Acest articol se concentrează pe mecanismul antimicrobian al surfactanților Gemini, care se așteaptă să fie eficienți în uciderea bacteriilor și pot oferi un anumit ajutor în încetinirea răspândirii noilor coronavirusuri.
Surfactant, care este o contracție a expresiilor Surface, Active și Agent. Surfactanții sunt substanțe care sunt active pe suprafețe și interfețe și au o capacitate și o eficiență foarte ridicată în reducerea tensiunii de suprafață (limită), formând ansambluri ordonate molecular în soluții peste o anumită concentrație și având astfel o gamă largă de funcții de aplicare. Agenții tensioactivi au o bună dispersibilitate, umectare, capacitate de emulsionare și proprietăți antistatice și au devenit materiale cheie pentru dezvoltarea multor domenii, inclusiv domeniul chimiei fine, și au o contribuție semnificativă la îmbunătățirea proceselor, reducerea consumului de energie și creșterea eficienței producției. . Odată cu dezvoltarea societății și progresul continuu al nivelului industrial mondial, aplicarea agenților tensioactivi s-a răspândit treptat de la substanțele chimice de uz zilnic la diferite domenii ale economiei naționale, cum ar fi agenți antibacterieni, aditivi alimentari, noi domenii energetice, tratarea poluanților și biofarmaceutice.
Agenții tensioactivi convenționali sunt compuși „amfifili” constând din grupări hidrofile polare și grupări hidrofobe nepolare, iar structurile lor moleculare sunt prezentate în Figura 1(a).
În prezent, odată cu dezvoltarea rafinamentului și sistematizării în industria prelucrătoare, cererea pentru proprietățile surfactanților în procesul de producție crește treptat, de aceea este important să se găsească și să se dezvolte surfactanți cu proprietăți de suprafață mai mari și cu structuri speciale. Descoperirea surfactanților Gemini compensează aceste lacune și îndeplinește cerințele producției industriale. Un surfactant comun Gemini este un compus cu două grupări hidrofile (în general ionice sau neionice cu proprietăți hidrofile) și două lanțuri alchil hidrofobe.
Așa cum se arată în Figura 1(b), spre deosebire de agenții tensioactivi convenționali cu un singur lanț, surfactanții Gemini leagă două grupări hidrofile împreună printr-o grupare de legătură (distanțiere). Pe scurt, structura unui surfactant Gemini poate fi înțeleasă ca fiind formată prin legarea inteligentă a două grupe de cap hidrofile ale unui surfactant convențional împreună cu o grupare de legătură.
Structura specială a surfactantului Gemini duce la activitatea sa mare de suprafață, care se datorează în principal:
(1) efectul hidrofob sporit al celor două lanțuri de coadă hidrofobe ale moleculei Gemini Surfactant și tendința crescută a surfactantului de a părăsi soluția apoasă.
(2) Tendința grupurilor de cap hidrofile de a se separa unele de altele, în special grupele de cap ionice din cauza repulsiei electrostatice, este substanțial slăbită de influența distanțierului;
(3) Structura specială a surfactanților Gemini afectează comportamentul lor de agregare în soluție apoasă, oferindu-le o morfologie de agregare mai complexă și variabilă.
Surfactanții Gemini au o activitate de suprafață (de limită) mai mare, o concentrație critică micelă mai mică, o mai bună umectabilitate, capacitate de emulsionare și capacitate antibacteriană în comparație cu agenții tensioactivi convenționali. Prin urmare, dezvoltarea și utilizarea surfactanților Gemini sunt de mare importanță pentru dezvoltarea și aplicarea surfactanților.
„Structura amfifilă” a agenților tensioactivi convenționali le conferă proprietăți unice de suprafață. După cum se arată în Figura 1(c), atunci când un agent activ de suprafață convențional este adăugat în apă, grupul de cap hidrofil tinde să se dizolve în interiorul soluției apoase, iar gruparea hidrofobă inhibă dizolvarea moleculei de agent activ de suprafață în apă. Sub efectul combinat al acestor două tendințe, moleculele de surfactant sunt îmbogățite la interfața gaz-lichid și sunt supuse unui aranjament ordonat, reducând astfel tensiunea superficială a apei. Spre deosebire de agenții tensioactivi convenționali, surfactanții Gemini sunt „dimeri” care leagă agenții tensioactivi convenționali împreună prin grupuri de distanțiere, care pot reduce mai eficient tensiunea superficială a apei și tensiunea interfață ulei/apă. În plus, surfactanții Gemini au concentrații critice de micelare mai mici, solubilitate în apă mai bună, emulsionare, spumare, umectare și proprietăți antibacteriene.
| Introducerea surfactanților Gemini În 1991, Menger și Littau [13] au preparat primul surfactant cu lanț bis-alchil cu o grupare de legătură rigidă și l-au numit „surfactant Gemini”. În același an, Zana și colab. [14] au preparat o serie de surfactanți Gemini cu sare de amoniu cuaternar pentru prima dată și au investigat sistematic proprietățile acestei serii de surfactanți Gemini cu sare de amoniu cuaternar. 1996, cercetătorii au generalizat și au discutat comportamentul suprafeței (limită), proprietățile de agregare, reologia soluției și comportamentul de fază a diferiților surfactanți Gemini atunci când sunt combinați cu agenți tensioactivi convenționali. În 2002, Zana [15] a investigat efectul diferitelor grupuri de legătură asupra comportamentului de agregare a surfactanților Gemini în soluție apoasă, o lucrare care a avansat foarte mult dezvoltarea surfactanților și a fost de mare importanță. Mai târziu, Qiu și colab. [16] au inventat o nouă metodă pentru sinteza surfactanților Gemini care conține structuri speciale pe bază de bromură de cetil și 4-amino-3,5-dihidroximetil-1,2,4-triazol, care a îmbogățit și mai mult modul de Sinteza surfactantului Gemeni. |
Cercetările privind surfactanții Gemeni în China au început târziu; în 1999, Jianxi Zhao de la Universitatea Fuzhou a făcut o revizuire sistematică a cercetării străine privind surfactanții Gemeni și a atras atenția multor instituții de cercetare din China. După aceea, cercetările privind surfactanții Gemeni în China au început să înflorească și au obținut rezultate fructuoase. În ultimii ani, cercetătorii s-au dedicat dezvoltării de noi surfactanți Gemini și studiului proprietăților fizico-chimice aferente acestora. În același timp, aplicațiile surfactanților Gemini au fost dezvoltate treptat în domeniile sterilizării și antibacteriene, producției de alimente, antispumante și inhibarea spumei, eliberarea lentă a medicamentelor și curățarea industrială. Pe baza faptului că grupările hidrofile din moleculele de surfactant sunt încărcate sau nu și tipul de sarcină pe care o poartă, surfactanții Gemini pot fi împărțiți în următoarele categorii: surfactanți Gemini cationici, anionici, neionici și amfoteri. Printre aceștia, surfactanții Gemini cationici se referă, în general, la amoniu cuaternar sau sare de amoniu.
1.1 Surfactanți cationici Gemini
Surfactanții cationici Gemini pot disocia cationii în soluții apoase, în principal amoniu și sare cuaternară de amoniu Gemini Surfactanți. Surfactanții cationici Gemini au biodegradabilitate bună, capacitate puternică de decontaminare, proprietăți chimice stabile, toxicitate scăzută, structură simplă, sinteză ușoară, separare și purificare ușoară și, de asemenea, au proprietăți bactericide, anticorozive, proprietăți antistatice și moliciune.
Surfactanții Gemini pe bază de sare de amoniu cuaternar sunt în general preparați din amine terțiare prin reacții de alchilare. Există două metode de sinteză principale, după cum urmează: una este cuaternizarea alcanilor dibromo-substituiți și a aminelor terțiare de alchil dimetil cu catenă lungă unică; celălalt este cuaternizarea alcanilor cu catenă lungă 1-bromo-substituită și N,N,N',N'-tetrametil alchil diaminelor cu etanol anhidru ca solvent și reflux de încălzire. Cu toate acestea, alcanii dibromo-substituiți sunt mai scumpi și sunt de obicei sintetizați prin a doua metodă, iar ecuația reacției este prezentată în Figura 2.
1.2 Surfactanți anionici Gemeni
Surfactanții anionici Gemini pot disocia anionii în soluție apoasă, în principal sulfonați, săruri sulfat, carboxilați și săruri fosfatice de tip Gemini Surfactants. Agenții de suprafață anionici au proprietăți mai bune, cum ar fi decontaminarea, spumarea, dispersia, emulsificarea și umezirea și sunt utilizați pe scară largă ca detergenți, agenți de spumă, agenți de umectare, emulgatori și dispersanți.
1.2.1 Sulfonați
Biosurfactanții pe bază de sulfonați au avantajele unei solubilități bune în apă, umectabilitate bună, rezistență bună la temperatură și sare, detergenție bună și capacitate puternică de dispersie și sunt utilizați pe scară largă ca detergenți, agenți de spumă, agenți de umectare, emulgatori și dispersanți în petrol, industria textilă și substanțele chimice de uz zilnic datorită surselor lor relativ largi de materii prime, proceselor de producție simple și costurilor reduse. Li și colab. au sintetizat o serie de noi surfactanți Gemini acid dialchil disulfonic (2Cn-SCT), un surfactant barionic tipic de tip sulfonat, folosind tricloramină, amină alifatică și taurină ca materii prime într-o reacție în trei etape.
1.2.2 Săruri sulfat
Agenții tensioactivi dubleți ai sărurilor de ester sulfat au avantajele tensiunii superficiale ultra-scăzute, activitate de suprafață ridicată, solubilitate bună în apă, sursă largă de materii prime și sinteză relativ simplă. De asemenea, are performanțe bune de spălare și capacitate de spumare, performanță stabilă în apă dură, iar sărurile de ester sulfat sunt neutre sau ușor alcaline în soluție apoasă. După cum se arată în Figura 3, Sun Dong și colab. au folosit acid lauric și polietilen glicol ca materii prime principale și au adăugat legături de ester sulfat prin reacții de substituție, esterificare și adiție, sintetizând astfel surfactantul barionic de tip ester sulfat-GA12-S-12.
1.2.3 Sărurile acidului carboxilic
Surfactanții Gemini pe bază de carboxilați sunt de obicei blânzi, verzi, ușor biodegradabili și au o sursă bogată de materii prime naturale, proprietăți ridicate de chelare a metalelor, rezistență bună la apă dură și dispersie de săpun de calciu, proprietăți bune de spumare și umectare și sunt utilizate pe scară largă în produse farmaceutice, textile, chimie fină și alte domenii. Introducerea grupărilor amidice în biosurfactanții pe bază de carboxilați poate spori biodegradabilitatea moleculelor de surfactant și, de asemenea, le face să aibă proprietăți bune de umectare, emulsionare, dispersie și decontaminare. Mei și colab. au sintetizat un surfactant barionic pe bază de carboxilat CGS-2 care conține grupări amidice folosind dodecilamină, dibrometan și anhidridă succinică ca materii prime.
1.2.4 Săruri de fosfat
Agenții tensioactivi Gemini de tip ester fosfat au o structură similară cu fosfolipidele naturale și sunt predispuși să formeze structuri precum micelele și veziculele inverse. Sarea de ester fosfat de tip Gemini Surfactanții au fost utilizați pe scară largă ca agenți antistatici și detergenți de rufe, în timp ce proprietățile lor ridicate de emulsionare și iritația relativ scăzută au condus la utilizarea lor pe scară largă în îngrijirea personală a pielii. Anumiți esteri fosforici pot fi anticancerigen, antitumorali și antibacterieni și au fost dezvoltate zeci de medicamente. Biosurfactanții de tip sare de ester fosfat au proprietăți de emulsionare ridicate pentru pesticide și pot fi utilizați nu numai ca antibacteriene și insecticide, ci și ca erbicide. Zheng și colab. au studiat sinteza sării de ester fosfat Gemini surfactanți din P2O5 și dioli oligomerici pe bază de orto-quat, care au un efect de umectare mai bun, proprietăți antistatice bune și un proces de sinteză relativ simplu cu condiții de reacție blânde. Formula moleculară a surfactantului barionic de sare de fosfat de potasiu este prezentată în Figura 4.
1.3 Surfactanți neionici Gemini
Surfactanții neionici Gemini nu pot fi disociați în soluție apoasă și există sub formă moleculară. Acest tip de surfactant barionic a fost mai puțin studiat până acum și există două tipuri, unul este un derivat al zahărului și celălalt este alcool eter și fenol eter. Surfactanții neionici Gemini nu există în stare ionică în soluție, deci au stabilitate ridicată, nu sunt ușor afectați de electroliții puternici, au o complexitate bună cu alte tipuri de agenți tensioactivi și au o solubilitate bună. Prin urmare, agenții tensioactivi neionici au diverse proprietăți, cum ar fi o bună detergenție, dispersibilitate, emulsionare, spumare, umectare, proprietăți antistatice și sterilizare și pot fi utilizați pe scară largă în diferite aspecte, cum ar fi pesticide și acoperiri. După cum se arată în Figura 5, în 2004, FitzGerald și colab. au sintetizat surfactanți Gemini pe bază de polioxietilenă (agenți tensioactivi neionici), a căror structură a fost exprimată ca (Cn-2H2n-3CHCH2O(CH2CH2O)mH)2(CH2)6 (sau GemnEm).
02 Proprietățile fizico-chimice ale surfactanților Gemini
2.1 Activitatea surfactanților Gemeni
Cea mai simplă și directă modalitate de a evalua activitatea de suprafață a agenților tensioactivi este măsurarea tensiunii superficiale a soluțiilor lor apoase. În principiu, agenții tensioactivi reduc tensiunea superficială a unei soluții prin aranjare orientată pe planul suprafeței (limită) (Figura 1(c)). Concentrația micelară critică (CMC) a surfactanților Gemini este cu mai mult de două ordine de mărime mai mică, iar valoarea C20 este semnificativ mai mică în comparație cu agenții tensioactivi convenționali cu structuri similare. Molecula de surfactant barionic posedă două grupe hidrofile care o ajută să mențină o solubilitate bună în apă, având în același timp lanțuri lungi hidrofobe. La interfața apă/aer, agenții tensioactivi convenționali sunt aranjați lejer datorită efectului de rezistență a locului spațial și a respingerii sarcinilor omogene din molecule, slăbind astfel capacitatea acestora de a reduce tensiunea superficială a apei. În schimb, grupurile de legătură ale agenților tensioactivi Gemini sunt legate covalent, astfel încât distanța dintre cele două grupări hidrofile este menținută într-un interval mic (mult mai mic decât distanța dintre grupările hidrofile ale agenților tensioactivi convenționali), rezultând o activitate mai bună a surfactanților Gemini la suprafața (limită).
2.2 Structura de asamblare a surfactanților Gemini
În soluțiile apoase, pe măsură ce concentrația de surfactant barionic crește, moleculele acestuia saturează suprafața soluției, ceea ce, la rândul său, forțează alte molecule să migreze în interiorul soluției pentru a forma micelii. Concentrația la care agentul activ de suprafață începe să formeze micelii se numește Concentrație Critică Micelulară (CMC). După cum se arată în Figura 9, după ce concentrația este mai mare decât CMC, spre deosebire de agenții tensioactivi convenționali care se agregează pentru a forma micelii sferici, surfactanții Gemini produc o varietate de morfologii micelare, cum ar fi structuri liniare și bistraturi, datorită caracteristicilor lor structurale. Diferențele în dimensiunea, forma și hidratarea micelelor au un impact direct asupra comportamentului fazei și proprietăților reologice ale soluției și, de asemenea, conduc la modificări ale vâscoelasticității soluției. Agenții tensioactivi convenționali, cum ar fi agenții tensioactivi anionici (SDS), formează de obicei micelii sferice, care nu au aproape niciun efect asupra vâscozității soluției. Cu toate acestea, structura specială a surfactanților Gemini duce la formarea unei morfologie micelare mai complexe, iar proprietățile soluțiilor lor apoase diferă semnificativ de cele ale agenților tensioactivi convenționali. Vâscozitatea soluțiilor apoase de surfactanți Gemini crește odată cu creșterea concentrației de surfactanți Gemini, probabil pentru că miceliile liniare formate se întrepătrund într-o structură asemănătoare unei rețea. Cu toate acestea, vâscozitatea soluției scade odată cu creșterea concentrației de agent activ de suprafață, probabil datorită perturbării structurii benzii și formării altor structuri micelare.
03 Proprietățile antimicrobiene ale agenților tensioactivi Gemini
Ca un fel de agent antimicrobian organic, mecanismul antimicrobian al surfactantului barionic este, în principal, acela că se combină cu anionii de pe suprafața membranei celulare a microorganismelor sau reacționează cu grupările sulfhidril pentru a perturba producția de proteine și membranele celulare ale acestora, distrugând astfel țesuturile microbiene pentru a inhiba. sau ucide microorganismele.
3.1 Proprietățile antimicrobiene ale surfactanților anionici Gemini
Proprietățile antimicrobiene ale agenților tensioactivi anionici antimicrobieni sunt determinate în principal de natura fragmentelor antimicrobiene pe care le poartă. În soluțiile coloidale, cum ar fi latexurile și acoperirile naturale, lanțurile hidrofile se leagă de dispersanții solubili în apă, iar lanțurile hidrofobe se vor lega de dispersiile hidrofobe prin adsorbție direcțională, transformând astfel interfața în două faze într-un film interfacial molecular dens. Grupurile inhibitoare bacteriene de pe acest strat protector dens inhibă creșterea bacteriilor.
Mecanismul de inhibare bacteriană a surfactanților anionici este fundamental diferit de cel al agenților tensioactivi cationici. Inhibarea bacteriană a agenților tensioactivi anionici este legată de sistemul lor de soluție și de grupările de inhibiție, astfel încât acest tip de surfactant poate fi limitat. Acest tip de surfactant trebuie să fie prezent la niveluri suficiente, astfel încât surfactantul să fie prezent în fiecare colț al sistemului pentru a produce un efect microbicid bun. În același timp, acestui tip de surfactant îi lipsește localizarea și direcționarea, ceea ce nu numai că provoacă deșeuri inutile, dar creează și rezistență pe o perioadă lungă de timp.
Ca exemplu, biosurfactanții pe bază de alchil sulfonat au fost utilizați în medicina clinică. Sulfonații de alchil, cum ar fi Busulfan și Treosulfan, tratează în principal bolile mieloproliferative, acționând pentru a produce legături încrucișate între guanină și ureapurină, în timp ce această alterare nu poate fi reparată prin corectarea celulară, ducând la moartea celulelor apoptotice.
3.2 Proprietățile antimicrobiene ale surfactanților cationici Gemini
Principalul tip de surfactanți cationici Gemini dezvoltat sunt surfactanții de tip Gemini cuaternar de sare de amoniu. Surfactanții Gemini cationici de tip amoniu cuaternar au efect bactericid puternic deoarece există două lanțuri alcanice lungi hidrofobe în moleculele de surfactant barionic de tip amoniu cuaternar, iar lanțurile hidrofobe formează adsorbție hidrofobă cu peretele celular (peptidoglican); în același timp, conțin doi ioni de azot încărcați pozitiv, care vor promova adsorbția moleculelor de surfactant la suprafața bacteriilor încărcate negativ, iar prin penetrare și difuzie, lanțurile hidrofobe pătrund adânc în stratul lipidic al membranei celulare bacteriene, schimbând permeabilitatea membranei celulare, ducând la ruperea bacteriei, pe lângă grupările hidrofile adânci în proteină, ducând la pierderea activității enzimatice și la denaturarea proteinelor, datorită efectului combinat al acestor două efecte, făcând fungicidul să aibă un efect bactericid puternic.
Totuși, din punct de vedere al mediului, acești agenți tensioactivi au activitate hemolitică și citotoxicitate, iar timpul de contact mai lung cu organismele acvatice și biodegradarea le poate crește toxicitatea.
3.3 Proprietățile antibacteriene ale surfactanților neionici Gemini
În prezent, există două tipuri de surfactanți neionici Gemini, unul este un derivat al zahărului, iar celălalt este alcool eter și fenol eter.
Mecanismul antibacterian al biosurfactanților derivati din zahăr se bazează pe afinitatea moleculelor, iar surfactanții derivați din zahăr se pot lega de membranele celulare, care conțin un număr mare de fosfolipide. Când concentrația de agenți tensioactivi derivați de zahăr atinge un anumit nivel, se modifică permeabilitatea membranei celulare, formând pori și canale ionice, ceea ce afectează transportul nutrienților și schimbul de gaze, provocând scurgerea conținutului și ducând în cele din urmă la moartea bacterie.
Mecanismul antibacterian al agenților antimicrobieni eteri fenolici și alcoolici este de a acționa asupra peretelui celular sau asupra membranei celulare și asupra enzimelor, blocând funcțiile metabolice și perturbând funcțiile regenerative. De exemplu, medicamentele antimicrobiene ale difenil eteri și derivații acestora (fenoli) sunt scufundate în celule bacteriene sau virale și acționează prin peretele celular și membrana celulară, inhibând acțiunea și funcția enzimelor legate de sinteza acizilor nucleici și proteinelor, limitând creșterea și reproducerea bacteriilor. De asemenea, paralizează funcțiile metabolice și respiratorii ale enzimelor din bacterii, care apoi eșuează.
3.4 Proprietățile antibacteriene ale surfactanților amfoteri Gemeni
Surfactanții amfoteri Gemini sunt o clasă de agenți tensioactivi care au atât cationi, cât și anioni în structura lor moleculară, se pot ioniza în soluție apoasă și prezintă proprietățile agenților tensioactivi anionici într-o stare medie și a agenților tensioactivi cationici într-o altă stare medie. Mecanismul de inhibare bacteriană a surfactanților amfoteri este neconcludent, dar se crede în general că inhibarea poate fi similară cu cea a surfactanților de amoniu cuaternar, unde surfactantul este ușor adsorbit pe suprafața bacteriană încărcată negativ și interferează cu metabolismul bacterian.
3.4.1 Proprietățile antimicrobiene ale surfactanților aminoacizi Gemini
Surfactantul barionic de tip aminoacizi este un surfactant barionic amfoter cationic compus din doi aminoacizi, astfel încât mecanismul său antimicrobian este mai asemănător cu cel al agentului tensioactiv barionic de tip sare de amoniu cuaternar. Partea încărcată pozitiv a surfactantului este atrasă de partea încărcată negativ a suprafeței bacteriene sau virale datorită interacțiunii electrostatice și, ulterior, lanțurile hidrofobe se leagă de stratul dublu lipidic, ducând la efluxul conținutului celular și la liză până la moarte. Are avantaje semnificative față de surfactanții Gemini pe bază de amoniu cuaternar: biodegradabilitate ușoară, activitate hemolitică scăzută și toxicitate scăzută, astfel că este dezvoltat pentru aplicarea sa și domeniul său de aplicare este extins.
3.4.2 Proprietăți antibacteriene ale surfactanților de tip Gemini non-aminoacizi
Surfactanții Gemini amfoteri de tip non-aminoacizi au reziduuri moleculare active de suprafață care conțin atât centrii de sarcină pozitivi, cât și negativi neionizabili. Principalii surfactanți de tip Gemini fără aminoacizi sunt betaina, imidazolina și oxidul de amină. Luând ca exemplu tipul de betaină, agenții tensioactivi amfoteri de tip betaină au atât grupări anionice, cât și cationice în moleculele lor, care nu sunt ușor afectate de sărurile anorganice și au efecte tensioactive atât în soluții acide, cât și în soluții alcaline, iar mecanismul antimicrobian al surfactanților cationici Gemini este urmată în soluții acide și cea a surfactanților anionici Gemini în soluții alcaline. De asemenea, are o performanță excelentă de amestecare cu alte tipuri de agenți tensioactivi.
04 Concluzie și perspective
Surfactanții Gemini sunt din ce în ce mai folosiți în viață datorită structurii lor speciale și sunt utilizați pe scară largă în domeniile sterilizării antibacteriene, producției de alimente, antispumante și inhibarea spumei, eliberarea lentă a medicamentelor și curățarea industrială. Odată cu creșterea cererii pentru protecția mediului verde, surfactanții Gemini sunt transformați treptat în agenți tensioactivi ecologici și multifuncționali. Cercetările viitoare asupra surfactanților Gemini se pot desfășura în următoarele aspecte: dezvoltarea de noi Surfactanți Gemini cu structuri și funcții speciale, în special întărirea cercetărilor privind antibacteriene și antivirale; amestecarea cu surfactanți sau aditivi obișnuiți pentru a forma produse cu performanțe mai bune; și utilizarea de materii prime ieftine și ușor disponibile pentru a sintetiza surfactanți Gemini ecologici.
Ora postării: 25-mar-2022