手性表面活性剂研究进展

手性表面活性剂的研究进展

摘要：简介手性表面活性剂的分类、结构，重点综述胆汁盐类、皂苷类手性表面活性剂的研究与应用，以及氨基酸型、季铵盐型、烷基糖苷型和松香型手性表面活性剂的合成与研究现状。

关键词：手性表面活性剂；进展；手性分离；立体合成

手性表面活性剂(chiral surfactant)是指一类性质上具有一般表面活性剂特性——具有油水两亲性，结构上含有手性中心的手性分子。由于分子结构中有手性中心的存在，该类表面活性剂具有良好的区域选择性、不对称催化能力和手性识别能力。尤其是在特定的手性拆分中的手性识别能力，使得手性两亲分子在立体选择性合成和手性药物分离领域逐渐成为一大热点。此外，近年来，在无机材料科学方面，利用手性表面活性剂合成无机介孔材料的研究也有迅速的进展。

随着医药科学和材料科学等领域的发展，手性表面活性剂由于其独特的分子结构特性而具有的不可替代性使得它的需求日益增加，因而引起了化学、材料等学科对手性表面活性剂的普遍关注。

目前获得手性两亲分子的途径还比较少，而且只局限于应用已有的手性源来合成，因此手性表面活性剂的类型并不多。主要可从来源分为天然手性表面活性剂和合成手性表面活性剂两大类。

1. 天然手性表面活性剂

天然手性表面活性剂可细分为胆汁盐类和皂苷类两类。 1.1胆汁盐(Bile salts)类

胆汁（酸）盐类手性表面活性剂属于阴离子表面活性剂，具有光学活性，可用于手性对映体的拆分，最早由Terabe等[1]在1989年应用在几种氨基酸和药物的胶束电动色谱（MEKC法）手性分离中。其基本结构式如图1，主体结构由四个饱和稠环构成。表1列举了几种常见的胆汁盐类手性表面活性剂。

图1 胆汁盐类结构式

表1 几种常见的胆汁盐类手性表面活性剂

Nishi H等[2]随后对上述几种常见胆汁盐类表面活性物质的分离条件进行了研究，发现虽然牛磺胆酸钠和脱氧牛磺胆酸钠（STDC）均可在pH>3的条件下使用，但脱氧牛磺胆酸盐的效果更胜一筹，也是研究的几种胆汁盐类中分离效果最好的。而胆酸钠（SC）和脱氧胆酸钠（SDC）的适用条件为pH>5。

科学家研究发现，胆汁盐类物质在溶液中可形成螺旋形的胶束，与传统的非手性表面活性剂相比，这种独特的胶束结构可以容纳更多的有机溶剂，从而可以用于各种疏水性化合物等的分离[3~4]。为对映体的拆分提供了新思路。基于这一思路，Aumatell等[5]将胆酸盐与环糊精联用，在MEKC法下得到了很好的分离效果。 1.2皂苷(Saponins)类

皂苷类化合物是一种广泛存在于陆地高等植物中的一类糖苷，其结构由皂苷元与糖组成。由于组成皂苷的糖有葡萄糖、半乳糖等等多种，苷元可分为甾烷皂苷类和三萜类两大类多种苷元，再加之各种侧链的差异，使得皂苷种类繁多，组成复杂，是一种含多手性中心的天然手性表面活性剂。由于皂苷的结构中苷元具有不同程度的亲脂性，糖链具有较强的亲水性，使皂苷具有不俗的表面活性，其水溶液振摇后能产生大量稳定性良好的泡沫。

皂苷类化合物课用于测定血浆、胆汁和组织中的胆甾醇，也可用于光学异构体的分离。但由于皂苷类化合物多为电中性，需要与离子型表面活性剂配合才能形成带电胶束以用于MEKC法分离，常用十二烷基硫酸钠（SDS）等阴离子表面活性剂[6]。相较于中性条件而言，该类化合物在酸性条件下对光学异构体的分离效果更为理想。

2. 合成手性表面活性剂

2.1氨基酸衍生的手性表面活性剂

手性氨基酸衍生的表面活性剂是最常用的手性表面活性剂，主要通过手性的氨基酸与各种羧酸衍生物经酰卤反应而制得。其大致结构如图2，其中R1为十一至十七碳的烷基或烷氧基，R2为烷基，X为H或Na。

图2 氨基酸衍生手性表面活性剂的结构

Dobashi等[7-8]在1989年首先合成了N-十二酰基-L-丙氨酸钠和N-十二酰基-L-缬氨酸钠等氨基酸衍生手性表面活性剂，并将其应用于MEKC手性分离N-乙酰化氨基酸酯等化合物，但是分离效率不理想。为了提高分离效率，使用氨基酸衍生物系列的手性表面活性剂与尿素、甲醇等有机修饰剂的复配溶液可提高对映体的选择性以及改善峰形，达到较理想的分离效果。

2003~2007年，Rizvi等[9]别出心裁地并不直接使用手性氨基酸为手性源，而是利用烷氧酰氯与手性氨基醇反应，经硫酸酯化后聚合，得到了一系列聚合高分子的氨基酸型手性表面活性剂。该系列产物的由于是高聚物，可形成单分子胶束，因而cmc表现为0，同时温度及添加剂对其胶束浓度均未表现出明显影响，胶束具有较大的稳定性和刚性。这系列聚合高分子型氨基酸衍生的手性表面活性剂的大致合成路线如下：

同样是利用类似路线，Riviz等还合成了一类新型的可聚合成高分子的阳离子型手性表面活性剂[10]。

黄建滨[11]等在2003年也合成了一种疏水链中含有苯环的新型亚酰氨基酸手性表面活性剂。这类表面活性剂在较强的碱性条件下仍可表现出较高的表面活性和聚集能力。

而车顺爱等[12~14] 则将该类氨基酸衍生的手性表面活性剂创新性地应用于无机材料的合成中。他们采用手性阴离子表面活性剂结构导向法，基于N-十四酰基丙氨酸钠在溶液中的自组装行为，合成了一种介观结构高度有序的手性介孔材料，并在近几年对其反应机理进行了深入研究。通过改变手性表面活性剂的电离度以及氨基酸基团的正电荷密度，他们得到了不同介孔结构的无机材料。 2.2季铵盐型手性表面活性剂

季铵盐类手性表面活性剂主要为阳离子型表面活性剂，多以脂肪胺和烷基化试剂为原料通过季铵反应合成，可用于不对称合成及手性分离。

自1978年Goldberg等[15]首次报道在季铵盐类手性表面活性剂所形成的手性胶束水溶液中还原苯基酮诱导出新的手性中心以来，季铵盐类手性表面活性剂在国内外的不对称有机合

成中得到了广泛的应用。在许多经典有机反应如Michael加成[16]、Diels-Alder反应[17]、不对称Darzens缩合[18]、查耳酮的氧化[19]、等反应中均有季铵盐类手性表面活性剂的运用。

周青山等在这一范畴上做了许多研究。他们用不同的手性表面活性剂做了与Goldberg等同样的反应，与Goldberg等只有1.66%的对映体过量值相比，他们所做的研究对映体过量值却到达8.6%。他们研究发现表面活性剂的链长的改变对不对称诱导反应的诱导效果有所影响，同时胶束诱导不对称反应所得产物的构型与所用胶束的构型相反。另外，改变胶束的结构，产物的对映体过量百分率值也会随之改变，这一发现为不对称合成提供了一条新思路[20-21]。

近两年黄永伟[22]等研究制备了苝酰亚胺—手性表面活性剂复合物N，N’-双（2-（季铵基乙撑））-3,4,9,10-苝二酰亚胺-双（（3R）-3，7二甲基辛基-6-乙烯基）磷酸盐，并详细研究了它在不同有机溶剂中形成的溶液中的自组装行为及组装机理，为设计分子电元件中的高度规整的超分子结构提供了便利。

2.3烷基糖苷(Alkyl Glucoside)型手性表面活性剂

烷基糖苷型表面活性剂是由可再生资源天然脂肪醇和生物低聚糖（葡萄糖、麦芽糖等）合成的一种性能较全面的绿色非离子型表面活性剂，其手性主要来源于糖环中的手性碳原子。非离子型的烷基糖苷还可经硫酸或磷酸酸化后进一步制得阴离子型烷基糖苷手性表面活性剂。大部分烷基糖苷是中性的，但其分子结构中的糖头基可与硼酸盐缓冲溶液络合，从而得到带电荷的胶束[23]。

Tickle等[24]在1994年首先合成了两种该类手性表面活性剂十二烷基-β-D-吡喃葡萄糖苷磷酸酯和十二烷基-β-D-吡喃葡萄糖硫酸酯，并将它们运用于毛细管电泳色谱进行手性分离。Boyd等[25]合成了如图3所示的一系列异构十二烷基-β-D-葡萄糖苷，研究了这系列化合物的热致行为以及立体构型对其液晶相行为的影响，并表征了它们之间在表面活性上的差异。

图3 Boyd等制备的一系列十二烷基-β-D葡萄糖苷同分异构体结构式

烷基糖苷型手性表面活性剂作为一种新型表面活性剂，在具有良好的表面活性的同时还表现出优异的生态安全性和相溶性，自首次合成以来受到了国际上的广泛关注，其应用范围也不仅仅局限于手性分离等科学研究，现在更多地作为固体分散剂、塑料添加剂和日化用品中的表面活性剂出现在日常生活中。 2.4松香基型手性表面活性剂

与其他类型的原料相比，松香分子具有多个手性中心，结构易于改造，是很好的天然手

性原料；同时松香又是一种十分常见的工业原料，廉价易得。因此，利用松香合成表面活性剂的研究工作开展得很早，可追溯至上世纪20年代。时至今日，国内外已经合成了很多基于松香的表面活性剂，但由于原材料松香资源的缺乏，国外对松香类表面活性剂的研究重心已经从合成新型表面活性剂渐渐转移到松香类表面活性剂的应用上。我国的科学工作者在这一类手性表面活性剂的合成上做了大量工作，得到了许多各种类型的松香基手性表面活性剂，如脱氢松香基手性表面活性剂和马来海松酸基手性表面活性剂，近几年大热的Gemini型表面活性剂也有所涉及。

广西师范大学的王恒山、潘英明教授和他们的学生赵志才等[26]以脱氢松香酸和马来海松酸为原料合成了多种新型手性表面活性剂，如马来海松四磺酸钠等等，研究了这些产物的发泡性能与分子结构，并对这些产物进行了其他表面物理化学和光学活性等性能测定，发现这些表面活性剂的性能均相当理想，在对映体的分离上有良好的应用前景。

利用脱氢松香酸和马来海松酸还可以合成许多其他的手性表面活性剂，如12-溴代脱氢松香酸-N-琥珀酰亚胺酯（N-HSBDA）、脱氢松香异硫腈酸酯（DHA-NCS）[27]、马来酐聚酰亚胺酯[28]、马来海松酸三异辛酯[29]等。

贾卫红等[30~31]在2008~2009年以脱氢枞胺为原料先后合成了一系列松香基季铵盐Gemini表面活性剂和4种松香基磺酸盐Gemini表面活性剂，用IR及1H-NMR光谱对产物进行了结构表征，发现这两类松香基Gemini型表面活性剂均有较低的CMC，能够显著降低水的表面张力。除此之外，松香基季铵盐Gemini表面活性剂还具有很强的乳化性能及泡沫性能，而松香基磺酸盐Gemini表面活性剂则具有良好的润湿性能且表面活性随着分子结构中亚甲基链长度的增加而增强。除此之外，他们还对松香基双子阳离子表面活性剂的抑菌性能进行了研究[32]。韩世岩等也曾合成并分析了一种松香-季铵盐双子表面活性剂[33]，另外还研制了一种松香酰基甘氨酸型两性Gemini表面活性剂，并用傅里叶变换红外光谱仪确证了该产物的基本结构，通过表面张力仪等方法对产物进行了性能分析[34]。他们的工作确证了基于松香制备高表面活性、低CMC值的Gemini型表面活性剂的可行性，为以松香为原料制备Gemini表面活性剂奠定了较好的研究基础。

3. 总结

手性表面活性剂的传统应用主要集中在有机不对称合成和手性对映体的识别、拆分和分离方面，近几年来，将其作为模板应用在手性无机材料，尤其是手性介孔材料的合成上已经成为一个新的热点，随着其合成机理的不断完善，新的合成线路也陆续出现。

手性物质作为一种具有明显特征的物质，其对映体的区分一向是化学等许多学科工作者的重要关注点之一。随着医药、生物、材料、化学等领域的发展，对单一对映体的需求也日益增加，手性表面活性剂因其同时具有普通表面活性剂的增溶、相转移等一般特性和手性特征，在手性的识别、拆分和分离上有着广阔的应用前景。手性表面活性剂独特的分子结构特点为表面活性剂的研究提供了许多新的想法和思路，可谓是开辟出了一个新的表面活性剂领域。由于目前手性表面活性剂的合成仍大多局限于采用现成的手性源，致使手性表面活性剂的种类并不算多，相信随着这方面需求的加大和技术的发展，手性表面活性剂会在更多的领域中得到恰当的应用。

参考文献

1. TERABE S, SHIBATA M, MIYASHITA Y.Chiral separation by electrokinetic

chromatography while bile salt micelles [J]. J Chromatogra, 1989, 480: 403-411.

2. NISHI H,FUKUYAMA T, MATSUO M,et al.Chiral separation of diltiazem,trimetoquinol and