【文献解读】Green Chemistry: 酸催化单糖烷基糖苷化及低聚反应制备烷基多糖苷表面活性剂
背景介绍
表面活性剂是含有亲水与疏水基团的两亲性化合物，能够降低液液两相的表面张力，目前已广泛应用到洗涤剂、化妆品、食品、医药、造纸等领域。然而，表面活性剂的大量使用引发了严重的环境污染问题，开发可再生且绿色环保的生物基表面活性剂是发展所趋。烷基多糖苷(alkylpolyglycosides, APGs)是目前公认的绿色功能性表面活性剂，主要通过酸催化的费歇尔糖苷化反应(Fisher Glycosylation)进行制备。首先，单糖（如葡萄糖，不含保护基团）与长链脂肪醇（C5-C18）在酸的催化下脱水生成烷基单糖苷，然后烷基单糖苷再与剩余的单糖原位聚合生成烷基多糖苷APGs。由于脱水反应生成了水， APGs的糖苷键水解反应与其聚合生成反应处于动态平衡中，因此APGs每条烷基链上平均能有1.5-2.1个糖单元，如何提高APGs烷基链上糖单元的聚合物（DPn）是一个研究难点。另外，反应结束后通常需要蒸馏以除去多余的脂肪醇，蒸馏时温度升高也会导致APGs部分糖苷键水解。酶法催化通常能合成更大DPn的APGs，但酶价格昂贵、反应慢也限制了其大规模生产。
最近，来自法国普瓦捷大学的Cramail和Jerome等人提出采用炔丙醇（propargyl alcohol, PGA）作为糖基受体和连接键，通过两步反应合成具有较高糖单元DPn 的APGs。首先，PGA与单糖（甘露糖/葡萄糖）在Amberlyst-15（商用酸性固体酸）催化下脱水形成的单糖苷，然后再与单糖聚合生成末端含有炔丙基的低聚寡糖(DPn高达8)(Scheme 1)，后续再通过与炔丙基的加成反应将长链脂肪醇引入寡糖中制备APGs 。与传统的脂肪醇相比，单糖在PGA中的溶解度更大，更有利于聚合生成DPn较大的寡糖链；另外PGA沸点较低，可经低温蒸馏除去，避免了APGs的水解。
图文解读
01
酸催化甘露糖(Man)与炔丙醇(PGA)脱水生成烷基单糖苷(PMan)
作者首先研究了反应时间、反应温度、炔丙醇（PGA）与甘露糖的摩尔比对二者脱水（糖苷化反应）的影响（图2-4）。结果表明，当PGA/Man摩尔比为5，在80 °C，反应7 h后Man的转化率达90%，PMan的收率达70%。当反应温度从100°C降至80 °C时，反应速率明显下降；温度降至60 °C时，PGA与Man不混溶，综合考虑后反应温度定为80 °C。降低PGA/Man摩尔比（5 到3）会减小反应速率（主要是由于反应体系粘度增大），但PMan的得率不会受到较大影响。
02
糖单元聚合生成炔丙基甘露寡糖链
为了增大寡糖链的DPn， 反应设置在100 °C真空下以除去多余的PGA和原位产生的水。凝胶排阻色谱（SEC）表征（图5）表明，反应4 h后产物的DPn增大，单糖剩余率仅5-8%，产物总分子质量为1353 g/mol，即聚合物DPn=8，多分散指数约为2。聚合产物的1H-NMR表征（图6）证实 ，甘露糖链的末端有炔基氢（2.95 ppm）及其邻位亚甲基氢（4.32-4.41 ppm）的化学位移，也有甘露糖异头碳上的氢原子（5.01-5.08 ppm）。二维NMR NOESY, COSY等表征表明，甘露寡糖的糖苷键主要是α-1,6（60%），同时存在α-1,2（24%）及少量的β-1,6和β-1,2。MALDI-TOF质谱表征（图7）表明有一系列m/z=162 Da碎片峰，为无水甘露糖重复单元，经计算DPn达12。
03
反应机理
作者推测了酸催化脱水烷基化及聚合反应的反应机理（Scheme 2）。首先Amberlyst-15催化甘露糖质子化形成氧鎓离子（脱去一分子水），随后PGA进攻异头碳生成PMan。然后，另一分子的甘露糖氧鎓离子与PMan发生糖苷反应生成含有两分子甘露糖的糖链(PMan)2，多次糖苷反应后生成低聚甘露糖苷链(PMan)n。另外，甘露糖也会发生分子内脱水形成副产物LVM。Amberlyst-15催化剂也可改用硫酸或Aquivion PFSA，但需注意控制催化剂的载量以避免单糖脱水副反应。
最后，作者发现该反应路径同样适用于葡萄糖，生成的乙炔葡萄寡糖链的DPn为3， 多分散性指数为2.1，而且葡萄糖可由可再生的木质纤维素水解而得。另外，作者将油酸通过加成反应引入到合成的低聚甘露寡糖链中（Scheme 3），证实了该合成方法适用于合成烷基多糖苷APGs。
总结与展望
本文报导了炔丙醇（PGA）与单糖（甘露糖/葡萄糖，不含保护基团）在酸性条件下脱水糖苷化、再与单糖聚合生成末端含有炔丙基官能团的低聚寡糖，糖单元聚合物DPn高达8。后续通过与炔丙基的加成反应将长链脂肪醇引入寡糖中，用于制备绿色环保的烷基多糖苷表面活性剂APGs 。
原文链接：
https://doi.org/10.1039/D0GC04198J
往期精选
本公众号现全面开放投稿，希望文章作者讲出自己的科研故事，分享自己论文的精华与亮点。
为了增加生物质领域科研人员的交流与合作，我们编辑部目前组建了生物质前沿微信交流群，欢迎相关领域研究人员入群讨论，共同进步。