面活性劑。此合成方法比較少見。考慮到空間效應，被兩側長鏈約束的反應位點的活性有所降低，故須與有較強活性的糖基衍生物（如糖基酸內酯、糖酸等）反應。

Sakai等［30］設計出了具有 Glu（n）-2-Glu（n）結構的雙子表面活性劑。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）提供兩個仲胺，與葡萄糖酸內酯發(fā)生親核反應引入親水糖基，制備Glu（n）-2-Glu（n）表面活性劑。反應路線及表面活性劑結構見圖6。二聚結構的Glu（n）-2-Glu（n）的cmc數(shù)值明顯的低于相應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程中，有時會用生物酶作催化劑。該法反應條件溫和，特定選擇性強，純化分離簡單。但酶催化活性低，酶易失活變性，酶專一性過強而導致使用范圍有限。Gao等［31-32］通過脂肪酶催化糖類及糖衍生物與不同酸的酯化反應，制備了糖基雙子表面活性劑。生物酶催化法和化學合成方法綜合應用，可以得到不同類型的糖基雙子表面活性劑（見圖7）。應用特定選擇性的酯酶酰化保護部分的單糖和多糖，然后用普通的化學方法聯(lián)接，往往更容易得到理想產率的產品。

3 分離純化

分離和純化技術與表面活性劑的發(fā)展有緊密的聯(lián)系，在合成過程中擔當著重要的角色。得到純凈單一的表面活性劑試樣，對于表面活性劑的結構性能的研究尤為重要。目前，對糖基雙子活性劑的分離和純化主要有以下方法：萃取、蒸餾、重結晶、離子交換樹脂和色譜法等。

傳統(tǒng)常規(guī)的方法，如萃取、蒸餾、重結晶，在表面活性劑的分離純化中必不可少，其成本較低，操作簡單，重現(xiàn)性好，但處理周期長。在合成中，各種方法可以單獨使用，也可綜合使用。賴璐等［33］在合成雙子表面活性劑過程中，以減壓蒸餾去除溶劑，然后在混合溶劑中重結晶2～3次，真空干燥獲得純凈的產品。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率降低。離子交換樹脂和色譜法是有機混合物分離純化的常用技術和手段。Castro［10］用醋酸化的硅膠柱色譜法對葡萄糖苷產物中的兩種異構產品進行了有效分離。

圖7 酶催化與化學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程中，往往要對親水性糖基體的活性官能團進行選擇性保護，從而造成合成路徑冗長繁瑣，并會生成許多副產品，其中對純度影響最大的是單鏈烷衍生物。此類衍生物與主產品在重結晶的過程中常以共結晶的形式析出，不容易進一步分離和純化；由于具有較大的相對分子質量，通過減壓蒸餾很難去除。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，然后再進行后續(xù)反應。

Menger等［23］對全?；闹虚g體去除保護基團前，先進行柱色譜處理，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夜，隨后添加離子交換樹脂，直至體系pH值呈中性。過濾，減壓去溶劑，真空干燥后得到純凈的產品。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量的酸酐，并在制備出雙子結構的產品后，又以一定配比的氯仿和甲醇混合液作為洗脫劑，采用色譜柱法對目標產品進行分離純化，得到最終產品。

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、獨特的結構可控性、復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，分離提純困難，產率較低，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”的原則，以天然資源合成高能高效低成本低生態(tài)負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），選擇低廉的原料來源，適宜的合成方法和高效的催化劑，以簡化冗長的步驟，降低實驗成本，從而利于糖基雙子表面活性劑的常規(guī)使用，逐步替代對生態(tài)環(huán)境的負荷大的石化類產品；2），生物酶催化法與化學方法的綜合應用，可以開發(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），通過分子結構設計并依靠于分離純化手段的進步和檢測表征技術的發(fā)展，將有助于對糖基雙子表面活性劑的在復雜環(huán)境下的聚集、吸附、pH-響應性等自組裝行為的探討研究，也有助于推進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）、基因治療等交叉領域的深層次發(fā)展。

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