酸催化单糖烷基糖苷化及低聚反应制备烷基多糖苷表面活性剂

2022-06-04
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烷基糖苷，简称APG，是由可再生资源天然脂肪醇和葡萄糖合成的，是一种性能较全面的新型非离子表面活性剂。兼具普通非离子和阴离子表面活性剂的特性，具有高表面活性、良好的生态安全性和相溶性，是国际公认的首选“绿色”功能性表面活性剂。
其具有泡沫丰富细腻、稳泡性能好、较强的配伍性、协同效应明显、较强的广谱抗菌活性、耐强碱以及抗盐性强等诸多优点。因此，烷基糖苷的应用领域非常广泛，如洗涤剂、化妆品、生化、食品添加剂、农药增效剂等领域。
【结构】

式中：R为C8-C10的烷基，n为平均聚合度。
当R<c8时,烷基糖苷的性能不佳，< span=""></c8时,烷基糖苷的性能不佳，<>
而R为= C8-C16时,其性能优良。
【性能】
物理性状以及溶解性能 APG产品多制成50%～70%的水溶液，纯APG为白色粉末,实际产品为奶油色，淡黄色至琥珀色。它的物理性质与合成时所用烷基碳链、糖的种类以及聚合度等密切相关,其熔点随产品分子中碳链的增长而升高，甚至有的高烷基糖苷还没融化时就开始分解了，说明烷基糖苷受热易分解和变色。APG是吸潮固体，一般溶解于水,较易溶于常用有机溶剂，在酸、碱性溶液中呈现出优良的相容性、稳定性和表面活性，尤其在无机成分较高的活性溶剂中。

生物降解性能够被微生物降解是防止表面活性剂在环境中累积达到危险浓度的重要消除机制。烷基糖苷是以淀粉及其水解产物与脂肪醇为原料合成的。烷基糖苷在自然界中能够完全被生物降解，不会形成难于生物降解的代谢物，从而避免了对环境造成新的污染。
去污能力表面活性剂的去污能力是随着离子类型、洗涤条件、污垢类型的变化而变化的。涤/棉上的皮脂污垢对非离子洗涤剂敏感，APG与脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠盐(AES)的去污效果相当，而且优于直链烷基苯磺酸钠(LAS)、AS和SAS。
表面活性脂肪醇烷基碳链提供非极性的亲油基团，因此通常烷基碳链长度大于8个碳的烷基糖苷才具有表面活性和临界胶束浓度(CMC)，而且随着烷基碳链的增长，其表面张力明显降低，CMC值也随之降低,说明其活性显著提高。据文献报道，APG与脂肪醇聚氧乙烯醚(AEO)、LAS进行实验比较，得出十二脂肪醇烷基糖苷具有很好的表面活性。
【合成方法】
烷基糖苷主要通过酸催化的费歇尔糖苷化反应(Fisher Glycosylation)进行制备。
Fischer法此反应是以醇为溶剂，制成糖在醇中的溶液或悬浮液，在酸催化的条件下进行反应，产物是多种异构体的混合物，包括环元数不同、端基异构产物以及少量链型糖。而以己糖为原料时，反应时间较短时主要生成呋喃糖，反应时间较长时则主要产生吡喃糖。长时间反应也会使产物转变为热力学上更为稳定的α-端基异构体。

首先，单糖（如葡萄糖，不含保护基团）与长链脂肪醇（C5-C18）在酸的催化下脱水生成烷基单糖苷，然后烷基单糖苷再与剩余的单糖原位聚合生成烷基多糖苷APGs。由于脱水反应生成了水， APGs的糖苷键水解反应与其聚合生成反应处于动态平衡中，因此APGs每条烷基链上平均能有1.5-2.1个糖单元，如何提高APGs烷基链上糖单元的聚合物（DPn）是一个研究难点。另外，反应结束后通常需要蒸馏以除去多余的脂肪醇，蒸馏时温度升高也会导致APGs部分糖苷键水解。酶法催化通常能合成更大DPn的APGs，但酶价格昂贵、反应慢也限制了其大规模生产。

最近，法国普瓦捷大学的Cramail和Jerome等人提出采用炔丙醇（propargyl alcohol, PGA）作为糖基受体和连接键，通过两步反应合成具有较高糖单元DPn 的APGs。首先，PGA与单糖（甘露糖/葡萄糖）在Amberlyst-15（商用酸性固体酸）催化下脱水形成的单糖苷，然后再与单糖聚合生成末端含有炔丙基的低聚寡糖(DPn高达8)(Scheme 1)，后续再通过与炔丙基的加成反应将长链脂肪醇引入寡糖中制备APGs 。与传统的脂肪醇相比，单糖在PGA中的溶解度更大，更有利于聚合生成DPn较大的寡糖链；另外PGA沸点较低，可经低温蒸馏除去，避免了APGs的水解。

01

酸催化甘露糖(Man)与炔丙醇(PGA)脱水生成烷基单糖苷(PMan)

首先研究了反应时间、反应温度、炔丙醇（PGA）与甘露糖的摩尔比对二者脱水（糖苷化反应）的影响（图2-4）。结果表明，当PGA/Man摩尔比为5，在80 °C，反应7 h后Man的转化率达90%，PMan的收率达70%。当反应温度从100°C降至80 °C时，反应速率明显下降；温度降至60 °C时，PGA与Man不混溶，综合考虑后反应温度定为80 °C。降低PGA/Man摩尔比（5 到3）会减小反应速率（主要是由于反应体系粘度增大），但PMan的得率不会受到较大影响。
02

糖单元聚合生成炔丙基甘露寡糖链

为了增大寡糖链的DPn，反应设置在100 °C真空下以除去多余的PGA和原位产生的水。凝胶排阻色谱（SEC）表征（图5）表明，反应4 h后产物的DPn增大，单糖剩余率仅5-8%，产物总分子质量为1353 g/mol，即聚合物DPn=8，多分散指数约为2。聚合产物的1H-NMR表征（图6）证实，甘露糖链的末端有炔基氢（2.95 ppm）及其邻位亚甲基氢（4.32-4.41 ppm）的化学位移，也有甘露糖异头碳上的氢原子（5.01-5.08 ppm）。二维NMR NOESY, COSY等表征表明，甘露寡糖的糖苷键主要是α-1,6（60%），同时存在α-1,2（24%）及少量的β-1,6和β-1,2。MALDI-TOF质谱表征（图7）表明有一系列m/z=162 Da碎片峰，为无水甘露糖重复单元，经计算DPn达12。

03

反应机理

作者推测了酸催化脱水烷基化及聚合反应的反应机理（Scheme 2）。首先Amberlyst-15催化甘露糖质子化形成氧鎓离子（脱去一分子水），随后PGA进攻异头碳生成PMan。然后，另一分子的甘露糖氧鎓离子与PMan发生糖苷反应生成含有两分子甘露糖的糖链(PMan)2，多次糖苷反应后生成低聚甘露糖苷链(PMan)n。另外，甘露糖也会发生分子内脱水形成副产物LVM。Amberlyst-15催化剂也可改用硫酸或Aquivion PFSA，但需注意控制催化剂的载量以避免单糖脱水副反应。

最后，作者发现该反应路径同样适用于葡萄糖，生成的乙炔葡萄寡糖链的DPn为3，多分散性指数为2.1，而且葡萄糖可由可再生的木质纤维素水解而得。另外，作者将油酸通过加成反应引入到合成的低聚甘露寡糖链中（Scheme 3），证实了该合成方法适用于合成烷基多糖苷APGs。