Aquest article se centra en el mecanisme antimicrobià dels tensioactius de Gemini, que s’espera que siguin efectius per matar bacteris i pot proporcionar una mica d’ajuda per alentir la propagació de nous coronavirus.
Tensioactiu, que és una contracció de la superfície de les frases, activa i agent. Els tensioactius són substàncies actives en superfícies i interfícies i tenen una capacitat i una eficiència molt elevades en la reducció de la tensió de la superfície (límit), formant conjunts ordenats molecularment en solucions per sobre d’una determinada concentració i, per tant, tenir una gamma de funcions d’aplicació. Els tensioactius tenen una bona dispersibilitat, humectació, capacitat d’emulsificació i propietats antistàtiques i s’han convertit en materials clau per al desenvolupament de molts camps, inclòs el camp de productes químics fins i tenen una contribució significativa en la millora dels processos, la reducció del consum d’energia i l’augment de l’eficiència de producció. Amb el desenvolupament de la societat i el progrés continu del nivell industrial del món, l’aplicació de tensioactius s’ha estès gradualment des de productes químics d’ús diari fins a diversos camps de l’economia nacional, com ara agents antibacterianos, additius alimentaris, nous camps energètics, tractament contaminant i biofàrmacs.
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).
Actualment, amb el desenvolupament de perfeccionament i sistematització en la indústria manufacturera, la demanda de propietats tensioactives en el procés de producció augmenta gradualment, per la qual cosa és important trobar i desenvolupar tensioactius amb propietats superficials més elevades i amb estructures especials. El descobriment de tensioactius de Gemini posa a punt aquestes llacunes i compleix els requisits de la producció industrial. Un tensioactiu de Gemini comú és un compost amb dos grups hidròfils (generalment iònics o no iònics amb propietats hidròfils) i dues cadenes alquil hidrofòbils.
Com es mostra a la figura 1 (b), en contrast amb els tensioactius convencionals de cadena d'una sola cadena, els tensioactius de Gemini uneixen dos grups hidròfils junts a través d'un grup d'enllaç (espaciador). En resum, l'estructura d'un tensioactiu de Gemini es pot entendre com a formada en unió intel·ligent dos grups hidròfils d'un tensioactiu convencional juntament amb un grup d'enllaç.
L’estructura especial del tensioactiu Gemini condueix a la seva alta activitat superficial, que es deu principalment a ：
(1) L’efecte hidrofòbic millorat de les dues cadenes de cua hidrofòbiques de la molècula tensioactiva de Gemini i l’augment de la tendència del tensioactiu a deixar la solució aquosa.
(2) La tendència dels grups de capçal hidròfil a separar -se els uns dels altres, especialment els grups de capçals iònics a causa de la repulsió electrostàtica, es debilita substancialment per la influència de la separació;
(3) L'estructura especial dels tensioactius de 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 de superfície (límit) més elevada, menor concentració de micela crítica, millor humilitat, capacitat d’emulsificació i capacitat antibacteriana en comparació amb els tensioactius convencionals. Per tant, el desenvolupament i la utilització de tensioactius de Gemini són de gran importància per al desenvolupament i l’aplicació de tensioactius.
La "estructura amfifílica" dels tensioactius convencionals els proporciona propietats superficials úniques. Com es mostra a la figura 1 (c), quan s’afegeix un tensioactiu convencional a l’aigua, el grup de capçal hidròfil tendeix a dissoldre’s dins de la solució aquosa i el grup hidrofòbic inhibeix la dissolució de la molècula de tensioactiu en aigua. Sota l'efecte combinat d'aquestes dues tendències, les molècules tensioactives s'enriqueixen a la interfície de gas-líquid i experimenten una disposició ordenada, reduint així la tensió superficial de l'aigua. A diferència dels tensioactius convencionals, els tensioactius Gemini són "dímers" que vinculen els tensioactius convencionals junts a través de grups espaciadors, cosa que pot reduir la tensió superficial de l'aigua i la tensió interfacial de petroli/aigua de manera més eficaç. A més, els tensioactius Gemini tenen concentracions de micela crítiques més baixes, millor solubilitat en aigua, emulsificació, espuma, humectació i propietats antibacterianes.
| Introducció de 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 “tensioactiu de Gemini”. El mateix any, Zana et al [14] van preparar per primera vegada una sèrie de tensioactius de Gemini de sal d'amoni quaternaris i van investigar sistemàticament les propietats d'aquesta sèrie de tensioactius de Gemini de sal d'amoni quaternaris. 1996, els investigadors van generalitzar i discutir el comportament de la superfície (límit), les propietats de l’agregació, la reologia de la solució i el comportament de fase de diferents tensioactius de Gemini quan es componen amb tensioactius convencionals. El 2002, Zana [15] va investigar l'efecte de diferents grups d'enllaç en el comportament de l'agregació dels tensioactius de Gemini en solució aquosa, un treball que va avançar molt el desenvolupament de tensioactius i tenia una gran importància. Posteriorment, Qiu et al [16] van inventar un nou mètode per a la síntesi de tensioactius de Gemini que contenien estructures especials basades en bromur de cetil i 4-amino-3,5-dihidroximetil-1,2,4-triazol, que van enriquir encara més la forma de la síntesi de tensions de gemines. |
La investigació sobre tensioactius de 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 tensioactius bessons i va cridar l'atenció de moltes institucions de recerca a la Xina. Després d’això, la investigació sobre tensioactius bessons a la Xina va començar a florir i va obtenir resultats fructíferos. En els darrers anys, els investigadors s’han dedicat al desenvolupament de nous tensioactius bessons i a l’estudi de les seves propietats fisicoquímiques relacionades. Al mateix temps, les aplicacions dels tensioactius de Gemini s’han desenvolupat gradualment en els camps d’esterilització i antibacterianes, producció d’aliments, inhibició i inhibició d’escuma, alliberament lent de fàrmacs i neteja industrial. A partir de si es carreguen o no els grups hidròfils de les molècules de tensioactiu i el tipus de càrrega que porten, els tensioactius de Gemini es poden dividir en les categories següents: tensioactius de gemini catiònics, aniónics, no iònics i amfotèrics. Entre ells, els tensioactius de Gemini catiònics es refereixen generalment a tensioactius de la sal o amoni quaternaris, els grups hidrofílics, els grups hidrofílics són àcids sulfonics, fosfat i àcid carboxílic, mentre que els superfactius no líquids són poliòxies.
1.1 Superfícies catiòniques Gemini
Els tensioactius de Gemini catiònics poden dissociar cations en solucions aquoses, principalment amoni i quaternaris amoni amini tensioactius. Els tensioactius de Gemini catiònics tenen una bona biodegradabilitat, una forta capacitat de descontaminació, propietats químiques estables, baixa toxicitat, estructura simple, síntesi fàcil, fàcil separació i purificació, i també tenen propietats bactericides, anticorrosió, propietats antistàtiques i suavitat.
Els tensioactius de Gemini basats en sal d'amoni quaternaris es preparen generalment a partir d'amines terciàries mitjançant reaccions d'alquilació. Hi ha dos mètodes sintètics principals de la següent manera: un és quaternitzar els alcans substituïts a Dibromo i les amines terciàries alquil dimetil dimetil de cadena llarga; L’altra és quaternitzar els alcans de cadena llarga de 1-bromo-substituïdes i n, n, n ', n'-tetrametil alquil diamines amb etanol anhidre com a dissolvent i reflux calefactor. Tot i això, els alcans substituïts per Dibromo són més cars i es sintetitzen habitualment pel segon mètode, i l’equació de reacció es mostra a la figura 2.
1.2 Gemini anióic tensioactius
Els tensioactius anionics de Gemini poden dissociar anions en solució aquosa, principalment sulfonats, sals de sulfat, carboxilats i sals fosfat tipus tensioactius de Gemini. Els tensioactius anionics tenen millors propietats com la descontaminació, l'escuma, la dispersió, l'emulsificació i la humectació, i s'utilitzen àmpliament com a detergents, agents espumants, agents humits, emulsionants i dispersants.
1.2.1 Sulfonats
Els biosurfactants basats en sulfonat tenen els avantatges de la bona solubilitat en aigua, la bona humectació, la bona temperatura i la resistència a la sal, la bona detergència i la forta capacitat de dispersió, i són àmpliament utilitzats com a detergents, agents de moda, agents humits, emulsionants i dispersants a Petroleum, indústria textil i productes químics diaris a causa de les seves fonts relativament àmplies costos. Li et al van sintetitzar una sèrie de nous tensioactius de Gemini d’àcid disulfonic dialquil (2CN-SCT), un tensioactiu barari típic de sulfonat, utilitzant tricloramina, amina alifàtica i taurina com a matèries primeres en una reacció de tres passos.
1.2.2 Sals de sulfat
Les sals d’èster de sulfat Els tensioactius doblet tenen els avantatges de la tensió superficial ultra-baixa, l’activitat superficial elevada, la bona solubilitat en aigua, l’àmplia font de matèries primeres i la síntesi relativament senzilla. També té un bon rendiment de rentat i una capacitat d’escuma, un rendiment estable a l’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 l’àcid lauric i el polietilenglicol com a principals matèries primeres i afegit enllaços d’èster de sulfat mitjançant reaccions de substitució, esterificació i addició, sintetitzant així el tipus de superfícies bariòniques de sal de sulfat d’èster de sulfat-GA12-S-12.
1.2.3 Sals d’àcid carboxílic
Els tensioactius de Gemini basats en carboxilat solen ser lleus, verds, fàcilment biodegradables i tenen una rica font de matèries primeres naturals, propietats altes de cursa metàl·lica, bona resistència a l’aigua dura i dispersió de sabó de calci, bones propietats d’escuma i humitat i s’utilitzen àmpliament en productes farmacèutics, tèxtils, productes químics i altres camps. La introducció de grups amides en biosurfactants basats en carboxilats pot millorar la biodegradabilitat de les molècules tensioactives i també fer-les tenir una bona humitat, emulsificació, dispersió i propietats de descontaminació. Mei et al van sintetitzar un tensioactiu barboxilat basat en carboxilat CGS-2 que contenia grups amida amb dodecilamina, dibromoetà i anhidrur succínic com a matèries primeres.
1.2.4 Sals de fosfat
Els tensioactius de la 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 de Sal de Salt de Fosfat de Tipus Gemini han estat àmpliament utilitzats com a agents antistàtics i detergents de bugaderia, mentre que les seves altes propietats d’emulsificació i irritació relativament baixa han provocat un 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 sal d’èster fosfat tenen propietats d’emulsificació elevades per a pesticides i es poden utilitzar no només com a antibacterianes i insecticides, sinó també com a herbicides. Zheng et al van estudiar la síntesi de tensioactius de la sal de fosfat de sal de P2O5 i els diols oligomèrics basats en orto-quadat, que tenen un efecte humitat millor, bones propietats antistàtiques i un procés de síntesi relativament simple amb condicions de reacció lleus. A la figura 4 es mostra la fórmula molecular del tensioactiu barari de sal de potassi fosfat.
1.3 Superfícies de Gemini no iònics
Els tensioactius no iònics no poden dissociar -se en solució aquosa i existir en forma molecular. Aquest tipus de tensioactiu barari ha estat menys estudiat fins ara, i hi ha dos tipus, un és un derivat de sucre i l’altre és l’èter d’alcohol i el fenol. Els tensioactius no iònics no existeixen en estat iònic en solució, de manera que tenen una alta estabilitat, no es veuen fàcilment afectats per electròlits forts, tenen una bona complexabilitat 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, espuma, humectació, propietat antistàtica i esterilització, i es poden utilitzar àmpliament en diversos aspectes com els pesticides i els recobriments. Tal com es mostra a la figura 5, el 2004, Fitzgerald et al van sintetitzar tensioactius de Gemini basats en polioxietilè (tensioactius no iònics), l'estructura de la qual es va expressar com a (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 la disposició orientada al pla de la superfície (límit) (figura 1 (c)). La concentració crítica de micela (CMC) dels tensioactius de Gemini és més de dos ordres de magnitud menor i el valor C20 és significativament inferior en comparació amb els tensioactius convencionals amb estructures similars. La molècula de tensioactiu barari té dos grups hidròfils que l’ajuden a mantenir una bona solubilitat en aigua mentre té llargues cadenes llargues hidrofòbiques. A la interfície d’aigua/aire, els tensioactius convencionals estan disposats a causa de l’efecte de resistència al lloc espacial i la repulsió de càrregues homogènies a les molècules, debilitant així la seva capacitat de reduir la tensió superficial de l’aigua. En canvi, els grups d’enllaç de tensioactius de Gemini s’uneixen covalentment de manera que la distància entre els dos grups hidròfils es manté dins d’un petit rang (molt menor que la distància entre els grups hidròfils de tensioactius convencionals), donant lloc a una millor activitat de préssecs de Gemini a la superfície (límit).
2.2 Estructura de muntatge dels tensioactius Gemini
En solucions aquoses, a mesura que augmenta la concentració de tensioactiu barari, les seves molècules saturen la superfície de la solució, que al seu torn obliga altres molècules a migrar cap 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 micela (CMC). Tal com es mostra a la figura 9, després que la concentració sigui superior a CMC, a diferència dels tensioactius convencionals que s’agreguen per formar micel·les esfèriques, els tensioactius de Gemini produeixen una varietat de morfologies de micela, com ara estructures lineals i de bicapa, a causa de les seves característiques estructurals. Les diferències en la mida de la micela, la forma i la hidratació tenen un impacte directe en el comportament de fase i les propietats reològiques de la solució, i també condueixen a canvis en la viscoelencitat de la solució. Els tensioactius convencionals, com els tensioactius anionics (SDS), generalment formen micel·les esfèriques, que gairebé no tenen cap efecte sobre la viscositat de la solució. No obstant això, l'estructura especial dels tensioactius bessons condueix a la formació de morfologia de micela més complexa i les propietats de les seves solucions aquoses difereixen significativament de les dels tensioactius convencionals. La viscositat de solucions aquoses de tensioactius de Gemini augmenta amb l’augment de la concentració de tensioactius de Gemini, probablement perquè les micel·les lineals formades s’entrellacen en una estructura similar a la web. Tanmateix, 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 micela.
03 Propietats antimicrobianes dels tensioactius Gemini
Com a una mena d’agent antimicrobià orgànic, el mecanisme antimicrobià del tensioactiu barari és principalment que es combina amb anions a la superfície de la membrana cel·lular dels microorganismes o reacciona amb grups sulfhidril per alterar la producció de les seves proteïnes i membranes cel·lulars, destruint així els teixits microbians per inhibir o matar microorganismes.
3.1 Propietats antimicrobianes dels tensioactius aniónics Gemini
Les propietats antimicrobianes dels tensioactius anionics antimicrobians es determinen principalment per la naturalesa dels fragments antimicrobians que porten. En solucions col·loïdals com els làtexs i els recobriments naturals, les cadenes hidròfiles s’uneixen a dispersants solubles en aigua i les cadenes hidrofòbils s’uneixen a dispersions hidrofòbiques mitjançant l’adsorció direccional, transformant així la interfície bidireccional en una pel·lícula interfacial molecular densa. Els grups inhibidors bacterians d'aquesta densa capa protectora inhibeixen el creixement de bacteris.
El mecanisme d’inhibició bacteriana de tensioactius anióics és fonamentalment diferent del dels tensioactius catiònics. La inhibició bacteriana dels tensioactius anióics està relacionada amb el seu sistema de solucions i els grups d’inhibició, de manera que aquest tipus de tensioactiu es pot limitar. Aquest tipus de tensioactiu ha d’estar present a nivells suficients de manera que 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, que no només provoca residus innecessaris, sinó que també crea resistència durant un llarg període de temps.
A tall d’exemple, s’han utilitzat biosurfactants basats en sulfonat alquil en medicina clínica. Els sulfonats alquil, com el busulfan i el treosulfà, tracten principalment malalties mieloproliferatives, que actuen per produir una reticulació entre guanina i inateapurina, mentre que aquesta alteració no es pot reparar mitjançant la correcció cel·lular, donant lloc a la mort de cèl·lules apoptòtiques.
3.2 Propietats antimicrobianes dels tensioactius de Gemini catiònics
El principal tipus de tensioactius de Gemini catiònics desenvolupats són els tensioactius de Gemini de sal d'amoni quaternaris. Els tensioactius catiònics d’amoni quaternaris tenen un fort efecte bactericida perquè hi ha dues cadenes hidrofòbiques llargues alcà en molècules de tensioactius bariònics hidrofòbics de tipus amoni i les cadenes hidrofòbiques formen adsorció hidrofòbica amb la paret cel·lular (peptidoglican); Al mateix temps, contenen dos ions nitrogen carregats positivament, que afavoriran l’adsorció de molècules tensioactives a la superfície de bacteris carregats negativament i, mitjançant la penetració i la difusió Els grups hidròfils s’endinsen en la proteïna, provocant la pèrdua d’activitat enzimàtica i desnaturalització de proteïnes, a causa de l’efecte combinat d’aquests dos efectes, fent que el fungicida tingui un fort efecte bactericida.
No obstant això, des del punt de vista ambiental, aquests tensioactius tenen activitat hemolítica i citotoxicitat, i un temps de contacte més llarg amb organismes aquàtics i biodegradació poden augmentar la seva toxicitat.
3.3 Propietats antibacterianes dels tensioactius de Gemini no iònics
Actualment, hi ha dos tipus de tensioactius no iònics de Gemini, un és un derivat de sucre i l’altre és l’èter de l’alcohol i el fenol.
El mecanisme antibacterià dels biosurfactants derivats del sucre es basa en l’afinitat de les molècules, i els tensioactius derivats del sucre poden unir-se a les membranes cel·lulars, que contenen un gran nombre de fosfolípids. Quan la concentració de derivats de sucre els tensioactius arriba a un nivell determinat, canvia la permeabilitat de la membrana cel·lular, formant porus i canals d’ions, que afecta el transport de nutrients i l’intercanvi de gasos, provocant la sortida de contents i, eventualment, conduint a la mort del bacteri.
El mecanisme antibacterià dels agents antimicrobianos d’èters fenòlics i alcohòlics és actuar sobre la paret cel·lular o la membrana cel·lular i els enzims, bloquejant les funcions metabòliques i pertorbar les funcions regeneratives. Per exemple, els fàrmacs antimicrobians dels èters de difenil i els seus derivats (fenols) estan immersos en cèl·lules bacterianes o virals i actuen a través de la paret cel·lular i la membrana cel·lular, inhibint l’acció i la funció dels enzims relacionats amb la síntesi d’àcids nucleics i proteïnes, limitant el creixement i la reproducció de bacteris. També paralitza les funcions metabòliques i respiratòries dels enzims dins dels bacteris, que després fracassen.
3.4 Propietats antibacterianes dels tensioactius de Gemini amfotèrics
Els tensioactius de Gemini amfotèrics són una classe de tensioactius que tenen tant cations com anions en la seva estructura molecular, poden ionitzar -se en solució aquosa i presentar les propietats dels tensioactius aniónics en una condició mitjana i tensioactius catiònics en un altre estat mitjà. El mecanisme d’inhibició bacteriana dels tensioactius amfotèrics 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 tensioactius d’aminoàcids bessons
El tensioactiu bariònic d'aminoàcids és un tensioactiu barari amfotèric catiònic compost per dos aminoàcids, de manera que el seu mecanisme antimicrobian és més similar al de la sal de sal d'amoni quaternari. La part carregada positivament del tensioactiu es veu atreta per la part carregada negativament de la superfície bacteriana o viral a causa de la interacció electrostàtica i, posteriorment, les cadenes hidrofòbiques s’uneixen a la bicapa lipídica, donant lloc a efluència de contingut cel·lular i lisi fins a la mort. Té avantatges significatius respecte als tensioactius de Gemini basats en amoni quaternaris: una biodegradabilitat fàcil, baixa activitat hemolítica i baixa toxicitat, de manera que s’està desenvolupant per a la seva aplicació i s’està ampliant el seu camp d’aplicació.
3.4.2 Propietats antibacterianes dels tensioactius de Gemini de tipus no aminoàcid
Els tensioactius de Gemini amfotèrics de tipus no aminoàcid tenen residus moleculars actius de superfície que contenen centres de càrrega positius i negatius no ionitzats. Els principals tensioactius de Gemini de tipus no aminoàcid són betaine, imidazolina i òxid d'amina. Taking betaine type as an example, betaine-type amphoteric surfactants have both anionic and cationic groups in their molecules, which are not easily affected by inorganic salts and have surfactant effects in both acidic and alkaline solutions, and the antimicrobial mechanism of cationic Gemini Surfactants is followed in acidic solutions and that of anionic Gemini Surfactants in Solucions alcalines. També té un excel·lent rendiment compost amb altres tipus de tensioactius.
04 Conclusió i Outlook
Els tensioactius de Gemini s’utilitzen cada cop més a la vida a causa de la seva estructura especial, i s’utilitzen àmpliament en els camps d’esterilització antibacteriana, producció d’aliments, defoaming i inhibició d’escuma, alliberament lent de fàrmacs i neteja industrial. Amb la demanda creixent de protecció del medi ambient verd, els tensioactius bessons es desenvolupen gradualment en tensioactius respectuosos amb el medi ambient i multifuncional. Les futures investigacions sobre tensioactius de Gemini es poden dur a terme en els aspectes següents: Desenvolupar nous tensioactius bessons amb estructures i funcions especials, reforçant especialment la investigació sobre antibacterianes i antivirals; component amb tensioactius o additius comuns per formar productes amb un millor rendiment; i utilitzant matèries primeres barates i fàcilment disponibles per sintetitzar els tensioactius de Gemini respectuosos amb el medi ambient.
Posada Post: 25 de març-2022