糖基双子表面活性剂合成现状

杜斌斌，闫顺杰，杨宗锋，杜山山，辛志荣

（烟台大学化学化工学院，山东 烟台 264005）

与传统表面活性剂相比，双子表面活性剂具有较高的表面活性、较低的临界胶束浓度值、良好的钙皂分散性能和复配效应，且其水溶液表现出一些特殊的相行为和流变性［1-3］。糖基双子表面活性剂是以天然可再生的糖类作为原料制备的环境友好型“绿色”表面活性剂。该类产品以糖基基团作为亲水头基，具有特殊的多羟基结构，从而使其表面活性得到显著提高。另外，还满足生物安全性，生物相容性和生物降解性的“绿色化学”原则，在洗涤去污、个人护理品、生物医药、农药、材料制备和基因治疗等领域有着广阔的应用前景［4-8］。

1 糖基双子表面活性剂概况

在早期表面活性剂的合成中，人们采用糖类、固醇以及脂肪酸等天然生态物质作为原料合成新型的双亲分子。从现代角度看来，这种观点遵循了“绿色化学”的概念。糖类表面活性剂一直以来就受到广泛的关注［9］，这是因为：1）糖类的多羟基结构可以以不同的方式与疏水化合物键合；2）糖的亲水性能够通过氧化、还原等反应与亲水基团键合而得到改善；3）疏水基团能够容纳一条、二条甚至多条的尾链，尾链可以包括脂肪酸类长链、脂肪醇类长链、脂肪胺类长链等多种类型。

1997年，Castro等［10］在烷基葡萄糖苷的基础上制备了具有优良的生态学性质的糖基双子表面活性剂。随后，更多种类的糖基双子表面活性剂被相继合成和研究。糖基双子表面活性剂主要包括烷基糖苷型［11-14］、烷基糖（酰）胺型［15-20］、高级脂肪酸糖酯型［21］、特种糖基型［22］等类型。另外，以糖类作为联接基团（Spacer）的双子表面活性剂也见于报道［23-24］。几种常见的糖基双子表面活性剂类型见图1。

图1 几种常见的糖基双子表面活性剂类型

2 糖基双子表面活性剂的合成方式

2.1 化学合成法

双子表面活性剂是通过联接基团将糖基及其衍生物和疏水基键合而制备。依据亲水基、疏水链和联接基团的键合顺序不同，可以归结为3种合成方法：a）联接基团加入法；b）疏水链加入法；c）亲水头基加入法。图2是双子表面活性剂的三种常见合成路线示意图［25］。

图2 双子表面活性剂的合成路线示意

2.1.1 联接基团加入法

首先制备传统单头基糖基表面活性剂分子，然后以联接基团将两分子表面活性剂联接成双子结构。通常联接基团选用双官能团物质，如双环氧化合物，双酰氯化合物等。这种合成路线是比较常见的，优势在于可以考察联接基团的变化（相对位置、结构、长度）对糖基双子表面活性剂性能的影响。传统糖基表面活性剂分子上发生联接反应的官能团为糖基的伯羟基、仲羟基，或有极化性原子的仲胺基［15-17］。前者的反应往往不具有选择性，需要对糖基醇通过酯化反应进行预保护处理［11-14］。后者仲胺基由于存在孤对电子，具有较强的亲核能力，能较好地与作为亲电试剂的联接基团反应键合。

Warwel等［16-17］以不同链长（C8，C10，C12）的烷基葡萄糖胺与等摩尔量的α，ω-双环氧化合物或环氧树脂为原料，在温和条件下制备了烷基葡萄糖胺双子表面活性剂（合成路线见图3）。同时，考察了不同链长的联接基团对双子性能的影响。与结构单体相比较，双子表面活性剂的表面活性得到大幅度的提高。

图3 烷基葡萄糖胺双子表面活性剂的合成路线

朱红军等［26］以烷基糖苷、二乙胺及二溴乙烷为原料合成了Gemini阳离子烷基糖苷表面活性剂。他们对产物的合成工艺进行了优化，发现稍过量的烷基糖苷可提高产品的产率；同时对产物的性能进行了测试，发现该烷基糖苷Gemini表面活性剂cmc值为3.16×10-3mol／L，γcmc为29.4 mN／m，亲水性较好。

2.1.2 疏水链加入法

Bola型表面活性剂是由疏水链两端各联接键合一个亲水基而成的两亲物，可以作为制备双子表面活性剂的原料［27-28］。用双糖基的Bola型化合物同时接入两条疏水链后的得到的产物就是糖基双子表面活性剂。该方法可选用不同的疏水链，合成一系列尾链长度和类型不同的双子表面活性剂。

Fielden［29］等以葡萄糖和烷基二胺为原料，制备了以双还原糖基为端基的Bola型表面活性剂，然后分别与12～18碳的烷基醛进行烷基化反应，制备了双还原糖双子表面活性剂。反应路线见图4。该双子表面活性剂的胺基基团可以被部分或者全部质子化，具有pH-响应性的自组装行为，可以作为基因转染和药物运输的输送载体。

图4 双还原糖Gemini表面活性剂的合成路线

任艳美［21］等以葡萄糖、乙二醇为原料，以马来酸酐为联接基团制备了双头基中间体，中间体与月桂酸发生酯化反应，合成了月桂酸葡萄糖酯乙二醇马来酸双酯（GME）表面活性剂，合成路线见图5。在最佳合成工艺条件下，产物最终产率为76.67%。测试发现，GME在浓度4g／L时的表面张力为23.6mN／m（20℃），cmc为5.77×10-3mol／L，表明GME是一种具有较高表面活性的双子表面活性剂。

图5 月桂酸葡萄糖酯乙二醇马来酸双酯（GME）的合成路线

2.1.3 亲水头基加入法

用联接基团连接两条疏水链，制备出含有两个反应位点的长链中间体；中间体再与糖类衍生物反应，制备出双子型表面活性剂。此合成方法比较少见。考虑到空间效应，被两侧长链约束的反应位点的活性有所降低，故须与有较强活性的糖基衍生物（如糖基酸内酯、糖酸等）反应。

Sakai等［30］设计出了具有 Glu（n）-2-Glu（n）结构的双子表面活性剂。乙二胺可在微碱性的环境中与1-溴代烷发生亲核取代生成N，N′-二烷基乙二胺（n）-2-（n）；（n）-2-（n）提供两个仲胺，与葡萄糖酸内酯发生亲核反应引入亲水糖基，制备Glu（n）-2-Glu（n）表面活性剂。反应路线及表面活性剂结构见图6。二聚结构的Glu（n）-2-Glu（n）的cmc数值明显的低于相应的单头基酰胺表面活性剂，为后者的1／200～1／100，表现出极高的表面活性。

图6 Glu（n）-2-Glu（n）表面活性剂的制备路线

2.2 生物酶催化法

在制备糖基双子表面活性剂的过程中，有时会用生物酶作催化剂。该法反应条件温和，特定选择性强，纯化分离简单。但酶催化活性低，酶易失活变性，酶专一性过强而导致使用范围有限。Gao等［31-32］通过脂肪酶催化糖类及糖衍生物与不同酸的酯化反应，制备了糖基双子表面活性剂。生物酶催化法和化学合成方法综合应用，可以得到不同类型的糖基双子表面活性剂（见图7）。应用特定选择性的酯酶酰化保护部分的单糖和多糖，然后用普通的化学方法联接，往往更容易得到理想产率的产品。

3 分离纯化

分离和纯化技术与表面活性剂的发展有紧密的联系，在合成过程中担当着重要的角色。得到纯净单一的表面活性剂试样，对于表面活性剂的结构性能的研究尤为重要。目前，对糖基双子活性剂的分离和纯化主要有以下方法：萃取、蒸馏、重结晶、离子交换树脂和色谱法等。

传统常规的方法，如萃取、蒸馏、重结晶，在表面活性剂的分离纯化中必不可少，其成本较低，操作简单，重现性好，但处理周期长。在合成中，各种方法可以单独使用，也可综合使用。赖璐等［33］在合成双子表面活性剂过程中，以减压蒸馏去除溶剂，然后在混合溶剂中重结晶2～3次，真空干燥获得纯净的产品。需要注意的是，多次分离纯化操作造成双子表面活性剂的最终产率降低。离子交换树脂和色谱法是有机混合物分离纯化的常用技术和手段。Castro［10］用醋酸化的硅胶柱色谱法对葡萄糖苷产物中的两种异构产品进行了有效分离。

图7 酶催化与化学法综合制备的糖基双子表面活性剂

在糖基双子表面活性剂制备过程中，往往要对亲水性糖基体的活性官能团进行选择性保护，从而造成合成路径冗长繁琐，并会生成许多副产品，其中对纯度影响最大的是单链烷衍生物。此类衍生物与主产品在重结晶的过程中常以共结晶的形式析出，不容易进一步分离和纯化；由于具有较大的相对分子质量，通过减压蒸馏很难去除。因而，在双子表面活性剂制备前，通常分离纯化得到纯净单一的中间体，然后再进行后续反应。

Menger等［23］对全酰化的中间体去除保护基团前，先进行柱色谱处理，以保证中间体的纯度；纯化后的中间体在甲醇和甲醇钠／甲醇混合液中搅拌过夜，随后添加离子交换树脂，直至体系pH值呈中性。过滤，减压去溶剂，真空干燥后得到纯净的产品。再如任艳美［34］在制备苯酐双乙二醇糖苷酯中间体的分离提纯中，用乙醇作为萃取剂去除过量的酸酐，并在制备出双子结构的产品后，又以一定配比的氯仿和甲醇混合液作为洗脱剂，采用色谱柱法对目标产品进行分离纯化，得到最终产品。

4 展 望

糖基双子表面活性剂作为一种绿色高效的非离子性表面活性剂，以其高效的表面活性、独特的结构可控性、复杂的自组装行为和优越的生物特性引起人们浓厚的兴趣。但糖基双子表面活性剂的合成路线冗繁，周期长，分离提纯困难，产率较低，成本较高，从而制约了糖基双子表面活性剂的更深层次的发展。因此，遵循“绿色化学”的原则，以天然资源合成高能高效低成本低生态负荷的糖基双子表面活性剂具有重要的意义。

糖基双子表面活性剂作为新一代的表面活性剂，可有下述的合成发展方向：1），选择低廉的原料来源，适宜的合成方法和高效的催化剂，以简化冗长的步骤，降低实验成本，从而利于糖基双子表面活性剂的常规使用，逐步替代对生态环境的负荷大的石化类产品；2），生物酶催化法与化学方法的综合应用，可以开发更多新型的糖基双子表面活性，以满足人们不同的需求；3），通过分子结构设计并依靠于分离纯化手段的进步和检测表征技术的发展，将有助于对糖基双子表面活性剂的在复杂环境下的聚集、吸附、pH-响应性等自组装行为的探讨研究，也有助于推进糖基双子表面活性剂与生物医药（药物载体）、新材料制备（纳米材料软模板）、基因治疗等交叉领域的深层次发展。

［1］Rosen M J，Tracy D J.Gemini surfactants［J］.Journal of Surfactants and Detergents，1998，1（4）：547-554.

［2］赵剑曦.新一代表面活性剂：Geminis［J］.化学进展，1999，11（4）：348-357.

［3］王娟，王丹，商士斌.天然产物基Gemini表面活性剂研究进展［J］.化工进展，2012，31（12）：2761-2765.

［4］Kazuyki T，Tomoyasu O，Kunio M.Surface and aqueous properties of anionic gemini surfactants having dialkyl amide，carboxyl，and carboxylate groups［J］.Journal of Surfactants and Detergents，2003，6（1）：39-45.

［5］Zhang Y，Han F.The spreading behaviour and spreading mechanism of new glucosamide-based trisiloxane on polystyrene surfaces［J］.Journal of Colloid and Interface Science，2009，337（1）：211-217.

［6］Wilk K A，Zielińska K，Jarzycka A，et al.Human erythrocyte hemolysis induced by bioinspired sugar surfactants［J］.Trends in Colloid and Interface Science XXIV，2011，138：189-192.

［7］Xin Z R，Yang Z F，Yan S J，et al.Research on hemocompatibility of polypropylene non-woven fabric membrane immobilized by N-alkyl glucos-amides［J］.Advanced Materials Research，2013，704：301-306.

［8］Wasungu L，Scarzello M，Dam G，et al.Transfection mediated by pH-sensitive sugar-based gemini surfactants；potential for in vivo gene therapy applications［J］.Journal of Molecular Medicine，2006，84（9）：774-784.

［9］Piispanen P S.Synthesis and characterization of surfactants based on natural products［D］.Kungl Tekniska Högskolan，Stockholm，2002.

［10］Castro M J L，Kovensky J，Cirelli A F.Gemini surfactants from alkyl glucosides［J］.Tetrahedron Letters，1997，38（23）：3995-3998.

［11］Castro M J L，Kovensky J，Fernández C A.New dimeric surfactants from alkyl glucosides［J］.Tetrahedron，1999，55（44）：12711-12722.

［12］Castro M J L，Kovensky J，Cirelli A F.Structure-properties relationship of dimeric surfactants from butyl glucosides［J］.Molecules，2000，5（3）：608-609.

［13］Castro M J L，Kovensky J，Cirelli A F.Ecologically safe alkyl glucoside-based gemini surfactants［J］.Arkivoc，2005，12：253-267.

［14］Castro M J L，Cirelli A F，Kovensky J.Synthesis and interfacial properties of sugar-based surfactants composed of homo-and heterodimers［J］.Journal of Surfactants and Detergents，2006，9（3）：279-286.

［15］Laska U，Wilk A，Maliszewska I，et al.Novel glucosederived gemini surfactants with a 1，1′-ethylenebisurea spacer：preparation，thermotropic behavior，and biological properties［J］.Journal of Surfactants and Detergents，2006，9（2）：115-124.

［16］Warwel S，Brüse F，Schier H.Glucamine-based gemini surfactantsⅠ：gemini surfactants from long-chain N-alkyl glucamines andα，ω-diepoxides［J］.Journal of Surfactants and Detergents，2004，7（2）：181-186.

［17］Warwel S，Bruse F，Schier H.Glucamine-based gemini surfactantsⅡ：gemini surfactants from long-chain N-alkyl glucamines and epoxy-resins［J］.Journal of Surfactants and Detergents，2004，7（2）：187-193.

［18］Wilk K A，Syper L，Domagalska B W，et al.Aldonamidetype gemini surfactants：synthesis，structural analysis，and biological properties［J］.Journal of Surfactants and Detergents，2002，5（3）：235-244.

［19］Wilk K A，Laska U，Zielińska K，et al.Fluorescence probe studies upon microenvironment characteristics and aggregation properties of gemini sugar surfactants in an aquatic environment［J］.Journal of Photochemistry and Photobiology A：Chemistry，2011，219（2）：204-210.

［20］Yoshimura T，Ishihara K，Esumi K.Sugar-based gemini surfactants with peptide bonds synthesis，adsorption，micellization，and biodegradability［J］.Langmuir，2005，21（23）：10409-10415.

［21］任艳美，吕彤.新型Gemini非离子表面活性剂的合成及性能研究［J］.天津工业大学学报，2011，30（1）：61-65.

［22］Han F，Zhang G.Synthesis and characterization of glucosamide-based trisiloxane gemini surfactants［J］.Journal of Surfactants and Detergents，2004，7（2）：175-180.

［23］Menger F M，Mbadugha B N A.Gemini surfactants with a disaccharide spacer［J］.Journal of the American Chemical Society，2001，123（5）：875-885.

［24］Negm N A，Mohamed A S.Synthesis，characterization and biological activity of sugar-based gemini cationic amphiphiles［J］.Journal of Surfactants and Detergents，2008，11（3）：215-221.

［25］夏小春.新型Gemini表面活性剂的研究［D］.西安：西安石油大学，2005.

［26］朱红军，丁徽，牛华，等.Gemini阳离子烷基糖苷表面活性剂的合成及性能［J］.精细石油化工，2011，28（5）：13-16.

［27］Schuur B，Wagenaar A，Heeres A，et al.A synthetic strategy for novel nonsymmetrical bola amphiphiles based on carbohydrates［J］.Carbohydrate Research，2004，339（6）：1147-1153.

［28］Wagenaar A，Engberts J B F N.Synthesis of nonionic reduced sugar-based bola amphiphiles and gemini surfactants with anα，ω-diamino-（oxa）alkyl spacer［J］.Tetrahedron，2007，63（43）：10622-10629.

［29］Fielden M L，Perrin C，Kremer A，et al.Sugar-based tertiary amino gemini surfactants with a vesicle-to-micelle transition in the endosomal pH range mediate efficient transfection in vitro［J］.European Journal of Biochemistry，2001，268（5）：1269-1279.

［30］Sakai K，Umezawa S，Tamura M，et al.Adsorption and micellization behavior of novel gluconamide-type gemini surfactants［J］.Journal of Colloid and Interface Science，2008，318（2）：440-448.

［31］Gao C，Whitcombe M J，Vulfson E N.Enzymatic synthesis of dimeric and trimeric sugar-fatty acid esters［J］.Enzyme and Microbial Technology，1999，25（3）：264-270.

［32］Gao C，Millqvist-Fureby A，Whitcombe M J，et al.Regioselective synthesis of dimeric（Gemini）and trimeric sugar-based surfactants［J］.Journal of Surfactants and Detergents，1999，2（3）：293-302.

［33］赖璐，梅平，段明峰，等.Gemini表面活性剂的合成、表征及性能测定［J］.大学化学，2011，26（3）：62-64.

［34］任艳美.葡糖苷型Gemini表面活性剂的制备及其性能研究［D］.天津：天津工业大学，2011.