Este artigo céntrase no mecanismo antimicrobiano dos surfactantes Gemini, que se espera que sexan efectivos para matar bacterias e que poidan proporcionar algunha axuda para frear a propagación de novos coronavirus.
Surfactante, que é unha contracción das frases Superficie, Activo e Axente. Os surfactantes son substancias que son activas en superficies e interfaces e teñen unha capacidade e eficacia moi elevadas para reducir a tensión superficial (límite), formando conxuntos ordenados molecularmente en solucións por encima dunha determinada concentración e tendo así unha serie de funcións de aplicación. Os tensioactivos posúen unha boa dispersibilidade, humectabilidade, capacidade de emulsificación e propiedades antiestáticas, e convertéronse en materiais fundamentais para o desenvolvemento de moitos campos, incluíndo o campo da química fina, e teñen unha contribución importante na mellora dos procesos, a redución do consumo de enerxía e o aumento da eficiencia da produción. . Co desenvolvemento da sociedade e o continuo progreso do nivel industrial mundial, a aplicación de surfactantes estendeuse gradualmente desde produtos químicos de uso diario a varios campos da economía nacional, como axentes antibacterianos, aditivos alimentarios, novos campos de enerxía, tratamento de contaminantes e biofarmacéuticos.
Os tensioactivos convencionais son compostos "anfifílicos" formados por grupos hidrófilos polares e grupos hidrófobos non polares, e as súas estruturas moleculares móstranse na Figura 1(a).
Na actualidade, co desenvolvemento do perfeccionamento e da sistematización na industria manufacturera, a demanda de propiedades surfactantes no proceso de produción está aumentando gradualmente, polo que é importante atopar e desenvolver surfactantes con propiedades de superficie máis altas e con estruturas especiais. O descubrimento dos surfactantes Gemini salva estas lagoas e cumpre os requisitos da produción industrial. Un tensioactivo común Gemini é un composto con dous grupos hidrófilos (xeralmente iónicos ou non iónicos con propiedades hidrófilas) e dúas cadeas alquilo hidrófobas.
Como se mostra na Figura 1 (b), a diferenza dos surfactantes convencionais de cadea única, os surfactantes Gemini unen dous grupos hidrófilos a través dun grupo de enlace (espazador). En resumo, a estrutura dun surfactante Gemini pódese entender como formada unindo intelixentemente dous grupos de cabeza hidrófilos dun surfactante convencional xunto cun grupo de enlace.
A estrutura especial do surfactante Gemini leva á súa alta actividade superficial, que se debe principalmente a:
(1) o efecto hidrófobo mellorado das dúas cadeas de cola hidrofóbicas da molécula de surfactante Gemini e a maior tendencia do surfactante a abandonar a solución acuosa.
(2) A tendencia dos grupos de cabeza hidrófilos a separarse entre si, especialmente os grupos de cabeza iónicos debido á repulsión electrostática, vese substancialmente debilitada pola influencia do espaciador;
(3) A estrutura especial dos surfactantes Gemini afecta o seu comportamento de agregación en solución acuosa, dándolles unha morfoloxía de agregación máis complexa e variable.
Os surfactantes Gemini teñen maior actividade superficial (límite), menor concentración de micelas críticas, mellor moxabilidade, capacidade de emulsificación e capacidade antibacteriana en comparación cos surfactantes convencionais. Polo tanto, o desenvolvemento e a utilización de surfactantes Gemini son de gran importancia para o desenvolvemento e aplicación de surfactantes.
A "estrutura anfifílica" dos surfactantes convencionais dálles propiedades de superficie únicas. Como se mostra na Figura 1(c), cando se engade un surfactante convencional á auga, o grupo de cabeza hidrófilo tende a disolverse dentro da solución acuosa e o grupo hidrófobo inhibe a disolución da molécula de surfactante en auga. Baixo o efecto combinado destas dúas tendencias, as moléculas de surfactante enriquecen na interface gas-líquido e sofren unha disposición ordenada, reducindo así a tensión superficial da auga. A diferenza dos surfactantes convencionais, os surfactantes Gemini son "dímeros" que unen os surfactantes convencionais a través de grupos espaciadores, que poden reducir a tensión superficial da auga e a tensión interfacial aceite/auga de forma máis eficaz. Ademais, os surfactantes Gemini teñen concentracións de micelas críticas máis baixas, mellor solubilidade en auga, emulsificación, escuma, humectación e propiedades antibacterianas.
| Introdución dos surfactantes Gemini En 1991, Menger e Littau [13] prepararon o primeiro surfactante de cadea bis-alquilo cun grupo de enlace ríxido, e chamárono "surfactante Gemini". No mesmo ano, Zana et al [14] prepararon por primeira vez unha serie de surfactantes Gemini de sal de amonio cuaternario e investigaron sistemáticamente as propiedades desta serie de surfactantes Gemini de sal de amonio cuaternario. En 1996, os investigadores xeneralizaron e discutiron o comportamento da superficie (límite), as propiedades de agregación, a reoloxía da solución e o comportamento de fase de diferentes surfactantes Gemini cando se combinan con surfactantes convencionais. En 2002, Zana [15] investigou o efecto de diferentes grupos de enlace no comportamento de agregación dos surfactantes Gemini en solución acuosa, un traballo que avanzou moito o desenvolvemento de surfactantes e foi de gran importancia. Máis tarde, Qiu et al [16] inventaron un novo método para a síntese de surfactantes Gemini que conteñen estruturas especiais baseadas en bromuro de cetilo e 4-amino-3,5-dihidroximetil-1,2,4-triazol, o que enriqueceu aínda máis a forma de Síntese de surfactante Gemini. |
A investigación sobre surfactantes Gemini en China comezou tarde; en 1999, Jianxi Zhao da Universidade de Fuzhou fixo unha revisión sistemática da investigación estranxeira sobre surfactantes Gemini e chamou a atención de moitas institucións de investigación en China. Despois diso, a investigación sobre surfactantes Gemini en China comezou a florecer e obtivo resultados proveitosos. Nos últimos anos, os investigadores dedicáronse ao desenvolvemento de novos surfactantes Gemini e ao estudo das súas propiedades fisicoquímicas relacionadas. Ao mesmo tempo, as aplicacións dos surfactantes Gemini foron desenvolvidas gradualmente nos campos da esterilización e antibacteriano, produción de alimentos, antiespumante e inhibición da escuma, liberación lenta de fármacos e limpeza industrial. En función de se os grupos hidrófilos das moléculas de surfactante están cargados ou non e do tipo de carga que levan, os surfactantes Gemini pódense dividir nas seguintes categorías: surfactantes Gemini catiónicos, aniónicos, non iónicos e anfóteros. Entre eles, os tensioactivos Gemini catiónicos xeralmente refírense a amonio cuaternario ou sal de amonio. Os tensioactivos Gemini aniónicos fan referencia principalmente a surfactantes Gemini cuxos grupos hidrófilos son ácido sulfónico, fosfato e ácido carboxílico, mentres que os surfactantes non iónicos Gemini son principalmente polioxietileno.
1.1 Surfactantes catiónicos Gemini
Os surfactantes catiónicos Gemini poden disociar catións en solucións acuosas, principalmente amonio e sal de amonio cuaternario. Os surfactantes catiónicos Gemini teñen unha boa biodegradabilidade, unha forte capacidade de descontaminación, propiedades químicas estables, baixa toxicidade, estrutura sinxela, fácil síntese, fácil separación e purificación, e tamén teñen propiedades bactericidas, anticorrosión, propiedades antiestáticas e suavidade.
Os surfactantes Gemini a base de sal de amonio cuaternario prepáranse xeralmente a partir de aminas terciarias mediante reaccións de alquilación. Existen dous métodos sintéticos principais como segue: un é a cuaternización de alcanos dibromosubstituídos e de alquildimetil aminas terciarias de cadea longa única; a outra é cuaternizar alcanos de cadea longa 1-bromo-substituídos e N,N,N',N'-tetrametilalquildiaminas con etanol anhidro como disolvente e refluxo de calefacción. Non obstante, os alcanos substituídos con dibromo son máis caros e adoitan sintetizarse polo segundo método, e a ecuación da reacción móstrase na Figura 2.
1.2 Surfactantes aniónicos Gemini
Os surfactantes aniónicos Gemini poden disociar anións en solución acuosa, principalmente sulfonatos, sales de sulfato, carboxilatos e sales de fosfato tipo Gemini Surfactants. Os tensioactivos aniónicos teñen mellores propiedades como a descontaminación, a formación de escuma, a dispersión, a emulsificación e a humectación, e son amplamente utilizados como deterxentes, axentes espumantes, axentes humectantes, emulsionantes e dispersantes.
1.2.1 Sulfonatos
Os biosurfactantes a base de sulfonato teñen as vantaxes dunha boa solubilidade en auga, boa humectabilidade, boa resistencia á temperatura e á sal, boa deterxencia e unha forte capacidade de dispersión, e son amplamente utilizados como deterxentes, axentes espumantes, axentes humectantes, emulsionantes e dispersantes no petróleo. industria téxtil e produtos químicos de uso diario polas súas fontes relativamente amplas de materias primas, procesos de produción sinxelos e baixos custos. Li et al sintetizaron unha serie de novos surfactantes Gemini de ácido dialquildisulfónico (2Cn-SCT), un tensioactivo bariónico típico de tipo sulfonato, utilizando tricloramina, amina alifática e taurina como materias primas nunha reacción en tres etapas.
1.2.2 Sales de sulfato
Os surfactantes dobrete de sales de éster sulfato teñen as vantaxes dunha tensión superficial ultra baixa, alta actividade superficial, boa solubilidade en auga, ampla fonte de materias primas e síntese relativamente sinxela. Tamén ten un bo rendemento de lavado e capacidade de espuma, un rendemento estable en auga dura e as sales de éster de sulfato son neutras ou lixeiramente alcalinas en solución acuosa. Como se mostra na Figura 3, Sun Dong et al utilizaron ácido láurico e polietilenglicol como materias primas principais e engadiron enlaces éster sulfato mediante reaccións de substitución, esterificación e adición, sintetizando así o surfactante bariónico tipo sal éster sulfato-GA12-S-12.
1.2.3 Sales de ácidos carboxílicos
Os surfactantes Gemini a base de carboxilato adoitan ser suaves, verdes, facilmente biodegradables e teñen unha rica fonte de materias primas naturais, altas propiedades quelantes de metais, boa resistencia á auga dura e dispersión de xabón de calcio, boas propiedades de espuma e humectación, e son amplamente utilizados en produtos farmacéuticos. téxtiles, química fina e outros campos. A introdución de grupos amida en biosurfactantes baseados en carboxilato pode mellorar a biodegradabilidade das moléculas de surfactante e tamén facer que teñan boas propiedades de humectación, emulsificación, dispersión e descontaminación. Mei et al sintetizaron un surfactante bariónico baseado en carboxilato CGS-2 que contén grupos amida usando dodecilamina, dibromoetano e anhídrido succínico como materias primas.
1.2.4 Sales de fosfato
Os surfactantes Gemini de tipo sal de éster de fosfato teñen unha estrutura similar aos fosfolípidos naturais e son propensos a formar estruturas como micelas e vesículas inversas. Os surfactantes Gemini de tipo sal de éster de fosfato foron amplamente utilizados como axentes antiestáticos e deterxentes para a roupa, mentres que as súas altas propiedades de emulsificación e a irritación relativamente baixa levaron ao seu amplo uso no coidado persoal da pel. Certos ésteres de fosfato poden ser anticanceríxenos, antitumorales e antibacterianos, e desenvolvéronse ducias de fármacos. Os biosurfactantes de tipo sal de éster de fosfato teñen altas propiedades de emulsión para pesticidas e poden usarse non só como antibacterianos e insecticidas senón tamén como herbicidas. Zheng et al estudaron a síntese de sal éster de fosfato Gemini Surfactants a partir de P2O5 e diois oligoméricos a base de orto-quat, que teñen un mellor efecto humectante, boas propiedades antiestáticas e un proceso de síntese relativamente sinxelo con condicións de reacción suaves. A fórmula molecular do tensioactivo bariónico de sal de fosfato de potasio móstrase na figura 4.
1.3 Tensoactivos non iónicos Gemini
Os tensioactivos non iónicos Gemini non se poden disociar en solución acuosa e existen en forma molecular. Este tipo de surfactante bariónico foi menos estudado ata o momento, e hai dous tipos, un é un derivado do azucre e outro é éter alcohólico e éter fenólico. Os tensioactivos non iónicos Gemini non existen en estado iónico en solución, polo que teñen unha alta estabilidade, non se ven afectados facilmente por electrólitos fortes, teñen unha boa complexidade con outros tipos de surfactantes e teñen unha boa solubilidade. Polo tanto, os surfactantes non iónicos teñen varias propiedades, como boa deterxencia, dispersibilidade, emulsificación, espumabilidade, moxabilidade, propiedades antiestáticas e esterilización, e poden ser amplamente utilizados en varios aspectos como pesticidas e revestimentos. Como se mostra na Figura 5, en 2004, FitzGerald et al sintetizaron surfactantes Gemini a base de polioxietileno (surfactantes non iónicos), cuxa estrutura se expresou como (Cn-2H2n-3CHCH2O(CH2CH2O)mH)2(CH2)6 (ou GemnEm).
02 Propiedades fisicoquímicas dos surfactantes Gemini
2.1 Actividade dos surfactantes Gemini
A forma máis sinxela e directa de avaliar a actividade superficial dos surfactantes é medir a tensión superficial das súas solucións acuosas. En principio, os surfactantes reducen a tensión superficial dunha solución mediante unha disposición orientada no plano da superficie (límite) (Figura 1(c)). A concentración crítica de micelas (CMC) dos surfactantes Gemini é máis de dúas ordes de magnitude menor e o valor de C20 é significativamente menor en comparación cos surfactantes convencionais con estruturas similares. A molécula de tensioactivo bariónico posúe dous grupos hidrófilos que lle axudan a manter unha boa solubilidade en auga ao tempo que ten longas cadeas hidrofóbicas longas. Na interface auga/aire, os surfactantes convencionais están dispostos pouco debido ao efecto de resistencia do sitio espacial e á repulsión de cargas homoxéneas nas moléculas, debilitando así a súa capacidade para reducir a tensión superficial da auga. Pola contra, os grupos de enlace dos surfactantes Gemini están unidos covalentemente para que a distancia entre os dous grupos hidrófilos se manteña dentro dun intervalo pequeno (moito menor que a distancia entre os grupos hidrófilos dos surfactantes convencionais), o que resulta nunha mellor actividade dos surfactantes Gemini en a superficie (límite).
2.2 Estrutura de montaxe de surfactantes Gemini
Nas disolucións acuosas, a medida que aumenta a concentración de surfactante bariónico, as súas moléculas saturan a superficie da disolución, o que á súa vez obriga a outras moléculas a migrar ao interior da disolución para formar micelas. A concentración na que o surfactante comeza a formar micelas chámase Concentración Micelar Crítica (CMC). Como se mostra na Figura 9, despois de que a concentración é maior que a CMC, a diferenza dos surfactantes convencionais que se agregan para formar micelas esféricas, os surfactantes Gemini producen unha variedade de morfoloxías micelares, como estruturas lineais e bicapa, debido ás súas características estruturais. As diferenzas no tamaño, forma e hidratación das micelas teñen un impacto directo no comportamento das fases e nas propiedades reolóxicas da solución, e tamén provocan cambios na viscoelasticidade da solución. Os tensioactivos convencionais, como os tensioactivos aniónicos (SDS), adoitan formar micelas esféricas, que case non teñen ningún efecto sobre a viscosidade da solución. Non obstante, a estrutura especial dos surfactantes Gemini leva á formación de morfoloxía micelar máis complexa e as propiedades das súas solucións acuosas difiren significativamente das dos surfactantes convencionais. A viscosidade das solucións acuosas de surfactantes Gemini aumenta co aumento da concentración de surfactantes Gemini, probablemente porque as micelas lineais formadas se entrelazan nunha estrutura en forma de rede. Non obstante, a viscosidade da solución diminúe co aumento da concentración de surfactante, probablemente debido á interrupción da estrutura da rede e á formación doutras estruturas micelares.
03 Propiedades antimicrobianas dos surfactantes Gemini
Como unha especie de axente antimicrobiano orgánico, o mecanismo antimicrobiano do surfactante bariónico é principalmente que se combina con anións na superficie da membrana celular dos microorganismos ou reacciona con grupos sulfhidrilo para interromper a produción das súas proteínas e membranas celulares, destruíndo así os tecidos microbianos para inhibir. ou matar microorganismos.
3.1 Propiedades antimicrobianas dos surfactantes aniónicos Gemini
As propiedades antimicrobianas dos surfactantes aniónicos antimicrobianos están determinadas principalmente pola natureza dos restos antimicrobianos que levan. En solucións coloidais como látexes e revestimentos naturais, as cadeas hidrófilas únense a dispersantes solubles en auga e as cadeas hidrófobas uniranse ás dispersións hidrófobas por adsorción direccional, transformando así a interface de dúas fases nunha película interfacial molecular densa. Os grupos inhibidores bacterianos desta capa protectora densa inhiben o crecemento das bacterias.
O mecanismo de inhibición bacteriana dos surfactantes aniónicos é fundamentalmente diferente do dos surfactantes catiónicos. A inhibición bacteriana dos surfactantes aniónicos está relacionada co seu sistema de disolución e os grupos de inhibición, polo que este tipo de surfactante pode ser limitado. Este tipo de surfactante debe estar presente en niveis suficientes para que o surfactante estea presente en todos os recunchos do sistema para producir un bo efecto microbicida. Ao mesmo tempo, este tipo de surfactante carece de localización e orientación, o que non só provoca residuos innecesarios, senón que tamén crea resistencia durante un longo período de tempo.
Como exemplo, os biosurfactantes a base de sulfonato de alquilo utilizáronse na medicina clínica. Os alquilsulfonatos, como o busulfán e o treosulfán, tratan principalmente enfermidades mieloproliferativas, actuando para producir enlaces cruzados entre a guanina e a ureapurina, mentres que esta alteración non se pode reparar mediante a corrección de probas celulares, dando lugar á morte celular por apoptosis.
3.2 Propiedades antimicrobianas dos surfactantes catiónicos Gemini
O principal tipo de surfactantes catiónicos Gemini desenvolvidos son os surfactantes Gemini tipo sal de amonio cuaternario. Os tensioactivos Gemini catiónicos de tipo amonio cuaternario teñen un forte efecto bactericida porque hai dúas cadeas alcanos longas hidrófobas nas moléculas de tensioactivos bariónicos de tipo amonio cuaternario, e as cadeas hidrófobas forman adsorción hidrófoba coa parede celular (peptidoglicano); ao mesmo tempo, conteñen dous ións de nitróxeno cargados positivamente, que promoverán a adsorción de moléculas de surfactante á superficie de bacterias cargadas negativamente e, a través da penetración e difusión, as cadeas hidrófobas penetran profundamente na capa lipídica da membrana celular bacteriana, cambian o permeabilidade da membrana celular, levando á ruptura da bacteria, ademais de grupos hidrófilos profundos na proteína, levando á perda da actividade enzimática e á desnaturalización das proteínas, debido ao efecto combinado destes dous efectos, facendo que o funxicida teña un forte efecto bactericida.
Non obstante, dende o punto de vista ambiental, estes surfactantes teñen actividade hemolítica e citotoxicidade, e un tempo de contacto máis prolongado con organismos acuáticos e a biodegradación pode aumentar a súa toxicidade.
3.3 Propiedades antibacterianas dos surfactantes Gemini non iónicos
Actualmente existen dous tipos de surfactantes Gemini non iónicos, un é un derivado do azucre e o outro é éter alcohólico e éter fenólico.
O mecanismo antibacteriano dos biosurfactantes derivados do azucre baséase na afinidade das moléculas, e os surfactantes derivados do azucre poden unirse ás membranas celulares, que conteñen un gran número de fosfolípidos. Cando a concentración de tensioactivos derivados do azucre alcanza un certo nivel, cambia a permeabilidade da membrana celular, formando poros e canles iónicos, o que afecta o transporte de nutrientes e o intercambio de gases, provocando a saída de contidos e, finalmente, levando á morte do bacteria.
O mecanismo antibacteriano dos axentes antimicrobianos de éteres fenólicos e alcohólicos consiste en actuar sobre a parede celular ou a membrana celular e os encimas, bloqueando as funcións metabólicas e interrompendo as funcións rexenerativas. Por exemplo, os fármacos antimicrobianos dos éteres difenílicos e os seus derivados (fenois) están inmersos en células bacterianas ou virais e actúan a través da parede celular e da membrana celular, inhibindo a acción e función dos encimas relacionados coa síntese de ácidos nucleicos e proteínas, limitando o crecemento e reprodución de bacterias. Tamén paraliza as funcións metabólicas e respiratorias dos encimas dentro das bacterias, que logo fallan.
3.4 Propiedades antibacterianas dos surfactantes anfóteros Gemini
Os tensioactivos anfóteros Gemini son unha clase de surfactantes que teñen tanto catións como anións na súa estrutura molecular, poden ionizarse en solución acuosa e presentan as propiedades dos surfactantes aniónicos nunha condición media e dos surfactantes catiónicos noutro estado medio. O mecanismo de inhibición bacteriana dos surfactantes anfóteros non é concluínte, pero en xeral crese que a inhibición pode ser similar á dos surfactantes de amonio cuaternario, onde o surfactante adsorbe facilmente na superficie bacteriana cargada negativamente e interfire co metabolismo bacteriano.
3.4.1 Propiedades antimicrobianas dos surfactantes de aminoácidos Gemini
O surfactante bariónico de tipo aminoácido é un surfactante bariónico anfótero catiónico composto por dous aminoácidos, polo que o seu mecanismo antimicrobiano é máis parecido ao do surfactante bariónico de tipo sal de amonio cuaternario. A parte cargada positivamente do surfactante é atraída pola parte cargada negativamente da superficie bacteriana ou viral debido á interacción electrostática e, posteriormente, as cadeas hidrófobas únense á bicapa lipídica, o que leva á saída do contido celular e á lise ata a morte. Presenta importantes vantaxes sobre os surfactantes Gemini baseados en amonio cuaternario: fácil biodegradabilidade, baixa actividade hemolítica e baixa toxicidade, polo que se está a desenvolver para a súa aplicación e se amplía o seu campo de aplicación.
3.4.2 Propiedades antibacterianas dos surfactantes Gemini de tipo non aminoácido
Os surfactantes Gemini anfóteros de tipo non aminoácido teñen residuos moleculares activos de superficie que conteñen centros de carga positiva e negativa non ionizables. Os principais surfactantes Gemini de tipo non aminoácido son a betaína, a imidazolina e o óxido de amina. Tomando como exemplo o tipo de betaína, os tensioactivos anfóteros de tipo betaína teñen tanto grupos aniónicos como catiónicos nas súas moléculas, que non son facilmente afectados por sales inorgánicas e teñen efectos surfactantes tanto en solucións ácidas como alcalinas, e o mecanismo antimicrobiano dos surfactantes catiónicos Gemini é seguido en solucións ácidas e a dos surfactantes aniónicos Gemini en solucións alcalinas. Tamén ten un excelente rendemento de composición con outros tipos de surfactantes.
04 Conclusión e perspectivas
Os surfactantes Gemini úsanse cada vez máis na vida debido á súa estrutura especial, e son amplamente utilizados nos campos da esterilización antibacteriana, a produción de alimentos, a eliminación da espuma e a inhibición da escuma, a liberación lenta de medicamentos e a limpeza industrial. Coa crecente demanda de protección do medio ambiente verde, os surfactantes Gemini desenvólvense gradualmente en surfactantes ecolóxicos e multifuncionais. As futuras investigacións sobre surfactantes Gemini pódense realizar nos seguintes aspectos: desenvolvemento de novos surfactantes Gemini con estruturas e funcións especiais, especialmente reforzando a investigación sobre antibacterianos e antivirais; mestura con surfactantes ou aditivos comúns para formar produtos con mellor rendemento; e utilizando materias primas baratas e facilmente dispoñibles para sintetizar surfactantes Gemini respectuosos co medio ambiente.
Hora de publicación: 25-mar-2022