手性表面活性劑合成及應(yīng)用進(jìn)展
李靜，喬衛(wèi)紅
（大連理工大學(xué)精細(xì)化工國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116012）
摘要：簡(jiǎn)要介紹了手性表面活性劑。重點(diǎn)綜述了氨基酸型、葡萄糖苷型、松香型、酒石酸型和麻黃素型手性表面活性劑的合成，闡明了手性表面活性劑在立體選擇性合成、手性化合物的分離（如藥物分離）以及手性無(wú)機(jī)材料合成上的應(yīng)用，最后對(duì)手性表面活性劑的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。
關(guān)鍵詞：手性表面活性劑；合成；應(yīng)用
中圖分類(lèi)號(hào)：TQ423 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001 - 1803( 2010) 02 - 0116 - 08
手性表面活性劑（chiral surfactants）是一類(lèi)含有手性中心的手性分子，它具有一般表面活性劑的特性。由于手性分子的一些特性使其能夠很好的應(yīng)用于手性不對(duì)稱(chēng)合成和手性分離，尤其是對(duì)手性藥物的分離。近年來(lái)，利用手性表面活性劑作為模板合成手性介孔無(wú)機(jī)材料也是研究的熱點(diǎn)。手性表面活性劑由于應(yīng)用上的需要，其合成也得到不斷的發(fā)展和完善。
1手性表面活性劑的合成進(jìn)展
1.1氨基酸衍生的手性表面活性劑
氨基酸衍生的手性表面活性劑主要是通過(guò)手性的氨基酸與各種酰鹵在堿的作用下合成的烷酰或烷氧酰氨基酸手性表面活性劑。其結(jié)構(gòu)如下：
R1為C11～C17的烷基或烷氧基，R2為烷基，X為H或Na
1989年，Dobashi等最先合成了十二烷酰—L—纈氨酸鈉和十二烷酰—L—丙氨酸鈉。隨后，其他人合成了十二烷酰—L—谷氨酸鈉、十二烷酰—L—絲氨酸、十二烷酰—L—色氨酸鈉、十四烷酰—L—谷氨酸鈉、十二烷酰—L—天冬氨酸、10—十一烯酰—L—纈氨酸鈉等。Mazzeo等先后合成了十二烷氧酰—L—纈氨酸、十二烷氧酰—L—脯氨酸和雙手性中心表面活性劑等。
2003年和2004年Rizvi等合成了3種新型的聚烷氧酰氨基酸：聚十一烯氧酰亮氨酸鈉(poly —L—SUCLS)、聚十一烯氧酰異亮氨酸鈉（poly—L—SUCIL）和聚十一烯氧酰纈氨酸鈉（poly—L—SUCVS）。它們與一般的氨基酸衍生的表面活性劑合成路線不一樣，合成過(guò)程中沒(méi)有利用手性的氨基酸，而是利用烷氧酰氯與手性氨基醇反應(yīng)，然后硫酸酯化，最后聚合，其合成路線如下：
這種聚合（高分子）手性表面活性劑的cmc表現(xiàn)為0，膠束濃度與溫度、添加劑等無(wú)關(guān)，并且能形成單分子膠束，具有較大的穩(wěn)定性和剛性。與這個(gè)合成路線類(lèi)似，在2006年Rizvi等又合成了一類(lèi)新型的可聚合陽(yáng)離子型手性表面活性劑。
Gabashvili等合成了一種聚乙氧基聚苯丙氨酸的嵌段共聚表面活性劑，這種手性表面活性劑形成的膠體穩(wěn)定，首先用于手性二氧化硅的合成，其合成路線為：
黃建濱等在2003年也合成了一種新型的手性 表面活性劑，合成路線如下：
這類(lèi)手性表面活性劑與一般的手性氨基酸衍生的表面活性劑不同的是疏水鏈中含有苯環(huán)且形成的是亞酰氨基酸手性表面活性劑。通過(guò)性能測(cè)定，這類(lèi)表面活性劑在pH較高時(shí)仍具有較高的表面活性和聚集能力，并在pH =12時(shí)發(fā)現(xiàn)了囊泡的形成，這可以通過(guò)臨界排列參數(shù)P= Vc/lcAo解釋。
手性氨基酸衍生的表面活性劑是最常用的手性表面活性劑，其合成過(guò)程在不斷改進(jìn)，合成的類(lèi)型也不斷增加，有望在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。
1.2糖頭長(zhǎng)烷基鏈?zhǔn)中员砻婊钚詣?SPAN lang=EN-US>
Tickle等最先合成的烷基葡糖苷型手性表面活性劑為陰離子型十二烷基—β—D—吡喃葡糖苷磷酸酯和十二烷基—β—D—吡喃葡糖苷硫酸酯，結(jié)構(gòu)為：
這兩種手性表面活性劑在水中溶解度均較大，cmc分別為0.5mmol/L和1.0mmol/L，同時(shí)還可以合成L型結(jié)構(gòu)。
隨后其他人又合成了烷基（包括庚基、辛基、壬基、癸基、十二烷基等—β—D—吡喃葡糖苷。這類(lèi)表面活性劑首先見(jiàn)于手性化合物的分離。
1.3 松香基手性表面活性劑
松香屬于典型的兩親分子，且分子中有多個(gè)手性碳原子，其分子結(jié)構(gòu)又易于改造，是廉價(jià)的手性原材料。
國(guó)外早在20世紀(jì)20年代就已經(jīng)開(kāi)始利用松香合成表面活性劑的研究工作，60年代合成了松香酸酯磺酸鹽、松香胺聚氧乙烯醚等表面活性劑。70年代以來(lái)，研究工作進(jìn)一步深入，美國(guó)、德國(guó)、日本以及前蘇聯(lián)等國(guó)家在這方面進(jìn)行了卓有成效的研究，出現(xiàn)了許多有價(jià)值的研究論文和實(shí)用專(zhuān)利。進(jìn)入90年代以后，由于國(guó)外松香資源缺乏，以松香為原料合成新型表面活性劑的研究沒(méi)有深入進(jìn)行，而偏重于松香類(lèi)表面活性劑的應(yīng)用研究，我國(guó)在這方面做了大量的研究工作，合成了許多新型的表面活性劑。
合成的松香類(lèi)表面活性劑類(lèi)型有很多，在孫巖等編著的《新表面活性劑》中都有詳細(xì)介紹，下面將介紹兩種新型的松香基手性表面活性劑。
1.3.1脫氫松香基手性表面活性劑
脫氫松香酸又稱(chēng)去氫樅酸，是一種天然二萜類(lèi)樹(shù)脂酸。脫氫松香酸是由樅酸型樹(shù)脂酸歧化而得，主要是一部分樹(shù)脂酸脫去氫原子，使雙鍵重排，從而得到具有苯環(huán)結(jié)構(gòu)的脫氫松香酸。其合成路線如下：
脫氫松香酸分子中的三環(huán)菲骨架具有良好的疏水性，又可通過(guò)其中的羧基引入親水性基團(tuán)，其分子含有三個(gè)手性碳原子(4，5，10)且構(gòu)型穩(wěn)定，比旋光度大，構(gòu)型易于改造，是天然易得的手性原料。
廣西師范大學(xué)的王恒山、潘英明等教授在合成脫氫松香基手性表面活性劑方面作了很大貢獻(xiàn)，并指導(dǎo)其學(xué)生趙志才利用Kushnir等的方法合成了5種脫氫松香酸衍生的手陛表面活性劑，其合成路線如下：
通過(guò)性能測(cè)定發(fā)現(xiàn)5種產(chǎn)物中，7b的效能最好，其發(fā)泡能力好且泡沫穩(wěn)定，乳化時(shí)間長(zhǎng)達(dá)44937 s，這與產(chǎn)品的分子結(jié)構(gòu)和分子中親水基團(tuán)的極性有關(guān)。7b分子中親水基團(tuán)呈鏈狀且含有—OH，使得親水性比其他產(chǎn)物強(qiáng)，而5a與5b分子中受到哌嗪結(jié)構(gòu)的影響，水溶性下降，但這幾種化合物都具有很好的光學(xué)活性，有望成為良好的對(duì)映體拆分劑。
利用Kushnir等的方法合成的脫氫松香類(lèi)手性表面活性劑還有：脫氫松香酸—N—琥珀酰亞胺酯(N—HSDA)、12—溴代脫氫松香酸—N—琥珀酰亞胺酯(N—HSBDA)和脫氫松香異硫腈酸酯(DHA—NCS)，并且這些手性化合物都可以用于手性分離試劑。
1.3.2馬來(lái)海松酸基手性表面活性劑
馬來(lái)海松酸是由左旋樅酸在加熱條件和馬來(lái)酸酐發(fā)生Diels — Alder反應(yīng)生成，其合成路線如下：
利用馬來(lái)海松酸可以合成很多松香基表面活性劑。例如：鄧禮波等用馬來(lái)海松酸合成了三種松香馬來(lái)酐聚酰亞胺酯，尹紅梅等用馬來(lái)海松酸合成了馬來(lái)海松酸三異辛酯和醇酸樹(shù)脂等。
廣西師范大學(xué)的趙志才利用馬來(lái)海松酸合成了新型的馬來(lái)海松酸基手性表面活性劑——馬來(lái)海松三酸鈉和馬來(lái)海松四磺酸鈉。并對(duì)這些產(chǎn)物進(jìn)行了性能測(cè)定，發(fā)現(xiàn)這些表面活性劑具有良好的表面物理化學(xué)性能，并且具有良好的光學(xué)活性，有望成為對(duì)映體拆分劑。
1.4酒石酸衍生的手性表面活性劑
酒石酸類(lèi)手性表面活性劑是利用手性的酒石酸合成的一類(lèi)新型手性表面活性劑。酒石酸中有兩個(gè)羧基和兩個(gè)羥基，因此可以引入其他基團(tuán)。一般的酒石酸衍生的表面活性劑多是羧基的酯化或氨解，但由于兩個(gè)羧基的活性一樣，因此得到的多為酒石酸單雙酯混合物或單雙酰胺混合物。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，Dalton等合成了新型的酒石酸類(lèi)手性表面活性劑，它是基于(R， R)—酒石酸和長(zhǎng)鏈脂肪胺在一定條件下合成而得到。其合成路線如下：
(R，R一二乙酰酒石酸單癸酰胺( C10FA)和(R， R)—二乙酰酒石酸單十二酰胺( Cl2 FA)在甲醇鈉和甲醇作用下分別得到(R，R) -二乙酰酒石酸單癸酰胺鈉鹽( NaCl0FA)和(R，R)—二乙酰酒石酸單十二酰胺鈉鹽( NaC12 FA)。同時(shí)也可以用(S，S)-酒石酸來(lái)合成二乙酰酒石酸單酰胺。
酒石酸單酯的合成和上面合成路線相似。一般是先將酒石酸變成酸酐，然后再酯化，或是形成二酯后再水解。形成酸酐主要是基于酸酐酯化的特性，當(dāng)酯化上一個(gè)酯后，形成了一個(gè)羧基，而羧基的活性低于酸酐，只有升高溫度或改變其他條件才能酯化第二個(gè)。因此，控制好摩爾比就能形成較純的酒石酸單酯。更多酒石酸衍生的手性表面活性劑已經(jīng)得到研發(fā)并用于手性分離試劑。
1.5麻黃素基手性表面活性劑
麻黃素基手性表面活性劑是基于手性的麻黃素中伯胺的季銨化而產(chǎn)生，一般多為陽(yáng)離子型手性表面活性劑。已合成的有（1R，2S）一（一）-N -十二烷基一 N-甲基麻黃素溴化物和(1R，2S) —（一）-N-十六烷基-N-甲基麻黃素溴化物等，這類(lèi)表面活性劑主要用于有機(jī)不對(duì)稱(chēng)合成。麻黃素的結(jié)構(gòu)如下：
2手性表面活性劑的應(yīng)用進(jìn)展
2.1 手性表面活性劑用于有機(jī)不對(duì)稱(chēng)合成
手性表面活性劑溶液形成的手性膠束用于模擬酶的立體化學(xué)專(zhuān)一性誘導(dǎo)不對(duì)稱(chēng)有機(jī)反應(yīng)已經(jīng)越來(lái)越受到重視。1978年，Goldberg等[19]首次報(bào)道在(+) -R-N-十二烷基-N，N-二甲基-a-苯基乙基銨鹽所形成的手性膠束水溶液中，用硼氫化鈉還原潛手性酮的苯基酮可以誘導(dǎo)出新的手性中心，得到具有光學(xué)活性的醇，但對(duì)映體過(guò)量百分率值很低。周青山等研究了同樣的反應(yīng)，但用的手性表面活性劑為(+)和（一）-N -十六烷基-N，N-二甲基-a-苯基乙基溴化銨和N-十二烷基-N，N-二甲基麻黃素溴化銨，對(duì)映體過(guò)量值最高可達(dá)到8.6%。后來(lái)，還報(bào)道了手性膠束中硫醚的氧化、氨基酸的合成、查耳酮的氧化、Michael加成、不對(duì)稱(chēng)Darzens縮合、Diels - Alder反應(yīng)等。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，增加表面活性劑的鏈長(zhǎng)，能夠提高產(chǎn)物的對(duì)映體過(guò)量百分率值，這是因?yàn)楸砻婊钚詣┑耐榛溤鲩L(zhǎng)后，膠束與底物間的疏水親脂作用增強(qiáng)，膠束包絡(luò)底物的能力增大，從而有利于不對(duì)稱(chēng)誘導(dǎo)反應(yīng)。周青山等研究還發(fā)現(xiàn)，膠束誘導(dǎo)不對(duì)稱(chēng)反應(yīng)所得產(chǎn)物的構(gòu)型和所用膠束的構(gòu)型相反，并且與Goldberg等得到的結(jié)果相同，這表明受物和手性膠束間的絡(luò)合不僅是立體有序的，而且是有著一定的絕對(duì)立體化學(xué)構(gòu)型關(guān)系，這些性質(zhì)都具有酶催化的特征。他們還通過(guò)改變膠束的結(jié)構(gòu)，提高了產(chǎn)物的對(duì)映體過(guò)量百分率值。這說(shuō)明改變膠束的結(jié)構(gòu)有可能成為不對(duì)稱(chēng)合成的新方法之一。
2.2手性表面活性劑用于手性化合物的分離
不對(duì)稱(chēng)合成是獲得單一旋光化合物的重要方法，但要為每種手性化合物開(kāi)發(fā)一個(gè)合適的路徑，無(wú)疑會(huì)付出相當(dāng)高的成本和開(kāi)發(fā)時(shí)間。可見(jiàn)手性化合物的制備性分離顯得十分必要。結(jié)晶法、酶促拆分法及色譜法等手性分離方法的研究促進(jìn)了手性化合物的研究和發(fā)展。而毛細(xì)管電泳技術(shù)( CE)以其高效、快速、微量并能保持樣黽生物活性、儀器裝置簡(jiǎn)單和操作費(fèi)用較低等優(yōu)點(diǎn)，在手性分離方面引起了普遍的興趣。隨后在毛細(xì)管電泳技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展了其他分離技術(shù)，如毛細(xì)管區(qū)域電泳( CZE)、膠束電動(dòng)毛細(xì)管色譜( MECC)、毛細(xì)管膠束電動(dòng)色譜(MEKC)等方法。這些方法所用的手性試劑也由一般的環(huán)糊精及其衍生物、冠醚等發(fā)展到手性表面活性劑。手性表面活性劑作為手性試劑使得MECC和MEKC快速發(fā)展。
2.2.1天然的手性表面活性劑
膽汁酸（鹽）是天然的手性陰離子表面活性劑，可用于手性對(duì)映體拆分，尤其是手性藥物。Terabe等最早用膽酸鹽以MEKC法分離了三種藥物和幾種氨基酸。Nishi等研究了不同膽酸鹽類(lèi)的分離條件，其中，膽酸鈉( SC)和脫氧膽酸鈉(SDC)只能用于 pH >5的情況，牛磺膽酸鈉(STC)和牛磺脫氧膽酸鈉( STDC)可在pH >3使用，同時(shí)發(fā)現(xiàn)脫氧牛磺膽酸鹽的效果最好。Aumatell等認(rèn)為膽酸鹽膠束手性分離取決于溶質(zhì)分子結(jié)構(gòu)與膠束螺旋形空穴的相適應(yīng)性以及手性溶質(zhì)與膠束極性?xún)?nèi)層的特殊相互作用。同時(shí)還有研究膽酸鹽與環(huán)糊精(CD)聯(lián)用在MEKC法分離技術(shù)，并且得到了很好的分離效果。膽酸鹽類(lèi)還可以運(yùn)用在MECC法手性分離，并且可以與多種手性試劑聯(lián)用形成混合膠束分離而產(chǎn)生協(xié)同的分離效果。
中性的黃皂苷類(lèi)手性表面活性劑只能與陰離子表面活性劑一起才能形成帶電膠束而用于MEKC法分離，而常用的陰離子表面活性劑為十二烷基硫酸鈉(SDS)。
2.2.2合成的手性表面活性劑
Dobashi等最早合成了十二烷酰—L—纈氨酸鈉和十二烷酰—L—丙氨酸鈉并應(yīng)用于MEKC法分離。其后，又合成了多種氨基酸衍生的手性表面活性劑應(yīng)用于手性分離，并且發(fā)現(xiàn)當(dāng)加入甲醇或尿素時(shí)可以改善峰形，提高分離度。Dobashi等提出了在MECC中這類(lèi)膠束的手性識(shí)別模式：靠近sterm層的內(nèi)核界面上有L-氨基酸側(cè)鏈提供的手性壘；膠束內(nèi)核界面上的酰胺基與手性溶質(zhì)形成氫鍵；手性溶質(zhì)穿入膠束對(duì)手性壘的微擾不同，它們決定了分離的程度。 Mazzeo等合成了雙手性中心的表面活性劑并用于手性分離。同時(shí)合成的高分子氨基酸型手性表面活性劑也被用于手性分離，并且由于高分子表面活性劑的優(yōu)點(diǎn)：能形成單分子膠束；cmc值表現(xiàn)為零；具有較大的穩(wěn)定性和剛性。從而提高了分離的效果。
Tickle等合成了十二烷基—β—D—吡哺葡糖苷磷酸酯和十二烷基—β—D—吡喃葡糖苷硫酸酯，并應(yīng)用于多種毛細(xì)管分離技術(shù)。這兩種表面活性劑在水中溶解度較大，臨界膠束濃度分別為0.5mmol/L和1.0mmol/L，紫外區(qū)的吸收值較低，可以分離多種手性化合物。而中性的烷基—β—D—吡喃葡糖苷表面活性劑運(yùn)用在帶電的毛細(xì)管分離技術(shù)中則需要加入SDS形成混合膠柬，或在硼酸緩沖溶液中使用。
松香類(lèi)手性表面活性劑的合成主要是用來(lái)做手性分離試劑，并且由于其原料易得，合成過(guò)程也相對(duì)簡(jiǎn)單，而且合成的表面活性劑的比旋光度大，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，作為手性分離試劑是很可觀的。而且現(xiàn)在已經(jīng)合成了多種新型松香類(lèi)手性表面活性劑并用于手性分離。例如趙書(shū)林等合成的3—[（3—脫氫松香酰胺丙基）二甲氨基]—1—丙磺酸鹽(DHAMAP)以用于CE法分離D/L氨基酸衍生的化合物。
酒石酸雙酯類(lèi)手性表面活性劑常用在藥物拆分上，因?yàn)榫剖犷?lèi)表面活性劑無(wú)毒且容易合成。酒石酸單酯類(lèi)很少見(jiàn)于手性拆分上的應(yīng)用。酒石酸上有兩個(gè)手性中心，因此其應(yīng)用還可以進(jìn)一步研究。
近幾年來(lái)，Mohanty等對(duì)可以形成微囊的手性單體表面活性劑進(jìn)行了研究，所形成的微囊比通常所形成的膠束要大，可增加與待分離物質(zhì)的相互作用，更適用于強(qiáng)疏水性手性化合物對(duì)映體的分離。
其他的用于手性分離的手性表面活性劑還有很多，但現(xiàn)在普遍使用的是上面幾種，并且對(duì)它們的研究還在進(jìn)行中。
2.3手性表面活性劑作為模板合成手性無(wú)機(jī)材料
隨著材料科學(xué)的廣泛發(fā)展，利用表面活性劑的模板作用和表面活性劑可以在分散體系中形成膠束、反膠束、乳狀液、微乳液或囊泡的性質(zhì)從而成功的合成了一系列分子篩。而現(xiàn)在隨著科學(xué)和工業(yè)的發(fā)展，對(duì)材料不斷提出性能和結(jié)構(gòu)的要求，從而為手性表面活性劑在手性無(wú)機(jī)材料領(lǐng)域中的應(yīng)用開(kāi)辟了新的道路。
最先使用手性陰離子表面活性劑作為模板合成手性介孔分子篩的是上海交通大學(xué)的車(chē)順愛(ài)等。他們基于陰離子的氨基酸型手性表面活性劑可以在極性溶液中自聚，然后加入無(wú)機(jī)前軀體3—氨丙基三甲氧基硅烷( APS)或N—三甲氧基硅烷—N，N，N—三甲基氯化銨( TMAPS)作為共結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑，有機(jī)小分子四乙氧基硅烷( TEOS)作為氧化硅源，在一定條件下合成了具有規(guī)整結(jié)構(gòu)的六方螺旋柱狀手性介孔分子篩。在這基礎(chǔ)上，車(chē)順愛(ài)的學(xué)生高川波等進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，分子篩的結(jié)構(gòu)與手性表面活性劑在溶液中的離子化度有關(guān)，這可以用表面活性劑的臨界堆積參數(shù)P= Vc/lcAo來(lái)解釋。其中Vc是疏水基體積；lc為疏水基碳?xì)滏湹拈L(zhǎng)度，其值不超過(guò)碳?xì)滏湹纳煺归L(zhǎng)度；Ao親水基在緊密排列的單層中平均占有面積。當(dāng)P≤1/3時(shí)，體系形成球形膠團(tuán)；1/3
手性表面活性劑作為模板劑不僅在合成手性分子篩中得到應(yīng)用，在合成納米級(jí)類(lèi)的手性材料中都得到研究。手性表面活性劑作為模板合成手性材料得到越來(lái)越多的重視，這不僅為材料學(xué)作出了貢獻(xiàn)，而且還能根據(jù)材料的要求研究出更多類(lèi)型的手性表面活性劑。
3結(jié)束語(yǔ)
隨著科學(xué)的發(fā)展，手性表面活性劑由于其獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)特性，開(kāi)辟了表面活性劑合成和應(yīng)用的新領(lǐng)域。但手性表面活性劑合成還只局限于應(yīng)用已有的手性源來(lái)合成，使其類(lèi)型不多，因此，開(kāi)發(fā)新的合成路線和新品種是必要的。從近幾年手性表面活性劑的應(yīng)用來(lái)看，手性表面活性劑應(yīng)用于手性介孔材料的合成是新的熱點(diǎn)，有望其應(yīng)用在更多的手性材料的合成上。同時(shí)，手性表面活性劑作為模板應(yīng)用在手性無(wú)機(jī)材料的合成機(jī)理也會(huì)隨著研究而不斷完善。
