CN1086739A - 碳水化合物衍生的表面活性剂和它们的前体 - Google Patents

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Abstract

一种制备通式为R2NR1R3(I)的N，N-二烷基糖 胺化合物的方法，它包括使通式R2NHR3(II)(其中R2 为具有1至4个碳原子的直链或支链烷基或羟烷基 和R3为由单糖化物衍生的残基)的仲胺与碱金属或 碱土金属的脂族硫酸盐R1SO4M(其中R1为具有8 至24个碳原子的直链或支链烷基或烯基)进行反 应。
提供了用作柔和性表面活性剂(I)的甜菜碱，磺基 甜菜碱和N-氧化的衍生物。

Description

本发明涉及制备碳水化合物衍生的表面活性剂和它们的前体的改进的方法。更具体地说是涉及用于制备具有至少一条脂肪烷基链并能作为中间体用于制备各种半极性的、两性的和阳离子的表面活性剂的N，N-二烷基糖氨基化合物的改进方法和涉及这些化合物的一些新的衍生物。上述中间体的N-氧化的，N-羧甲基化的和N-磺烷基化的衍生物（分别为氧化胺、甜菜碱和磺基甜菜碱）是本发明特别优选的新化合物。
这些新的化合物对皮肤和眼睛十分温和并显示低的毒性，因此它们可用作柔和性表面活性剂，尤其在中性或弱酸性介质中使用非常有效。这些化合物是天然的和可再生的原料，如碳水化合物和天然脂肪和油的衍生物，这些物质从环境保护方面和毒性方面来说都是十分理想的。基于单糖化物的胺衍生物的表面活性剂具有特别好的生理承受性。
欧洲专利申请EP0396871A2揭示了N-烷基糖胺的羧甲基化衍生物。现有文献（Veksler等人，Zhur.Obshch.Khim.，44卷，No.10，2328-2329页）描述了二烷基化糖胺，但至今尚未公开满意的制备这些化合物有用形式的方法。上述参考文献描述了使用烷基卤化物（有毒性的，昂贵的试剂）作为烷基化剂合成N-烷基-N-甲基-D-葡糖胺的方法。在上述的合成方法中，阳离子叔铵盐也在反应中生成。这种阳离子物质对皮肤或眼睛具有刺激性，因此它们是两性表面活性剂制备过程中产生的不希望的副产物。基于上述这些原因N，N-二烷基糖氨基化合物一直未被认为是合适的用于制备广泛地用于化妆品工业中的两性或半极性表面活性剂的中间体。
本发明提供了制备通式（Ⅰ）的N，N-二烷基糖胺化合物的改进方法：
Figure 931070678_IMG5
其中R1为具有8至24个碳原子的直链或支链烷基或链烯基，R2为具有1至4个碳原子的直链或支链烷基或羟烷基和R3为单糖化物衍生的残基，该方法包括在碱性溶液中，在足以产生N，N-二烷基糖胺化合物的温度下使如下通式（Ⅱ）的仲胺：
Figure 931070678_IMG6
其中R2和R3如上文中所定义，与碱金属或碱土金属的脂族硫酸盐R1SO4M反应。
反应物的比例是化学计量的。反应试剂中任何一种过量使用都是可以的，因为这二种试剂都是水溶性的，可以通过洗涤将它们从产物中除去。由于表面活性的缘故，硫酸盐要比胺难于除去。因此胺略有过量是优选的。
在本发明的方法中，通常将所说的仲胺，例如N-甲基-D-葡糖胺和所说的硫酸盐，例如C3-24烷基或链烯基硫酸钠，特别是十二烷基硫酸钠在足以中和所有反应中生成的酸（例如在PH值至少为12）的合适的碱，如碱金属或碱土金属氢氧化物，特别是氢氧化钠存在下以摩尔比5∶1至1∶1.5（以胺∶硫酸盐重量计），尤其是4∶1至1∶1.1，更优选以3∶1至1∶1，例如2∶1至1.1∶1加入到反应器，例如高压釜中。
将反应器优选地加热至足以能维持足够的反应速度而避免碳水化合物残基过度分解的温度。根据不同的反应器类型，使用的温度范围可以是室温至200℃，例如，120℃至170℃，例如140℃至160℃，例如150℃。
根据不同的温度通常的反应时间是0.5至24小时，例如1.5至10小时。
所得的产物N，N-二烷基糖胺可用常用方法进行分离，例如用水和/或有机溶剂，如甲醇进行洗涤。通常不再需要另外的提纯步骤。
本发明还提供了用结构式（Ⅰ）表示的N，N-二烷基糖胺化合物的新衍生物。
按照本发明的优选的实施方案，本发明提供了通式（Ⅲ）的新的N，N-二烷基糖胺衍生物：
Figure 931070678_IMG7
其中R1，R2和R3如上述定义，R4为CH2CO或CH2-CHOHCH2SO2，n为1或0，即分别为N，N-二烷基糖氨基乙酸盐、N，N-二烷基糖氨基-2-羟基-3-磺基丙烷或N，N-二烷基糖胺氧化物。
在式（Ⅲ）的N，N-二烷基糖胺衍生物中，R1最好有8-24个碳原子，如10-22个，特别是12-14个，它通常为一种由诸如油酸、亚油酸、肉豆蔻酸、硬脂酸、牛磺酸、月桂酸或十二烷酸得到的脂族烷基或链烯基;R2为一种烷基或羟烷基，其优选具有1-4个碳原子，通常为甲基，R3可以是从诸如D-葡萄糖、D-甘露糖和D-果糖等D-半乳糖得到，因而它代表一种脱氧D-半乳糖醇基，如：
Figure 931070678_IMG8
如，1-脱氧-1-葡糖基、2-脱氧-2-葡糖基和3-脱氧-葡糖基，特别是1-脱氧-1-葡糖基，最优选1-脱氧-1-D-葡糖基。
本发明的式（Ⅲ）的N，N-二烷基糖胺化合物的新衍生物实例是：N-十二烷基-N-甲基-D-糖氨基乙酸盐、N-十二烷基-N-甲基-D-糖胺N-氧化物和N-十二烷基-N-甲基-D-糖氨基-2-羟基-3-磺基丙烷。
本发明还提供了一种由本发明的方法制备的式（Ⅰ）的化合物来制备式（Ⅲ）的化合物的方法，该方法包含：
（a）由N，N-二烷基糖胺（Ⅰ）的N-羧甲基化制备N，N-二烷基糖胺乙酸盐。
（b）使N，N-二烷基糖胺（Ⅰ）与3-氯-2-羟丙烷磺酸或其盐进行接触而形成相应的羟丙烷磺酸盐，或
（c）使N，N-二烷基糖胺（Ⅰ）与一种氧化剂进行接触而形成相应的N-氧化物。
在本发明的步骤（a）和（b）中，为了生产N，N-二烷基糖胺乙酸盐或羟丙烷磺酸盐，所说的N，N-二烷基糖胺，如N-十二烷基-N-甲基-D-葡糖胺通常与适宜的N-羧甲基化试剂或N-磺烷基化试剂反应，其所用的反应条件分别与现有技术中羧甲基化或磺烷基化胺表面活性剂或表面活性剂前体所用的反应条件相同。
磺烷基化适用的试剂包括3-氯-2-羟丙烷磺酸，羧甲基化适用的试剂为碱金属氯乙酸盐，特别是氯乙酸钠。羟甲基化过程通常是在水溶液中进行，也可以采用现有技术中所述的有机溶剂或其它惰性溶剂。
本发明方法步骤（a）的一种最优选的方案中，应添加足量氯乙酸钠以使得所说的N-二烷基糖胺完全羧甲基化，例如，氯乙酸钠与糖胺的摩尔比可为0.9∶1-1.5∶1，优选为化学计量比例或氯乙酸钠稍过量。然后保持温度和PH值为一定值以使单糖残基，如脱氧已糖醇基的羟基不反应，也使氯乙酸盐不会过多水解而形成乙醇酸盐，上述过程在搅拌下保持1-30小时，如15小时，所需时间取决于所用的温度。一般说来，温度应保持在室温至单糖残基或氯乙酸发生降解的温度之间，如温度可高至100℃，优选的温度范围为40-90℃，如70℃;PH值例如可超过7加8-9在碱性条件下加热反应产物可使过量的氯乙酸盐水解成乙醇酸盐。
使用常规方法可分离产物N，N-二烷基糖胺乙酸盐如N-十二烷基-N-甲基-D-糖氨基乙酸盐，即R4为CH2CO的式（Ⅲ）产物，但是通常是以所制备的水溶液使用。
在本发明方法步骤（b）的一种优选方案中，所说的N，N-二烷基糖胺与所说的N-磺烷基化试剂以足以使所说的糖胺基本上完全转化为相应的羟丙烷磺酸盐的摩尔比进行反应。通常所用的摩尔比（糖胺与3-氯-2-羟丙烷磺酸）为1∶1-1.5∶1，优选1∶1-1.05∶1。然后保持温度和PH值为一定值以使单糖残基的羟基不会反应，上述过程在搅拌下保持1-30小时，如20小时，所需时间取决于所用的温度。通常，温度应保持在室温至单糖残基或N-磺烷基化试剂发生降解的温度之间，如温度可高至80℃，优选温度可高至60℃，PH值例如可超过8。
使用氢氧化钠经水解除去过量的3-氯-2-羟丙烷磺酸或其盐。
如果需要的话可采用常规方法来分离产物N，N-二烷基糖氨基羟丙烷磺酸盐，如N，N-二烷基糖氨基-2-羟基-3-磺基丙烷，即R4为CH2CHOHCH2SO2的式（Ⅲ）产物。
在本发明的方法步骤（C）中，为了生产N，N-二烷基糖胺氧化物，所说的N，N-二烷基糖胺，如N-十二烷基-N-甲基-D-葡糖胺通常与适宜的氧化剂反应以进行选择性N-氧化过程，例如该反应在过氧化氢的水溶液存在下在搅拌下进行。
在本发明方法步骤（C）的一种最优选的方案中，将过氧化氢加至所说的N，N-二烷基糖胺中，所用的比例应使氧化反应完全，过量的糖胺不再残留。例如，过氧化氢与糖胺的摩尔比为1∶1-1.5∶1，如1∶1-1.1∶1是可以接受的，但化学计算量更为优选。过量的糖胺将需进一步的纯化过程，而过量的过氧化氢则可用亚硫酸钠去除。
反应通常是在有少量过滤金属离子螯合剂如EDTA存在下，在足以能维持足够的氧化速度而避免单糖化物残基的羟基发生反应的温度下进行。可以使用催化剂，如碳酸氢钠和/或碳酸钠和/或二氧化碳加速反应，膦酸，例如乙酰二膦酸、氨基三（亚甲基膦酸）、乙二胺四（亚甲基膦酸）、二亚乙基三胺五（亚甲基膦酸和这一系列物质中更高级的物质、甘氨酸二（亚甲基膦酸）可以优选地存在反应中以进一步加速反应并抑制对环境不利的副产物的生成。通常反应温度可以是高达100℃，例如40℃至90℃，例如60℃，按照不同的温度可将所说的温度维持2至5小时，例如4小时。
产物N，N-二烷基糖胺氧化物，例如结构式（Ⅲ）中R1不存在的化合物N-十二烷基-N-甲基-D-葡糖胺-N-氧化物可以用常规方法分离，但是它们通常是以制得的形式使用。
本发明还提供了由起始化合物（Ⅰ）经两步合成法制得的N，N-二烷基糖胺衍生物，其中起始化合物（Ⅰ）经方法（a）或（b）或（c）依次进行反应以制得式（Ⅲ）的化合物。
另外，本发明还提供了式（Ⅲ）的N，N-二烷基糖胺衍生物作为表面活性剂的应用，表面活性剂中包括用本发明的方法制得的那些化合物。
通常所说的N，N-二烷基糖胺衍生物可以配制成表面活性剂组合物，它还可以进一步含有例如其它的表面活性剂或增效剂、防汗剂、除臭剂、羊毛脂或其它皮肤软化的或润湿的制剂、止痛剂、防腐剂、乳化剂、分散剂、皂、聚合增稠剂、湿润剂、泡沫抑制剂、香料和着色剂。
本发明的N，N-二烷基糖胺衍生物易于起泡，且对皮肤和眼睛柔和。此外，它们是可生物降解的物质，更为突出的一点是它们是由可再生资源，如葡萄糖衍生物和脂肪醇而得到的。
通过下述实施例进一步阐述本发明。
实施例1
N-十二烷基-N-甲基-D-葡糖胺的合成
向5升的高压釜容器中加入十二烷基硫酸钠90%（重量/重量）（493.4克，1.67摩尔），N-甲基-D-葡糖胺（611.1克，3.15摩尔）和氢氧化钠（60克，1.5摩尔）在1055.7克水中的溶液，用氮气在200Psi下进行压力测试后，将高压釜在160℃下加热2小时（形成的最大蒸汽压为88Psi），反应混合物被冷却以得到白色海绵状物质，经水和甲醇洗涤去除杂质，在干燥器中干燥后得到一种白色粉末。碱值＝96%纯度。
原料：
十二烷基硫酸钠90%（重量/重量）：        493.4克，1.67摩尔
N-甲基-D-葡糖胺：        611.1克，3.15摩尔
水：        1055.7克
氢氧化钠：        60克，1.5摩尔
条件：温度：160℃
时间：2小时
Figure 931070678_IMG9
分析：碱值：149.4毫克KOH/克（97%）
FAB质谱：336（M+H），364（M+H），392（M+H），420（M+H）
熔点：88-90℃
13C-NMR（在d6-DMSO中）：14（（CH3-CH2）n），23-31（（CH2）n），42（CH3-N），60（N-CH2），64（CH2OH），70-72（（CHOH）4）。
1H-NMR（在d6-DMSO中）：0.8（-CH3，t，3H）1.3（-CH2，S，22H），2.2（-N-CH3，d，3H），3.4-3.7（CH2+CH，m，8H），4.3-4.6（OH，bm，5H）。
实施例2
N-十二烷基-N-甲基-D-葡糖氨基乙酸盐的合成
将氯代乙酸钠（20.7克，0.177摩尔）溶解在水（212克）中并在搅拌下向其中逐份加入N-十二烷基-N-甲基-D-葡糖胺（64.5g，0.177摩尔）同时将反应混合物的温度上升到60℃。在加料完成之后，用0.5克20%重量/体积的氢氧的钠将PH值调节至9.0，将反应混合物在70℃下加热12小时并间断地进一步逐份地加入4.41克氯代乙酸钠。最后得到透明的泡沫溶液。
原料：
氯代乙酸钠        25.11克，0.216摩尔
N-十二烷基-N-甲基-D-葡糖胺        64.5克，0.177摩尔
水        212克
20%重量/体积氢氧化钠        1.4克
实施例3
N-十二烷基-N-甲基-D-葡糖胺-2-羟基-1-丙烷磺酸盐的合成
将3-氯-2-羟基-1-丙烷磺酸钠盐（34.8克，0.177摩尔）溶解于水（212克）并在搅拌下向其中逐份加入N-十二烷基-N-甲基-D-葡糖胺并将反应混合物的温度上升到60℃。在加料完成后，用1.5克20%重量/体积的氢氧化钠将PH值调节至9.0。反应混合物在80℃下加热20小时。最后得的产物为到透明的泡沫溶液。
实施例4
N-十二烷基-N-甲基-D-葡糖胺的N-氧化物的合成
在50℃下在2升夹套反应器中将N-十二烷基-N-甲基-D-葡糖胺（393.63克，1.06摩尔）悬浮在水（1050克）中，然后将悬浮在温水（30克）中的EDTA（1.7克，0.1%重量/重量，基于组合物的总重要）加入到该搅拌后的悬浮液中，接着向其中加入溶解在温水（50克）中的碳酸氢钠（17克，1%重量/重量基于组合物的总重量）。然后用滴液漏斗量出过氧化氢（34.75%）（104.35克，1.06摩尔），在50℃下搅拌葡糖胺悬浮液的同时，一次性加入约20克的过氧化氢。30分钟后用30分钟的时间将剩余的过氧化氢逐滴加入。20分钟后乳状悬浮液变清和变稀。在50℃下总共加热5小时。冷却后最终产物变成白色的膏状物。以过氧化氢计算所得的收率为99%。

Claims (30)

1、一种制备如下通式(Ⅰ)的N，N-二烷基糖胺化合物的改进方法：
Figure 931070678_IMG1
其中R1为具有8至24个碳原子的直链或支链烷基或链烯基，R2为具有1至4个碳原子的直链或支链烷基或羟烷基，R3为由单糖化物衍生的残基，它包括在碱性溶液中在足以能维持反应但要低于使碳水化合物残基发生实质性分解的温度下使通式(Ⅱ)的仲胺：
Figure 931070678_IMG2
其中R2和R3如上述定义，与碱金属或碱土金属的脂族硫酸盐R1SO4M进行反应。
2、根据权利要求1的方法，其中化合物（Ⅰ）进一步反应以制备如下通式（Ⅲ）的N，N-二烷基糖胺化合物：
Figure 931070678_IMG3
其中R1，R2和R3如上述定义，R4为CH2CO或CH2CHOHCH2SO2基团和n为1或0;该方法包括下列之一的步骤：
（a）N-羧甲基化式（Ⅰ）化合物制备N，N-二烷基糖胺乙酸盐;
（b）N-磺烷基化式（Ⅰ）化合物制备N，N-二烷基糖胺-2-羟基-3-磺基丙烷;或
（c）式（Ⅰ）化合物与氧化剂反应由此生成相应的N-氧化物。
3、根据权利要求1和2的任一方法，其中R1是由油酸、亚油酸、肉豆蔻酸、硬脂酸、牛磺酸、月桂酸或十二烷酸衍生的脂肪族烷基或链烯基。
4、根据权利要求1至4中任一项权利要求所说的方法，其中R2是甲基。
5、根据权利要求1至4中任一项权利要求所说的方法，其中R3是由已糖，如D-葡萄糖、D-半乳糖、D-甘露糖或D-果糖衍生的。
6、根据权利要求5的方法，其中R3是1-脱氧-1-葡糖基，2-脱氧-2-葡糖基或3-脱氧-3-葡糖基。
7、根据上述任何一项权利要求所述的方法，其中所说的仲胺和所说的硫酸盐是以摩尔比为5∶1至1∶1.5（以胺∶硫酸盐重量计）进行反应。
8、权利要求7的方法，其中所说的摩尔比为3∶1至1∶1。
9、根据上述任何一项权利要求所述的方法，其中制备化合物（Ⅰ）的反应是在PH值至少为12的条件下进行。
10、根据上述任何一项权利要求所述的方法，其中制备化合物（Ⅰ）的反应是在足以能维持足够的反应速度但又低于能使碳水化合物残基发生分解的温度下进行。
11、根据权利要求10的方法，其中所说的温度为室温至200℃。
12、根据权利要求1的方法，其中仲胺是N-甲基-D-葡糖胺。
13、根据权利要求1的方法，其中烷基或链烯基硫酸盐是C8-C24烷基或链烯基的碱金属或碱土金属硫酸盐。
14、根据权利要求13的方法，其中硫酸盐是十二烷基硫酸钠。
15、根据上述任何一项权利要求所述的方法，其中制备化合物（Ⅰ）的反应时间为0.5至24小时。
16、根据权利要求15的方法，其中反应时间为1.5至10小时。
17、通式（Ⅲ）的化合物：
Figure 931070678_IMG4
其中R1，R2和R3如上述权利要求1、3、4、5和6中所定义和R4为CH2CO或CH2CHOHCH2SO2基团，n为1或0。
18、制备权利要求17的N，N-二烷基糖胺乙酸盐的方法，它包括使N，N-二烷基糖胺（Ⅰ）与羧甲基化剂反应。
19、根据权利要求18的方法，其中所说的羧甲基化剂为氯代乙酸钠，其中所说的N，N-二烷基糖胺（Ⅰ）和氯代乙酸钠以一定的比度进行反应以使在羧甲基化反应完成后不再残留过量的糖胺。
20、根据权利要求18和19中的任何一项权利要求所述的方法，其中所说的N，N-二烷基糖胺与所说的羧甲基化剂的反应是在室温至能使单糖化物残基或氯代乙酸盐发生降解的温度下进行。
21、根据权利要求20的方法，其中所说的温度高达100℃。
22、根据权利要求21的方法，其中所说的温度为40至90℃。
23、根据权利要求18至22中的任何一项权利要求所述的方法，其中反应的PH值为7至11。
24、权利要求17的N，N-二烷基糖胺乙酸盐。
25、N-（C10-20烷基或链烯基）-N-甲基糖胺乙酸盐。
26、N-（C10-20烷基或链烯基）-N-甲基糖胺 2-羟基-3-磺基丙烷。
27、权利要求17的N，N-二烷基糖胺-N-氧化物。
28、N-（C10-20烷基或链烯基）-N-甲基糖胺-N-氧化物。
29、一种制备N，N-二烷基糖胺-N-氧化物的方法，它包括使N，N-二烷基糖胺（Ⅰ）与氧化剂反应。
30、根据权利要求29的方法，其中氧化剂是过氧化氢。
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