1. Tổng hợp các chất hoạt động bề mặt axit amin-chuỗi đơn:
Nguyên liệu thô để tổng hợp chúng đến từ các axit amin có tính axit, bazơ hoặc trung tính khác nhau như axit aspartic, axit glutamic, arginine, alanine, glycine, leucine, proline, serine và các sản phẩm thủy phân protein. Các đầu kỵ nước, chẳng hạn như axit béo hoặc alkyl clorua, có thể được gắn vào nhóm amino, nhóm -COOH hoặc nhóm chuỗi bên của axit amin. Nếu axit béo hoặc alkyl halogenua phản ứng với nhóm amino thì tạo ra các dẫn xuất axit amin N-acyl hoặc N{4}}alkyl tương ứng; nếu các amin béo hoặc rượu béo ngưng tụ với các nhóm cacboxyl thì thu được các dẫn xuất axit amin N-alkyl hoặc O-alkyl ester. Các phương pháp phản ứng khác nhau mang lại nhiều loại sản phẩm khác nhau; do đó, chất hoạt động bề mặt axit amin thể hiện sự đa dạng về cấu trúc hóa học và tính chất lý hóa, sinh học. Các phương pháp hóa học, phương pháp tổng hợp enzyme hoặc phương pháp tổng hợp enzyme hóa học đều được sử dụng để tổng hợp các chất hoạt động bề mặt axit amin. Do quy trình và thiết bị tương đối đơn giản của các phương pháp hóa học cũng như nguyên liệu thô sẵn có, các phương pháp hóa học ngày càng trở nên tích cực vào những năm 1970 sau khi Bondi sử dụng chúng để tổng hợp axit N{12}}acylglutamic vào năm 1909 và là phương pháp chính được sử dụng cả trong nước và quốc tế.
1.1 N-Chất hoạt động bề mặt axit amin acyl
Chất hoạt động bề mặt axit amin N{0}}acyl vẫn là chất hoạt động bề mặt axit amin quan trọng nhất.
Phương pháp tổng hợp chất hoạt động bề mặt N{0}}axyl axit amin:
(1) Phương pháp trực tiếp:Quá trình tổng hợp trực tiếp nguyên liệu thô axit béo bao gồm quá trình tổng hợp-được xúc tác bằng enzyme và quá trình ngưng tụ khử nước. Quá trình tổng hợp được xúc tác bởi enzyme- bị hạn chế do tốc độ chuyển đổi thấp, thời gian phản ứng dài và chế phẩm enzyme đắt tiền; trong khi quá trình ngưng tụ khử nước bị hạn chế bởi các điều kiện phản ứng khắc nghiệt, yêu cầu thiết bị cao, tiêu thụ năng lượng cao và cần được cải thiện.
(2) Phương pháp tổng hợp gián tiếp:Điều này bao gồm quá trình thủy phân nitrile béo, acyl hóa anhydrit axit béo và cacbonyl hóa amit.
① Phương pháp acyl hóa acyl clorua béo: Phương pháp ngưng tụ Shorton{0}}Baumann, trong đó acyl clorua của axit béo thay thế axit béo trong dung dịch kiềm, là phương pháp tổng hợp được sử dụng rộng rãi nhất trong phòng thí nghiệm hoặc công nghiệp. Nó có những ưu điểm như yêu cầu thiết bị tương đối thấp, nguyên liệu thô sẵn có và rẻ tiền, điều kiện phản ứng nhẹ và dễ dàng xử lý các sản phẩm phụ. Nghiên cứu sâu hơn đang được tiến hành về cách giảm quá trình thủy phân acyl clorua và đơn giản hóa quá trình-sản phẩm sau xử lý. Phương pháp này chủ yếu được hoàn thành thông qua bốn bước như dưới đây: acyl hóa, ngưng tụ, axit hóa và tạo muối:
Acyl hóa: R1COOH + PCl3 → R1COCl
Sự ngưng tụ: HOOCCHR2NH2 + R1COCl → NaOOCCHR2NHCOR1
Axit hóa: NaOOCCHR2NHCOR1 + HCl → HOCCHR2NHCOR1
Sự hình thành muối: HOOCCHR2NHCOR1 + NaOH →NaOOCCHR2NHCOR1
② Acyl hóa nitriles béo: Quá trình acyl hóa nitriles béo được đề xuất vào năm 1955. Hiệu suất và độ chọn lọc của phản ứng lớn hơn 95%, nhưng do yêu cầu thiết bị cao và tạo ra các chất có độc tính cao HCN và NaCN trong quá trình phản ứng nên chưa được công nghiệp hóa. Phương trình phản ứng như sau: CH3NH2+CH2O+HCN→CH3NHCH2CN+RCOCl→RCON(CH3)CH2COOH
③ Acyl hóa anhydrit axit béo: Quá trình acyl hóa anhydrit axit béo và muối axit amin được đề xuất bởi Thompsons et al. vào những năm 1960. Anhydrit phản ứng với muối axit amin trong nước trên điểm nóng chảy (không quá 100 độ). Không cần chất xúc tác hoặc kiểm soát lượng nước, nhưng việc tiêu thụ nhiều anhydrit axit béo dẫn đến chi phí cao và khó khăn trong việc phân tách, do đó nó chưa được sử dụng cho-sản xuất công nghiệp quy mô lớn.
④ Quy trình phản ứng cacbonyl hóa amit do Beller và cộng sự đề xuất mang lại những ưu điểm như chi phí nguyên liệu thô thấp, không sử dụng acyl clorua, không có sản phẩm phụ (do đó tránh ô nhiễm môi trường), tiết kiệm nguyên tử cao và hiệu suất vượt quá 90%. Tuy nhiên, phản ứng này đòi hỏi CO áp suất-cao, đòi hỏi thiết bị phức tạp và chất xúc tác là phức hợp carbonyl coban [Co2(CO)8] có hoạt tính thấp, khiến quá trình công nghiệp hóa gặp khó khăn.
1,2 N-chất hoạt động bề mặt axit amin alkyl
Chúng chủ yếu được tổng hợp bằng cách xây dựng cấu trúc axit amin từ các amin béo và hợp chất acrylic, sử dụng nguyên liệu thô như metyl acrylat, acrylonitrile, axit acrylic hoặc -propiolacton.
① Ví dụ, laurylamine (C12H25NH2) lần đầu tiên được nấu chảy ở 60-70 độ, sau đó 1,0-2,0 mol methyl acrylate được thêm từ từ vào từng giọt trong khi khuấy. Phương trình phản ứng như sau: CH2=CHCOOCH3 + C12H25NH2 → C12H25NH(CH2CH2COOCH3)n
② Phương pháp acrylonitrile tiết kiệm hơn phương pháp methyl acrylate, nhưng yêu cầu phản ứng cao hơn nên nghiên cứu về nó còn hạn chế. Có thông tin cho rằng chất lượng sản phẩm của phương pháp này kém và không ổn định.
③ Axit acrylic và amin béo được trộn trực tiếp và đun nóng ở nhiệt độ 110-120 độ trong điều kiện không có dung môi-để tổng hợp axit N-alkyl- -aminopropionic. Phương pháp này đơn giản và nhanh chóng nhưng độ nhớt của hệ thống cao và có thể xảy ra các phản ứng trùng hợp hoặc hình thành các hợp chất imine, khiến việc phân tách trở nên khó khăn.
④ Phản ứng của -propiolactone với các amin béo tạo ra hỗn hợp gồm hai sản phẩm: axit amin N-alkyl và chất hoạt động bề mặt axit amin N-acyl.
1.3 Este axit amin
Chất hoạt động bề mặt este axit amin được điều chế bằng quá trình este hóa xúc tác rượu béo với axit amin [4]. Không giống như các chất hoạt động bề mặt axit amin N-acyl và N-alkyl, este axit amin hình thành liên kết este trong phản ứng tổng hợp, do đó bảo vệ nhóm carboxyl một cách hiệu quả. Vì vậy, chúng có hai chức năng đặc biệt:
① Trong các phản ứng liên kết peptide, chúng có thể ngăn chặn các phản ứng phụ do kích hoạt các nhóm carboxyl không cần phản ứng khi nhóm carboxyl được kích hoạt bằng một số phương pháp nhất định;
② Chúng có thể ngăn chặn nhóm amino của thành phần amino tạo thành muối bên trong với nhóm carboxyl và giải phóng hoàn toàn nó, do đó tạo điều kiện thuận lợi cho phản ứng với nhóm carboxyl để hình thành liên kết peptide. Năm 1906, Fischer lần đầu tiên nghiên cứu phương pháp este hóa axit amin. Hầu hết các nghiên cứu tập trung vào chất xúc tác cho phản ứng. Các chất xúc tác đã phát triển từ xúc tác axit vô cơ ban đầu sang xúc tác axit Lewis, sau đó đến xúc tác chuyển pha, xúc tác axit rắn, xúc tác rây phân tử, xúc tác nhựa trao đổi ion, v.v., trong khi các tác nhân este hóa đã phát triển từ rượu ban đầu thành hydrocacbon halogen hóa, anken, v.v. Việc cập nhật liên tục các chất xúc tác và chất este hóa đã cải thiện đáng kể tốc độ chuyển đổi và tính chọn lọc của quá trình este hóa, làm cho phản ứng este hóa rộng hơn và các điều kiện hoàn hảo hơn. Tuy nhiên, do đặc thù của các nhóm axit amin và khả năng hòa tan trong dung môi hữu cơ nên việc tách và tinh chế sản phẩm đòi hỏi điều kiện phản ứng nghiêm ngặt hơn, hạn chế việc áp dụng các phản ứng este hóa thông thường.
Quá trình este hóa axit amin thường theo hai con đường:
① este hóa trực tiếp các axit amin tự do;
② este hóa sau khi bảo vệ nhóm amino, sau đó loại bỏ nhóm bảo vệ. Loại thứ nhất đơn giản hơn nhưng hiệu suất thấp hơn và không phù hợp với các axit amin nhạy cảm với axit và nhiệt; loại thứ hai phức tạp hơn nhưng có năng suất cao hơn và phù hợp với tất cả các axit amin do điều kiện ôn hòa hơn. Chất xúc tác bao gồm chất xúc tác dạng khí như hydro clorua, chất xúc tác dạng lỏng như thionyl clorua và axit chlorosulfonic, chất xúc tác dạng lỏng ion và chất xúc tác rắn như axit p-toluenesulfonic, triphosgene, nhựa và zeolit. Ngoài ra, còn có xúc tác enzyme và xúc tác-được hỗ trợ bằng vi sóng.
2. Axit amin{1}}Chất hoạt động bề mặt Gemini
Phương pháp tổng hợp: tổng hợp các chuỗi đơn trước rồi liên kết chúng thành gemini; tổng hợp hai chuỗi kỵ nước trước rồi thêm nhóm ưa nước; tổng hợp hai nhóm ưa nước trước rồi thêm chuỗi kỵ nước.
2.1 Phương pháp ghép chuỗi-đơn: Đầu tiên, tổng hợp các chất hoạt động bề mặt axit amin-chuỗi đơn, sau đó liên kết chúng với một trình liên kết để tạo thành chất hoạt động bề mặt loại axit amin-gemini.
2.2 Phương pháp chức năng hóa chuỗi-kép: Đầu tiên, liên kết hai chuỗi kỵ nước bằng một trình liên kết, sau đó tổng hợp chất hoạt động bề mặt loại axit amin-gemini thông qua quá trình carboxyl hóa. Diamines thường được sử dụng làm chất liên kết.
2.3 Phương pháp hình thành chuỗi-kép ưa nước: Liên kết hai nhóm đầu axit amin ưa nước với một liên kết, sau đó đưa hai nhóm kỵ nước vào để tổng hợp chất hoạt động bề mặt loại axit amin-gemini. Diamines cũng thường được sử dụng làm chất liên kết.