2-丙基-1-庚基糖苷的合成及性能

劉兵，張威，王豐收

(1.上海發凱化工有限公司，上海 201505；2.中輕日化科技有限公司，上海 201512)

烷基糖苷(APG)作為非離子表面活性劑有著諸多優點，良好的表面活性和完全生物降解性，被廣泛的應用于各行各業[1-3],目前市場上APG產品的疏水鏈多為直鏈結構[4]，而支鏈APG不僅保留了直鏈產品的相關特性，且在高濃度下也有較好的流動性和低泡性能[5]。國內有報道采用羰基合成醇與葡萄糖合成了支鏈APG[6]， 美國依法登記發明H171中也介紹了支鏈APG的轉苷合成法[7],Hashim等[8]使用不同支鏈醇合成了多種支鏈APG，并對其液晶狀態進行了比較。本文以2-丙基-1-庚醇和葡萄糖為原料，N-甲基吡咯烷酮為溶劑，利用一步法合成2-丙基-1-庚基糖苷(IAPG10)。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

2-丙基-1-庚醇、對甲苯磺酸均為工業級；葡萄糖，醫藥級；N-甲基吡咯烷酮、酒石酸鉀、3,5-二硝基水楊酸、NaOH、苯酚、無水亞硫酸鈉均為分析純。

V 70紅外光譜儀；K-100表面(界面)張力儀；羅氏泡沫儀；Agilent 1260 液相色譜儀(配備ELSD檢測器)。

1.2 實驗方法

在NMP作為溶劑的體系中，葡萄糖在有機酸的催化下，經過縮醛反應，生成正碳離子，再與2-丙基-1-庚醇進行親核反應，生成IAPG10。NMP 作為溶劑(均相)反應相對于普通的一步法(非均相)反應優勢在于反應物在溶劑中有更好的溶解性，傳質速率增強，于反應動力學上更加有力，可以明顯縮短反應時間，降低反應的副產物。

在500 mL四口燒瓶中加入一定量的NMP作為溶劑，開起電動攪拌和冷凝裝置，依次加入無水葡糖和2-PHL，加入適量的對甲苯磺酸催化劑，加熱并攪拌，保持反應溫度(100±10) ℃，體系壓力為2.5 kPa 的條件下反應3.0 h，測試反應體系中殘糖的質量分數<5.0% 即為反應結束。將產品用NaOH中和至pH=7～9后進行減壓蒸餾，除去未反應的2-丙基-1-庚醇和NMP，將產物調節至質量分數為50%的水溶液，即為目標產物。

1.3 比色法測試游離葡萄糖(殘糖)含量

1.3.1 DNS溶液配制 按照比例稱取一定量酒石酸鉀、3,5-二硝基水楊酸、NaOH、苯酚、無水亞硫酸鈉，溶于一定量水中，存于棕色瓶中一周后待用。

1.3.2 繪制DNS標準曲線 準確配制不同濃度的葡萄糖標準溶液，各取1 mL標準溶液，加入3 mL DNS試劑，沸水浴15 min顯色。冷卻后稀釋到25 mL， 在波長550 nm處用721分光光度計比色測試，X軸為葡萄糖濃度，吸光度E為Y軸繪制的直線。計算游離糖(殘糖)百分比。

C(mg/mL)可以從E值在標準曲線上查得[9]。

1.4 色譜條件

C18硅膠鍵合色譜柱(3.5 μm，4.6×100 mm)，使用范圍pH在2～8之間，流速0.5 mL/min，蒸發光檢測器，溫度40 ℃，進樣量5 μL，流動相比例V(甲醇)∶V(水)=7∶3。

1.5 性能測試

1.5.1 表面活性(γcmc)的測試 將IAPG10配制不同濃度的溶液，用K-100表面(界面)張力儀的Wilhelmy板法，在25 ℃ 條件下測定其最低的表面張力γcmc。

1.5.2 泡沫性能測試 根據國標GB/T 7462—1994，配制1 000 mL質量分數為0.25%的IAPG10水溶液，用羅氏泡沫儀測試其泡沫高度，記錄30,180，300 s時的泡沫體積V。

1.5.3 潤濕性測試 配制1 000 mL質量分數為1.0%的IAPG10水溶液，用帆布片放置溶液表面并記錄下沉時間，確定表面活性劑的潤濕。

1.5.4 乳化性能測試 室溫下，配制質量分數為0.5%的IAPG10溶液，并用移液管移取20 mL溶液及20 mL測試油(液體石蠟或大豆油)于100 mL的具塞量筒中，上下用力振動10次，靜置計時，記錄析出10 mL水的時間[10]。

2 結果與討論

2.1 投料摩爾比n(2-PHL)/n(葡萄糖)對體系殘糖的影響

以NMP作為溶劑，反應時間為3.0 h，反應溫度為100 ℃，催化劑m(PTSA)/m(葡萄糖)=0.015，反應體系壓力為2.5 kPa的條件下，考察反應投料摩爾比對于體系殘糖的影響，結果見表1。

表1 反應投料摩爾比對IAPG10殘糖的影響Table 1 Effect of n(2-PHL)/n(glucose) on the residual glucose of IAPG10

由表1可知，殘糖隨投料摩爾比n(2-PHL)/n(葡萄糖)增加而降低，當投料摩爾比n(2-PHL)/n(葡萄糖)>4.0時，殘糖無明顯降低。所以,選擇n(2-PHL)/n(葡萄糖)=4.0為最佳投料摩爾比。

2.2 反應溫度對體系殘糖的影響

以NMP作為溶劑，n(2-PHL)/n(葡萄糖)=4.0，反應時間為3.0 h，催化劑m(PTSA)/m(葡萄糖)=0.015，反應體系壓力為2.5 kPa的條件下，考察反應溫度對于體系殘糖的影響，結果見表2。

表2 反應溫度對IAPG10殘糖的影響Table 2 Effect of reaction temperature on the residual glucose of IAPG10

由表2可知，殘糖隨反應溫度增加而降低，當反應溫度>100 ℃時，殘糖無明顯降低，所以選擇100 ℃ 為最佳反應溫度。

2.3 反應時間對體系殘糖的影響

以NMP作為溶劑，n(2-PHL)/n(葡萄糖)=4.0，反應溫度為100 ℃，催化劑m(PTSA)/m(葡萄糖)=0.015，反應體系壓力為2.5 kPa的條件下，考察反應時間對于體系殘糖的影響，結果見表3。

表3 反應時間對IAPG10殘糖的影響Table 3 Effect of reaction time on the residual glucose of IAPG10

由表3可知，隨著反應時間增加，體系殘糖降低，當時間>3.0 h時，殘糖無明顯變化。所以，選擇3.0 h為最佳反應時間。

2.4 催化劑添加量對于殘糖的影響

以NMP作為溶劑，n(2-PHL)/n(葡萄糖)=4.0，反應溫度為100 ℃，反應時間為3.0 h，反應體系壓力為2.5 kPa的條件下，考察催化劑添加量對于體系殘糖的影響，結果見表4。

表4 反應催化劑添加量對IAPG10殘糖的影響Table 4 Effect of m(LA)/m(glucose)on the residual glucose of IAPG10

由表4可知，殘糖隨催化劑添加量的增加而降低，當催化劑添加量大于m(PTSA)/m(葡萄糖)=0.015時，殘糖無明顯降低。所以，選擇催化劑m(PTSA)/m(葡萄糖)=0.015為最佳添加量。

2.5 產品的結構表征

2.5.1 產品的紅外光譜圖 由圖1可知，3 352 cm-1為O—H鍵的伸縮振動吸收峰，2 925，2 868 cm-1為—CH3和—CH2的振動吸收峰，1 019，1 145 cm-1為C—O和C—O—C鍵的振動吸收峰，其中C—O—C的振動吸收峰是苷類物質的特征吸收峰。

圖1 IAPG10的紅外吸收光譜Fig.1 FTIR spectra of IAPG10

2.5.2 產品的多聚糖液相色譜圖 IAPG10的各組分在色譜上出峰位置的保留時間是取決于組分極性的大小，烷基糖苷中極性較大的多聚糖先出峰，見圖2。多聚糖保留時間為2.0 min。通過標準曲線得出樣品中多聚糖的峰面積與含量，計算得出多聚糖在IAPG10中的百分含量為2.1%。

圖2 IAPG10的多聚糖色譜圖 Fig.2 LC spectra of polysaccharide

2.6 表面張力的測定

采用Wilhelmy板法測定表面張力，IAPG10的表面張力γcmc為30.7 mN/m。

2.7 潤濕性的測定

IAPG10不同濃度的潤濕結果見表5。

表5 不同濃度IAPG10的潤濕性能Table 5 Wettability of IAPG10 at different concentrations

由表5可知，隨著IAPG10濃度的增加，潤濕所用的時間越短，潤濕性逐漸增強。

2.8 泡沫性能

測試IAPG10與直鏈APG10在硬度為150 mg/L硬水中泡沫性能，結果見表6。

表6 IAPG10與APG10的泡沫性能Table 6 Foaming performance of IAPG10 and APG10

由表6可知，IAPG10相較于普通直鏈APG10的泡沫低，且消泡較快，這是因為IAPG10中的疏水鏈中有支鏈，分子間相互作用較差，形成泡沫液膜的表面粘度較小，泡沫穩定性差，消泡較快。

2.9 乳化性能測試

測試了IAPG10對于大豆油和液體石蠟乳化能力，結果見表7。

表7 IAPG10與APG10的乳化性能Table 7 Emulsifying performance of IAPG10 and APG10

由表7可知，IAPG10乳化大豆油的性能與APG10相近，乳化石蠟的能力明顯優于APG10，量筒下層析出10 mL水所用的時間越長，表明乳化能力越好。

3 結論

合成2-丙基-1-庚基糖苷時以N-甲基吡咯烷酮作為溶劑，可以顯著的縮短反應時間至3.0 h，降低反應溫度為100 ℃， 體系中殘留葡萄糖含量為0.22%。IAPG10相較于常規APG10有著泡沫低、消泡快、乳化性能優異等特點，適用于工業清洗、紡織及乳液聚合等，要求低泡，乳化性能優異的行業中。