1. Syntéza jednořetězcových-aminokyselinových povrchově aktivních látek:
Suroviny pro jejich syntézu pocházejí z různých kyselých, bazických nebo neutrálních aminokyselin, jako je kyselina asparagová, kyselina glutamová, arginin, alanin, glycin, leucin, prolin, serin a produkty hydrolýzy proteinů. Hydrofobní konce, jako jsou mastné kyseliny nebo alkylchloridy, mohou být připojeny k aminoskupině, -COOH skupině nebo skupině postranního řetězce aminokyseliny. Jestliže mastné kyseliny nebo alkylhalogenidy reagují s aminoskupinou, vznikají odpovídající N-acylové nebo N-alkylové deriváty aminokyselin; pokud mastné aminy nebo mastné alkoholy kondenzují s karboxylovými skupinami, získají se N-alkyl nebo O-alkylesterové aminokyselinové deriváty. Různé reakční metody poskytují různé druhy produktů; proto aminokyselinové povrchově aktivní látky vykazují rozmanitost v chemické struktuře a fyzikálně-chemických a biologických vlastnostech. Chemické metody, metody enzymatické syntézy nebo metody chemo-enzymatické syntézy se všechny používají k syntéze aminokyselinových surfaktantů. Vzhledem k relativně jednoduchému technologickému toku a vybavení chemických metod a snadno dostupným surovinám se chemické metody staly stále aktivnějšími v 70. letech 20. století poté, co je Bondi v roce 1909 použil k syntéze kyseliny N-acylglutamové, a jsou hlavní metodou používanou doma i v zahraničí.
1.1 N-Acylaminokyselinové povrchově aktivní látky
N-acylaminokyselinové povrchově aktivní látky zůstávají nejdůležitějšími aminokyselinovými povrchově aktivními látkami.
Syntetické metody N-acylaminokyselinových povrchově aktivních látek:
(1) Přímá metoda:Přímá syntéza surovin mastných kyselin zahrnuje enzymaticky-katalyzovanou syntézu a dehydratační kondenzaci. Enzymem-katalyzovaná syntéza je omezena nízkou konverzní rychlostí, dlouhou reakční dobou a drahými enzymovými přípravky; zatímco dehydratační kondenzace je omezena drsnými reakčními podmínkami, vysokými požadavky na vybavení a vysokou spotřebou energie a vyžaduje zlepšení.
(2) Metoda nepřímé syntézy:To zahrnuje hydrolýzu mastných nitrilů, acylaci anhydridů mastných kyselin a karbonylaci amidů.
① Metoda acylace mastných acylchloridů: Shorton-Baumannova kondenzační metoda, při které acylchloridy mastných kyselin nahrazují mastné kyseliny v alkalických roztocích, je nejrozšířenější metodou syntézy v laboratořích nebo průmyslu. Má výhody, jako jsou relativně nízké požadavky na vybavení, levné a snadno dostupné suroviny, mírné reakční podmínky a snadná manipulace s vedlejšími produkty. Probíhá další výzkum, jak snížit hydrolýzu acylchloridu a zjednodušit následné-zpracování produktu. Tato metoda je převážně dokončena prostřednictvím čtyř kroků, jak je uvedeno níže: acylace, kondenzace, okyselení a tvorba soli:
Acylace: R1COOH + PCl3 -> R1COCl
Kondenzace: HOOCCHR2NH2 + R1COCl → NaOOCCHR2NHCOR1
Acidifikace: NaOOCCHR2NHCOR1 + HCl → HOOCCHR2NHCOR1
Tvorba soli: HOOCCHR2NHCOR1 + NaOH →NaOOCCHR2NHCOR1
② Acylace mastných nitrilů: Proces acylace mastných nitrilů byl navržen v roce 1955. Výtěžek reakce a selektivita jsou vyšší než 95 %, ale kvůli vysokým požadavkům na vybavení a vzniku vysoce toxických látek HCN a NaCN během reakce nebyl průmyslově zpracován. Reakční rovnice je následující: CH3NH2+CH2O+HCN→CH3NHCH2CN+RCOCl→RCON(CH3)CH2COOH
③ Acylace anhydridů mastných kyselin: Proces acylace anhydridů mastných kyselin a solí aminokyselin navrhli Thompsons et al. v 60. letech 20. století. Anhydrid reaguje se solí aminokyseliny ve vodě nad bodem tání (nepřesahujícím 100 stupňů). Není vyžadován žádný katalyzátor ani řízení objemu vody, ale velká spotřeba anhydridů mastných kyselin vede k vysokým nákladům a potížím se separací, a proto se nepoužívají pro průmyslovou výrobu ve velkém-.
④ Proces karbonylační reakce amidu, navržený Bellerem a kol., nabízí výhody, jako jsou nízké náklady na suroviny, žádné použití acylchloridů, žádné vedlejší produkty (čímž se zamezí znečištění životního prostředí), ekonomika s vysokými atomy a výtěžky přesahující 90 %. Tato reakce však vyžaduje vysoký-tlak CO, náročné na sofistikované vybavení a katalyzátor, karbonylový komplex kobaltu [Co2(CO)8], má nízkou aktivitu, což ztěžuje industrializaci.
1,2 N-alkylaminokyselinové povrchově aktivní látky
Ty jsou primárně syntetizovány konstrukcí aminokyselinových struktur z alifatických aminů a akrylových sloučenin za použití surovin, jako je methylakrylát, akrylonitril, kyselina akrylová nebo -propiolakton.
① Například laurylamin (C12H25NH2) se nejprve roztaví při 60-70 stupních a poté se za míchání pomalu po kapkách přidá 1,0-2,0 mol methylakrylátu. Reakční rovnice je následující: CH2=CHCOOCH3 + C12H25NH2 → C12H25NH(CH2CH2COOCH3)n
② Metoda akrylonitrilu je ekonomičtější než metoda methylakrylátu, ale požadavky na reakci jsou vyšší, takže výzkum je omezený. Bylo hlášeno, že kvalita produktu této metody je špatná a nestabilní.
③ Kyselina akrylová a alifatické aminy jsou přímo smíchány a zahřívány na 110-120 stupňů za podmínek bez rozpouštědla-, aby se syntetizovala kyselina N-alkyl- -aminopropionová. Tato metoda je jednoduchá a rychlá, ale viskozita systému je vysoká a může docházet k polymeračním reakcím nebo tvorbě iminových sloučenin, což ztěžuje separaci.
④ Reakce -propiolaktonu s alifatickými aminy poskytuje směs dvou produktů: N-alkylaminokyselinu a N-acylaminokyselinovou povrchově aktivní látku.
1.3 Estery aminokyselin
Povrchově aktivní látky na bázi esterů aminokyselin se připravují katalytickou esterifikací mastných alkoholů aminokyselinami [4]. Na rozdíl od N-acylových a N-alkylaminokyselinových povrchově aktivních látek tvoří estery aminokyselin esterové vazby při syntézní reakci, čímž účinně chrání karboxylovou skupinu. Mají tedy dvě speciální funkce:
① V reakcích peptidové vazby mohou zabránit vedlejším reakcím způsobeným aktivací karboxylových skupin, které nemusí reagovat, když je karboxylová skupina aktivována určitými metodami;
② Mohou zabránit tomu, aby aminoskupina amino složky vytvořila vnitřní sůl s karboxylovou skupinou a úplně ji uvolnila, čímž usnadní reakci s karboxylovou skupinou za vzniku peptidové vazby. V roce 1906 Fischer poprvé studoval metodu esterifikace aminokyselin. Většina výzkumů se zaměřuje na katalyzátory pro reakci. Katalyzátory se vyvinuly z počátečních anorganických kyselinových katalyzátorů na katalýzu Lewisovou kyselinou, poté na katalýzu fázového přenosu, katalýzu pevnou kyselinou, katalýzu na molekulárním sítu, katalýzu iontoměničové pryskyřice atd., zatímco esterifikační činidla se vyvinula z výchozích alkoholů na halogenované uhlovodíky, alkeny atd. Průběžná aktualizace katalyzátorů a selekce esterifikační rychlosti výrazně zlepšila esterifikační rychlost reakce rozsáhlejší a podmínky dokonalejší. Vzhledem ke specifickým vlastnostem aminokyselinových skupin a rozpustnosti v organických rozpouštědlech však separace a čištění produktů vyžaduje přísnější reakční podmínky, což omezuje použití běžných esterifikačních reakcí.
Esterifikace aminokyselin obecně probíhá dvěma způsoby:
① přímá esterifikace volných aminokyselin;
② esterifikace po chránění aminoskupiny, následovaná odstraněním chrániči skupiny. První z nich je jednodušší, ale má nižší výtěžek a je nevhodný pro aminokyseliny citlivé na kyseliny a teplo; druhý je složitější, ale má vyšší výtěžek a je vhodný pro všechny aminokyseliny díky mírnějším podmínkám. Katalyzátory zahrnují plynné katalyzátory, jako je chlorovodík, kapalné katalyzátory, jako je thionylchlorid a kyselina chlorsulfonová, iontové kapalné katalyzátory a pevné katalyzátory, jako je kyselina p-toluensulfonová, trifosgen, pryskyřice a zeolity. Kromě toho existuje enzymová katalýza a mikrovlnná-katalýza.
2. Povrchově aktivní látky Gemini-typu aminokyselin
Syntetické metody: nejprve syntetizovat jednotlivé řetězce a poté je spojovat do gemini; nejprve se syntetizují dva hydrofobní řetězce a poté se přidá hydrofilní skupina; nejprve se syntetizují dvě hydrofilní skupiny a poté se přidá hydrofobní řetězec.
2.1 Metoda jednořetězcové vazby: Nejprve syntetizujte jednořetězcové aminokyselinové povrchově aktivní látky, poté je spojte pomocí linkeru za vzniku gemini povrchově aktivní látky -typu aminokyselin.
2.2 Metoda funkcionalizace dvou-řetězců: Nejprve propojte dva hydrofobní řetězce pomocí linkeru a poté syntetizujte gemini surfaktant -typu aminokyselin pomocí karboxylace. Jako linkery se často používají diaminy.
2.3 Metoda tvorby bihydrofilního dvojitého-řetězce: Spojte dvě hydrofilní aminokyselinové hlavní skupiny pomocí linkeru, poté zaveďte dvě hydrofobní skupiny, abyste syntetizovali gemini povrchově aktivní látku -typu aminokyselin. Jako linkery se také běžně používají diaminy.