（有机化学专业论文）酶催化合成新型糖胺类表面活性剂的研究.pdf

中文摘要 糖胺类表面活性剂是新一代非离子表面活性剂，它集一般非离子与阴离子表 面活性剂的许多性能为一身，例如表面张力低、活性高、去污能力强、泡沫丰富 且稳定性高等。此外，还具有对人体无毒、无刺激，对环境友好无污染的特点。 因此，被广泛应用于洗涤剂、化妆品、食品、医药及农用杀虫剂等生产领域，被 誉为新一代世界级表面活性剂。 本文采用两步合成法，以硬脂酸和无水葡萄糖为主要原料，经酶催化作用， 合成了性能优良的6 d 十八酰基n 羟乙基葡萄糖胺。与传统的一步合成方法相 比，不仅简化了产物分离操作步骤且降低了能耗。 本文研究的重点是对催化剂的筛选以及对合成工艺中反应温度，反应时间， 催化剂用量和吸水剂加入量的优化。首先通过对不同合成路线中使用的催化剂的 筛选，最终确定固体化酶c a n d i d as p 在合成过程中催化效果最好。然后通过正交 试验对其合成工艺进行了优化，确定了最佳反应条件：反应温度为4 0 。c ，反应 时间为6 0 h ，催化剂用量为1 3 9 ( 每0 0 1 m o l 反应) ，吸水剂加入量为0 3 9 ( 每 0 0 1 m o l 反应) 。按照此条件组合做验证性试验，反应物硬脂酸转化率为4 4 6 8 。 反应结束后经过层析柱分离，采用红外、核磁氢谱对6 o 十八酰基n 羟乙 基葡萄糖胺进行了结构表征，并对其表面张力、临界胶束浓度、乳化性能、润湿 性能进行了测试。实验证明本文合成的6 一d 十八酰基n 羟乙基葡萄糖胺具有非 常显著的润湿性能和乳化性能。 关键词：表面活性剂n 一羟乙基葡萄糖胺6 - o 十八酰基n 羟乙基葡萄糖胺 固定化酶 a b s t r a c t a l k y lp o l y g l u c o s i d ea m i d ei san e wk i n do fn o n - i o n i cs u r f a c t a n tw h i c h h a sm a n y p e c u l i a r i t i e so fo r d i n a r yn o n i o n i ca n da n i o ns u r f a c t a n t ss u c ha sl o w s u r f a c et e n s i o n ， h i g ha c t i v i t y , s t r o n ga b i l i t y o fd e c o n t a m i n a t i o n ，a b u n d a n ta n ds t e a d yf o a m e t c f u r t h e r m o r e ，i tp o s s e s s e se x c e l l e n td e r m a t o l o g i c a la n de n v i r o n m e n t a lp r o p e r t i e s i t l s u s e di naw i d er a n g eo ft e c h n i c a la n dc o n s u m e rp r o d u c t s ，s u c ha sd e t e r g e n t s ，c o s m e t i c p r o d u c t s ，f o o d ，m e d i c i n e ，p e s t i c i d e sf o r m u l a t i o n s c t c i ti si n t i t l e da san e ww o r l d s u r f a c t a n t i nt h i st h e s i sn e t h o x y l6 - 0 s t e a r i ca c y lp o l y g l u c o s i d ea m i d ei ss y n t h e s i z e db y t w o s t e pm e t h o du s i n gg l u c o s ea n ds t e a r i ca c i di nt h ep r e s e n c eo f e n z y m e c o m p a r i n g w i t ht r a d i t i o n a lo n e s t e ps y n t h e s i s ，i tc a np r e d i g e s tp r o c e s s e sa n d r e d u c et h ew a s t a g eo f e n e r g y i e m p h a s e so f t h i st h e s i sa r et h es e l e c t i o no fc a t a l y s ta n dt h eo p t i m i z a t i o no f r e a c t i o n c o n d i t i o n ss u c ha sr e a c t i o nt e m p e r a t u r e ，r e a c t i o nt i m e ，c a t a l y s tm a s sa n dd e s i c c a t i n g a g e n tm a s s f i r s t ，s t u d y i n gt h ec a t a l y t i ce f f i c i e n c yo fm a n y k i n d so fc o m p o u n d ，a n d f i n do u tt h a ti m m o b i l i t ye n z y m ee a n d i d as p i st h eb e s tc a t a l y s ti nt h er e a c t i o n t h e nt h e o p t i m a l r e a c t i o nc o n d i t i o n s a r ec o n f i r m e dt h r o u g ho r t h o g o n a l t e s t ：r e a c t i o n t e m p e r a t u r e ：4 0 。c ，r e a c t i o nt i m e ：6 0 h ，a r e ao fc a t a l y s t ：1 3 9 ( p e r0 0 1 m o lr e a c t i o n ) ， m a s so fd e s i c c a t i n ga g e n t ：0 3 9 ( p e r0 0 1 m o lr e a c t i o n ) i nt h i ss i t u a t i o n ，t r a n s f o r mr a t e o fs t e a r i ca c i dc a nr e a c h4 4 6 8 n e t h o x y l 6 - 0 s t e a r i c a c y lp o l y g l u c o s i d e a m i d e i s p u r i f i e db y c o l u m n c h r o m a t o g r a p h a n dt h e n ，i rs p e c t r a ，m a s ss p e c t r u ma n d 1h n m rc h a r a c t e r i z ei t i t s s u r f a c et e n s i o n ，c ，”c ，e m u l s i f i c a t i o n ，m o i s t e n i n gp r o p e r t ya r et e s t e d i ti st e s t i f i e dt h a t n e t h o x y l6 - 0 s t e a r i ca c y lp o l y g l u c o s i d ea m i d eh a sn o t a b l em o i s t e n i n gp r o p e r t ya n d f i n ee m u l s i f i c a t i o np r o p e r t y k e yw o r d s ：s u r f a c t a n t ，n e t h o x y l6 - 0 - s t e a r i ca c y lp o l y g l u c o s i d ea m i d e ， e n z y m e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：戳均日 签字日期： 劢d 7 年 ，月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 叉缘回曰 导师签名： 签字日期：劢7 年月日 签字日期：日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论弟一早瑁t 匕 表面活性剂是一大类有机化合物。它们的性质极具特色，应用灵活、广泛， 有很大的实用价值和理论意义。最早的表面活性剂肥皂【l 】，已有几千年的历 史，早为人们所熟知。即便是合成表面活性剂，现在也已家喻户晓。尤其近期， 表面活性剂在生命科学【2 】、能源科学、信息材料以及许多现代高新技术发展中发 挥了重要作用，成为物理、化学、生物三大基础学科和许多技术部门共同关心的 领域。 众所周知，表面活性剂工业的发展经历了三次重大变革。2 0 世纪5 0 年代合 成洗涤剂随四聚丙烯苯磺酸盐以及三聚磷酸钠的开发而崛起，部分替代了古老的 肥皂。6 0 年代直链烷基苯磺酸盐又替代了不易生物降解的聚丙烯苯酚产品。第 三次则是8 0 年代脂肪醇醚类迅速发展，替代肥皂和烷基苯磺酸盐成为最重要的 表面活性剂。从发展趋势看，环境保护和安全因素日益重要，可持续发展战略使 人们更加重视开发天然可再生资源【3 】，而且随着生产生活水平的目益提高，消费 者对表面活性剂的要求也越来越高。如对皮肤和粘膜的刺激性小，对织物和头发 具有柔软功能，对环境不造成污染，易于生物降解等等。2 0 世纪9 0 年代，国际 表面活性剂和洗涤剂行业出现一个新潮：糖胺类表面活性剂。它具有良好的应用 性能、生物相容性、环境相容性和原料可再生性。本文主要内容将围绕一种糖胺 类表面活性剂的合成及其性能研究展开。 糖胺类表面活性剂的合成离不开催化剂的使用。但是传统方法使用的催化 剂，在催化效率、反应结束后与产品的分离、抑制糖基的焦化方面都不尽如人意。 然而，酶催化下糖脂的合成，给糖胺类表面活性剂的合成提供了一种可以借鉴的 方法。以下主要介绍了目前得到应用的几种糖胺类表面活性剂和酶催化下糖脂的 合成。 1 2 糖胺类表面活性剂 糖胺类表面活性剂是一种新兴的表面活性剂。在这类化合物中，有氨基n 原子连接着亲水的糖基，可以根据需要在n 原子上引入不同的功能基团，具有结 构修饰简单，适用性强，易降解的特点。作为表面活性剂，其总体性能优于现在 使用的大多数同类产品，具有巨大的发展潜力。 根据分子结构的不同，可将目前常见的糖胺类化合物分为如下几类： 第一章绪论 1 2 1 烷基葡萄糖酰胺 烷基葡萄糖酰胺( a p a ) 是一类非离子表面活性剂。与其他表面活性剂相比， a p a 具有许多突出优点。如在达临界胶束浓度下具有很高的表面活性；在水溶 液中易于溶解，泡沫丰富细腻稳定，与阴离子表面活性剂复配使用后泡沫的耐硬 水能力和抗油脂能力都显著提高；去污力强，优于现在广泛使用的烷基糖苷 ( a p g ) ；刺激性小，不会对皮肤及头发造成显著伤害；产物稳定，久置不会产 生沉淀；生物降解快而且完全，实验表明其对水生物的毒性小于a p g ，对老鼠 的口服毒性表明其无毒等【4 】。 对烷基葡萄糖酰胺的研究，国外始于2 0 世纪3 0 年代中期，1 9 3 5 年就有关 于a p a 合成的专利出现。但是由于其合成、提纯的成本过高，一直没有得到广泛 的应用啼1 。到上世纪8 0 年代，a p a 的研究重新引起了人们的重视。9 0 年代初期， 世界各国陆续出现了许多相关专利【4 8 】。尤其是p & g 公司，在这方面作了深入 的研究，发明了低温、快速、高转化率的合成方法，并且成功的降低了有色杂质 和副产物的生成，实现了原料及催化剂的循环利用1 6 , 7 , 8 。 烷基葡萄糖酰胺的结构通式【5 】为： r 2 r 1 其中r l 为短链烃基( c 1 c 4 ) ，通常为甲基；r 2 为烷基，烷基链的长短直 接影响着烷基糖苷的性能及应用。 一般来说，a p a 的合成主要有两种方法【9 j ： 第一种是还原胺化法，这是a p a 合成的经典方法，国内外许多文章及专利 对该类反应有详细介纠1 0 、13 1 ，并且已经大规模应用于工业生产。其合成步骤如 图1 - 1 所示： 第一章绪论 o ho h o ho ho h o ho hr 1 h 。m 丫 r 2 c o o m e i 一 m e t h a n o lm e t h o x i d e o ho h h o ho h h ii i 图1 1a p a 的还原胺化法 f i g 1 - 1s y n t h e t i cm e t h o do f a p a o ho hh n r 1 其中r i 可以为甲基、乙基、甲氧基、乙氧基、苄基等。糖基可以为葡萄糖、 麦芽糖、糖浆等。最佳n ( 胺) ：n ( 糖) = ( 4 一- - 3 0 ) ：1 。加氢反应最常用的催 化剂为r a n e y 镍或者负载在固定基质上的镍。 第二种方法为直接胺化法。在此反应中，一般以淀粉经酶法水解而成的葡萄 糖液为原料，经两步反应完成。反应过程中省去了上述反应中的加氢步骤，简化 了工艺条件，降低了生产成本。国内外这方面的研究文章较少【l4 1 。合成步骤如 图1 - 2 所示： o h h 2 n - r i o h g l 1 h 。c k g l ：- 。2 h n r 1 图1 2a p a 的直接胺化法 f i g 1 - 2s y n t h e t i cm e t h o do f a p a 3 o h r 2 r ， 氐n 波 h o h 伊 。 心 第一章绪论 其中，r l 一般为长链烃基，如c 1 2 h 2 5 ，c 1 4 h 2 9 ，c 1 8 h 3 7 等。在反应中，由于生 成的葡萄糖烷基胺容易水解，最好连续反应，在n 原子上进行烷基化以得到稳定 得产物。 o s w a l dl o c k h o f f 等对各种不同碳链长度的烷基葡萄糖酰胺的合成及其立体 结构进行了深入的研裂1 5 】。 1 2 2 烷基糖胺 这类化合物的合成比较简单，反应条件要求也不高，可以方便的作为表面活 性剂使用。最初合成的是n 原子上单取代的烷基糖胺c n m a l 9 ，但是由于亲水 基团强烈的氢键作用，此类化合物容易在水中形成超分子结构【1 5 】。为了改善分 子的表面活性，应该在n 原子上引入两个不同长度烷基的疏水基团，以使其在 液相体系中能达到最大的重叠以增强亲油效果，以及在液膜表面达到最大的包裹 浓度。这类化合物一般为n 一甲基n 一烷基糖胺，合成路线如图1 - 3 所示【1 6 】 h c n h 2 n + i n h c h 3 1 m 懿e o h n c 。 l c h 3 c n h 2 n + i n h c h 3 1 兰h t c o h i i o i i i n i ” c h 3 n 一烷基- n 一甲基葡糖酰胺n 一烷基一n 一甲基一乳二糖酰胺 c n - m g a ：c n = c 1 0 ，c 1 2 ，c 1 4 ，c 1 6 ，c 1 8 c n - m l a c n = c 1 0 ，c 1 2 ，c 1 4 ，c 1 6 ，c 1 8 o l m g a ：o l - - c 1 8 h 3 5 ( 油基)o l m l a ：o l = c 1 8 h 3 5 ( 油基) 图l 一3 烷基糖胺的合成 f i g 1 3s y n t h e t i cm e t h o do fc n m g a a n dc n m l a 与n 一卜仅有碳链单取代的糖胺相比，n 原子上甲基的引入降低了相应分子 4 第一章绪论 的k r a f f t 点( 当温度升高至某一点时，表面活性剂的溶解度急剧升高，该温度称 为k r a f f t 点) ，即增强了分子在水中的可溶性。 将各不同糖基，不同碳链长度的化合物性质参数如表1 1 所示： 表l 一1c n m g a c n m l a 和o l m g a m l a 的附性能参数 t a b 1 - 1c h a r a c t e r i s t i c so fc n - m g a ，c n m l a ，a n d o l m g a m l a 如上表所示，在c n - m l a 和c n m g a 系中，表面活性剂分子的界面占有面 积a 曲值随着碳链的增长而增加。增加n 原子上疏水碳链的长度，则i 临界胶束 浓度c m c 值降低，提高了化合物降低水表面张力的能力和乳化能力。这就是说， 在n 一烷基糖胺分子中，烷基碳链长度的变化体现了分子极性的不同，对结构的 修饰有重要作用。 另一方面，增加分子中糖基的大小( 如将葡萄糖基换为麦芽糖) 使c i v i c 值 增大，k r a f f t 点降低，水中的溶解度增大。降低了使水表面张力减小的效果，但 是乳化作用略有提高。 表面活性剂降低表面张力的效率是由参数p c 2 0 表示的，这个值随着碳链的 增长而线性增加。并且c n m g a 的值要略高于相应的c n m l a ，o l m g a 和 o l m l a 的值小于相应的c 1 8 饱和化合物。由此看来，糖基为单糖时要比为二 糖或多糖具有更高的表面活性，碳链上双键的存在不利于表面活性。 此外，与其他糖基表面活性剂一样，由于羟基与水分子强烈的水合作用，n 一烷基一n 一甲基糖胺在温度升高的时候( 即使达到了溶液的沸点) 也没有出现 浊点。同时，被此类糖胺类非离子表面活性剂所稳定的乳化作用即使在温度升高 第一章绪论 至沸点时也不会出现絮结。这说明该类体系在温度升高的时候并没有出现相的分 离，具有良好的温度适应性。 因此，总的来说，这类物质表面活性好，使用温度范围大( 最高可达溶液沸 点) ，且功能修饰方便，合成简单，具有很好的实用价值。 1 2 3n 一烷基- n - 羟乙基醛糖胺 在烷基糖胺分子中，若用羟乙基替换n 原子上一个烷基链，则整个分子的 表面活性会得到较大改善。合成反应如图卜4 所示【1 7 】 h n r r e h 2 c h 2 。h + 眦心f 马r n r ， 、 h e a t 吒c h 2 c h 2 0 h h o h 2 c - - 量_ 凝g 夏托o h 渺o h 毗洲 与n 上仅有碳链单取代的糖胺相比，n 原子上羟乙基的引入改变了分子极 性，提高了在水中的溶解度，有效的增强了分子的亲水性。但是另一方面，羟乙 基中氢键的导入也增强了氢键的网状结构，在一定程度上限制了分子的溶解度。 分子结构不同的影响也同样很明显的反应在每个吸附分子占有的表面积 a m j 。上。a i i l i 。与碳链长1 1 在一定的范围内是线性的关系。 对于c n h e g a 和c n h e g h a ，a m i 。随着碳链的增长呈减小趋势，对这两种 同系物，a m i 。c h 2 均约为o 3 1 0 之0 1 1 1 2 分子，同比于n 甲基- n 一烷基糖胺的3 l o 2 0 m 2 分子，相对较小。这主要是由c n h e g a 和c n h e g h a 亲水基的结构决 定的。而且，一个一c h o h 的差别，也使c n h e g h a 的a i l l i n 始终大于c n h e g a 1 k j m o l 左右。这说明，这类分子的碳链在晃面上并不垂直于水表面，而是存在 一定的弯曲。 同时，羟乙基的导入也增大了界面上分子的占有面积。例如，烷基醛糖胺的 a m i 。约为4 0 1 0 五o m 2 分子，而在n 烷基n ( 2 一羟乙基) 醛糖胺中，由于2 羟 6 第一章绪论 乙基的存在，增大了约1 5 1 0 2 0 m 2 。 以上数据说明，n 原子上第二个取代基的对分子性质的影响是举足轻重的。 1 2 42 一氨基糖胺 2 氨基葡萄糖胺类化合物包括三类：1 非离子性，2 氨基以无取代或胺基形 态存在；2 阳离子性，2 氨基形成胺正离子或者以季胺盐形态存在：3 阴离子性， 分子中含有羧酸盐或硫酸盐离子。 1 2 4 1 非离子性烷基2 一氨基- 2 - 脱氧一1 3 - d - 葡糖吡喃糖苷的合成 合成路线如图卜5 所示 1 8 , 1 9 a d n h 2 n a o h 9 0 o r 一 n h a c i b l r o h 严 o a c c o r 图i - 5 非离子性烷基2 一氨基- 2 - 脱氧一b d 卜- 葡糖吡喃糖苷的合成 f i g 1 - 5s y n t h e t i cm e t h o do fa l k y l2 - a m i n o 一2 一d e o x y b d - g l u c o p y r a n o s i d e s d 与2 o h 的烷基配糖类似物的溶解性是相似的。但是由于- n h 2 的反应活性 高，非常容易在氨基上导入其他的功能基团从而获得某些特殊的性质。例如将d 中氨基用- n h a c 取代后，分子极性下降，由于其较低的水溶性和c m c 值，该分 子非常容易与脂质体的双分子膜结合或是形成混合的单层膜。其所形成的超分子 聚合物的性能也正在研究中。 烷基2 氨基2 脱氧b d 葡糖吡哺糖苷( d ) 的c m c 值随着r 碳链的增长而 下降。因此，它属于非离子表面活性剂。这说明，2 - n h 2 的质子化程度是很小的。 对这类物质的研究发现，每个分子在空气水界面的面积都在5 0 x 1 0 。2 0 m 2 附近， 7 第一章绪论 而跟碳链的长度无关，这就是说，这些分子的界面面积是由分子间葡萄糖胺基形 成氢键的相互作用决定的。 1 2 4 2 阳离子性 该类化合物主要是将将2 胺基转化为胺离子或者是季胺离子，但是这方面的 研究较少。比较成熟的是将烷基糖苷季胺盐作为阳离子表面活性剂使用，其主要 优点在于表面活性好，起泡力强，泡沫稳定，亲水性适中，并且可以与阴离子表 面活性剂复配使用 2 0 , 2 1 。 1 2 4 3 阴离子性甲基2 一酰胺基- 2 - 脱氧一6 一俨磺酸钠- d - 葡糖吡喃糖苷的合成 合成路线如图卜6 所示 2 2 , 2 3 l n a o h o 一1 茄 3 s 0 3 f p y o c h 3 - i 卜 n a o h n h c o r 2 c h 3 0 h 洲一 4 图1 - 6 甲基2 一酰胺基一2 一脱氧一6 一o - 磺酸钠一d 一葡糖吡喃糖苷的合成 f i g 1 - 6s y n t h e t i cm e t h o do f2 一a c y l a m i d o - 2 - d e o x y - 6 - o - s u l f o d g l u c o p y r a n o s i d e s o c h 3 通过对c m c 值，k r a f t 点，a | l l i 。等参数的比较，可以发现，这类物质的表面 活性和相应的型如r c o n h 一( c h 2 ) 。o s 0 3 n a 的直链化合物是相似的，不同之处 在于由于糖基与水分子之间形成之间h 键的作用，使之亲水性不如离子化的直 链化合物。 1 2 5 性能比较 可以看到，对于上面提到的几种不同的n 取代的非离子性表面活性剂而言， 分子的性能是由n 上新引入的取代基的性质和结构来决定的。 以a 。j n 为例，对于不同的化合物，当碳链长度相同时，其值是有所差异的。 如表1 2 所示 8 第一章绪论 从上表中可以看到，对于c 1 0 m g a 、c l o m l a 、c l o m a l ，由于n 原子上取 代基的近似，因此其a 曲相差不大。但是c 1 0 h e g a 、c l o h e g h a 、c 9 g i u n h 2 中都引入了不同的修饰基团，其性质发生了较大的差异。 体现在标准吸附自由能随碳链长度变化的线性关系上，也有类似的现象。如 表1 3 所示： 表1 3 不同结构糖胺类表面活性剂的标准吸附自由能随碳链长的变化 t a b 1 3r e l a t i o no fa g o a d so fd i f f e r e n ts t r u c y u r es u r f a c t a n t sa n dt h en u m b e ro fc a r b o na t o m si n t h ea l k y lc h a i n 对于结构相近的c n m g a 和c n m l a ，c n h e g a 和c n h e g h a ，上述变化在 程度上是相近的。但当结构出现较大差异时，变化规律也出现了明显的不同。 总之，适当改变葡糖胺中胺的键合方式和碳链的空间表达，分子的可溶性， c m c 值，界面占有面积a m i n ，k r a f f t 点以及标准吸附自由能等性能参数的大小及 其随碳链长度的变化规律都会随之变化。在不同的条件下，可以选择到适配的化 合物。 1 3 糖酯的酶法合成 1 3 1 酶及固定化酶 酶是一类由生物细胞产生且具有催化活性的特殊蛋白质。作为催化剂的酶 具有催化效率高、催化专一性强、能在常温常压温和条件下使用等优点。但酶在 实际应用中也存在一些问题，包括酶价格昂贵、回收凼难、稳定性差以致容易变 性失活等。这就大大限制了酶在化学工业中的应用。为了克服酶的上述缺点，可 9 第一章绪论 以对酶本身进行改造( 例如酶修饰、改性和固定化) ，也可以改变酶催化反应的 外部环境( 如在有机溶剂中进行反应等) 2 4 1 。其中，酶的固定化是最为常用的 方法。 简单地说，凡限制在一定的空间范围内并能反复使用地酶都称为固定化酶。 由于酶的催化活性主要依赖于它的特殊的高级结构活性中心，因此在制备固 定化酶时要尽可能使酶的高级结构收到损害【2 5 2 6 ，2 7 1 。 目前酶的固定化方法主要有四大类：1 吸附法；2 包埋法；3 共价键结合法； 4 交联法。固定化酶的性能除取决于固定化方法外还取决于在固定化中所使用的 载体，在固定化中所使用的载体可分为有机高分子载体、无机载体和复合载体三 大类1 2 8 1 。 1 3 2 酶法合成糖酯 糖酯是一类广泛应用于食品、医药、化工等行业的非离子型表面活性剂，其 来源广泛，应用面广，安全性高，并具有无毒、无嗅、无刺激、易生物降解等优 点，是联合国粮农组织推荐使用的食品添加剂。某些糖酯还具有抗肿瘤作用及植 物生长抑制剂活性【2 9 】。 目前市场上的糖酯产品大多数是采用化学法合成的、合成反应在高温、高压 下进行，条件较苛刻，产物带有颜色，而且催化反应选择性差，有很多的副产物 生成。而酶法克服了这些缺点，反应条件温和，产品易于纯化、色泽浅：且酶具 有高立体选择性、区域专一性和位置选择性，可合成光学纯的糖酯【3 0 l ，在医药 工业上很受瞩目，因此具有重要的理论意义和应用价值 3 1 , 3 2 , 3 3 】。 h 酶 o h + h o o c r 1 卜 o 图1 7 葡萄糖酯的酶催化合成 f i g 1 7s y n t h e t i cm e t h o do fg l u c o s ee s t e ri ne n z y m ec a t a l y z e o h o h 糖分子中含有多个羟基，糖的酯化除直接使用羧酸、酸酐等酰化试剂之外， 还可以使用酰基供体在一定条件下进行酯交换。糖类区域选择性酰化或脱酰采用 的酶主要有脂酶、酯酶、半乳糖苷酶和淀粉酶或蛋白酶等1 3 和3 引。由于各种酶的 1 0 第一章绪论 分子结构、活性中心不同，在催化糖类酰化或转酯化反应中，表现出对糖分子中 不同类型、不同位置羟基的选择性及不同的催化反应活力【3 9 一, 4 h 。 脂酶催化类选择性酰化和脱酰反应的介质，首先要考虑溶剂对底物糖的溶解 能力以及对酶活力的影响等。虽然水溶液对底物糖有很好的溶解性，但是脂酶在 水溶液中主要催化酯的水解，因此一般采用有机溶剂作为脂酶催化糖酯合成的反 应介质 4 2 , 4 3 。有机溶剂的极性和种类可影响到某些脂酶的区域选择性，如改变有 机溶剂的极性可以影响枯草杆菌蛋白酶催化蔗糖酰化产物的比率。另一方面，只 有少数几种有机溶剂如吡啶、d m f 、吗啉、二异丙醚等对糖类有较好的溶解能 力，因此实际可选用的有机溶剂是很少的，一般采用混合溶剂【州7 1 。 由于糖在有机溶剂中的低溶解性，通产采用两种不同的酶促糖酯合成途径： 一是采用大量的诸如吡啶或二甲基甲酰胺的极性有机溶剂；二是通过使用活性的 酰基供体、固定化的底物、增加底物的疏水性等方法来加快反应速率。然而， 在酶促糖酯合成反应中使用的溶剂往往会对酶产生不利影响，导致酶部分的或者 全部失活【4 引。因此，固相合成的方法被应用到糖酯的合成上来。 固相合成法是在很少有机溶剂如丙酮、叔丁醇中酶催化脂肪酸酰基化固体糖 的方法。固相法是基于非均相低溶剂系统的酶法反应，其中糖多数以悬浮颗粒形 式存在，并且反应产物糖酯达到饱和浓度时即从液相中沉淀出来，使反应平衡有 利于向产物移动。因此，固相法不仅利于减少有机溶剂使用量，也降低产物抑制 的作用 4 9 , 5 0 。 表1 4 总结了近年来应用于非水相酶催化的酶的固定化方法【5 l j 表1 4 应用于非水相酶催化的酶的固定化方法 t a b 1 - 4l m m o b o i l i z a t i o no fe n z y m ei nr e a c t i o no nw a t e r - f r e e 第一章绪论 树脂 c c 脂肪酶吸附法硅藻土5 3 5 马肝乙醇脱氢酶共价结合法 ( n a d h ) c c 脂肪酶共价结合法 多孔氨丙基玻璃 尼龙6 制成商品 l i p o z y m 一，固 定化酶颗粒中含 大约1 0 w t 的 水 将1 0 0 m g 酶粉悬 浮于1 0 0 ul 无离 子水中，然后与 2 5 0 m g 硅藻土 5 3 5 充分混合 考察了固定化 n a d h 在有机溶 剂中的活力和稳 定性 固定化酶的蛋白 负载量为 1 0 m g g ，固定化 酶活力相当稳 定，在7 2 d 的重 复实验后仍保持 了i 3 的活力 1 9 9 0 p a nc ta l ，1 9 9 0 g u i n ne ta 1 1 9 9 1 c a r t ae ta l ，1 9 9 1 1 4 本文研究的意义、目的及思路 1 4 1 本文研究的意义 近年来，随着人们环保意识的增强，绿色化学的浪潮席卷全球。由于石油资 源的不可再生和储量的不断减少，价格不断上涨，供应出现危机。因此，降低对 石油产品的依赖，寻找环境友好、有良好社会效应的替代产品成为了各国研究的 热点。以糖类产品为原料，糖胺类化合物迅速发展了起来。糖胺一方面有其生物 1 2 第一章绪论 用途，如不改性萃取纯化膜蛋白，与脂质体结合以增强其胶状稳定性和对巨噬细 胞的抗受性等。另一方面，烷基糖胺类化合物又是一类新表面活性剂，由于其所 用原料均为可再生资源，生物降解性强，性能温和，对皮肤刺激性小，可与其他 表面活性剂复配使用，广泛应用于洗涤剂和化妆品【l 】。而且，根据不同的需要， 可以方便的在氨基和羟基上引入不同的功能基团。 1 4 2 本文研究的目的 本文研究的目的在于通过新的合成方法高效、有选择性地合成一种新型糖胺 类表面活性剂，通过筛选催化剂和优化合成条件，在保证产品品质的前提下尽可 能的提高原料的转化率；采用新的合成路线和催化剂，简化反应条件、分离步骤， 降低了生产中的原料及能源消耗。 1 4 3 本文研究的思路 本文在熟悉了国内外文献报道的各种不同糖胺类物质合成方法的基础上，选 定了具有很强结构修饰性的6 口十八酰基n 羟乙基葡萄糖胺作为合成的目标。 尽量选择实验条件温和并且环境友好的绿色化学合成路线。考察各种无机酸、有 机酸、杂多酸、固体酸等传统催化剂的催化效果；并借鉴酶法合成糖酯的方法， 利用生物酶制剂催化反应，确定最为有效的催化剂，继而对催化合成的条件进行 优化，得到最佳合成方案。最后对合成出来的6 d 十八酰基n 羟乙基葡萄糖胺 产品进行结构表征、性能测试，确定此种表面活性剂的应用范围。 第二章n 一羟乙基葡萄糖胺的合成 第二章n 一羟乙基葡萄糖胺的合成 摘要：本章采用无催化剂法制备n 羟乙基葡萄糖胺，并通过红外、熔点分析鉴 定了其结构。 关键词：n 羟乙基葡萄糖胺，合成 2 1 引言 n 羟乙基葡萄糖胺( i ) 是一种制备糖胺类表面活性剂的优良原料。一方面，分 子中的仲胺基上，可以方便的引入其他功能性基团；另一方面，葡萄糖1 位上羟 基被n 羟乙基取代后，分子在有机溶剂的溶解性将有所提高，有利于有机介质 中反应的进行。目前，国内文献报道的n 羟乙基葡萄糖胺的合成方法 1 2 , 1 3 , 1 4 】，是 在水溶剂中，催化进行。反应的催化剂选择、产品的提纯都有难度。为此，本文 采用了一种无催化合成方法，反应条件温和，不仅有效的避免了反应过程中葡萄 糖基焦化的问题，而且产物n 羟乙基葡萄糖胺可以方便的提纯出来。实验表明， 合成的产物n 羟乙基葡萄糖胺具有较高的纯度：该方法经放大后，可大量制备 n 羟乙基葡萄糖胺。 2 2 实验部分 2 2 1 原料 无水葡萄糖 乙醇胺 硬脂酸 硫酸 磷酸 对甲苯磺酸 硅钨酸 氢氧化钠 甲醇钠 k c 0 3 三乙胺 毗啶 优级纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 1 4 天津市天大化工实验厂 天津市大茂化学试剂厂 上海试剂一厂 天津市化学试剂五厂 天津市大茂化学试剂厂 天津市大茂化学试剂厂 天津市光复精细化工研究所 天津市大茂化学试剂厂 天津市大茂化学试剂厂 天津市光复精细化工研究所 天津市光复精细化工研究所 天津市光复精细化工研究所 第二章n 一羟乙基葡萄糖胺的合成 脂肪酶c a n d i d as p 固定化酶c a n d i d as p 甲醇 乙醇 丙酮 四氢呋喃 正己烷 硅胶 分子筛 硅胶 氘代水 液体石蜡 亚硝酸钠 十二烷基苯磺酸钠( l a s ) 十六烷基三甲基氯化铵( c t a c ) 土温8 0 ( t w e e n 8 0 ) 柱层析硅胶( 1 0 0 2 0 0 目) 硅胶板 2 0 2 号帆布 去离子水 2 2 2 仪器和设备 s h b i i i 型循环水式多用真空泵 d l 1 0 1 - 2 b s 型电热鼓风干燥箱 台式恒温振荡培养箱 d r z 6 型电阻炉温度控制器 r j x 5 1 3 型箱式电阻炉 电动搅拌头 d 8 4 0 1 w 型多功能电动搅拌器 h v - 1 型不锈钢标准口真空搅拌器 t d g c 3 型接触调压器 m o 2 型调温型电热套 检验筛 分析纯北京凯泰新世纪生物技术有限公司 分析纯北京凯泰新世纪生物技术有限公司 分析纯天津市大茂化学试剂厂 分析纯天津市大茂化学试剂厂 分析纯 天津市大茂化学试剂厂 分析纯天津市大茂化学试剂厂 分析纯天津市大茂化学试剂厂 分析纯天津市光复精细化工研究所 分析纯天津市光复精细化工研究所 分析纯天津市光复精细化工研究所 n m r 溶剂北京汉威士波谱公司 化学纯天津大学科威公司 分析纯天津大学科威公司 化学纯天津大学科威公司 分析纯天津市福晨化学试剂厂 化学纯天津科密欧科技有限公司 试剂级青岛海洋化工厂分厂 试剂级青岛海洋化工厂分厂 天津市帆布厂 实验室自制 1 5 郑州长城科工贸有限公司 天津市中环实验电炉有限公司 北京沃德电子实验设备厂 天津市津海第一实验电炉厂 天津市津海第一实验电炉厂 天津市微型特种电机厂 天津市华兴科学仪器厂 南开大学金工厂 天津市调压器厂 河北省黄骅县新兴电器厂 浙江省上虞县建良纱筛厂 第二章n 一羟乙基葡萄糖胺的合成 r e 8 5 7 型旋转蒸发仪巩义市英峪高科仪器厂 电热吹风机台州市人杰电器有限公司 f t s 3 0 0 0 型红外光谱扫描仪美国b i o r a d 公司 l c qa d v a t a g em a x 型液相色谱质谱联用仪美国菲尼根公司 i n o v a 型液体核磁共振谱仪美国v a f i a n 公司 x t - 4 显微熔点测定仪北京市科仪电光仪器厂 研钵，色谱分离柱，布氏漏斗，抽滤瓶，滴液漏斗，酸式滴定管，容量瓶， 移液管，三颈瓶，蒸馏头，回流冷凝管，真空尾接管，圆底烧瓶，温度计，聚四 氟乙烯搅拌棒，p h 试纸，化学分析滤纸，层析柱，分析滤纸，容量瓶，带塞锥 形瓶，带塞量筒，秒表 2 2 3n 一羟乙基葡萄糖胺的制备 量取3 6 9 经过研磨的无水葡萄糖加入到装有温度计、真空搅拌装置的1 0 0 m l 三颈瓶中，加入3 0 m l 经过无水处理的乙醇，搅拌加热到5 0 ，加入1 2 3 9 乙醇 胺，此时反应器中为白色悬浊液。反应5 h ，待溶液澄清后停止反应。冷却至室 温，减压抽虑除去少量未反应固体。置于密闭锥形瓶中，于l o 左右的温度下 放置4 8 h ，锥形瓶底部出现白色固体。过滤后用少量无水乙醇多次洗涤，真空干 燥。试验装置如图2 1 ，2 2 所示 图2 1 合成装置 f i g 2 1s y n t h e s i z e re q u i p m e n t 图2 2 蒸馏装置 f i g 2 2d i s t i l l a t i o ne q u i p m e n t 第二章n 一羟乙基葡萄糖胺的合成 反应结束后，通过测定溶液中的残糖含量来计算反应的转化率。计算方法是 借鉴国家标准食品中还原糖的测定方法( g b5 0 0 9 7 1 9 8 5 ) 中的直接滴定法来分 析测定的。其中碱性酒石酸铜溶液由碱性酒石酸铜甲液和碱性酒石酸铜乙液混合 得到。具体操作如下： a ) 硫酸铜( c u s 0 4 5 h 2 0 ) 1 5 9 ，次甲基蓝0 0 5 9 溶于水中并稀释至1 0 0 0 m l ， 得到碱性酒石酸铜甲液； b ) 酒石酸钾钠5 0 9 ，氢氧化钠7 5 9 溶于水，再加入4 9 亚铁氰化钾，完全溶 解后，用水稀释至1 0 0 0 m l ，得到碱性酒石酸铜乙液。两液平时分开放置，在使 用时等体积混合； c ) 精确称取1 0 0 0 9 经过9 8 1 0 0 干燥的葡萄糖，加水溶解后加入5 m l 盐 酸，以水稀释至1 0 0 0 m l 。相当于l m g 葡萄糖l m l 溶液； d ) 吸取5 0m l 碱性酒石酸铜甲液及5 0m l 碱性酒石酸铜乙液，置于1 5 0 m l 锥形瓶中，加水1 0 m l ，从滴定管滴加约9 m l 葡萄糖标准溶液，控制在2 m i n 内 加热至沸，趁沸腾以l 滴2 s 的速度继续滴加葡萄糖标准溶液，直至蓝色刚好退 去为终点。同法平行操作三份，根据葡萄糖标准溶液平均消耗体积v m l ，计算 每1 0 m l 酒石酸铜溶液相当于葡萄糖的质量v m g ： e ) 取反应液5 m l ，准确称重m g ，稀释至1 0 0 m l ，沸腾下滴定1 0 m l 碱性 酒石酸铜溶液，消耗体积v m l 。 f ) 计算残糖量 残糖量( ) = 铹1 0 0 g ) 葡萄糖转化率的计算 反应体系总质量( m l ，g ) 残糖量( ) = 未反应的葡萄糖质量 m 2 ，g ) 2 0 - m 2 1 0 0 ：葡萄糖转化率( ) 2 0 2 2 4n 一羟乙基葡萄糖胺的表征 2 2 4 1 红外光谱分析 将合成的n 羟乙基葡萄糖胺样品真空干燥2 4 h 后，与干燥的k b r 混合压片， 然后进行红外扫描，仪器分辨率4 c m ，分析范围4 0 0 4 0 0 0c m 。观察各吸收谱 1 7 第二章n 一羟乙基葡萄糖胺的合成 带的波长范围，由特征基团频率指出分子中官能团的存在，以确定样品中化学键 的键合形式，目的在于证明目标产物n 羟乙基葡萄糖胺的生成。 2 2 4 2 熔点分析鲫1 将少量n - 羟乙基葡萄糖胺样品置于盖玻片上，用玻璃棒将样品研均匀。放 于熔点仪上，缓慢加热。当样品开始熔解时，记下起始温度。当样品全部熔解时， 记下终了温度。重复测试后记录熔点范围。 2 3 结果与讨论 2 3 1n 一羟乙基葡萄糖胺的制备 h o h + h 2 n c h 2 c h 2 0 h 。- 图2 3n 一羟乙基葡萄糖胺的合成 f i g 2 3s y n t h e t i cm e t h o do f i o h n h c h 2 c h 2 0 h 葡萄糖不溶于乙醇，而生成的n 羟乙基葡萄糖胺则在乙醇中有一定的溶解 度。因此，随着反应的进