杂多酸离子液体催化绿色氨基酸N酰基化反应
杂多酸离子液体催化绿色氨基酸N酰基化反应[20200411155001]
摘 要
“绿色化学”是近十年来产生和发展的一门热门化学，又称“环境无害化学” 或“清洁化学”。 它的内容非常广泛，涉及了有机合成、生物化学、分析等各门化学研究。我们的杂多酸离子液体催化剂就完全符合了绿色化学理念，本论文将对其展开详细的探讨研究。
N-酰基氨基酸型表面活性剂作为重要的有机化合物，在日常生活中扮演着日渐重要的角色，在食品、医疗、生物、农业等方面都有着广泛的运用。然而目前为止氨基酸N-酰基化的反应方法都存在一些问题，主要有：反应条件苛刻、成本高、产率低、产生有毒副产物、污染环境等问题，不利于工业上的运用。
本论文是验证我们所采用的催化剂—杂多酸离子液体催化剂在催化氨基酸N-酰基化反应中的优势之处,通过实验选取的最优化工艺路线：氨基酸和甲酸为原料，杂多酸离子液体为催化剂，比例是1:1.5:0.02，在70℃下反应1h。同时我们也选取了不同的氨基酸和氨基酸衍生物，以及不同的羧酸在杂多酸离子液体催化下，改变反应温度，反应时间等条件反应得到不同产量的产物，然后通过对比分析产率不同的影响因素。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:N-酰基氨基酸杂多酸离子液体绿色化学
目 录
1.引言 1
1.1 N-酰基化氨基酸类化合物1
1.1.1 N-酰基化氨基酸类化合物的简介.......1
1.1.2 N-酰基化氨基酸类化合物在医药中的应用1
1.1.3 N-酰基化氨基酸类化合物在其他方面的应用2
1.2氨基酸N-酰基化反应2
1.2.1 氨基酸N-酰基化反应方法—化学合成法2
1.2.2 氨基酸N-酰基化反应方法—酶合成法.5
1.3 绿色化学的简介.5
1.3.1 绿色化学的定义...... ...5
1.3.2 绿色化学的进展6
1.4本论文的目的和意义10
2.实验部分11
2.1主要实验仪器和原料11
2.1.1实验仪器11
2.1.2 主要原料及物理性质.11
2.2 杂多酸离子液体的制备 11
2.3 N-酰基氨基酸的合成..12
3.实验结果与讨论13
结语19
参考文献19
致谢21
1、引言
1.1 N-酰基化氨基酸类化合物
1.1.1 N-酰基化氨基酸类化合物的简介
N-酰基化氨基酸类化合物是一种很重要的阴离子表面活性剂，其不但具有良好的表面活性，而且具有良好的安全性和生物降解性[1]，因此受到世界许多国家的重视。N-酰基化氨基酸系列表面活性剂由氨基酸与脂肪酸合成，原料易得，合成方法相对容易。（结构式见图1）用氨基酸制备表面活性剂是利用氨基的反应活性导入疏水基团脂肪酸，使其结合为具有表面活性剂结构特征的物质。不同的氨基酸和不同的脂肪酸的合成产物必然具有不同的表面活性和性能，因此我们需要通过选用不同的氨基酸和脂肪酸合成酰基氨基酸化合物，然后对其性能进行测试对比。近年来，酰基氨基酸表面活性剂中的应用有了很大的发展，除了个人的清洁剂，食品添加剂，金属加工，石油开采等领域的应用，在农业，生物制品和药物制备等领域也有了不错的发展[2]。
图1 N-酰基氨基酸类化合物结构式
1.1.2 N-酰基化氨基酸类化合物在医药中的应用
在药物制造研究中，N-酰基氨基酸作为表面活性剂的应用成为近年来热点。Casido E.J.,Ali.Y通过研究发现，在眼药水或眼膏中加入少量的酰基氨基酸表面活性剂可以提高药水的安全性和稳定性，同时抗菌能力也增加，并且更加舒适；Satoguch J.在其专利（1995）中指出：在进行麻醉时，在绑带里加入桂酰肌氨基盐可以使麻醉剂的吸收速度加快，从而达到更好的麻醉效果；Sulimizn T.指出：取少量的N-酰基氨基酸或氨基盐于交感神经药物中，，可以有效地减少烧伤患者的皮肤发生药物过敏现象的几率。Chin Y.C.和Hwang H.T. [3]指出：N-酰基氨基酸可以让维生素E迅速地溶解在水中，从而使得人体对维生素E的吸收率得到提高，同时对皮肤的刺激性也有所减少。Hiroshi J.在他的专利[4]中指出：在那些以药物作为原料之一的口香糖里加入微量N-月桂酰肌氨酸钠（见图2）可以使得口香糖里的药物成分得到缓慢长久的释放作用。Health N.和Ellen M.[5]指出：在低PH值环境下，用N-酰基氨基酸做PH试剂来分离RNA，可以从动植物细胞和微生物中安全快速地分离出RNA。Showna T.[6]等提出，将N-酰基氨基酸用于提取DNA的工艺中，通过实验研究发现用N-酰基氨基酸可以从新鲜鱼血和冷冻过的鲸油中提取分离出DNA。此外，N-酰基氨基酸类化合物在免疫学的研究中也取得很大的突破运用[7]。
图2 N-月桂酰肌氨酸钠
1.1.3 N-酰基化氨基酸类化合物在其他方面的应用
N-酰基氨基酸类表面活性剂在食品行业用途很大，作为食品防腐剂，其可以防止食品和饮料储存时腐化或发酵（见图3）。在农业领域中，N-酰基氨基酸的运用也有了一定的发展。例如，通过加入N-酰基氨基酸阴离子表面活性剂来提高大豆根瘤菌的活性，从而有效地使其固氮能力得到增强;在制备杀虫剂时，可以通过加入酰基氨基酸表面活性剂的盐来降低农药的毒性和刺激性，同时提高农药有效成分的活性；在日常用品中，N-酰基氨基酸类表面活性剂发挥着关键性作用。例如，在家用洗涤剂中添加表面活性剂可以使洗涤剂表现出良好的清净性（见图4）；研究表明，用含有N-酰基氨基酸表面活性的液态二氧化碳代替传统的四氯乙烯溶剂，可以达到更好的洁净效果[8]，同时毒性更低，对环境更友好；此外，这类表面活性剂在口腔内具有乳酸杆菌的作用：抑制葡萄糖转为乳酸，因此可作为牙粉起泡剂用于牙膏配方中[9]。
图3 N-（十二酰基）赖氨酸 ，常用做食品防腐剂
图4 N-椰油酰基谷氨酸钠，常用于洗涤剂，沐浴乳，洗面奶等
1.2氨基酸N-酰基化反应
1.2.1 氨基酸N-酰基化反应方法—化学合成法
通过化学合成法合成氨基酸型表面活性剂，此方法最早源于S.Bondi合成的N-酰基谷氨酸。在此之后对其的研究工作开始活跃起来。由于其工艺流程和设备相比较而言简单，原料也易得，所以目前国内仍旧采用化学合成法合成氨基酸类表面活性剂。其方法达到较成熟的水平，部分产品已实现了工业化。本课题研究的N-酰基氨基酸即用的此法。根据不同的原料，化学合成法有几种比较常见的工艺路线，如脂肪腈水解酰化反应工艺、脂肪酰氯与氨基酸反应工艺、酰胺羧基化反应工艺、脂肪酸酐与氨基酸盐的酰化反应工艺、脂肪酸与氨基酸盐反应工艺等[10]（见表1）
表1 五种化学合成工艺路线概况表
工艺
方法一 脂肪腈水解酰化反应工艺 最早出现于1955年，但由于该法设备要求高，且有剧毒物质HCN和NaCN产生，未用于工业[11]
方法二 脂肪酰氯与氨基酸反应工艺 由肖顿-鲍曼等人提出，是目前工业上最常用的方法，对工艺设备要求低，反应条件温和易于工业化生产
方法三 酰胺羰基化反应工艺 优点：产率高；缺点：必须在CO高压下反应，设备要求高，必须以羰基钴络合物为催化剂[12]
方法四 脂肪酸酐与氨基酸盐的酰化反应工艺 最早出现在上世纪60年代，但由于反应需大量脂肪酸酐，成本太高，因此未用于大规模的工业生产之中
方法五 脂肪酸与氨基酸盐反应工艺 在氮气环境下，脂肪酸和氨基酸钠直接反应，流程非常简单且不产生任何有毒副产物，但由于产品分离困难而也未被用于工业生产[13]
1.2.1.1脂肪腈水解酰化反应工艺[14]
采用脂肪腈水解这个工艺方法制N-酰基氨基酸。第一步：HCN或NaCN与甲醛和甲胺反应得到产物氨基腈，第二步：在水和缚酸剂条件下，氨基腈与酰氯反应得到产物。此法产率高，但设备要求也很高，并且在氨基腈的合成过程中需要HCN或NaCN这些剧毒试剂，存在危险性。因此该工艺虽然很早被提出但至今未取得工业运用。反应如下：
1.2.1.2脂肪酰氯与氨基酸反应工艺
此法是现代工业制备N-酰基氨基酸表面活性剂的普遍方法,即肖顿-鲍曼缩合法。在碱性水溶液或其他有机溶剂条件下，脂肪酰氯和氨基酸反应得到N-酰基氨基酸盐，用无机酸中和分离得到其粗产品，再以碱中和得到较纯N-酰基氨基酸盐[15~18]。合成步骤如下：
摘 要
“绿色化学”是近十年来产生和发展的一门热门化学，又称“环境无害化学” 或“清洁化学”。 它的内容非常广泛，涉及了有机合成、生物化学、分析等各门化学研究。我们的杂多酸离子液体催化剂就完全符合了绿色化学理念，本论文将对其展开详细的探讨研究。
N-酰基氨基酸型表面活性剂作为重要的有机化合物，在日常生活中扮演着日渐重要的角色，在食品、医疗、生物、农业等方面都有着广泛的运用。然而目前为止氨基酸N-酰基化的反应方法都存在一些问题，主要有：反应条件苛刻、成本高、产率低、产生有毒副产物、污染环境等问题，不利于工业上的运用。
本论文是验证我们所采用的催化剂—杂多酸离子液体催化剂在催化氨基酸N-酰基化反应中的优势之处,通过实验选取的最优化工艺路线：氨基酸和甲酸为原料，杂多酸离子液体为催化剂，比例是1:1.5:0.02，在70℃下反应1h。同时我们也选取了不同的氨基酸和氨基酸衍生物，以及不同的羧酸在杂多酸离子液体催化下，改变反应温度，反应时间等条件反应得到不同产量的产物，然后通过对比分析产率不同的影响因素。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:N-酰基氨基酸杂多酸离子液体绿色化学
目 录
1.引言 1
1.1 N-酰基化氨基酸类化合物1
1.1.1 N-酰基化氨基酸类化合物的简介.......1
1.1.2 N-酰基化氨基酸类化合物在医药中的应用1
1.1.3 N-酰基化氨基酸类化合物在其他方面的应用2
1.2氨基酸N-酰基化反应2
1.2.1 氨基酸N-酰基化反应方法—化学合成法2
1.2.2 氨基酸N-酰基化反应方法—酶合成法.5
1.3 绿色化学的简介.5
1.3.1 绿色化学的定义...... ...5
1.3.2 绿色化学的进展6
1.4本论文的目的和意义10
2.实验部分11
2.1主要实验仪器和原料11
2.1.1实验仪器11
2.1.2 主要原料及物理性质.11
2.2 杂多酸离子液体的制备 11
2.3 N-酰基氨基酸的合成..12
3.实验结果与讨论13
结语19
参考文献19
致谢21
1、引言
1.1 N-酰基化氨基酸类化合物
1.1.1 N-酰基化氨基酸类化合物的简介
N-酰基化氨基酸类化合物是一种很重要的阴离子表面活性剂，其不但具有良好的表面活性，而且具有良好的安全性和生物降解性[1]，因此受到世界许多国家的重视。N-酰基化氨基酸系列表面活性剂由氨基酸与脂肪酸合成，原料易得，合成方法相对容易。（结构式见图1）用氨基酸制备表面活性剂是利用氨基的反应活性导入疏水基团脂肪酸，使其结合为具有表面活性剂结构特征的物质。不同的氨基酸和不同的脂肪酸的合成产物必然具有不同的表面活性和性能，因此我们需要通过选用不同的氨基酸和脂肪酸合成酰基氨基酸化合物，然后对其性能进行测试对比。近年来，酰基氨基酸表面活性剂中的应用有了很大的发展，除了个人的清洁剂，食品添加剂，金属加工，石油开采等领域的应用，在农业，生物制品和药物制备等领域也有了不错的发展[2]。
图1 N-酰基氨基酸类化合物结构式
1.1.2 N-酰基化氨基酸类化合物在医药中的应用
在药物制造研究中，N-酰基氨基酸作为表面活性剂的应用成为近年来热点。Casido E.J.,Ali.Y通过研究发现，在眼药水或眼膏中加入少量的酰基氨基酸表面活性剂可以提高药水的安全性和稳定性，同时抗菌能力也增加，并且更加舒适；Satoguch J.在其专利（1995）中指出：在进行麻醉时，在绑带里加入桂酰肌氨基盐可以使麻醉剂的吸收速度加快，从而达到更好的麻醉效果；Sulimizn T.指出：取少量的N-酰基氨基酸或氨基盐于交感神经药物中，，可以有效地减少烧伤患者的皮肤发生药物过敏现象的几率。Chin Y.C.和Hwang H.T. [3]指出：N-酰基氨基酸可以让维生素E迅速地溶解在水中，从而使得人体对维生素E的吸收率得到提高，同时对皮肤的刺激性也有所减少。Hiroshi J.在他的专利[4]中指出：在那些以药物作为原料之一的口香糖里加入微量N-月桂酰肌氨酸钠（见图2）可以使得口香糖里的药物成分得到缓慢长久的释放作用。Health N.和Ellen M.[5]指出：在低PH值环境下，用N-酰基氨基酸做PH试剂来分离RNA，可以从动植物细胞和微生物中安全快速地分离出RNA。Showna T.[6]等提出，将N-酰基氨基酸用于提取DNA的工艺中，通过实验研究发现用N-酰基氨基酸可以从新鲜鱼血和冷冻过的鲸油中提取分离出DNA。此外，N-酰基氨基酸类化合物在免疫学的研究中也取得很大的突破运用[7]。
图2 N-月桂酰肌氨酸钠
1.1.3 N-酰基化氨基酸类化合物在其他方面的应用
N-酰基氨基酸类表面活性剂在食品行业用途很大，作为食品防腐剂，其可以防止食品和饮料储存时腐化或发酵（见图3）。在农业领域中，N-酰基氨基酸的运用也有了一定的发展。例如，通过加入N-酰基氨基酸阴离子表面活性剂来提高大豆根瘤菌的活性，从而有效地使其固氮能力得到增强;在制备杀虫剂时，可以通过加入酰基氨基酸表面活性剂的盐来降低农药的毒性和刺激性，同时提高农药有效成分的活性；在日常用品中，N-酰基氨基酸类表面活性剂发挥着关键性作用。例如，在家用洗涤剂中添加表面活性剂可以使洗涤剂表现出良好的清净性（见图4）；研究表明，用含有N-酰基氨基酸表面活性的液态二氧化碳代替传统的四氯乙烯溶剂，可以达到更好的洁净效果[8]，同时毒性更低，对环境更友好；此外，这类表面活性剂在口腔内具有乳酸杆菌的作用：抑制葡萄糖转为乳酸，因此可作为牙粉起泡剂用于牙膏配方中[9]。
图3 N-（十二酰基）赖氨酸 ，常用做食品防腐剂
图4 N-椰油酰基谷氨酸钠，常用于洗涤剂，沐浴乳，洗面奶等
1.2氨基酸N-酰基化反应
1.2.1 氨基酸N-酰基化反应方法—化学合成法
通过化学合成法合成氨基酸型表面活性剂，此方法最早源于S.Bondi合成的N-酰基谷氨酸。在此之后对其的研究工作开始活跃起来。由于其工艺流程和设备相比较而言简单，原料也易得，所以目前国内仍旧采用化学合成法合成氨基酸类表面活性剂。其方法达到较成熟的水平，部分产品已实现了工业化。本课题研究的N-酰基氨基酸即用的此法。根据不同的原料，化学合成法有几种比较常见的工艺路线，如脂肪腈水解酰化反应工艺、脂肪酰氯与氨基酸反应工艺、酰胺羧基化反应工艺、脂肪酸酐与氨基酸盐的酰化反应工艺、脂肪酸与氨基酸盐反应工艺等[10]（见表1）
表1 五种化学合成工艺路线概况表
工艺
方法一 脂肪腈水解酰化反应工艺 最早出现于1955年，但由于该法设备要求高，且有剧毒物质HCN和NaCN产生，未用于工业[11]
方法二 脂肪酰氯与氨基酸反应工艺 由肖顿-鲍曼等人提出，是目前工业上最常用的方法，对工艺设备要求低，反应条件温和易于工业化生产
方法三 酰胺羰基化反应工艺 优点：产率高；缺点：必须在CO高压下反应，设备要求高，必须以羰基钴络合物为催化剂[12]
方法四 脂肪酸酐与氨基酸盐的酰化反应工艺 最早出现在上世纪60年代，但由于反应需大量脂肪酸酐，成本太高，因此未用于大规模的工业生产之中
方法五 脂肪酸与氨基酸盐反应工艺 在氮气环境下，脂肪酸和氨基酸钠直接反应，流程非常简单且不产生任何有毒副产物，但由于产品分离困难而也未被用于工业生产[13]
1.2.1.1脂肪腈水解酰化反应工艺[14]
采用脂肪腈水解这个工艺方法制N-酰基氨基酸。第一步：HCN或NaCN与甲醛和甲胺反应得到产物氨基腈，第二步：在水和缚酸剂条件下，氨基腈与酰氯反应得到产物。此法产率高，但设备要求也很高，并且在氨基腈的合成过程中需要HCN或NaCN这些剧毒试剂，存在危险性。因此该工艺虽然很早被提出但至今未取得工业运用。反应如下：
1.2.1.2脂肪酰氯与氨基酸反应工艺
此法是现代工业制备N-酰基氨基酸表面活性剂的普遍方法,即肖顿-鲍曼缩合法。在碱性水溶液或其他有机溶剂条件下，脂肪酰氯和氨基酸反应得到N-酰基氨基酸盐，用无机酸中和分离得到其粗产品，再以碱中和得到较纯N-酰基氨基酸盐[15~18]。合成步骤如下：
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