N-十二烷基天冬氨酸的合成及提純工藝研究

石瑩瑩

（三門峽職業(yè)技術學院食品園林學院，河南三門峽472000）

N-十二烷基天冬氨酸的合成及提純工藝研究

石瑩瑩

（三門峽職業(yè)技術學院食品園林學院，河南三門峽472000）

以馬來酸酐（MA）、十二胺（RNH2）、氫氧化鈉為原料合成出一種N-烷基氨基酸表面活性劑N-十二烷基天冬氨酸，利用液相色譜儀對產品進行定性、定量分析，分別考察了反應溶劑、十二胺與MA的配比、MA與氫氧化鈉的配比、體系含水量、投料方式、反應溫度、反應時間等因素對其酸式產品N-十二烷基天冬氨酸收率的影響。結果表明，N-十二烷基天冬氨酸的較佳反應條件為：n(RNH2):n(MA):n(NaOH)=1.0:1.0:1.5，乙醇-水為溶劑，120℃下高壓反應釜中反應5 h，收率達到75%；通過產物等電點的測試得到了可行的提純方法，最終產物的質量分數為98.11%。

十二胺；N-十二烷基天冬氨酸；合成；純化；結構表征

氨基酸類表面活性劑具有良好的潤濕性、起泡性、耐硬水性、抗菌抗蝕性和抗靜電等能力，是一類相當溫和、刺激性較小、低毒性、水溶性良好、易生物降解的表面活性劑，近年來越來越受到人們的重視[1-2]。從最初的醫(yī)藥和化妝品中的防腐劑到現在的個人護理產品，化妝品、食品、飲料、礦物浮選、農藥、印染等等，隨著研究的深入，它們的種類和應用范圍都越來越廣[3-8]。目前研究較多的是N-?；被?，如N-?；劝彼?、N-?；“彼帷-?；?L-賴氨酸等[9-13]。而N-烷基氨基酸系列表面活性劑的研究相對較少，其主要品種就是以N-十二烷基丙氨酸為代表的單羧基表面活性劑，多羧基的N-烷基氨基酸表面活性劑，如N-烷基天冬氨酸的研究鮮見報道[14]。

N-十二烷基天冬氨酸是一種新型N-烷基氨基酸表面活性劑，研究表明，其具有優(yōu)異的耐硬水性[15]。而關于其合成工藝的研究報道很少，本研究在前期基礎上對其合成工藝條件和提純方法進行了探討，以期為其工業(yè)開發(fā)和應用提供參考。

1 實驗部分

1.1 合成路線

以十二胺（RNH2）和馬來酸酐（MA）為主要原料，合成了N-十二烷基天冬氨酸及其鈉鹽，其反應方程式為：

1.2 試劑及儀器

MA，氫氧化鈉，鹽酸，95%乙醇，分析純；十二伯胺，工業(yè)級。

GS-0.5型高壓反應釜，98型磁力攪拌器，SHB-Ⅲ循環(huán)水真空泵，800型電動離心沉淀器；FA2004A電子分析天平，PHS-3C型數顯酸度計，DDS-307電導率儀，Waters-600e高效液相色譜（HPLC）。

1.3 分析方法

采用液相色譜對產品純度進行測定。采用甲醇、水做流動相，使用梯度洗脫的方法來調節(jié)其極性，使色譜峰得到分離。所采用的液相色譜條件為：Waters C18色譜柱，色譜柱溫度30℃；蒸發(fā)光散射（ELSD）檢測器；檢測器溫度115℃；載氣體積流量0.8 mL/min。

1.4 實驗步驟

馬來酸鈉鹽的制備。稱取一定量MA和氫氧化鈉，分別溶于適量水中；然后在水浴控制下，緩慢地將氫氧化鈉水溶液倒入馬來酸溶液中，在此過程中不斷攪拌，控制混合體系溫度不超過70℃。

N-十二烷基天冬氨酸及其鈉鹽的制備。稱取一定量固體十二胺，加熱至熔化，將其溶解在約150mL體積分數95%乙醇中。將之與馬來酸鈉溶液混合后轉移至帶有攪拌的0.5 L高壓反應釜中進行反應，升溫至120℃，反應數小時結束。取出反應物，冷卻至室溫為白色漿狀物。將白色漿狀物加熱，蒸去乙醇，加水稀釋，用NaOH溶液調至堿性，使十二胺游離出來，再用石油醚萃取、離心分離除去十二胺，然后用鹽酸調至酸性后靜置，有晶體析出，抽濾后即為酸式粗產品，經過多次提純可得到較純酸式產品，N-十二烷基天冬氨酸。酸式產品烘干后，用氫氧化鈉-乙醇溶液中和至中性，析出物即為鹽式產品N-十二烷基天冬氨酸鈉。

2 結果與討論

2.1 反應影響因素

2.1.1 反應溶劑的選擇

在合成反應過程中，分別嘗試以無溶劑直接合成、乙醇-水為溶劑合成和二氧六環(huán)-水為溶劑合成，所得結果如表1所示。

表1 溶劑對反應體系的影響Tab1 The influence of solvent on the reaction system

2.1.2 十二胺與MA的配比

在以乙醇-水為溶劑、n(MA):n(NaOH)=1.0:1.5、溫度120℃、反應時間7 h的條件下，考察不同n(RNH2):n(MA)條件下反應對產物收率的影響，結果如表2所示。

表2 十二胺與MA配比對反應的影響Tab2 The influence of dodecylamine(DDA) and MA ratio on the reaction

由表2可以看出，當n(RNH2):n(MA)=1.0:1.0時，產物的收率達到最高，為75%。

2.1.3 MA與氫氧化鈉配比

在以乙醇-水為溶劑、n(RNH2):n(MA)=1:1、溫度120℃、反應時間7 h的條件下，考察不同n(MA): n(NaOH)條件下反應對產物收率的影響，結果如表3所示。

由表3可以看出，對本反應，較佳的反應配比是n(MA):n(NaOH)=1.0:1.5。有文獻報道，在低堿量時進行類似反應生成了酰胺[16]；另有文獻報道，只有保證反應體系的pH在8～10，反應才能進行[17]。結合本合成反應實際，在n(MA):n(NaOH)=1.0:1.5時，可以保證體系呈堿性。

2.1.4 體系含水量

在以乙醇-水為溶劑、n(RNH2):n(MA):n(NaOH)= 1.0:1.0:1.5、溫度120℃、反應時間7 h的條件下，考察了體系含水量對產物收率的影響，結果如表4所示。

表3 MA與NaOH的配比對反應的影響Tab3 The influence of MA and NaOH ratio on the reaction

表4 體系含水量對反應的影響Tab4 The influence of water content in system on the reaction

由表4可以看出，體系的含水量對反應有一定的影響，較佳水的質量分數為35%。這可能是體系含水量過少反應原料不能完全溶解，體系不是均一相，對反應的傳質傳熱造成影響；體系的含水量過大，反應物含量較小，對反應造成不利影響。

2.1.5 投料方式

在實驗中采用3種加料方式，現象及結果：

1）將MA溶于水中，將NaOH溶于水中，將2者直接混合；然后加入乙醇和十二胺。2者混合后，立即放出大量的熱，冒出大量的白煙，反應結束后會有塊狀物質生成。這些物質的溶解性不好，加入乙醇仍不能將其溶解。轉移至高壓反應釜中進行反應，反應結束后，測得收率為34.6%。

2）將NaOH加入裝有溫度計的三頸燒瓶中，加入一定量的水，在磁力攪拌下待溫度升至50℃左右，將MA研成粉末緩慢加入，待溫度升至90℃，加入十二胺及乙醇，然后轉移至高壓反應釜反應。MA加入后，溫度急劇上升，隨著溫度的上升，體系逐漸變?yōu)辄S色溶液。轉移至高壓反應釜中，反應結束后，測得收率為41.5%。

3）稱取一定量的NaOH溶于一定量的H2O中，再稱取一定量的MA溶于一定量的H2O，在水浴控制下，將NaOH溶液緩慢加入到MA和H2O體系中，控制體系溫度不能超過70℃，然后加入十二胺和乙醇。MA在水中溶解度很小，在體系要求含水量下不能溶解。氫氧化鈉溶液加入到MA-水的體系中，會放出大量的熱，隨著堿的加入，未溶于水的片狀MA，逐漸溶解，體系變?yōu)榧毶碃?；加入胺，體系分層，再加入乙醇，體系變?yōu)槌吻逡?。轉移到高壓反應釜中反應，反應結束后，測得收率為74.6%。

綜上所述，第3種加料方式明顯優(yōu)于前2種加料方式。原因可能是，馬來酸與氫氧化鈉的混合是酸堿中和反應，會放出大量的熱。根據文獻報道馬來酸在高溫下會變?yōu)榉词降母获R酸，這樣使得加成反應很難進行[18]。

2.1.6 反應溫度

在以乙醇-水為溶劑、n(RNH2):n(MA):n(NaOH)= 1.0:1.0:1.5、反應時間7 h、體系總固體質量分數在20%的條件下，考察不同溫度對反應的影響，其結果如表5所示。

表5 反應溫度對反應的影響Tab5 The influence of reaction temperature on the reaction

由表5可以看出，優(yōu)化反應溫度為120℃。溫度較低時，不能達到反應所需的活化能，導致反應進行較慢和反應進行深度不夠；溫度較高時，導致體系中的溶劑較多的進入氣相中，造成反應體系的不均一，導致反應進行不理想，而且過高的反應溫度還會導致副反應的發(fā)生[19]。

2.1.7 反應時間

在以乙醇-水為溶劑、n(RNH2):n(MA):n(NaOH)= 1.0:1.0:1.5、溫度120℃、體系總固體質量分數在20%的條件下，考察不同反應時間對反應的影響，其結果如表6所示。

表6 反應時間對反應的影響Tab6 The influence of reaction time on the reaction

由表6可知，隨著反應時間的延長，收率隨之逐漸增大，5 h之前反應較快，5 h后收率變化不大。造成這種現象的原因可能是濃度效應[20]。隨著反應的進行，反應物的濃度逐漸減小，甚至不能進行，這就導致反應前幾小時收率變化較大，后來不太明顯。由此，可初步推測該反應的較佳反應時間為5 h。

2.2 產物等電點的測定及提純

實驗采用電導滴定法來測定產品的等電點[21]。電導滴定法根據滴定過程中被滴定溶液電導的突變來確定滴定終點。將N-十二烷基天冬氨酸鈉配成質量分數0.1%的水溶液，用0.105 7 mol/L的HCl進行滴定，同時測定溶液的電導率和pH，得到電導率隨pH的變化曲線圖1。

圖1 質量分數0.1%產品溶液電導率與pH的關系Fig1 The relationship of electrical conductivity and pH in the solution with 0.1%mass fraction product

由圖1可以看出，N-十二烷基天冬氨酸的等電區(qū)為5～9，在pH低于5時，陽離子結構占絕對優(yōu)勢，pH高于9時，陰離子結構占絕對優(yōu)勢，而在pH=5～9時以兩性離子形式存在。在本實驗中，就是利用兩性表面活性劑等電點的性質，通過調節(jié)體系的pH至它的等電點，使得產物以晶體析出，過濾即得較純的產物。

圖2是純化后得到的產品的液相色譜（馬來酸鹽的保留時間為1～2 min，十二胺的保留時間為20～22 min）。經液相色譜分析，最后所得產品的質量分數為98.11%。

圖2 提純后產品的HPLCFig2 HPLC of product after purification

3 結論

通過單因素考察，得到了N-十二烷基天冬氨酸的較佳工藝條件為：n(MA):n(RNH2):n(NaOH)=1.0:1.0: 1.5，乙醇-水為溶劑，120℃下高壓反應釜中反應5 h，反應收率為75%。通過產物等電點的性質，建立了N-十二烷基天冬氨酸的提純方法，最后得到了純度為98.11%的產品。通過對產品合成及提純工藝的研究，結合其性能，期望對該產品的進一步開發(fā)研究及工業(yè)化應用奠定基礎。

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A%10.3969/j.issn.1006-6829.2015.06.008

2015-10-23