CN103649043B - 用于制备基于脂肪酰氨基羧酸的表面活性剂的方法 - Google Patents

Abstract

提供了通过使甘氨酸或其盐与脂肪酸酯的混合物在介质中反应并加热反应制备C₈-C₂₂酰基甘氨酸及其盐的方法，该介质选自甘油、丙二醇和其组合，和其中所述混合物的pKa为9.5-13。

Description

用于制备基于脂肪酰氨基羧酸的表面活性剂的方法

发明背景。

发明领域

本发明涉及制备脂肪酰氨基羧酸的表面活性剂的方法。

相关领域

脂肪酰氨基羧酸盐是合意的表面活性剂。它们具有良好的水溶性、良好的去污性和发泡性。最特别的是，它们对皮肤温和。不幸的是，它们的使用量与程度因其生产昂贵而受到限制。

获得脂肪酰氨基羧酸盐的最传统和目前商业化的途径见于美国专利US 6,703,517（Hattori等人）。通过使氨基酸与活化的脂肪酸衍生物，尤其是脂肪酰氯反应实现合成。这种方法要求摩尔当量的碱以去除该反应的氯化氢副产物。与副产物一起存在明显的废弃物处理问题，并且增加的氯化物成本不能完全回收。

美国专利US 7,439,388 B2（Harichian等人）描述了一种方法，其中以高产率将伯酰氨基醇氧化成相应的酰氨基羧酸。示例是通过使用位阻硝基氧(nitroxide)催化剂介导将椰油单乙醇酰胺转化为N-椰油酰基甘氨酸。

WO 2008/019807 A1（Clariant International Ltd.）描述了通过使用过渡金属催化剂，特别是在二氧化钛纳米级催化剂上的金氧化脂肪酸单乙醇酰胺制备酰基甘氨酸盐的方法。

直接酯化和酯交换是此前也已经研究过的途径。美国专利申请公开号2006/0239952 A1（Hattori）描述了通过碱性物质如氢氧化钠或氢氧化钾催化的在中性氨基酸与长链脂肪酸之间的反应。例如，甘氨酸与月桂酸之间的反应制造酰化产物月桂酰甘氨酸和月桂酰甘氨酰甘氨酸。显著副产物包括非酰化形式，如甘氨酰甘氨酸和甘氨酰二酮哌嗪（glycyldiketopiperazine），以及未反应的甘氨酸。该反应据称是高效的（酰化形式的产率），但是这样的结果是由于月桂酸原材料对甘氨酸的比极高。

GB 1 337 782（Rohm Gmbh）描述了制备N-酰基氨基羧酸的盐的酯交换过程。羧酸或其酰胺与含有至少三个碳原子的氨基羧酸反应，该反应在至少化学计算量（基于氨基羧酸）的成盐阳离子的存在下进行。在氨基羧酸中，仅有甘氨酸据称是不可用的，因为该过程导致显著的树脂化。但是，甘氨酸的高级同系物据称可以良好地反应；这些包括丙氨酸、β-丙氨酸、肌氨酸、缬氨酸、亮氨酸、苯基甘氨酸和苯基丙氨酸。溶剂如水或有机溶剂如二甲基甲酰胺据称是必要的。

DE 44 08 957 A1（BASF AG）报道了通过氨基羧酸的固体无水碱金属盐的悬浮液和适当的羧酸或酯的反应制备N-酰基氨基羧酸。向悬浮液中添加催化量的强碱以促进该反应。示例是在摩尔当量的氢氧化钠的存在下一起加热在200℃下熔融的等摩尔量（equimolar）的月桂酸和无水肌氨酸钠的反应。尽管产率高，但是所得产物高度着色。

日本专利申请JP 57/058,653（Ota）报道了通过使相应的氨基酸与酯反应制造N-酰基氨基酸的方法。示例性的酯包括月桂酸甲酯、硬脂酸甲酯和脂肪酸甘油酯，如甘油三乙酸酯、甘油三月桂酸酯和甘油三硬酯酸酯。尽管溶剂据说并非总是必要的，所有实施例均采用了极性溶剂如乙腈、二甲亚砜或N,N-二甲基甲酰胺。

已知的酯化或酯方法过程均存在缺点。许多方法要求相对高的温度和/或强碱以促进反应。这些条件促进了氨基酸与其本身的副反应而不是与脂肪酰化试剂的反应。这些竞争反应浪费了昂贵的氨基酸起始反应物并需要去除清理步骤。也不利地影响了产率。此外，已知领域中反应的必要条件对于最简单的氨基酸例如甘氨酸来说太过苛刻。

提供制备C₈-C₂₂酰基甘氨酸及其盐的方法，该方法包括：

(i) 使甘氨酸或其盐与脂肪酸酯的混合物在介质中反应，该介质选自甘油、丙二醇和其组合，和其中所述混合物的pKa为9.5-13；

(ii) 加热该混合物以形成C₈-C₂₂酰基甘氨酸及其盐；和

(iii) 回收在反应所得物质中的C₈-C₂₂酰基甘氨酸及其盐。

发明详述

现在相对柔和的酯交换反应已经获得了C₈-C₂₂酰基甘氨酸游离酸及其盐的良好产率。获得该产物的重要因素是使用甘油（丙三醇）、丙二醇或组合作为反应介质。

有利地，反应介质是基本无水的。基本无水指的是0至10%、优选0至5%、更优选0至3%、再更优选0至1%且尤其为0.05至1重量%的量的水。水合的水（在甘氨酸一水合物中发现的）不被认为算作反应介质中存在的水的一部分。

反应混合物合意地应具有9.5至13、优选10.5至12的25℃下的pKa。

第一试剂是甘氨酸或其盐。合适的盐包括甘氨酸的钠和钾盐。该试剂可以是无水的或水合形式。甘氨酸一水合物是特别合适的。

第二试剂是脂肪酸酯。术语“脂肪酸”在这里定义为含有8至22个碳的羧酸基团的材料，其可以是饱和的、不饱和的、支化的、非支化的或其组合。

多种脂肪酸酯适于用作助反应物。最优选的是C₈-C₂₂脂肪酸的C₁-C₃烷基酯。示例为月桂酸甲酯、油酸甲酯、亚油酸甲酯、肉豆蔻酸甲酯、硬脂酸甲酯、棕榈酸甲酯、月桂酸乙酯、油酸乙酯、亚油酸乙酯、肉豆蔻酸乙酯、硬脂酸乙酯、棕榈酸乙酯、月桂酸正丙酯、油酸正丙酯、亚油酸正丙酯,、月桂酸异丙酯、油酸异丙酯、亚油酸异丙酯、肉豆蔻酸异丙酯、硬脂酸异丙酯、棕榈酸异丙酯及其混合物。特别合适的是椰油酸甲酯。

C₈-C₂₂脂肪酸的C₁-C₃烷基酯可以通过与各自的C₁-C₃烷醇水解由甘油三酸酯生成。最适于用作该烷醇的是甲醇。尤其可用但非排它的甘油三酸酯是椰油、玉米油、棕榈仁油、棕榈油、大豆油、葵花籽油、棉籽油、菜籽油、低芥酸菜籽油（canola oil）、蓖麻油及其混合物。最优选的是椰油。

适于在本发明的方法中用作助反应物的替代脂肪酸酯是甘油酯。这些甘油酯可以选自甘油一酸酯、甘油二酸酯、甘油三酸酯及其混合物。示例性甘油一酸酯是月桂酸单甘油酯、油酸单甘油酯、亚油酸单甘油酯、肉豆蔻酸单甘油酯、硬脂酸单甘油酯、棕榈酸单甘油酯、椰油酸单甘油酯及其混合物。示例性甘油二酸酯包括二月桂酸甘油酯、二油酸甘油酯、二亚油酸甘油酯、二肉豆蔻酸甘油酯、二硬脂酸甘油酯、二异硬脂酸甘油酯、二棕榈酸甘油酯、椰油酸甘油酯、单月桂酸单肉豆蔻酸甘油酯、单月桂酸单棕榈酸甘油酯及其混合物。示例性但非限制性的甘油三酸酯包括油和脂肪，如椰油、玉米油、棕榈仁油、棕榈油、大豆油、棉籽油、菜籽油、低芥酸菜籽油、葵花籽油、芝麻油、米糠油、橄榄油、牛脂、蓖麻油及其混合物。最优选的是椰油。使用甘油一酸酯、甘油二酸酯和甘油三酸酯作为助反应物具有超过C₈-C₂₂脂肪酸的C₁-C₃烷基酯的优点。后者通常由甘油三酸酯的分解制成。由甘油三酸酯转化为该方法增加了额外的步骤。使用甘油一酸酯、甘油二酸酯和甘油三酸酯作为起始助反应物的缺点是所得酰基甘氨酸盐产物的虽然良好但是略低的产率。

示意性地，用C₈-C₂₂脂肪酸的C₁-C­₃烷基酯制备C₈-C₂₂酰基甘氨酸或其盐的方法（下文中称为“单酯途径”）符合下列反应方案（为了说明，其任选包括甘油三酸酯前体）。

其中R是选自饱和和不饱和烷基或其混合物的C₇-C₂₁基团；R’是C₁-C₃烷基；X是阳离子抗衡离子，优选钠或钾阳离子。最优选R'是甲基。

示意性地，直接用甘油三酸酯作为助反应物制备C₈-C₂₂酰基甘氨酸或其盐的方法符合下列反应方案。

其中R是选自饱和和不饱和烷基或其混合物的C₇-C₂₁基团；R”和R’’’独立地选自可以相同或不同的C₇-C₂₁基团、氢及其混合物；X是阳离子抗衡离子，优选钠或钾阳离子。最优选R是C₁₁基团。

相对于传统Schotten-Bauman酰卤途径，本方法的优点在于可以容许不饱和脂肪酯，如油基酯和亚油基酯。这些不饱和酸不会像现有技术的那些反应中所发生的那样出现分解或产生颜色体（color bodies）。在该方法中产生最小量的副产物。我们没有发现甘氨酰甘氨酸或甘氨酰二酮哌嗪的迹象。也不存在任何废物流。由该甘油三酸酯释放的甘油可以用作反应介质。从该单酯途径的主反应中蒸馏出的烷醇（例如甲醇）可以进料回到甘油三酸酯水解反应中以形成新的脂肪酸甲基酯。

甘氨酸或其盐对脂肪酸酯的相对摩尔比可以为大约3:1至大约1:3、优选大约2:1至大约1:1、更优选1.3:1至1.05:1。

甘油、丙二醇或这些液体的混合物可以是反应介质。甘油或丙二醇对甘氨酸或其盐的相对摩尔比可以为大约8:1至大约1:1、优选大约6:1至大约1:1、更优选大约2:1至1:1。

通常，甘油、丙二醇和其混合物的总量为该介质重量的50至100%、优选80至100%、最优为98至100%。

该反应的温度条件可以为大约50℃至大约150℃、优选大约80℃至大约140℃、最优为大约110℃至大约130℃。

可有用地存在含有碱性金属盐的催化剂以改善反应速度和转化水平。特别可用的是含有碱金属和碱土金属的氢氧化物、磷酸盐、硫酸盐和氧化物，包括氧化钙、氧化镁、氧化钡、氧化钠、氧化钾、氢氧化钙、氢氧化镁、磷酸钙、磷酸镁及其混合物。最适合的是氧化钙和氧化镁，前者是优选的。碱性金属盐催化剂的量可以为反应中存在的甘氨酸起始材料重量的大约1至大约20%、优选大约1至大约10%、更优选大约1.5至5%。

缓冲化合物还可以在一些实施方案中具有改善本发明的转化和反应时间的功效。合适的缓冲剂包括磷酸三钠、磷酸氢二钠、柠檬酸钠、碳酸钠、碳酸氢钠、硼酸钠及其混合物。特别可用的是磷酸三钠。缓冲剂的量可以为该反应中存在的甘氨酸起始材料的重量的大约1至大约30%。该量优选为该反应中存在的甘氨酸起始材料的重量的大约5%至大约15%。

有利地，单酯途径中烷醇（例如甲醇）的蒸馏可以在大气压以及减压条件下进行。

出于许多目的，无需将反应产物分离。例如，当该酰基甘氨酸盐意在用于个人护理产品如沐浴露、香皂、香波或甚至皮肤洗剂（lotion）时，可以无需分离该甘油。甘油可以作为润湿剂用于这些产品。在其中甘油、未反应的起始材料或少量副产物是不合意的情况下，可以进一步处理所得反应物质。例如，可以用乙醇处理该物质，其沉淀出该酰基甘氨酸盐，或用酸化处理该混合物，形成游离酸，但是将甘油和未反应的起始材料保持溶解在乙醇中。在分离该酰基甘氨酸盐产物时，未反应的起始原料和甘油可以通过蒸发（例如蒸馏）乙醇以再循环用于进一步的反应。

通过本方法，避免了在此前已知的获得酰基甘氨酸盐的途径中通常生成的有色副产物。证实不存在有色物类，例如通过色谱法和/或质谱法分析程序已经确定甘氨酰甘氨酸和甘氨酰二酮哌嗪。此外，或许该方法中生成的产物的清洁性质的最佳指标是视觉上不存在深色着色（例如，不存在褐色、棕色、或甚至绿色/蓝色，由此区分于其它甘氨酸盐形成途径）。在加热步骤（ii）后，将含有酰基甘氨酸产物与甘油的反应产物的所得热液体物质从反应器中取出并形成半固体。通过Hunter Lab Color Scale评价该物质的颜色。来自该反应的所得物质的颜色可以为白色至略微灰白色不等。以Hunter级别，关键参数是L值，其为亮度的反射度量。L应当为70至100、优选75至100、最佳为90至100。合意地，也可以考虑b值。该“b”可以为0至20、优选0至15、最佳为0至3。影响较小的是“a”值，其可以为-2至8、优选-1至5、最佳为0至4。通过将反应所得物质颜色（在该方法结束时冷却）与可以在http://www.colorpro.com/info/tools/convert.htm 处在线获得的Color Metric Converter表比较获得本发明的值。

本文中提到的所有文献，包括所有专利、专利申请和印刷出版物由此通过引用全文并入本公开中。

术语“包含”是指不限于任何随后描述的元素，而是包括具有主要或次要功能重要性的未指定元素。换句话说，列举的步骤、元素或选项无须是穷举的。只要使用词语“包括”或“具有”，这些术语意味着等价于上文定义的“包含”。

除了在操作实施例和对比实施例中，或另行明确说明，指示材料量的本说明书中的所有数字应理解为被词语“大约”修饰。

要注意的是，在规定任何浓度或量的范围时，任何特定上限浓度可以与任何特定下限浓度或量结合。

下面的实施例将更充分地例示本发明的实施方案。除非另有说明，本文中和所附权利要求书中提到的所有份数、百分比和比例均按重量计。

经单酯途径合成椰油酰基甘氨酸盐

250毫升三颈玻璃反应容器用于进行一系列对比试验。居中的颈装有一端具有Teflon®桨叶的搅拌棒，在第二端具有旋转该棒的马达。该反应器的第二颈装有通向迪恩-斯塔克分水器的水冷冷凝器，用于收集酯交换反应中生成的甲醇。第三颈装有连接到温度控制装置的温度计。在glas-col加热套中外部加热该反应器。在试验1中，反应器装有25克甘油、0.41克氧化钙、17.5克甘氨酸钠和39克椰油酰基甲基酯。在反应器中最初存在两相。随后将反应物在恒定搅拌和干燥氮气下在120℃下加热2小时。随后将反应器内容物冷却至刚好高于凝固点的温度，并从反应器中取出。所得物质为白色糊料。液相色谱法分析表明椰油酰基甘氨酸钠的产率为大约87%（基于起始甘氨酸）。

所得物质含有50.3%的椰油酰基甘氨酸钠、7.2%的C₈-C₁₈脂肪酸、34.1%的甘油、1.6%的甘氨酸、少于1.0%的椰油酸甲酯，以及剩余的氧化钙和其它次要材料。

通过液相色谱法/质谱分析，基于全部所得物质中的%量，该椰油酰基甘氨酸钠含有下列脂肪酸链长分布：5.0%的C₈、3.8%的C₁₀、27.4%的C₁₂、9.7%的C₁₄、4.5%的C₁₆和6.9%的C₁₈。该C₁₈甘氨酸盐是硬脂酸、油酸和亚油酸异构体的混合物。与替代的酰卤途径条件下不存在不饱和C₁₈化合物相反，经历该反应条件后该不饱和C₁₈化合物仍可存在。

进行了一系列进一步的试验以评价催化剂、缓冲剂、反应时间和温度的重要性。这些试验记录在表I中。反应物和条件与试验1相同，除了经表I中脚注另行说明的之外。

试验5-7表明，在不存在甘油的情况下，几乎没有生成任何椰油酰基甘氨酸钠。由这些试验可以清楚地看出，介质是驱动良好转化率的关键方面。甘油是最好的，丙二醇次之（second best）但是也可以使用。

试验13-15表明在远低于9.5的pKa下进行的反应不会产生任何甘氨酸盐产物。在7.6、7.7和8.9的pKa下注意到零产率。

实施例2

评价了一系列不同的反应介质。采用与试验1相同的反应物和条件进行该试验，除了表II的脚注中另行说明的之外。

根据表II中报道的结果，显而易见的是，甲醇、乙醇、异丙醇、甲苯、异戊醇和水在提供反应物向椰油酰基甘氨酸钠的适当转化方面是无效的。仅有甘油，以及在较小程度上的丙二醇在驱动反应向更高转化率方面是有效的。

实施例3

经甘油三酸酯获得椰油酰基甘氨酸盐

250毫升三颈玻璃反应容器用于进行一系列对比试验。居中的颈装有一端具有Teflon®桨叶的搅拌棒，在第二端具有旋转该棒的马达。该反应器的第二颈装有通向迪恩-斯塔克分水器的水冷冷凝器，用于收集酯交换反应中生成的馏出物。第三颈装有连接到温度控制装置上的温度计。在glas-col加热套中外部加热该反应器。在试验1中，反应器装有25克甘油、17.5克甘氨酸钠、0.41克氧化钙、3克磷酸钠（缓冲剂）和41.2克椰油。在反应器中最初存在两相。随后将反应物在恒定搅拌下在130℃下加热2小时。随后将反应器内容物冷却至刚好高于凝固点的温度，并从反应器中取出。所得物质为白色糊料。

液相色谱法分析表明，椰油酰基甘氨酸钠的产率为大约92.7%（基于起始的甘氨酸）。该试验在表III中标记为22号。采用与试验22相同的反应物和在与试验25相同的条件下进行试验23-25，除了该表中另行说明的之外。

试验23显示产率可以水反应时间和温度改变。在试验24中缺乏缓冲剂并不影响产物产率。玉米油作为甘油三酸酯被发现是可行的，尽管产率低于椰子油。见试验25。

虽然已经参照其具体实施方案详细描述了本发明，对本领域技术人员显而易见的是可以在不离开其精神与范围的情况下在其中进行各种变化和改进。

Claims (20)

1.制备C₈-C₂₂酰基甘氨酸或其盐的方法，该方法包括：

(i) 使甘氨酸或其盐与脂肪酸酯的混合物在介质中反应，该介质选自甘油、丙二醇和其组合，和其中所述混合物的pKa为9.5-13，所述脂肪酸酯是C₈-C₂₂脂肪酸的C1-C3烷基酯或甘油酯，所述甘油酯选自甘油单酸酯、甘油二酸酯或甘油三酸酯；

(ii) 加热该混合物以形成C₈-C₂₂酰基甘氨酸或其盐；和

(iii) 回收在反应所得物质中的C₈-C₂₂酰基甘氨酸或其盐。

2.根据权利要求1的方法，其中所述脂肪酸酯是C₈-C₂₂脂肪酸的C1-C3烷基酯，其选自月桂酸甲酯、油酸甲酯、亚油酸甲酯、肉豆蔻酸甲酯、硬脂酸甲酯、棕榈酸甲酯、月桂酸乙酯、油酸乙酯、亚油酸乙酯、肉豆蔻酸乙酯、硬脂酸乙酯、棕榈酸乙酯、月桂酸正丙酯、油酸正丙酯、亚油酸正丙酯、月桂酸异丙酯、油酸异丙酯、亚油酸异丙酯、肉豆蔻酸异丙酯、硬脂酸异丙酯、棕榈酸异丙酯及其混合物。

3.根据权利要求1的方法，其中所述脂肪酸酯是甘油三酸酯，其选自椰油、玉米油、棕榈仁油、棕榈油、大豆油、棉籽油、菜籽油、低芥酸菜籽油、葵花籽油、芝麻油、米糠油、橄榄油、牛脂、蓖麻油及其混合物。

4.根据权利要求1的方法，其中所述介质是甘油。

5.根据权利要求1的方法，进一步包含含有碱性金属盐的催化剂。

6.根据权利要求5的方法，其中所述含有碱性金属盐的催化剂选自包含碱金属或碱土金属的氢氧化物、磷酸盐、硫酸盐和氧化物。

7.根据权利要求5的方法，其中所述含有碱性金属盐的催化剂选自氧化钙、氧化镁、氧化钡、氧化钠、氧化钾、氢氧化钙、氢氧化镁、磷酸钙、磷酸镁及其混合物。

8.根据权利要求5的方法，其中所述含有碱性金属盐的催化剂是氧化钙。

9.根据权利要求1的方法，其中所述介质与甘氨酸起始材料或其盐以大约8：1至大约1：1的相对摩尔比存在。

10.根据权利要求1的方法，其中所述介质与甘氨酸起始材料或其盐以大约6：1至大约1：1的相对摩尔比存在。

11.根据权利要求1的方法，其中甘氨酸起始材料或其盐相对于脂肪酸酯的摩尔比为大约3：1至大约1：3。

12.根据权利要求1的方法，其中甘氨酸起始材料或其盐相对于脂肪酸酯的摩尔比为1.3：1至1.05：1。

13.根据权利要求1的方法，其中在大约50℃至大约150℃的温度下加热该混合物。

14.根据权利要求1的方法，其中在大约80℃至大约140℃的温度下加热该混合物。

15.根据权利要求1的方法，进一步包含缓冲剂。

16.根据权利要求15的方法，其中该缓冲剂选自磷酸三钠、磷酸氢二钠、碳酸氢钠、碳酸钠、柠檬酸钠、硼酸钠及其混合物。

17.根据权利要求5的方法，其中所述包含碱性金属盐的催化剂以所述甘氨酸或其盐的1-20重量%的量存在。

18.根据权利要求1的方法，其中所述反应所得物质具有70-100的Hunter Lab Color Scale L值。

19.根据权利要求1的方法，进一步包含0-10%的水。

20.根据权利要求1的方法，进一步包含0-1%的水。