N-十二烷基天冬氨酸的合成及提纯工艺研究

石莹莹

（三门峡职业技术学院食品园林学院，河南三门峡472000）

N-十二烷基天冬氨酸的合成及提纯工艺研究

石莹莹

（三门峡职业技术学院食品园林学院，河南三门峡472000）

以马来酸酐（MA）、十二胺（RNH2）、氢氧化钠为原料合成出一种N-烷基氨基酸表面活性剂N-十二烷基天冬氨酸，利用液相色谱仪对产品进行定性、定量分析，分别考察了反应溶剂、十二胺与MA的配比、MA与氢氧化钠的配比、体系含水量、投料方式、反应温度、反应时间等因素对其酸式产品N-十二烷基天冬氨酸收率的影响。结果表明，N-十二烷基天冬氨酸的较佳反应条件为：n(RNH2):n(MA):n(NaOH)=1.0:1.0:1.5，乙醇-水为溶剂，120℃下高压反应釜中反应5 h，收率达到75%；通过产物等电点的测试得到了可行的提纯方法，最终产物的质量分数为98.11%。

十二胺；N-十二烷基天冬氨酸；合成；纯化；结构表征

氨基酸类表面活性剂具有良好的润湿性、起泡性、耐硬水性、抗菌抗蚀性和抗静电等能力，是一类相当温和、刺激性较小、低毒性、水溶性良好、易生物降解的表面活性剂，近年来越来越受到人们的重视[1-2]。从最初的医药和化妆品中的防腐剂到现在的个人护理产品，化妆品、食品、饮料、矿物浮选、农药、印染等等，随着研究的深入，它们的种类和应用范围都越来越广[3-8]。目前研究较多的是N-酰基氨基酸，如N-酰基谷氨酸、N-酰基肌氨酸、N-酰基-L-赖氨酸等[9-13]。而N-烷基氨基酸系列表面活性剂的研究相对较少，其主要品种就是以N-十二烷基丙氨酸为代表的单羧基表面活性剂，多羧基的N-烷基氨基酸表面活性剂，如N-烷基天冬氨酸的研究鲜见报道[14]。

N-十二烷基天冬氨酸是一种新型N-烷基氨基酸表面活性剂，研究表明，其具有优异的耐硬水性[15]。而关于其合成工艺的研究报道很少，本研究在前期基础上对其合成工艺条件和提纯方法进行了探讨，以期为其工业开发和应用提供参考。

1 实验部分

1.1 合成路线

以十二胺（RNH2）和马来酸酐（MA）为主要原料，合成了N-十二烷基天冬氨酸及其钠盐，其反应方程式为：

1.2 试剂及仪器

MA，氢氧化钠，盐酸，95%乙醇，分析纯；十二伯胺，工业级。

GS-0.5型高压反应釜，98型磁力搅拌器，SHB-Ⅲ循环水真空泵，800型电动离心沉淀器；FA2004A电子分析天平，PHS-3C型数显酸度计，DDS-307电导率仪，Waters-600e高效液相色谱（HPLC）。

1.3 分析方法

采用液相色谱对产品纯度进行测定。采用甲醇、水做流动相，使用梯度洗脱的方法来调节其极性，使色谱峰得到分离。所采用的液相色谱条件为：Waters C18色谱柱，色谱柱温度30℃；蒸发光散射（ELSD）检测器；检测器温度115℃；载气体积流量0.8 mL/min。

1.4 实验步骤

马来酸钠盐的制备。称取一定量MA和氢氧化钠，分别溶于适量水中；然后在水浴控制下，缓慢地将氢氧化钠水溶液倒入马来酸溶液中，在此过程中不断搅拌，控制混合体系温度不超过70℃。

N-十二烷基天冬氨酸及其钠盐的制备。称取一定量固体十二胺，加热至熔化，将其溶解在约150mL体积分数95%乙醇中。将之与马来酸钠溶液混合后转移至带有搅拌的0.5 L高压反应釜中进行反应，升温至120℃，反应数小时结束。取出反应物，冷却至室温为白色浆状物。将白色浆状物加热，蒸去乙醇，加水稀释，用NaOH溶液调至碱性，使十二胺游离出来，再用石油醚萃取、离心分离除去十二胺，然后用盐酸调至酸性后静置，有晶体析出，抽滤后即为酸式粗产品，经过多次提纯可得到较纯酸式产品，N-十二烷基天冬氨酸。酸式产品烘干后，用氢氧化钠-乙醇溶液中和至中性，析出物即为盐式产品N-十二烷基天冬氨酸钠。

2 结果与讨论

2.1 反应影响因素

2.1.1 反应溶剂的选择

在合成反应过程中，分别尝试以无溶剂直接合成、乙醇-水为溶剂合成和二氧六环-水为溶剂合成，所得结果如表1所示。

表1 溶剂对反应体系的影响Tab1 The influence of solvent on the reaction system

2.1.2 十二胺与MA的配比

在以乙醇-水为溶剂、n(MA):n(NaOH)=1.0:1.5、温度120℃、反应时间7 h的条件下，考察不同n(RNH2):n(MA)条件下反应对产物收率的影响，结果如表2所示。

表2 十二胺与MA配比对反应的影响Tab2 The influence of dodecylamine(DDA) and MA ratio on the reaction

由表2可以看出，当n(RNH2):n(MA)=1.0:1.0时，产物的收率达到最高，为75%。

2.1.3 MA与氢氧化钠配比

在以乙醇-水为溶剂、n(RNH2):n(MA)=1:1、温度120℃、反应时间7 h的条件下，考察不同n(MA): n(NaOH)条件下反应对产物收率的影响，结果如表3所示。

由表3可以看出，对本反应，较佳的反应配比是n(MA):n(NaOH)=1.0:1.5。有文献报道，在低碱量时进行类似反应生成了酰胺[16]；另有文献报道，只有保证反应体系的pH在8～10，反应才能进行[17]。结合本合成反应实际，在n(MA):n(NaOH)=1.0:1.5时，可以保证体系呈碱性。

2.1.4 体系含水量

在以乙醇-水为溶剂、n(RNH2):n(MA):n(NaOH)= 1.0:1.0:1.5、温度120℃、反应时间7 h的条件下，考察了体系含水量对产物收率的影响，结果如表4所示。

表3 MA与NaOH的配比对反应的影响Tab3 The influence of MA and NaOH ratio on the reaction

表4 体系含水量对反应的影响Tab4 The influence of water content in system on the reaction

由表4可以看出，体系的含水量对反应有一定的影响，较佳水的质量分数为35%。这可能是体系含水量过少反应原料不能完全溶解，体系不是均一相，对反应的传质传热造成影响；体系的含水量过大，反应物含量较小，对反应造成不利影响。

2.1.5 投料方式

在实验中采用3种加料方式，现象及结果：

1）将MA溶于水中，将NaOH溶于水中，将2者直接混合；然后加入乙醇和十二胺。2者混合后，立即放出大量的热，冒出大量的白烟，反应结束后会有块状物质生成。这些物质的溶解性不好，加入乙醇仍不能将其溶解。转移至高压反应釜中进行反应，反应结束后，测得收率为34.6%。

2）将NaOH加入装有温度计的三颈烧瓶中，加入一定量的水，在磁力搅拌下待温度升至50℃左右，将MA研成粉末缓慢加入，待温度升至90℃，加入十二胺及乙醇，然后转移至高压反应釜反应。MA加入后，温度急剧上升，随着温度的上升，体系逐渐变为黄色溶液。转移至高压反应釜中，反应结束后，测得收率为41.5%。

3）称取一定量的NaOH溶于一定量的H2O中，再称取一定量的MA溶于一定量的H2O，在水浴控制下，将NaOH溶液缓慢加入到MA和H2O体系中，控制体系温度不能超过70℃，然后加入十二胺和乙醇。MA在水中溶解度很小，在体系要求含水量下不能溶解。氢氧化钠溶液加入到MA-水的体系中，会放出大量的热，随着碱的加入，未溶于水的片状MA，逐渐溶解，体系变为细沙状；加入胺，体系分层，再加入乙醇，体系变为澄清液。转移到高压反应釜中反应，反应结束后，测得收率为74.6%。

综上所述，第3种加料方式明显优于前2种加料方式。原因可能是，马来酸与氢氧化钠的混合是酸碱中和反应，会放出大量的热。根据文献报道马来酸在高温下会变为反式的富马酸，这样使得加成反应很难进行[18]。

2.1.6 反应温度

在以乙醇-水为溶剂、n(RNH2):n(MA):n(NaOH)= 1.0:1.0:1.5、反应时间7 h、体系总固体质量分数在20%的条件下，考察不同温度对反应的影响，其结果如表5所示。

表5 反应温度对反应的影响Tab5 The influence of reaction temperature on the reaction

由表5可以看出，优化反应温度为120℃。温度较低时，不能达到反应所需的活化能，导致反应进行较慢和反应进行深度不够；温度较高时，导致体系中的溶剂较多的进入气相中，造成反应体系的不均一，导致反应进行不理想，而且过高的反应温度还会导致副反应的发生[19]。

2.1.7 反应时间

在以乙醇-水为溶剂、n(RNH2):n(MA):n(NaOH)= 1.0:1.0:1.5、温度120℃、体系总固体质量分数在20%的条件下，考察不同反应时间对反应的影响，其结果如表6所示。

表6 反应时间对反应的影响Tab6 The influence of reaction time on the reaction

由表6可知，随着反应时间的延长，收率随之逐渐增大，5 h之前反应较快，5 h后收率变化不大。造成这种现象的原因可能是浓度效应[20]。随着反应的进行，反应物的浓度逐渐减小，甚至不能进行，这就导致反应前几小时收率变化较大，后来不太明显。由此，可初步推测该反应的较佳反应时间为5 h。

2.2 产物等电点的测定及提纯

实验采用电导滴定法来测定产品的等电点[21]。电导滴定法根据滴定过程中被滴定溶液电导的突变来确定滴定终点。将N-十二烷基天冬氨酸钠配成质量分数0.1%的水溶液，用0.105 7 mol/L的HCl进行滴定，同时测定溶液的电导率和pH，得到电导率随pH的变化曲线图1。

图1 质量分数0.1%产品溶液电导率与pH的关系Fig1 The relationship of electrical conductivity and pH in the solution with 0.1%mass fraction product

由图1可以看出，N-十二烷基天冬氨酸的等电区为5～9，在pH低于5时，阳离子结构占绝对优势，pH高于9时，阴离子结构占绝对优势，而在pH=5～9时以两性离子形式存在。在本实验中，就是利用两性表面活性剂等电点的性质，通过调节体系的pH至它的等电点，使得产物以晶体析出，过滤即得较纯的产物。

图2是纯化后得到的产品的液相色谱（马来酸盐的保留时间为1～2 min，十二胺的保留时间为20～22 min）。经液相色谱分析，最后所得产品的质量分数为98.11%。

图2 提纯后产品的HPLCFig2 HPLC of product after purification

3 结论

通过单因素考察，得到了N-十二烷基天冬氨酸的较佳工艺条件为：n(MA):n(RNH2):n(NaOH)=1.0:1.0: 1.5，乙醇-水为溶剂，120℃下高压反应釜中反应5 h，反应收率为75%。通过产物等电点的性质，建立了N-十二烷基天冬氨酸的提纯方法，最后得到了纯度为98.11%的产品。通过对产品合成及提纯工艺的研究，结合其性能，期望对该产品的进一步开发研究及工业化应用奠定基础。

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A%10.3969/j.issn.1006-6829.2015.06.008

2015-10-23