Aquest article se centra en el mecanisme antimicrobià dels surfactants Gemini, que s'espera que siguin efectius per matar bacteris i que puguin ajudar a frenar la propagació de nous coronavirus.
Tensioactiu, que és una contracció de les frases Superfície, Actiu i Agent. Els tensioactius són substàncies que són actives en superfícies i interfícies i tenen una capacitat i eficiència molt elevades a l'hora de reduir la tensió superficial (límit), formant conjunts ordenats molecularment en solucions per sobre d'una determinada concentració i, per tant, tenen un ventall de funcions d'aplicació. Els tensioactius posseeixen una bona dispersibilitat, humectabilitat, capacitat d'emulsificació i propietats antiestàtiques, i s'han convertit en materials clau per al desenvolupament de molts camps, inclòs el camp de la química fina, i tenen una contribució significativa en la millora dels processos, la reducció del consum d'energia i l'augment de l'eficiència de la producció. . Amb el desenvolupament de la societat i el continu progrés del nivell industrial mundial, l'aplicació de tensioactius s'ha estès gradualment des de productes químics d'ús diari a diversos camps de l'economia nacional, com ara agents antibacterians, additius alimentaris, nous camps energètics, tractament de contaminants i biofarmacèutics.
Els tensioactius convencionals són compostos "amfifílics" formats per grups hidròfils polars i grups hidrofòbics no polars, i les seves estructures moleculars es mostren a la figura 1 (a).
En l'actualitat, amb el desenvolupament del refinament i la sistematització a la indústria manufacturera, la demanda de propietats de tensioactius en el procés de producció augmenta gradualment, per la qual cosa és important trobar i desenvolupar tensioactius amb propietats superficials més altes i amb estructures especials. El descobriment dels tensioactius Gemini supera aquestes llacunes i compleix els requisits de la producció industrial. Un tensioactiu comú de Gemini és un compost amb dos grups hidròfils (generalment iònics o no iònics amb propietats hidròfiles) i dues cadenes alquils hidròfobes.
Com es mostra a la figura 1 (b), a diferència dels tensioactius convencionals d'una sola cadena, els tensioactius Gemini uneixen dos grups hidròfils mitjançant un grup d'enllaç (espaiador). En resum, l'estructura d'un tensioactiu Gemini es pot entendre com la formada unint intel·ligentment dos grups de capçal hidròfils d'un tensioactiu convencional juntament amb un grup d'enllaç.
L'estructura especial del surfactant Gemini condueix a la seva alta activitat superficial, que es deu principalment a:
(1) l'efecte hidròfob millorat de les dues cadenes de cua hidròfoba de la molècula Gemini Surfactant i la tendència augmentada del tensioactiu a deixar la solució aquosa.
(2) La tendència dels grups de capçal hidròfils a separar-se entre si, especialment els grups de capçal iònics a causa de la repulsió electrostàtica, es veu debilitada substancialment per la influència de l'espaiador;
(3) L'estructura especial dels surfactants Gemini afecta el seu comportament d'agregació en solució aquosa, donant-los una morfologia d'agregació més complexa i variable.
Els tensioactius Gemini tenen una activitat superficial (de límit), una concentració de micel·les crítica més baixa, una millor humectabilitat, capacitat d'emulsificació i capacitat antibacteriana en comparació amb els tensioactius convencionals. Per tant, el desenvolupament i la utilització dels tensioactius Gemini són de gran importància per al desenvolupament i l'aplicació de tensioactius.
L'"estructura amfifílica" dels tensioactius convencionals els confereix propietats superficials úniques. Com es mostra a la figura 1 (c), quan s'afegeix un tensioactiu convencional a l'aigua, el grup de capçalera hidròfil tendeix a dissoldre's dins de la solució aquosa i el grup hidròfob inhibeix la dissolució de la molècula de tensioactiu a l'aigua. Sota l'efecte combinat d'aquestes dues tendències, les molècules de tensioactiu s'enriqueixen a la interfície gas-líquid i pateixen una disposició ordenada, reduint així la tensió superficial de l'aigua. A diferència dels tensioactius convencionals, els tensioactius Gemini són "dímers" que uneixen els tensioactius convencionals mitjançant grups espaciadors, que poden reduir la tensió superficial de l'aigua i la tensió interfacial oli/aigua de manera més eficaç. A més, els tensioactius Gemini tenen concentracions de micel·les crítiques més baixes, millor solubilitat en aigua, emulsificació, escuma, humectació i propietats antibacterianes.
| Introducció dels tensioactius Gemini El 1991, Menger i Littau [13] van preparar el primer tensioactiu de cadena bis-alquil amb un grup d'enllaç rígid, i el van anomenar "surfactant Gemini". El mateix any, Zana et al [14] van preparar per primera vegada una sèrie de surfactants Gemini de sal d'amoni quaternària i van investigar sistemàticament les propietats d'aquesta sèrie de tensioactius Gemini de sal d'amoni quaternària. El 1996, els investigadors van generalitzar i van discutir el comportament de la superfície (límit), les propietats d'agregació, la reologia de la solució i el comportament de fase de diferents tensioactius Gemini quan es combinen amb tensioactius convencionals. L'any 2002, Zana [15] va investigar l'efecte de diferents grups d'enllaç sobre el comportament d'agregació de Gemini Surfactants en solució aquosa, un treball que va avançar molt en el desenvolupament de tensioactius i va ser de gran importància. Més tard, Qiu et al [16] van inventar un nou mètode per a la síntesi de surfactants Gemini que contenien estructures especials basades en bromur de cetil i 4-amino-3,5-dihidroximetil-1,2,4-triazol, que va enriquir encara més la manera de Síntesi de tensioactius Gemini. |
La investigació sobre els tensioactius Gemini a la Xina va començar tard; el 1999, Jianxi Zhao de la Universitat de Fuzhou va fer una revisió sistemàtica de la investigació estrangera sobre els tensioactius Gemini i va cridar l'atenció de moltes institucions de recerca a la Xina. Després d'això, la investigació sobre els tensioactius Gemini a la Xina va començar a florir i va aconseguir resultats fructífers. En els darrers anys, els investigadors s'han dedicat al desenvolupament de nous surfactants Gemini i a l'estudi de les seves propietats fisicoquímiques relacionades. Al mateix temps, les aplicacions dels tensioactius Gemini s'han desenvolupat gradualment en els camps de l'esterilització i l'antibacterià, la producció d'aliments, la desescuma i la inhibició de l'escuma, l'alliberament lent de fàrmacs i la neteja industrial. En funció de si els grups hidròfils de les molècules de tensioactius estan carregats o no i del tipus de càrrega que porten, els tensioactius Gemini es poden dividir en les següents categories: tensioactius Gemini catiònics, aniònics, no iònics i anfòters. Entre ells, els tensioactius Gemini catiònics generalment es refereixen a tensioactius Gemini d'amoni quaternari o sal d'amoni, els tensioactius Gemini aniònics es refereixen principalment a tensioactius Gemini els grups hidròfils dels quals són àcid sulfònic, fosfat i àcid carboxílic, mentre que els tensioactius Gemini no iònics són majoritàriament polioxietilè surfactant Gemini.
1.1 Tensioactius Gemini catiònics
Els tensioactius Gemini catiònics poden dissociar cations en solucions aquoses, principalment amoni i sal d'amoni quaternària Tensioactius Gemini. Els tensioactius catiònics Gemini tenen una bona biodegradabilitat, una forta capacitat de descontaminació, propietats químiques estables, baixa toxicitat, estructura senzilla, fàcil síntesi, fàcil separació i purificació, i també tenen propietats bactericides, anticorrosió, propietats antiestàtiques i suavitat.
Els tensioactius Gemini a base de sal d'amoni quaternària es preparen generalment a partir d'amines terciàries mitjançant reaccions d'alquilació. Hi ha dos mètodes sintètics principals de la següent manera: un és la quaternització d'alcans dibromosubstituïts i amines terciàries d'alquil dimetil dimetil de cadena llarga única; l'altra és quaternitzar alcans de cadena llarga 1-bromo-substituïts i N,N,N',N'-tetrametil alquil diamines amb etanol anhidre com a dissolvent i reflux de calefacció. Tanmateix, els alcans substituïts amb dibromo són més cars i es sintetitzen habitualment pel segon mètode, i l'equació de la reacció es mostra a la figura 2.
1.2 Tensioactius aniònics Gemini
Els tensioactius aniònics Gemini poden dissociar anions en solució aquosa, principalment sulfonats, sals de sulfat, carboxilats i sals de fosfat tipus Surfactants Gemini. Els tensioactius aniònics tenen millors propietats com ara la descontaminació, la formació d'escuma, la dispersió, l'emulsificació i la humectació, i s'utilitzen àmpliament com a detergents, agents espumants, agents humectants, emulsionants i dispersants.
1.2.1 Sulfonats
Els biosurfactants basats en sulfonats tenen els avantatges d'una bona solubilitat en aigua, bona humectabilitat, bona resistència a la temperatura i la sal, bona detergència i una forta capacitat de dispersió, i s'utilitzen àmpliament com a detergents, agents espumants, agents humectants, emulsionants i dispersants en el petroli, indústria tèxtil i productes químics d'ús diari a causa de les seves fonts relativament àmplies de matèries primeres, processos de producció senzills i baixos costos. Li et al van sintetitzar una sèrie de nous surfactants Gemini d'àcid dialquil disulfònic (2Cn-SCT), un tensioactiu bariònic típic de tipus sulfonat, utilitzant tricloramina, amina alifàtica i taurina com a matèries primeres en una reacció de tres passos.
1.2.2 Sals de sulfat
Els tensioactius doblets de sals d'èster de sulfat tenen els avantatges d'una tensió superficial ultra baixa, una alta activitat superficial, una bona solubilitat en aigua, una gran font de matèries primeres i una síntesi relativament senzilla. També té un bon rendiment de rentat i capacitat d'escuma, un rendiment estable en aigua dura i les sals d'èster de sulfat són neutres o lleugerament alcalines en solució aquosa. Tal com es mostra a la figura 3, Sun Dong et al van utilitzar àcid làuric i polietilenglicol com a matèries primeres principals i van afegir enllaços d'èster de sulfat mitjançant reaccions de substitució, esterificació i addició, sintetitzant així el tensioactiu bariònic del tipus de sal d'èster de sulfat-GA12-S-12.
1.2.3 Sals d'àcid carboxílic
Els tensioactius Gemini a base de carboxilats solen ser suaus, verds, fàcilment biodegradables i tenen una rica font de matèries primeres naturals, altes propietats quelants dels metalls, bona resistència a l'aigua dura i dispersió de sabó de calci, bones propietats d'escuma i humectació, i s'utilitzen àmpliament en productes farmacèutics. tèxtils, química fina i altres camps. La introducció de grups amida en biosurfactants basats en carboxilats pot millorar la biodegradabilitat de les molècules de tensioactius i també fer que tinguin bones propietats d'humectació, emulsificació, dispersió i descontaminació. Mei et al van sintetitzar un tensioactiu bariònic basat en carboxilats CGS-2 que conté grups amida utilitzant dodecilamina, dibromoetano i anhídrid succínic com a matèries primeres.
1.2.4 Sals de fosfat
Els tensioactius Gemini del tipus de sal d'èster de fosfat tenen una estructura similar als fosfolípids naturals i són propensos a formar estructures com ara micel·les i vesícules inverses. Els tensioactius Gemini del tipus de sal d'èster de fosfat s'han utilitzat àmpliament com a agents antiestàtics i detergents per a la roba, mentre que les seves altes propietats d'emulsionament i una irritació relativament baixa han donat lloc al seu ampli ús en la cura personal de la pell. Alguns èsters de fosfat poden ser anticancerígens, antitumorals i antibacterians, i s'han desenvolupat desenes de fàrmacs. Els biosurfactants de tipus sal d'èster de fosfat tenen propietats d'emulsificació elevades per a pesticides i es poden utilitzar no només com a antibacterians i insecticides, sinó també com a herbicides. Zheng et al van estudiar la síntesi de surfactants Gemini de sal èster de fosfat a partir de P2O5 i diols oligomèrics basats en orto-quat, que tenen un millor efecte humectant, bones propietats antiestàtiques i un procés de síntesi relativament senzill amb condicions de reacció suaus. La fórmula molecular del tensioactiu bariònic de sal de fosfat de potassi es mostra a la figura 4.
1.3 Tensioactius Gemini no iònics
Els tensioactius no iònics Gemini no es poden dissociar en solució aquosa i existeixen en forma molecular. Aquest tipus de tensioactius bariònics ha estat menys estudiat fins ara, i n'hi ha de dos tipus, un és un derivat del sucre i l'altre és l'èter d'alcohol i l'èter de fenol. Els tensioactius Gemini no iònics no existeixen en estat iònic en solució, de manera que tenen una alta estabilitat, no es veuen afectats fàcilment per electròlits forts, tenen una bona complexitat amb altres tipus de tensioactius i tenen una bona solubilitat. Per tant, els tensioactius no iònics tenen diverses propietats, com ara una bona detergència, dispersibilitat, emulsificació, escuma, humectabilitat, propietats antiestàtiques i esterilització, i es poden utilitzar àmpliament en diversos aspectes com ara pesticides i recobriments. Tal com es mostra a la figura 5, l'any 2004, FitzGerald et al van sintetitzar surfactants Gemini basats en polioxietilè (tensioactius no iònics), l'estructura dels quals es va expressar com (Cn-2H2n-3CHCH2O(CH2CH2O)mH)2(CH2)6 (o GemnEm).
02 Propietats fisicoquímiques dels tensioactius Gemini
2.1 Activitat dels tensioactius Gemini
La forma més senzilla i directa d'avaluar l'activitat superficial dels tensioactius és mesurar la tensió superficial de les seves solucions aquoses. En principi, els tensioactius redueixen la tensió superficial d'una solució mitjançant una disposició orientada en el pla de superfície (límit) (figura 1 (c)). La concentració crítica de micel·les (CMC) dels tensioactius Gemini és més de dos ordres de magnitud menor i el valor de C20 és significativament menor en comparació amb els tensioactius convencionals amb estructures similars. La molècula de tensioactiu bariònic posseeix dos grups hidròfils que l'ajuden a mantenir una bona solubilitat en aigua alhora que té llargues cadenes hidrofòbiques. A la interfície aigua/aire, els tensioactius convencionals estan disposats de manera fluixa a causa de l'efecte de resistència del lloc espacial i la repulsió de càrregues homogènies a les molècules, debilitant així la seva capacitat per reduir la tensió superficial de l'aigua. En canvi, els grups d'enllaç dels tensioactius Gemini s'uneixen de manera covalent, de manera que la distància entre els dos grups hidròfils es manté dins d'un rang petit (molt menor que la distància entre els grups hidròfils dels tensioactius convencionals), donant lloc a una millor activitat dels tensioactius Gemini a la superfície (límit).
2.2 Estructura d'assemblatge dels tensioactius Gemini
En les solucions aquoses, a mesura que augmenta la concentració de tensioactiu bariònic, les seves molècules saturen la superfície de la solució, la qual cosa al seu torn obliga a altres molècules a migrar a l'interior de la solució per formar micel·les. La concentració a la qual el tensioactiu comença a formar micel·les s'anomena concentració crítica de micel·les (CMC). Com es mostra a la figura 9, després que la concentració sigui més gran que la CMC, a diferència dels tensioactius convencionals que s'agreguen per formar micel·les esfèriques, els tensioactius Gemini produeixen una varietat de morfologies de micel·les, com ara estructures lineals i bicapa, a causa de les seves característiques estructurals. Les diferències en la mida, la forma i la hidratació de la micel·la tenen un impacte directe en el comportament de la fase i les propietats reològiques de la solució, i també provoquen canvis en la viscoelasticitat de la solució. Els tensioactius convencionals, com els tensioactius aniònics (SDS), solen formar micel·les esfèriques, que gairebé no tenen cap efecte sobre la viscositat de la solució. Tanmateix, l'estructura especial dels surfactants Gemini condueix a la formació de morfologia micel·lular més complexa i les propietats de les seves solucions aquoses difereixen significativament de les dels tensioactius convencionals. La viscositat de les solucions aquoses de surfactants Gemini augmenta amb l'augment de la concentració de tensioactius Gemini, probablement perquè les micel·les lineals formades s'entrellacen en una estructura semblant a una xarxa. No obstant això, la viscositat de la solució disminueix amb l'augment de la concentració de tensioactiu, probablement a causa de la interrupció de l'estructura web i la formació d'altres estructures de micel·les.
03 Propietats antimicrobianes dels tensioactius Gemini
Com a espècie d'agent antimicrobià orgànic, el mecanisme antimicrobià del tensioactiu bariònic és principalment que es combina amb anions a la superfície de la membrana cel·lular dels microorganismes o reacciona amb grups sulfhidril per interrompre la producció de les seves proteïnes i membranes cel·lulars, destruint així els teixits microbians per inhibir-los. o matar microorganismes.
3.1 Propietats antimicrobianes dels tensioactius aniònics Gemini
Les propietats antimicrobianes dels tensioactius aniònics antimicrobians estan determinades principalment per la naturalesa dels fragments antimicrobians que porten. En solucions col·loïdals com ara làtexs i recobriments naturals, les cadenes hidròfiles s'uneixen a dispersants solubles en aigua i les cadenes hidròfobes s'uniran a les dispersions hidròfobes per adsorció direccional, transformant així la interfície de dues fases en una pel·lícula interfacial molecular densa. Els grups inhibidors bacterians d'aquesta capa protectora densa inhibeixen el creixement dels bacteris.
El mecanisme d'inhibició bacteriana dels tensioactius aniònics és fonamentalment diferent del dels tensioactius catiònics. La inhibició bacteriana dels tensioactius aniònics està relacionada amb el seu sistema de solució i els grups d'inhibició, de manera que aquest tipus de tensioactius es pot limitar. Aquest tipus de tensioactiu ha d'estar present a nivells suficients perquè el tensioactiu estigui present a tots els racons del sistema per produir un bon efecte microbicida. Al mateix temps, aquest tipus de tensioactiu no té localització i orientació, la qual cosa no només provoca residus innecessaris, sinó que també crea resistència durant un llarg període de temps.
Com a exemple, els biosurfactants a base de sulfonat d'alquil s'han utilitzat en medicina clínica. Els alquilsulfonats, com Busulfan i Treosulfan, tracten principalment malalties mieloproliferatives, actuant per produir enllaços creuats entre guanina i ureapurina, mentre que aquesta alteració no es pot reparar mitjançant la correcció de proves cel·lular, donant lloc a la mort cel·lular apoptòtica.
3.2 Propietats antimicrobianes dels tensioactius Gemini catiònics
El tipus principal de tensioactius Gemini catiònics desenvolupats són els tensioactius Gemini del tipus de sal d'amoni quaternària. Els tensioactius Gemini catiònics de tipus amoni quaternari tenen un fort efecte bactericida perquè hi ha dues cadenes alcàniques llargues hidrofòbiques en les molècules de tensioactius bariònics de tipus amoni quaternari, i les cadenes hidròfobes formen adsorció hidròfoba amb la paret cel·lular (peptidoglicà); al mateix temps, contenen dos ions de nitrogen carregats positivament, que afavoriran l'adsorció de molècules de tensioactiu a la superfície de bacteris carregats negativament, i mitjançant la penetració i la difusió, les cadenes hidròfobes penetren profundament a la capa lipídica de la membrana cel·lular bacteriana, canvien el permeabilitat de la membrana cel·lular, que condueix a la ruptura del bacteri, a més de grups hidròfils profunds a la proteïna, provocant la pèrdua de l'activitat enzimàtica i la desnaturalització de proteïnes, a causa de l'efecte combinat d'aquests dos efectes, fent que el fungicida tingui un efecte fort efecte bactericida.
Tanmateix, des del punt de vista ambiental, aquests tensioactius presenten activitat hemolítica i citotoxicitat, i un temps de contacte més llarg amb organismes aquàtics i la biodegradació poden augmentar la seva toxicitat.
3.3 Propietats antibacterianes dels tensioactius Gemini no iònics
Actualment hi ha dos tipus de tensioactius Gemini no iònics, un és un derivat del sucre i l'altre és l'èter d'alcohol i l'èter de fenol.
El mecanisme antibacterià dels biosurfactants derivats del sucre es basa en l'afinitat de les molècules, i els tensioactius derivats del sucre es poden unir a les membranes cel·lulars, que contenen un gran nombre de fosfolípids. Quan la concentració de tensioactius derivats del sucre arriba a un cert nivell, canvia la permeabilitat de la membrana cel·lular, formant porus i canals iònics, la qual cosa afecta el transport de nutrients i l'intercanvi de gasos, provocant la sortida del contingut i, finalment, conduint a la mort del bacteri.
El mecanisme antibacterià dels èters fenòlics i alcohòlics dels agents antimicrobians és actuar sobre la paret cel·lular o la membrana cel·lular i els enzims, bloquejant les funcions metabòliques i alterant les funcions regeneratives. Per exemple, els fàrmacs antimicrobians dels èters difenílics i els seus derivats (fenols) estan immersos en cèl·lules bacterianes o víriques i actuen a través de la paret cel·lular i la membrana cel·lular, inhibint l'acció i funció dels enzims relacionats amb la síntesi d'àcids nucleics i proteïnes, limitant la creixement i reproducció de bacteris. També paralitza les funcions metabòliques i respiratòries dels enzims dins dels bacteris, que després fracassen.
3.4 Propietats antibacterianes dels tensioactius Gemini anfòters
Els tensioactius anfòters Gemini són una classe de tensioactius que tenen tant cations com anions a la seva estructura molecular, poden ionitzar-se en solució aquosa i presenten les propietats dels tensioactius aniònics en una condició mitjana i els tensioactius catiònics en una altra condició mitjana. El mecanisme d'inhibició bacteriana dels tensioactius amfòters no és concloent, però generalment es creu que la inhibició pot ser similar a la dels tensioactius d'amoni quaternari, on el tensioactiu s'adsorbeix fàcilment a la superfície bacteriana carregada negativament i interfereix amb el metabolisme bacterià.
3.4.1 Propietats antimicrobianes dels aminoàcids Gemini Surfactants
El tensioactiu bariònic de tipus aminoàcid és un tensioactiu bariònic amfòter catiònic format per dos aminoàcids, de manera que el seu mecanisme antimicrobià és més semblant al del tensioactiu bariònic de tipus sal d'amoni quaternària. La part carregada positivament del tensioactiu és atreta per la part carregada negativament de la superfície bacteriana o viral a causa de la interacció electrostàtica i, posteriorment, les cadenes hidròfobes s'uneixen a la bicapa lipídica, donant lloc a l'eflux del contingut cel·lular i la lisi fins a la mort. Té avantatges importants sobre els tensioactius Gemini basats en amoni quaternari: fàcil biodegradabilitat, baixa activitat hemolítica i baixa toxicitat, per la qual cosa s'està desenvolupant per a la seva aplicació i s'està ampliant el seu camp d'aplicació.
3.4.2 Propietats antibacterianes dels tensioactius Gemini de tipus no aminoàcids
Els tensioactius Gemini anfòters de tipus no aminoàcids tenen residus moleculars actius de superfície que contenen centres de càrrega positiva i negativa no ionitzables. Els principals tensioactius Gemini de tipus no aminoàcids són la betaïna, la imidazolina i l'òxid d'amina. Prenent com a exemple el tipus de betaïna, els tensioactius amfòters de tipus betaïna tenen grups aniònics i catiònics a les seves molècules, que no es veuen afectats fàcilment per les sals inorgàniques i tenen efectes tensioactius tant en solucions àcides com alcalines, i el mecanisme antimicrobià dels tensioactius catiònics Gemini és seguit en solucions àcides i la dels tensioactius aniònics Gemini en solucions alcalines. També té un excel·lent rendiment de combinació amb altres tipus de tensioactius.
04 Conclusió i perspectives
Els tensioactius Gemini s'utilitzen cada cop més a la vida a causa de la seva estructura especial i s'utilitzen àmpliament en els camps de l'esterilització antibacteriana, la producció d'aliments, la desescuma i la inhibició de l'escuma, l'alliberament lent de fàrmacs i la neteja industrial. Amb la creixent demanda de protecció del medi ambient verd, els tensioactius Gemini es converteixen gradualment en tensioactius multifuncionals i respectuosos amb el medi ambient. La futura investigació sobre els tensioactius Gemini es pot dur a terme en els següents aspectes: desenvolupament de nous tensioactius Gemini amb estructures i funcions especials, especialment reforçant la investigació sobre antibacterians i antivirals; combinació amb tensioactius o additius comuns per formar productes amb millor rendiment; i utilitzant matèries primeres barates i fàcilment disponibles per sintetitzar surfactants Gemini respectuosos amb el medi ambient.
Hora de publicació: 25-mar-2022