Ферулоилсульфобетаин

Ферулоилсульфобетаин
[[File:Molecule.svg		500px]]
Общие
Систематическое наименование	Додецил-(E)-ферулоил-оксиацетамидоэтил-диметил-сульфопропилбетаин
Традиционные названия	Сульфобетоил
Химическая формула	C31H52N2O8S
Внешний вид	белый или желтоватый порошок
Физические свойства
Состояние	твёрдое
Плотность	0,9575 г/см³
Энергия ионизации	9,06 кДж/моль
Термические свойства
Т. кип.	112 °C
Давление пара	0 Па (нелетучее вещество) атм
Структура
Дипольный момент	18,19 Д
Классификация
Рег. номер CAS	1330-19-7
SMILES	CCCCCCCCCCCCOC(=O)/C=C/c1ccc(OCC(=O)NCC[N+](C)(C)CCCS(=O)(=O)[O-])c(OC)c1
Безопасность
ЛД50	1250 мг/кг
Приводятся данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иного.

Додецил-(E)-ферулоил-оксиацетамидоэтил-диметил-сульфопропилбетаин (коммерческое наименование — Сульфобетоил, англ. dodecyl(E)-feruloyl-oxyacetamidoethyl-dimethyl-sulfopropylbetaine) — синтетическое цвиттер-ионное вещество класса сульфобетаинов с брутто-формулой ${\ce {C31H52N2O8S}}$ и молекулярной массой 612,82 г/моль. Структурно вещество представляет собой производное феруловой кислоты,в котором фенольный гидроксил алкилирован полярным гидрофильным линкером, содержащим четвертичный аммониевый и сульфонатный центры, а карбоксильная группа образует сложный эфир с 1-додеканолом. Ввиду блокировки фенольного кислорода соединение не проявляет свойств первичного антиоксиданта (донора водорода), характерных для свободной феруловой кислоты, однако функционирует как УФ-фильтр за счёт сохранения сопряжённой хромофорной системы. Применяется в качестве мягкого со-ПАВ и фотопротекторной добавки в смываемых и несмываемых косметических средствах, где обеспечивает пенообразование и снижение раздражающего действия анионных ПАВ; технологическим ограничением применимости является риск гидролиза сложноэфирной связи при отклонении pH водных растворов за пределы диапазона 5,0–6,0.

Физические свойства

При стандартных условиях (298 K, 101,3 кПа) ферулоилсульфобетаин представляет собой твёрдое мелкокристаллическое или аморфное вещество без выраженного запаха, цвет варьирует от белого до светло-жёлтого (в зависимости от степени очистки ферулового полупродукта). Из-за выраженной амфифильной структуры и наличия перманентных зарядов вещество нелетуче и склонно к удержанию влаги (гигроскопично).

При стандартных условиях ферулоилсульфобетаин представляет собой твердое аморфное или мелкокристаллическое порошкообразное вещество белого со слегка желтоватым оттенком цвета. Вещество обладает слабым характерным запахом сложных эфиров жирных спиртов. Расчетная плотность соединения составляет около 0,96 грамма на кубический сантиметр при температуре 25 градусов Цельсия.

Температура плавления соединения, согласно модельным прогнозам OPERA, находится в интервале от 110 до 120 градусов Цельсия. Из-за выраженного межмолекулярного электростатического взаимодействия внутри цвиттер-ионных пар вещество характеризуется высокой термической лабильностью. При нагревании выше температуры плавления ферулоилсульфобетаин не переходит в газообразную фазу, а подвергается термической деструкции с расщеплением сложноэфирной связи и последующим обугливанием. По этой причине экспериментальное определение классической температуры кипения невозможно, а расчетное давление насыщенного пара при комнатной температуре практически равно нулю.

Поведение ферулоилсульфобетаина в растворах определяется его амфифильной структурой. Термодинамическая растворимость индивидуальных молекул в воде крайне низка и составляет по расчетным оценкам около 10 в минус шестой степени моль на литр (примерно 0,6 миллиграмма на литр). Тем не менее, при превышении критической концентрации мицеллообразования (около 4 миллимоль на литр при 25 градусах Цельсия) кажущаяся растворимость ПАВ скачкообразно возрастает вследствие самосборки молекул в сферические мицеллы, ориентированные полярными головными группами в водную фазу. Вещество хорошо растворимо в низших спиртах (метаноле, этаноле, изопропаноле), умеренно растворимо в ацетоне, но практически нерастворимо в неполярных органических растворителях, таких как гексан или декан.

Оптические свойства соединения обусловлены наличием хромофора — сопряженной системы ферулового ядра. Растворы ферулоилсульфобетаина обладают интенсивным поглощением в ультрафиолетовой области спектра с максимумом в диапазоне длин волн от 310 до 330 нанометров (УФ-А и УФ-В диапазоны), что характерно для замещенных производных коричной кислоты.

Синтез и производство

Лабораторный синтез

Многостадийный синтез ферулоилсульфобетаина (C₃₁H₅₂N₂O₈S) осуществляется на основе (E)-феруловой кислоты (C₁₀H₁₀O₄) и 1-додеканола (C₁₂H₂₆O). Процесс включает последовательное формирование сложноэфирной, простой эфирной, амидной связей и завершается стадией кватернизации аминогруппы.

Этерификация феруловой кислоты

На первой стадии проводят этерификацию карбоксильной группы феруловой кислоты (C₁₀H₁₀O₄) избытком 1-додеканола (C₁₂H₂₆O) в присутствии кислого катализатора, например, п-толуолсульфокислоты (C₇H₈O₃S) или серной кислоты (H₂SO₄). Реакцию осуществляют в среде толуола (C₇H₈) при температуре кипения растворителя (~110 °C) с постоянным удалением образующейся воды (H₂O) с помощью ловушки Дина-Старка:

${\ce {C10H10O4 + C12H26O ->[H+] C22H34O4 + H2O}}$

Файл:Reaction stage 01.svg

Продуктом стадии является додецил-(E)-3-(4-hydroxy-3-methoxyphenyl)acrylate (додецилферулат, C₂₂H₃₄O₄).

О-алкилирование фенолята

Фенольный гидроксил додецилферулата (C₂₂H₃₄O₄) депротонируют действием мягкого основания, например, карбоната калия (K₂CO₃), в полярном апротонном растворителе — диметилформамиде (C₃H₇NO). Образовавшийся фенолят-анион подвергается селективному нуклеофильному замещению при действии натриевой соли бромуксусной кислоты (BrCH₂COONa):

${\ce {C22H34O4 + BrCH2COONa ->[K2CO3][DMF] C24H35NaO6 + KBr}}$

Реакционная смесь содержит натриевую соль промежуточного карбоксилата (C₂₄H₃₅NaO₆).

Подкисление карбоксилата

Для выделения свободной карбоновой кислоты реакционную массу обрабатывают разбавленным раствором соляной кислоты (HCl) до достижения кислого значения pH (~2):

${\ce {C24H35NaO6 + HCl -> C24H36O6 + NaCl}}$

Файл:Reaction stage 03.svg

Полученную 2-{4-[(E)-3-(додецилокси)-3-оксопроп-1-ен-1-yl]-2-метоксифенокси}уксусную кислоту (C₂₄H₃₆O₆) экстрагируют органическим растворителем и очищают перекристаллизацией.

Амидирование карбодиимидным методом

Конденсацию свободной карбоновой кислоты (C₂₄H₃₆O₆) с N,N-диметилэтилендиамином (C₄H₁₂N₂) проводят в безводном дихлорметане (CH₂Cl₂). Для активации карбоксильной группы используют гидрохлорид 1-этил-3-(3-диметиламинопропил)карбодиимида (EDC·HCl, C₈H₁₇N₃·HCl) в сочетании с каталитическим количеством 4-диметиламинопиридина (DMAP, C₇H₁₀N₂):

${\ce {C24H36O6+C4H12N2->[EDC\cdot HCl][DMAP]C28H46N2O5+H2O}}$

Файл:Reaction stage 04.svg

Использование водорастворимого реагента EDC·HCl позволяет легко отмыть образующийся побочный продукт — мочевину (C₈H₁₉N₃O) — водой, получая чистый третичный амин додецил-(E)-3-[4-(2-{[2-(диметиламино)этил]амино}-2-оксоэтокси)-3-метоксифенил]акрилат (C₂₈H₄₆N₂O₅).

Кватернизация (получение сульфобетаина)

На финальной стадии осуществляют алкилирование третичного амина (C₂₈H₄₆N₂O₅) циклическим эфиром сульфокислоты — 1,3-пропансультоном (C₃H₆O₃S). Реакцию проводят в среде ацетонитрила (C₂H₃N) или ацетона (C₃H₆O) при умеренном нагревании (50–60 °C):

${\ce {C28H46N2O5 + C3H6O3S -> C31H52N2O8S}}$

Файл:Reaction stage 05.svg

Выпадающий в осадок цвиттер-ионный продукт (C₃₁H₅₂N₂O₈S) отфильтровывают, промывают холодным ацетоном (C₃H₆O) и сушат под вакуумом.

Промышленные аспекты

Использование высокотоксичного и канцерогенного реагента 1,3-пропансультона (C₃H₆O₃S) в промышленном производстве косметического сырья ограничено жёсткими экологическими и гигиеническими регламентами. В связи с этим в крупнотоннажном производстве разрабатывают альтернативный, «зелёный» путь кватернизации.

Вместо циклического сультона реакцию проводят в водно-спиртовой среде с использованием натриевой соли 3-хлор-2-гидроксипропансульфокислоты (C₃H₆ClNaO₄S) в присутствии эквимолярного количества щелочи, например, гидроксида натрия (NaOH):

${\ce {C28H46N2O5 + C3H6ClNaO4S -> C31H52N2O9S + NaCl}}$

Данный альтернативный путь исключает применение опасных летучих канцерогенов и приводит к получению гидроксисульфобетаинового аналога (C₃₁H₅₂N₂O₉S), обладающего аналогичными коллоидно-химическими характеристиками и повышенной растворимостью в воде, при этом побочным продуктом является нетоксичный хлорид натрия (NaCl).

Реакционная способность и химические свойства

Гидролитическое расщепление

Кислотно-основной гидролиз сложноэфирной связи

Сложноэфирная связь, связывающая гидрофобную додецильную цепь с гидрофильным ядром молекулы, является наиболее лабильным фрагментом. В кислых средах в присутствии минеральных кислот, таких как соляная кислота (HCl) или серная кислота (H₂SO₄), либо в щелочных средах под действием гидроксида натрия (NaOH) или гидроксида калия (KOH) протекает реакция гидролиза. Продуктами реакции являются 1-додеканол (лауриловый спирт, C₁₂H₂₆O) и водорастворимая карбоновая кислота ферулоил-оксиацетамидоэтил-диметил-сульфопропилбетаин (C₁₉H₂₈N₂O₈S):

${\ce {C31H52N2O8S + H2O ->[H^+ / OH^-] C12H26O + C19H28N2O8S}}$

При использовании щелочи (NaOH) карбоновая кислота выделяется в форме её натриевой соли (C₁₉H₂₇N₂NaO₈S). Данный процесс приводит к полной потере веществом свойств поверхностно-активного вещества.

Жесткий гидролиз амидной связи

Амидная группа в составе линкера существенно более устойчива к гидролизу, чем сложноэфирная. Однако в жестких условиях (длительное кипячение в концентрированных растворах HCl или NaOH) происходит расщепление амидной связи с образованием двухосновной дикарбоновой кислоты — 2-{4-[(E)-2-карбоксиэтенил]-2-метоксифенокси}уксусной кислоты (C₁₂H₁₂O₆) — и цвиттер-ионного амина (2-аминоэтил)(диметил)(3-сульфопропил)аммония (C₇H₁₈N₂O₃S):

${\ce {C19H28N2O8S + H2O ->[HCl / H2O, \Delta] C12H12O6 + C7H18N2O3S}}$

Файл:Amide hydrolysis2.svg

Реакции по двойной связи углерод-углерод

Эпоксидирование и окисление

Алкилированная двойная связь (C=C) ферулового ядра способна взаимодействовать с сильными окислителями. При обработке молекулы (C₃₁H₅₂N₂O₈S) мета-хлорнадбензойной кислотой (m-CPBA, C₇H₅ClO₃) или пероксидом водорода (H₂O₂) в присутствии катализаторов окисления происходит эпоксидирование с образованием соответствующего оксирана (C₃₁H₅₂N₂O₉S):

${\ce {C31H52N2O8S + C7H5ClO3 -> C31H52N2O9S + C7H5ClO2}}$

При более жестком окислении перманганатом калия (KMnO₄) или озоном (O₃) происходит окислительное расщепление двойной связи с образованием ванилинсодержащего сульфобетаина (C₂₀H₂₆N₂O₈S) и монододецилового эфира щавелевой кислоты (додецилоксалата, C₁₄H₂₆O₄).

Реакция нуклеофильного присоединения (реакция Михаэля)

Алкен сопряжен с карбонильной группой сложного эфира, что формально делает углеродную цепь электрофильным акцептором Михаэля. Теоретически возможна реакция присоединения по двойной связи сильных нуклеофилов, например, соединений, содержащих сульфгидрильные тиольные группы (таких как цистеин, C₃H₇NO₂S, или глутатион, C₁₀H₁₇N₃O₆S):

${\ce {C31H52N2O8S + C3H7NO2S -> C34H59N3O10S2}}$

Однако за счет сильного электронодонорного влияния метокси- (–OCH₃) и алкокси-групп ароматического кольца, находящихся в сопряжении с алкеновым фрагментом, электрофильность этой двойной связи значительно понижена по сравнению с незамещенными акрилатами, что существенно снижает скорость данной реакции при физиологических значениях температур и pH.

Фотохимические превращения

Под действием ультрафиолетового излучения (УФ-A и УФ-B спектральные диапазоны) вещество претерпевает обратимую фотохимическую E/Z-изомеризацию по двойной связи. Молекула транс-изомера (E-C₃₁H₅₂N₂O₈S) переходит в пространственно более затрудненный цис-изомер (Z-C₃₁H₅₂N₂O₈S):

${\ce {E-C31H52N2O8S <=>[h\nu] Z-C31H52N2O8S}}$

Данный процесс сопровождается частичным изменением геометрии молекулы, что может незначительно влиять на величину критической концентрации мицеллообразования (ККМ) раствора ПАВ. При прекращении облучения или нагревании происходит медленная обратная релаксация в более стабильную транс-форму.

Применение

Косметическая промышленность и средства личной гигиены

Использование в качестве со-ПАВ

Ферулоилсульфобетаин (C₃₁H₅₂N₂O₈S) применяется как мягкий со-детергент в шампунях, гелях для душа и жидком мыле. Благодаря цвиттер-ионной структуре, содержащей одновременно четвертичный аммониевый катион и сульфонатный анион, он образует смешанные мицеллы с агрессивными анионными ПАВ, такими как лауретсульфат натрия (SLES, C₁₂H₂₅(OCH₂CH₂)₂OSO₃Na) и лаурилсульфат натрия (SLS, C₁₂H₂₅OSO₃Na). Это приводит к значительному снижению раздражающего действия рецептуры на кожу и слизистые оболочки глаз, превосходя по мягкости традиционный кокамидопропилбетаин (CAPB, C₁₉H₃₈N₂O₃) и приближаясь к кокамидопропилгидроксисултаину (CAPHS, C₂₀H₄₂N₂O₅S).

Фотопротекторная и кондиционирующая добавка

Наличие в составе молекулы (C₃₁H₅₂N₂O₈S) сопряжённого хромофора феруловой кислоты (C₁₀H₁₀O₄) позволяет использовать его в качестве УФ-поглотителя. Вещество вводится в несмываемые средства для ухода за волосами и кожей (кондиционеры, спреи, сыворотки).

• При нанесении на волосы катионный центр молекулы электростатически связывается с отрицательно заряженными аминокислотными остатками кератина (в частности, с депротонированными остатками цистеина C₃H₇NO₂S и глутаминовой кислоты C₅H₉NO₄).
• Сформированная мономолекулярная пленка ПАВ защищает стержень волоса от УФ-индуцированного фотолиза кератина и вымывания пигментов. Одновременно с этим додецильный радикал (–C₁₂H₂₅) обеспечивает гидрофобизацию и кондиционирующий эффект, снижая трансэпидермальную потерю воды с кожи.

Дерматология и фармацевтика

Мицеллярный транспорт активных веществ

В дерматологических мазях, кремах и мицеллярных растворах ферулоилсульфобетаин (C₃₁H₅₂N₂O₈S) применяется в качестве солюбилизатора и трансдермального переносчика труднорастворимых лекарственных соединений. Выше критической концентрации мицеллообразования (~4 ммоль/л) водные растворы ПАВ эффективно инкапсулируют в гидрофобное ядро мицелл такие липофильные вещества, как:

• салициловая кислота (C₇H₆O₃);
• альфа-токоферол (витамин E, C₂₉H₅₀O₂);
• Кетоконазол (C₂₆H₂₈Cl₂N₄O₄).

Это улучшает их биодоступность и стабильность в готовых лекарственных формах на основе водно-глицериновой смеси (H₂O / C₃H₈O₃) со стабилизаторами консистенции, включая гиалуронат натрия ((C₁₄H₂₀NNaO₁₁)_n) и хлорид натрия (NaCl).

Бытовая химия и технические применения

Ферулоилсульфобетаин (C₃₁H₅₂N₂O₈S) используется при производстве жидких средств для стирки деликатных тканей и кондиционеров-ополаскивателей. Адсорбируясь на волокнах тканей, он выполняет роль антистатика и предотвращает фотохимическое пожелтение белого хлопка и льна под воздействием солнечного света, защищая структуру целлюлозы ((C₆H₁₀O₅)_n) от деструкции.

В качестве эмульгатора вещество также может входить в состав эмульсионных концентратов пестицидов (например, инсектицида перметрина C₂₁H₂₀Cl₂O₃), где хромофорный скелет ПАВ предотвращает фотохимический распад активного компонента на обрабатываемых сельскохозяйственных угодьях.

См. также

• Феруловая кислота
• Бетаин