一种n-酰基氨基酸型表面活性剂的制备方法
阅读说明：本技术 一种n-酰基氨基酸型表面活性剂的制备方法 (Preparation method of N-acyl amino acid type surfactant ) 是由 宋国强 谈颖 冯筱晴 唐龙 潘春 王志秀 李欢 张腾月 周峰 于 2021-01-28 设计创作，主要内容包括：本发明属于表面活性剂制备技术领域,具体涉及一种N-酰基氨基酸型表面活性剂的制备方法,该方法包括：将油脂、氨基酸供体、碱和水混合后在惰性氛围、加热、加压条件下反应3-15h得到混合物；将混合物与提纯剂混合,得到的沉淀经抽滤、润洗、干燥后得到N-酰基氨基酸型表面活性剂；氨基酸供体为氨基酸或氨基酸盐。本发明选用的原料简单、价格低廉,经一步反应得到N-酰基氨基酸或N-酰基氨基酸盐表面活性剂,得到的N-酰基氨基酸型表面活性剂的收率大于85%；产品提纯方法简单,制备方法的效率高；制备的N-酰基氨基酸型表面活性剂的活性物含量大于95%,满足社会需求。(The invention belongs to the technical field of surfactant preparation, and particularly relates to a preparation method of an N-acyl amino acid type surfactant, which comprises the following steps: mixing oil, an amino acid donor, alkali and water, and reacting for 3-15h under the conditions of inert atmosphere, heating and pressurization to obtain a mixture; mixing the mixture with a purifying agent, and carrying out suction filtration, rinsing and drying on the obtained precipitate to obtain an N-acyl amino acid type surfactant; the amino acid donor is amino acid or amino acid salt. The raw materials selected by the invention are simple and low in cost, and the N-acylamino acid or N-acylamino acid salt surfactant is obtained through one-step reaction, and the yield of the obtained N-acylamino acid type surfactant is more than 85%; the product purification method is simple, and the preparation method has high efficiency; the active matter content of the prepared N-acyl amino acid type surfactant is more than 95 percent, and the social requirement is met.)
技术领域
本发明涉及表面活性剂制备技术领域，具体涉及一种N-酰基氨基酸型表面活性剂的制备方法。
背景技术
氨基酸型表面活性剂是一类可再生生物质来源的新型绿色环保表面活性剂，是传统表面活性剂的升级换代产品。因为其本身就是以羧基为阴离子，铵盐为阳离子的两性物质，所以具有许多优良特性，比如，可再生，低刺激性、低毒性、良好的生物相容性、良好的生物降解性和环境相容性等，所以是食品，药品和化妆品中表面活性剂的首选。由于氨基酸结构种类繁多，而且，脂肪酸链可以改变其结构长度和数量，所以表现出了广泛的结构多样性和不同的理化和生物学特性，这就为氨基酸型表面活性剂的广泛使用带来了更多的可能性。
N-酰基氨基酸型阴离子表面活性剂，比如椰子油甘氨酸钠、椰子油谷氨酸钠、月桂酰甘氨酸钠等是目前已经商用的氨基酸类表面活性剂，其具有性能优良、对毛发和皮肤温和，高亲和力、良好的抗菌性和润湿效果好等特点，是洗发水、沐浴露等化妆品的主要原料。目前N-酰基氨基酸型阴离子表面活性剂的工业化和实验室合成主要是采用Schotten-Baumann(肖顿-鲍曼)缩合法，以脂肪酸或油脂为原料，在酰化试剂二氯亚砜、三氯化磷、五氯化磷、三氯氧磷、草酰氯等作用下酰氯化，然后经缩合、酸化和成盐反应制得N-酰基氨基酸盐(见反应式1)。此工艺的优点是工艺流程和设备简单，反应条件温和，不足是需要使用强刺激性及腐蚀性酰化试剂，比如氯化亚砜；对天然油脂质量要求高，且保存困难，反应中容易引入水解副产物，造成产品色泽差，有异味，影响产品的使用范围；反应中使用氯等卤素，在反应过程中去除不彻底，影响产品质量，限制了产品的使用范围。
反应式1
专利201110162138.8公开了一种油脂制备N-天然油脂基氨基酸类表面活性剂的方法，此专利以油脂和氨基酸钠为原料，油脂主要为椰子油/大豆油/花生油/蓖麻油/棕榈油或橄榄油，氨基酸钠主要为甘氨酸/谷氨酸/丙氨酸/肌氨酸的钠盐，以金属氧化物和载体组成催化剂，其中金属氧化物为钾/钠/镁/锶氧化物的单一或混合物组成，载体为4A沸石，反应温度原料摩尔比为：1：2.2～6，反应温度为120～250℃，反应时间3～12h，催化剂加入量为反应物总量的0.1～5wt％。但是该方法采用的金属氧化物容易吸水，对反应条件要求高，同时其消耗排放掉的4A沸石，对环境、生态也是额外的负担；此外，该方法并未给出对产品进一步纯化的方法，产品纯度不高会到导致产品产生异味和降低产品的熔点，限制了产品的使用范围。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明提供一种反应条件温和、过程简单、产率高、产品纯度高的N-酰基氨基酸型表面活性剂的制备方法。
为解决现有技术的不足，本发明提供的技术方案为：
本发明提供一种N-酰基氨基酸型表面活性剂的制备方法，包括
S1：将油脂、氨基酸供体、碱和水混合后在惰性氛围、加热、加压条件下反应3～15h得到混合物；
S2：将混合物与提纯剂混合，得到的沉淀经抽滤、润洗、干燥后得到N-酰基氨基酸型表面活性剂；
所述氨基酸供体为氨基酸或氨基酸盐。
优选的，所述步骤S1中，所述油脂为椰子油、棕榈油或棕榈仁油中的一种或多种。
优选的，所述步骤S1中，所述氨基酸为甘氨酸、肌氨酸或L-丙氨酸中的一种或多种；所述氨基酸盐为甘氨酸钠、甘氨酸钾、肌氨酸钠、肌氨酸钾、L-丙氨酸钠或L-丙氨酸钾中的一种或多种。
优选的，所述步骤S1中，所述氨基酸供体为氨基酸。
优选的，所述步骤S1中，所述油脂、氨基酸和碱的摩尔比为0.7～1:3～6:3.3～6.6；所述油脂与水的重量比为1:2～4。
优选的，所述步骤S1中，所述油脂、氨基酸和碱的摩尔比为1:3:3.3。
优选的，所述步骤S1中，反应温度为160～200℃。
优选的，所述步骤S1中，反应压力为3～5Mpa。
优选的，所述步骤S2中，所述提纯剂为酸；所述酸用于将混合物的pH调节至1～5；所述N-酰基氨基酸型表面活性剂为N-酰基氨基酸表面活性剂。
优选的，所述步骤S2中，所述提纯剂为有机溶剂；所述有机溶剂为甲醇或丙酮；所述N-酰基氨基酸型表面活性剂为N-酰基氨基酸盐表面活性剂。
本发明的有益效果：
1)本发明选用的原料简单、价格低廉，经一步反应得到N-酰基氨基酸型表面活性剂，得到的N-酰基氨基酸型表面活性剂的收率大于85％；
2)本发明提供的产品提纯方法简单，进一步提高了制备方法的效率；
3)本发明制备的N-酰基氨基酸型表面活性剂的活性物含量大于95％，满足社会需求。
附图说明
图1为本发明提供的N-酰基氨基酸型表面活性剂的制备方法流程图；
图2由实施例1制备的椰子油甘氨酸钠的红外谱图。
具体实施方式
下面结合实施方式对本发明作进一步描述。以下实施方式仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明实施例提供一种N-酰基氨基酸型表面活性剂的制备方法，参见图1，包括以下步骤：
步骤一：将油脂、氨基酸供体、碱和水混合后在惰性氛围、加热、加压条件下反应3～15h得到混合物。其中，氨基酸供体为氨基酸或氨基酸盐。
具体的，在装有搅拌装置的反应釜中，依次加入油脂、氨基酸供体、碱和去离子水，氮气置换反应釜中的空气3次，在加热、加压下反应3～15h，冷却至室温。加压反应下，惰性氛围会相对安全。此外，高温下油脂易被氧化，惰性气体能够起到保护作用。
优选的，油脂为椰子油、棕榈油或棕榈仁油中的一种或多种。
优选的，氨基酸为甘氨酸、肌氨酸或L-丙氨酸中的一种或多种；氨基酸盐为甘氨酸钠、甘氨酸钾、肌氨酸钠、肌氨酸钾、L-丙氨酸钠或L-丙氨酸钾中的一种或多种。
优选的，氨基酸供体为氨基酸。这是由于氨基酸盐价格远高于氨基酸，会增加表面活性剂的成本；若先合成氨基酸盐，则增加了反应步骤，且生成的氨基酸盐质地坚硬，后续使用不便。
优选的，碱为无机碱，如氢氧化钠或氢氧化钾。
以油脂、甘氨酸、水和氢氧化钠的反应为例，油脂和甘氨酸在惰性氛围、加热、加压条件下，生成了N-酰基甘氨酸钠和甘油三醇，反应式为：
其中，R表示油脂的烷基，即组成油脂的饱和或不饱和、直链或支链的脂肪酸的烷基。
优选的，油脂、氨基酸和碱的摩尔比为0.7～1:3～6:3.3～6.6。
优选的，油脂、氨基酸和碱的摩尔比为1:3:3.3。
优选的，油脂与水的重量比为1:2～4。
优选的，反应温度为160～200℃。
优选的，反应温度为180℃。
优选的，反应压力为3～5Mpa。加压使水在高温下维持液体状态，即整个反应体系维持在液体状态，能够保证整个反应以较高的反应速率进行。
优选的，反应压力为3.5Mpa。
步骤二：将混合物与提纯剂混合，得到的沉淀经抽滤、润洗、干燥后得到N-酰基氨基酸型表面活性剂。
具体的，提纯剂为酸或有机溶剂，可得到不同类型的N-酰基氨基酸型表面活性剂，可根据需要进行选择提纯剂的种类。
优选环己烷对沉淀进行润洗。
提纯剂为酸时，提纯步骤为：将混合物用酸调节pH至1～5后，移除上层漂浮白色泡沫，抽滤得到白色固体，白色固体经环己烷进一步润洗去除残存的甘油三醇和未反应的油脂，得到N-酰基氨基酸表面活性剂。其中，酸用于中和未反应的碱，同时将混合物中的N-酰基氨基酸盐转化为N-酰基氨基酸，便于析出N-酰基氨基酸。
优选的，选用酸提纯时，将混合物用酸调节pH至1～2，便于析出N-酰基氨基酸。
优选的，酸为浓盐酸。
提纯剂为有机溶剂时，提纯步骤为：将反应液倒入有机溶剂中，所得沉淀经抽滤、环己烷润洗、干燥后得到N-酰基氨基酸盐表面活性剂。有机溶剂用于使表面活性剂N-酰基氨基酸盐析出，环己烷用于去除残存的甘油三醇和未反应的油脂，进一步提纯N-酰基氨基酸盐。其中，有机溶剂为甲醇或丙酮。
本发明使用K1160凯氏定氮仪测量N-酰基氨基酸型表面活性剂的活性物含量，具体步骤为：取样、消解、测试三步。取样：取待测样品0.1g，加入硫酸钾5g，硫酸铜0.3g，浓硫酸10mL，待用；消解参数：温度250℃，保持30min，后升温至380℃，保持60min，消解完毕；测试参数：硼酸20mL，水25mL，40％(w/w)的氢氧化钠溶液40mL，蒸馏时间5min，滴定酸浓度0.117mol/L。
下述实施例所用试剂均为市售。
实施例1：
在装有搅拌装置的反应釜中，依次加入椰子油0.01mol、甘氨酸0.03mol、NaOH0.033mol和去离子水20mL，氮气置换反应容器中的空气3次，加热180℃反应12h，反应压力为3.5Mpa。反应完，冷却至室温得到混合物。将混合物倒入丙酮中，析出固体，趁热抽滤，用环己烷润洗固体两次，烘干，得到椰子油甘氨酸钠表面活性剂，收率为89.3％。经凯氏定氮仪测试，椰子油甘氨酸钠表面活性剂的活性物含量为95.3％。
图2为椰子油甘氨酸钠的红外谱图，其中3344cm-1为N-H伸缩振动吸收峰，1557cm-1为N-H变形振动吸收峰，1620cm-1为典型的酰胺酯键的C＝O伸缩振动峰，而在1597cm-1处的吸收峰为羧基的C＝O拉伸振动峰，1247cm-1为C-O羧酸特征吸收峰，2800～2900cm-1为C-H伸缩振动吸收峰。与原料椰子油相比，在3344cm-1和1557cm-1处出现的新峰表明酰胺键的形成，证实N-酰基甘氨酸钠的生成。
实施例2：
在装有搅拌装置的反应釜中，依次加入椰子油0.007mol、甘氨酸0.06mol、NaOH0.066mol和去离子水15mL，氮气置换反应容器中的空气3次，加热200℃反应15h，反应压力为4Mpa。反应完，冷却至室温得到混合物。将混合物倒入150mL水中，用浓盐酸调pH至1～2左右，此时上层漂浮白色泡沫，移除上层漂浮白色泡沫，抽滤得到白色固体，白色固体经环己烷润洗、干燥后得到椰子油甘氨酸表面活性剂，收率为86.4％。经凯氏定氮仪测试，椰子油甘氨酸表面活性剂的活性物含量为93.7％。
实施例3：
在装有搅拌装置的反应釜中，依次加入棕榈油0.01mol、肌氨酸0.03mol、KOH0.033mol和去离子水20mL，氮气置换反应容器中的空气3次，加热180℃反应12h，反应压力为3.5Mpa。反应完，冷却至室温得到混合物。将混合物倒入150mL水中，用浓盐酸调pH至1～2左右，此时上层漂浮白色泡沫，移除上层漂浮白色泡沫，抽滤得到白色固体，白色固体经环己烷润洗、干燥后得到棕榈油肌氨酸表面活性剂，收率为88.6％。经凯氏定氮仪测试，棕榈油肌氨酸表面活性剂的活性物含量为94.1％。
实施例4：
在装有搅拌装置的反应釜中，依次加入棕榈仁油0.01mol、L-丙氨酸0.03mol、NaOH0.033mol和去离子水20mL，氮气置换反应容器中的空气3次，加热180℃反应12h，反应压力为3.5Mpa。反应完，冷却至室温得到混合物。将混合物倒入甲醇中，析出固体，趁热抽滤，用环己烷润洗固体两次，烘干，得到棕榈仁油丙氨酸钠表面活性剂，收率为87.1％。经凯氏定氮仪测试，棕榈仁油丙氨酸钠表面活性剂的活性物含量为93.9％。
实施例5：
在装有搅拌装置的反应釜中，依次加入棕榈油0.01mol、甘氨酸0.03mol、KOH0.033mol和去离子水20mL，氮气置换反应容器中的空气3次，加热160℃反应3h，反应压力为3Mpa。反应完，冷却至室温得到混合物。将混合物倒入丙酮中，析出固体，趁热抽滤，用环己烷润洗固体两次，烘干，得到棕榈油甘氨酸钠表面活性剂，收率为86.5％。经凯氏定氮仪测试，棕榈油甘氨酸钠表面活性剂的活性物含量为94.8％。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
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