N-十四酰基天冬氨酸及其钠盐的合成及性能

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-十四酰基天冬氨酸及其钠盐的合成及性能

石莹莹

（三门峡职业技术学院食品园林学院，河南 三门峡 472000）

摘 要：以十四酸和氯化亚砜为原料合成十四酰氯中间体，在碱性条件下与天冬氨酸反应合成N-十四酰基天冬氨酸钠。通过单因素考察确定了酰基化反应的最佳工艺:5℃，pH为10～11，n（天冬氨酸）∶n（十四酰氯）=1.1∶1.0，时间3.5h，收率为83.49%。研究了提纯方法，得到纯度为97.06%的产品。性能研究表明，产品具有优异的表面活性、渗透性和钙皂分散性。

关键词：N-十四酰基天冬氨酸钠；十四酰氯；天冬氨酸；合成；表面性能

氨基酸表面活性剂由于其环境友好性和良好的生物降解性，近年来越来越受到人们的重视，成为众多研究者的兴趣所在。它们的原料是天然的氨基酸，无毒，生物降解性好［1-3］，因此，在食品、制药和化妆品工业中有很大的应用前景。随着人们对其的关注，氨基酸表面活性剂的品种越来越多，其中有部分产品已经实现了工业化，目前较有影响的产品有美国的 Hamposyl、德国的 Medialan、日本的Amisoft 等。氨基酸表面活性剂中研究最多的是N-酰基氨基酸表面活性剂，合成所采用的氨基酸主要有肌氨酸、谷氨酸、精氨酸、亮氨酸、丙氨酸、丝氨酸、缬氨酸、天冬氨酸、甘氨酸［4-8］，其中肌氨酸最多，目前国内外的报道都很多。以天冬氨酸为原料合成N-脂肪酰基天冬氨酸表面活性剂的报道较少，目前只有N-十酰基天冬氨酸钠［9］。研究表明，N-十酰基天冬氨酸钠具有优良的表面活性及在硬水中优异的钙皂分散性。本文在前期研究的基础上合成了N-十四酰基天冬氨酸钠，并对其合成工艺和性能进行了研究，以期为系列N-酰基天冬氨酸钠表面活性剂的研究和开发提供参考。

1 实验

1.1 合成路线

先合成十四酰氯和天冬氨酸钠，然后再将十四酰氯与天冬氨酸钠反应得到目标产物N-十四酰基天冬氨酸钠。

前两步反应为中间体的制备，最后一步为最终产物的制备。该反应属于SN2取代反应，在发生酰胺化反应的同时，十四酰氯很容易水解，十四酰氯与天冬氨酸钠也容易发生成酐反应，这是此反应的副反应。

由于氨基中氮的亲核性比羟基和羧基中氧的亲核性强，因此主反应是能够进行的，但副反应的存在会降低目的产物的收率和纯度，因此，要严格控制工艺条件，确保主反应的顺利进行。

1.2 试剂与仪器

氯化亚砜（99.0%），棕榈酸（＞98.0%），天冬氨酸（＞99.0%），石油醚（30～60℃，分析纯），丙酮（99.5%）。

PHS-3C型数显酸度计，JK99B型全自动张力仪，Waters-600e高效液相色谱仪，2151型罗氏泡沫仪。

1.3 实验步骤

1.3.1 十四酰氯的制备

称取一定量的棕榈酸于三颈烧瓶中，加热使其

1.3.2 N-十四酰基天冬氨酸及其钠盐的制备

在三颈烧瓶中加入一定量天冬氨酸，用2mol·L-1氢氧化钠溶液使其溶解，调节体系至一定pH值，加入一定量丙酮，置于冰浴中，待体系降至反应温度后，逐滴加入预先溶有适量丙酮的十四酰氯中，同时滴加2mol·L-1氢氧化钠溶液，维持体系pH值为定值，反应数小时后结束。经纯化得产品N-十四酰基天冬氨酸，用0.5mol·L-1氢氧化钠/乙醇溶液中和至pH=7，冷却析出物烘干即为N-十四酰基天冬氨酸的钠盐产品。

1.3.3 分析方法

1）银量法测定脂肪酰氯的收率。从反应方程式可以看出，只有目的产物是液体，副产物都是气体，产品可用减压蒸馏法提纯。因为脂肪酰氯易水解，可用一定量氢氧化钠溶液与脂肪酰氯反应，使溶液呈中性，再用银量法滴定氯离子含量。

2）高效液相色谱法测定目标产物的收率。色谱条件:色谱柱Waters C18；色谱柱温度30℃；检测器:蒸发光散射（ELSD）；检测器温度115℃；流动相:甲醇/水（梯度洗脱）；流速:0.8mL·min-1。

由高效液相色谱可测得粗产品的表面活性剂含量X，然后通过下式可计算出产品的收率，计算公式如下式所示:

S=mX/W

式中:m为产品实际质量，W为产品理论质量，X为高效液相色谱测得的产品纯度。

1.3.4 性能测定方法

表面张力测定采用参照Wilhelmy法；钙皂分散力测定采用参照分数指数法。泡沫性能的测定采用倾注法；渗透力的测定采用帆布沉降法；乳化性的测定采用静置实验。

2 结果与讨论

2.1 十四酰氯的合成工艺条件

由于脂肪酰氯合成工艺的研究已很成熟，经查阅文献［10-11］，脂肪酰氯的合成工艺为:n（脂肪酸）∶n（氯化亚砜）=1.0∶1.3，氯化亚砜采用滴加的方式， 反应温度65～70℃，反应时间5h。反应结束后，用银量法测定其收率均在95%以上，完全可以用于下一步酰基化反应。

2.2 N-十四酰基天冬氨酸钠合成的影响因素研究

根据合成原理，影响产物收率的因素有反应介质、加料方式、反应温度、反应体系pH值、原料配比及反应时间。

2.2.1 反应介质的选择

由于十四酰氯易水解，应避免与水接触，而天冬氨酸难溶于有机溶剂却易溶于水，因此选择水与有机溶剂组成的混合溶剂作介质，并考虑将部分有机溶剂先用于溶解酰氯，以进一步抑制酰氯水解。要求所选溶剂沸点高于反应温度，易与产物分离，且在碱性条件下稳定，据此确定水-丙酮［V（水）∶V（丙酮）=1∶1］ 混合溶剂为反应介质。

4.药材规范化种植面积和认证情况。种植面积甘肃最大，达100万亩，其他省（区）几十万亩不等，GAP认证基地陕西最多，为7个。

2.2.2 加料方式的选择

采用十四酰氯与氢氧化钠溶液同时滴加的方式，可使反应液中OH-的瞬间浓度不致过高，天冬氨酸的浓度与滴加的酰氯相比，处在大大过量的情况下，可以最大限度地抑制酰氯水解反应，以提高收率，故本实验采用滴加的方式。

2.2.3 反应温度的影响

从反应活化能、溶剂沸点、体系黏度三个方面综合考虑，将反应温度选取在5～15℃。在n（天冬氨酸）∶n（十四酰氯） =1.1∶1.0、t=3.5h、pH=10～11条件下，考察不同温度对反应的影响，其结果如表1所示。

表1 反应温度对反应收率的影响

由表1可见，5℃时，反应收率最高，但考虑到5℃以下实验室现有条件很难达到，因此不再做延伸实验，选择最佳反应温度为5℃。

2.2.4 反应体系pH的影响

缩合反应需在碱性条件下进行，碱性太弱，不利于反应进行，但碱性太强又会加速酰氯水解，使产品不纯，因此必须严格控制反应体系的pH。还有一个原因就是当氨基酸的羧基变成钠盐后，羧基的化学反应性能即被掩蔽或者说羧基被保护，而氨基的化学反应性能得到加强或说氨基活化，容易和酰基结合。因此体系的pH选取在8～12。在n（天冬氨酸）∶n（十四酰氯） =1.1∶1.0、反应时间3.5h、反应温度5℃的条件下，考察不同反应体系pH对反应的影响，其结果如表2所示。由表2可知，体系在pH为10～11时收率最高。故选择pH为10～11。

表2 反应体系pH对反应收率的影响

2.2.5 原料配比的影响

采用天冬氨酸稍过量，一方面可以抑制酰氯的水解，另一方面又有利于提纯。选取n（天冬氨酸）∶n（十四酰氯）=1.0～1.2∶1.0。在反应体系pH=10～11、反应时间3.5h、反应温度5℃条件下，考察不同原料配比对反应的影响，结果如表3所示。

表3 原料配比对反应收率的影响

2.2.6 反应时间的影响

反应时间过短，则反应不完全，过长也无益于反应，因此适当的反应时间对反应收率也很重要。根据同类反应的情况，将反应时间选在2.5～5h。在反应体系pH=10～11、n（天冬氨酸）∶n（十四酰氯）=1.1∶1.0、温度5℃条件下，考察不同反应时间对反应的影响，其结果如表4所示。由表4可知，反应时间3.5h反应收率达到最佳。

表4 反应时间对反应收率的影响

由以上研究得到合成N-十四酰基天冬氨酸的较佳工艺条件为:反应温度5℃，pH为10～11，n（天冬氨酸）∶n（十四酰氯）=1.1∶1.0，反应时间3.5h，收率为83.49%。

2.3 产物的提纯处理

反应之后，体系为浅黄色透明均一溶液，减压蒸馏回收有机溶剂丙酮，然后用1.2mol·L-1盐酸调节体系pH值为5～6［6］，可看到有白色物质析出，用石油醚萃取，可看到上层变浑浊，而下层为澄清浅黄色透明溶液。取出下层萃取液，继续调酸至pH值为1～2，可观察到在调酸过程中，刚开始滴加时溶液不变浑浊，说明棕榈酸已大部分在pH值为5～6之前析出，而产物在这个pH值下并不会析出，随着pH值的降低，又有白色物质析出，应为N-十四酰基天冬氨酸，过滤真空干燥可得N-十四酰基天冬氨酸。用0.5mol·L-1氢氧化钠/乙醇溶液中和至pH=7，冷却析出物烘干，即为N-十四酰基天冬氨酸钠盐产品。用高效液相色谱仪测得产品的纯度为97.06%。

图1为提纯后最终产品的HPLC图，图2为原料天冬氨酸的液相色谱图，图3为副产物棕榈酸的液相色谱图。

图1 N-十四酰基天冬氨酸的HPLC图

图2 天冬氨酸的HPLC图

图3 副产物棕榈酸的HPLC图

2.4 表面性能的对比分析

对N-十四酰基天冬氨酸钠盐的几项表面性能进行了测定，并与其他表面活性剂进行了对比，结果见表5。

表5 几种表面活性剂的表面性能对比

注：OAB为油酰胺基丙基甜菜碱，cmc和γcmc均在25℃条件下测定，泡沫高度为20℃、250×10-6硬水中0min测定，渗透时间为0.1%水溶液在20℃测定，乳化时间为20℃测定0.10%水溶液对液体石蜡的乳化时间

由表5可知，N-十四酰基天冬氨酸钠的cmc和γcmc均低于LAS、OAB和N-十烷基天冬氨酸钠，因此其具有优异的表面活性；在硬水中的发泡性也优于其他3种表面活性剂，渗透性在4种表面活性剂中也最佳，对液体石蜡的乳化性不如其它3种表面活性剂，可能是由于其HLB值与油相不匹配。

表6 40℃不同硬水中不同表面活性剂溶液的钙皂分散指数

钙皂分散的混合胶束机理认为［12］，一个有效的钙皂分散剂分子结构中必须包含一个大的极性亲水头基，这种“大”除了强度大外，也指体积庞大，这样才能将肥皂分子有效隔开，使之不易形成钙皂。N-十酰基天冬氨酸钠和N-十四酰基天冬氨酸钠都具有类似结构，而LAS及OAB并不具有类似结构。由表6可知，N-脂肪酰基天冬氨钠具有优良的钙皂分散性，N-十四酰基天冬氨酸钠更为突出，尤其是在高硬度水中，其钙皂分散性能更为突出，说明其在硬水中具有良好的应用前景。

3 结论

1）通过对N-十四酰基天冬氨酸钠合成工艺的研究，得到了以十四酰氯和天冬氨酸为原料的优化的合成工艺路线。

2）通过单因素考察法，得到了合成N-十四酰基天冬氨酸钠的较佳工艺条件为:以水-丙酮［V（水）∶V（丙酮）=1∶1］混合溶剂为反应介质，采用十四酰氯与氢氧化钠溶液同时滴加的方式，反应温度5℃，pH为10～11，n（天冬氨酸）∶n（十四酰氯）=1.1∶1.0，反应时间3.5h，收率为83.49%。

3）表面性能测试表明，产品具有优异的表面活性和渗透性，尤其以在硬水中的钙皂分散性为最佳，因此在高硬度水质中有着广阔的开发应用价值。

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中图分类号：TQ 423.3+1

文献标识码：A

文章编号：1671-9905（2016）02-0006-04

作者简介：石莹莹（1984-），女，硕士，讲师，主要从事精细化学品的合成及应用研究。E-mail:syy.a@163.com

收稿日期：2015-12-22熔化，将氯化亚砜用滴液漏斗缓慢地滴加到三颈烧瓶中，体系温度控制在65～70℃之间，滴加完毕后保持搅拌数小时。反应结束后，对体系进行减压蒸馏，得到十四酰氯。

Preparation and Properties of N-lauroylaspartic Acid and its Sodium Salt

SHI Ying-ying
（Department of Food and Landscape Architecture， Sanmenxia Polytechnic， Sanmenxia 472000， China）

Abstract:N-tetradecanoyl aspartic acid and its sodium salt was synthesized from tetradecanoic acid， thionyl chloride and aspartic acid. The process conditions were optimized by single factor investigation method. The optimal conditions were: T=5℃， pH=10～11，n（Aspartic acid）:n（tetradecanoyl chloride）=1.1:1， t=3.5h， the yield reached 83.49%. The purity of the product was 97.06%. The performance studies showed that it had excellent surface activity， permeability and calcium soap dispersion property.

Key words:lauric acid； N- lauroyl aspartic acid； synthesis； properties