В этой статье основное внимание уделяется антимикробному механизму поверхностно-активных веществ Gemini, которые, как ожидается, будут эффективны в уничтожении бактерий и могут оказать некоторую помощь в замедлении распространения новых коронавирусов.
Поверхностно-активное вещество — сокращение слов «Поверхность», «Активный» и «Агент». Поверхностно-активные вещества — это вещества, которые активны на поверхностях и границах раздела и обладают очень высокой способностью и эффективностью снижать поверхностное (граничное) натяжение, образовывать молекулярно-упорядоченные ансамбли в растворах выше определенной концентрации и, таким образом, иметь широкий спектр прикладных функций. ПАВ обладают хорошей диспергируемостью, смачиваемостью, эмульгирующей способностью и антистатическими свойствами и стали ключевыми материалами для развития многих областей, в том числе области тонкой химии, и вносят значительный вклад в улучшение процессов, снижение энергопотребления и повышение эффективности производства. . С развитием общества и непрерывным прогрессом мирового промышленного уровня применение поверхностно-активных веществ постепенно распространилось от химикатов повседневного использования до различных областей национальной экономики, таких как антибактериальные средства, пищевые добавки, новые области энергетики, очистка загрязняющих веществ и биофармацевтические препараты.
Обычные поверхностно-активные вещества представляют собой «амфифильные» соединения, состоящие из полярных гидрофильных групп и неполярных гидрофобных групп, их молекулярные структуры показаны на рисунке 1 (а).
В настоящее время с развитием совершенствования и систематизации в обрабатывающей промышленности спрос на свойства ПАВ в производственном процессе постепенно возрастает, поэтому актуальным является поиск и разработка ПАВ с более высокими поверхностными свойствами и специальной структурой. Открытие Gemini Surfactants устраняет эти пробелы и отвечает требованиям промышленного производства. Обычное поверхностно-активное вещество Gemini представляет собой соединение с двумя гидрофильными группами (обычно ионными или неионными с гидрофильными свойствами) и двумя гидрофобными алкильными цепями.
Как показано на рисунке 1(b), в отличие от обычных одноцепочечных поверхностно-активных веществ, поверхностно-активные вещества Gemini связывают две гидрофильные группы вместе посредством связывающей группы (спейсера). Короче говоря, структуру поверхностно-активного вещества Gemini можно понимать как образованную путем умелого связывания двух гидрофильных головных групп обычного поверхностно-активного вещества вместе с группой связи.
Особая структура поверхностно-активного вещества Gemini обеспечивает его высокую поверхностную активность, что главным образом обусловлено:
(1) усиленный гидрофобный эффект двух гидрофобных хвостовых цепей молекулы поверхностно-активного вещества Gemini и повышенная тенденция поверхностно-активного вещества покидать водный раствор.
(2) Тенденция гидрофильных головных групп отделяться друг от друга, особенно ионных головных групп, вследствие электростатического отталкивания существенно ослабляется влиянием спейсера;
(3) Особая структура поверхностно-активных веществ Gemini влияет на их агрегационное поведение в водном растворе, придавая им более сложную и изменчивую морфологию агрегации.
Поверхностно-активные вещества Gemini обладают более высокой поверхностной (граничной) активностью, более низкой критической концентрацией мицелл, лучшей смачиваемостью, способностью к эмульгированию и антибактериальной способностью по сравнению с обычными поверхностно-активными веществами. Поэтому разработка и использование поверхностно-активных веществ Gemini имеют большое значение для разработки и применения поверхностно-активных веществ.
«Амфифильная структура» обычных поверхностно-активных веществ придает им уникальные поверхностные свойства. Как показано на рисунке 1(c), когда к воде добавляется обычное поверхностно-активное вещество, гидрофильная головная группа имеет тенденцию растворяться внутри водного раствора, а гидрофобная группа ингибирует растворение молекулы поверхностно-активного вещества в воде. Под совместным действием этих двух тенденций молекулы поверхностно-активного вещества обогащаются на границе раздела газ-жидкость и упорядоченно располагаются, тем самым уменьшая поверхностное натяжение воды. В отличие от обычных поверхностно-активных веществ, поверхностно-активные вещества Gemini представляют собой «димеры», которые связывают обычные поверхностно-активные вещества вместе через разделительные группы, что может более эффективно снижать поверхностное натяжение воды и межфазное натяжение масло/вода. Кроме того, поверхностно-активные вещества Gemini имеют более низкие критические концентрации мицелл, лучшую растворимость в воде, эмульгирующие, пенообразующие, смачивающие и антибактериальные свойства.
| Внедрение поверхностно-активных веществ Gemini В 1991 году Менгер и Литтау [13] получили первое поверхностно-активное вещество с бис-алкильной цепью и жесткой связующей группой и назвали его «Поверхностно-активное вещество Gemini». В том же году Зана и др. [14] впервые получили серию четвертичных аммониевых солей Gemini Surfactants и систематически исследовали свойства этой серии четвертичных аммониевых солей Gemini Surfactants. В 1996 году исследователи обобщили и обсудили поверхностное (граничное) поведение, агрегативные свойства, реологию раствора и фазовое поведение различных поверхностно-активных веществ Gemini в сочетании с обычными поверхностно-активными веществами. В 2002 году Зана [15] исследовала влияние различных групп связи на агрегационное поведение поверхностно-активных веществ Gemini в водном растворе. Эта работа значительно продвинула разработку поверхностно-активных веществ и имела большое значение. Позже Цю и др. [16] изобрели новый метод синтеза поверхностно-активных веществ Gemini, содержащих специальные структуры на основе бромистого цетила и 4-амино-3,5-дигидроксиметил-1,2,4-триазола, что еще больше обогатило путь Синтез ПАВ Gemini. |
Исследования поверхностно-активных веществ Gemini в Китае начались поздно; В 1999 году Цзяньси Чжао из Университета Фучжоу провел систематический обзор зарубежных исследований поверхностно-активных веществ Gemini и привлек внимание многих исследовательских институтов Китая. После этого исследования Gemini Surfactants в Китае начали процветать и принесли плодотворные результаты. В последние годы исследователи посвятили себя разработке новых поверхностно-активных веществ Gemini и изучению связанных с ними физико-химических свойств. В то же время, применение поверхностно-активных веществ Gemini постепенно развивалось в области стерилизации и антибактериальной обработки, производства продуктов питания, пеногашения и ингибирования пенообразования, медленного высвобождения лекарств и промышленной очистки. В зависимости от того, заряжены или нет гидрофильные группы в молекулах ПАВ, а также типа заряда, который они несут, ПАВ Gemini можно разделить на следующие категории: катионные, анионные, неионные и амфотерные ПАВ Gemini. Среди них катионные поверхностно-активные вещества Gemini обычно относятся к поверхностно-активным веществам Gemini с четвертичным аммонием или аммониевой солью, анионные поверхностно-активные вещества Gemini в основном относятся к поверхностно-активным веществам Gemini, гидрофильными группами которых являются сульфоновая кислота, фосфат и карбоновая кислота, тогда как неионные поверхностно-активные вещества Gemini представляют собой в основном полиоксиэтиленовые поверхностно-активные вещества Gemini.
1.1 Катионные поверхностно-активные вещества Gemini
Катионные поверхностно-активные вещества Gemini могут диссоциировать катионы в водных растворах, в основном аммонийные и четвертичные аммониевые соли поверхностно-активных веществ Gemini. Катионные поверхностно-активные вещества Gemini обладают хорошей биоразлагаемостью, сильной дезактивирующей способностью, стабильными химическими свойствами, низкой токсичностью, простой структурой, легким синтезом, легким разделением и очисткой, а также обладают бактерицидными свойствами, антикоррозионными, антистатическими свойствами и мягкостью.
Поверхностно-активные вещества Gemini на основе четвертичных аммониевых солей обычно получают из третичных аминов реакциями алкилирования. Существует два основных метода синтеза: один - кватернизация дибромзамещенных алканов и одиночных длинноцепочечных алкилдиметилтретичных аминов; другой - кватернизация 1-бромзамещенных длинноцепочечных алканов и N,N,N',N'-тетраметилалкилдиаминов с использованием безводного этанола в качестве растворителя и нагревания с обратным холодильником. Однако дибромзамещенные алканы более дороги и обычно синтезируются вторым методом, уравнение реакции показано на рисунке 2.
1.2 Анионные поверхностно-активные вещества Gemini
Анионные поверхностно-активные вещества Gemini могут диссоциировать анионы в водном растворе, в основном сульфонаты, сульфатные соли, карбоксилаты и фосфатные соли типа поверхностно-активных веществ Gemini. Анионные поверхностно-активные вещества обладают лучшими свойствами, такими как обеззараживание, вспенивание, диспергирование, эмульгирование и смачивание, и широко используются в качестве моющих средств, пенообразователей, смачивателей, эмульгаторов и диспергаторов.
1.2.1 Сульфонаты
Биосурфактанты на основе сульфонатов обладают такими преимуществами, как хорошая растворимость в воде, хорошая смачиваемость, хорошая устойчивость к температуре и соли, хорошие моющие свойства и сильная диспергирующая способность, и они широко используются в качестве моющих средств, пенообразователей, смачивающих агентов, эмульгаторов и диспергаторов в нефти. текстильная промышленность и химическая продукция повседневного использования из-за относительно широких источников сырья, простых производственных процессов и низких затрат. Ли и др. синтезировали серию новых поверхностно-активных веществ Gemini на основе диалкилдисульфоновой кислоты (2Cn-SCT), типичных барионных поверхностно-активных веществ сульфонатного типа, используя трихлорамин, алифатический амин и таурин в качестве сырья в трехстадийной реакции.
1.2.2 Сульфатные соли
Дублетные поверхностно-активные соли сульфатных эфиров обладают преимуществами сверхнизкого поверхностного натяжения, высокой поверхностной активности, хорошей растворимости в воде, широкого источника сырья и относительно простого синтеза. Он также обладает хорошими моющими свойствами и пенообразующей способностью, стабильными характеристиками в жесткой воде, а соли сульфатных эфиров нейтральны или слегка щелочны в водном растворе. Как показано на рисунке 3, Сунь Донг и др. использовали лауриновую кислоту и полиэтиленгликоль в качестве основного сырья и добавляли связи сложного эфира сульфата посредством реакций замещения, этерификации и присоединения, синтезируя таким образом барионное поверхностно-активное вещество типа соли сложного эфира сульфата - GA12-S-12.
1.2.3 Соли карбоновых кислот
Поверхностно-активные вещества Gemini на основе карбоксилатов обычно мягкие, экологически чистые, легко биоразлагаемые, имеют богатый источник природного сырья, обладают высокими металлохелатирующими свойствами, хорошей стойкостью к жесткой воде и дисперсией кальциевого мыла, хорошими пенообразующими и смачивающими свойствами и широко используются в фармацевтике. текстиль, тонкая химия и другие области. Введение амидных групп в биоПАВ на основе карбоксилатов может повысить биоразлагаемость молекул ПАВ, а также придать им хорошие смачивающие, эмульгирующие, диспергирующие и дезактивирующие свойства. Мэй и др. синтезировали барионное поверхностно-активное вещество CGS-2 на основе карбоксилата, содержащее амидные группы, используя в качестве сырья додециламин, дибромэтан и янтарный ангидрид.
1.2.4 Фосфатные соли
Поверхностно-активные вещества типа солей фосфатных эфиров Gemini имеют структуру, аналогичную природным фосфолипидам, и склонны к образованию таких структур, как обратные мицеллы и везикулы. Поверхностно-активные вещества на основе солей фосфатных эфиров типа Gemini широко используются в качестве антистатиков и моющих средств для стирки, а их высокие эмульгирующие свойства и относительно низкое раздражение привели к их широкому использованию в средствах индивидуального ухода за кожей. Определенные эфиры фосфорной кислоты могут оказывать противораковое, противоопухолевое и антибактериальное действие, разработаны десятки лекарств. Биосурфактанты типа солей эфиров фосфорной кислоты обладают высокими эмульгирующими свойствами для пестицидов и могут использоваться не только в качестве антибактериальных и инсектицидов, но и в качестве гербицидов. Чжэн и др. изучили синтез фосфатных эфиров Gemini Surfactants из P2O5 и олигомерных диолов на основе орто-кватов, которые обладают лучшим смачивающим эффектом, хорошими антистатическими свойствами и относительно простым процессом синтеза с мягкими условиями реакции. Молекулярная формула барионного поверхностно-активного вещества на основе фосфата калия показана на рисунке 4.
1.3 Неионогенные поверхностно-активные вещества Gemini
Неионогенные поверхностно-активные вещества Gemini не диссоциируют в водном растворе и существуют в молекулярной форме. Этот тип барионного поверхностно-активного вещества до сих пор менее изучен, и существует два типа: один представляет собой производное сахара, а другой - эфир спирта и эфир фенола. Неионогенные поверхностно-активные вещества Gemini не существуют в ионном состоянии в растворе, поэтому они обладают высокой стабильностью, не подвергаются воздействию сильных электролитов, имеют хорошую комплексоспособность с другими типами поверхностно-активных веществ и обладают хорошей растворимостью. Таким образом, неионогенные поверхностно-активные вещества обладают различными свойствами, такими как хорошая моющая способность, диспергируемость, эмульгирование, пенообразование, смачиваемость, антистатические свойства и стерилизация, и могут широко использоваться в различных аспектах, таких как пестициды и покрытия. Как показано на рисунке 5, в 2004 году Фитцджеральд и др. синтезировали поверхностно-активные вещества Gemini на основе полиоксиэтилена (неионогенные поверхностно-активные вещества), структура которых была выражена как (Cn-2H2n-3CHCH2O(CH2CH2O)mH)2(CH2)6 (или GemnEm).
02 Физико-химические свойства ПАВ Gemini
2.1 Активность ПАВ Gemini
Самый простой и прямой способ оценить поверхностную активность ПАВ — измерение поверхностного натяжения их водных растворов. В принципе, поверхностно-активные вещества уменьшают поверхностное натяжение раствора за счет их ориентированного расположения на поверхности (граничной) плоскости (рис. 1(в)). Критическая концентрация мицеллообразования (ККМ) Gemini Surfactants более чем на два порядка меньше, а значение C20 значительно ниже по сравнению с обычными ПАВ с аналогичной структурой. Молекула барионного поверхностно-активного вещества обладает двумя гидрофильными группами, которые помогают ей сохранять хорошую растворимость в воде, имея при этом длинные гидрофобные длинные цепи. На границе раздела вода/воздух традиционные поверхностно-активные вещества располагаются рыхло из-за эффекта пространственного сопротивления и отталкивания однородных зарядов в молекулах, что ослабляет их способность снижать поверхностное натяжение воды. Напротив, связывающие группы поверхностно-активных веществ Gemini ковалентно связаны так, что расстояние между двумя гидрофильными группами сохраняется в небольшом диапазоне (намного меньшем, чем расстояние между гидрофильными группами обычных поверхностно-активных веществ), что приводит к лучшей активности поверхностно-активных веществ Gemini при поверхность (граница).
2.2 Сборочная структура поверхностно-активных веществ Gemini
В водных растворах по мере увеличения концентрации барионного ПАВ его молекулы насыщают поверхность раствора, что, в свою очередь, заставляет другие молекулы мигрировать внутрь раствора с образованием мицелл. Концентрация, при которой поверхностно-активное вещество начинает образовывать мицеллы, называется критической концентрацией мицелл (ККМ). Как показано на рисунке 9, после того, как концентрация превышает КМЦ, в отличие от обычных поверхностно-активных веществ, которые агрегируют с образованием сферических мицелл, поверхностно-активные вещества Gemini образуют различные морфологии мицелл, такие как линейные и двухслойные структуры, из-за их структурных характеристик. Различия в размерах, форме и гидратации мицелл оказывают непосредственное влияние на фазовое поведение и реологические свойства раствора, а также приводят к изменению вязкоупругости раствора. Обычные ПАВ, такие как анионные ПАВ (ДСН), обычно образуют сферические мицеллы, которые практически не влияют на вязкость раствора. Однако особая структура ПАВ Gemini приводит к образованию более сложной морфологии мицелл, а свойства их водных растворов существенно отличаются от свойств обычных ПАВ. Вязкость водных растворов ПАВ Gemini увеличивается с увеличением концентрации ПАВ Gemini, вероятно, потому, что образующиеся линейные мицеллы переплетаются в паутинную структуру. Однако вязкость раствора снижается с увеличением концентрации ПАВ, вероятно, за счет нарушения сетчатой структуры и образования других мицеллярных структур.
03 Антимикробные свойства поверхностно-активных веществ Gemini
Антимикробный механизм барионного поверхностно-активного вещества как своего рода органического противомикробного агента заключается главным образом в том, что он соединяется с анионами на поверхности клеточных мембран микроорганизмов или реагирует с сульфгидрильными группами, нарушая выработку их белков и клеточных мембран, тем самым разрушая микробные ткани и ингибируя их. или убить микроорганизмы.
3.1 Антимикробные свойства анионных поверхностно-активных веществ Gemini
Антимикробные свойства антимикробных анионных поверхностно-активных веществ в основном определяются природой антимикробных фрагментов, которые они несут. В коллоидных растворах, таких как натуральные латексы и покрытия, гидрофильные цепи связываются с водорастворимыми диспергаторами, а гидрофобные цепи связываются с гидрофобными дисперсиями посредством направленной адсорбции, превращая таким образом двухфазную границу раздела в плотную молекулярную межфазную пленку. Бактериальные ингибирующие группы на этом плотном защитном слое подавляют рост бактерий.
Механизм бактериального ингибирования анионных ПАВ принципиально отличается от механизма катионных ПАВ. Бактериальное ингибирование анионных поверхностно-активных веществ связано с их растворной системой и группами ингибирования, поэтому использование этого типа поверхностно-активных веществ может быть ограничено. Этот тип поверхностно-активного вещества должен присутствовать в достаточных количествах, чтобы поверхностно-активное вещество присутствовало в каждом уголке системы и оказывало хороший микробицидный эффект. В то же время этому типу ПАВ не хватает локализации и направленности, что не только приводит к ненужным тратам, но и создает устойчивость в течение длительного периода времени.
Например, в клинической медицине используются биосурфактанты на основе алкилсульфонатов. Алкилсульфонаты, такие как бусульфан и треосульфан, в основном лечат миелопролиферативные заболевания, вызывая перекрестные связи между гуанином и уреапурином, хотя это изменение не может быть устранено путем клеточной корректировки, что приводит к апоптотической гибели клеток.
3.2 Антимикробные свойства катионных поверхностно-активных веществ Gemini
Основным типом разработанных катионных поверхностно-активных веществ Gemini являются поверхностно-активные вещества Gemini на основе четвертичных аммониевых солей. Катионные поверхностно-активные вещества Gemini четвертичного аммониевого типа обладают сильным бактерицидным действием, поскольку в молекулах барионных ПАВ четвертичного аммониевого типа имеются две гидрофобные длинные алкановые цепи, а гидрофобные цепи образуют гидрофобную адсорбцию с клеточной стенкой (пептидогликан); в то же время они содержат два положительно заряженных иона азота, что будет способствовать адсорбции молекул ПАВ на поверхность отрицательно заряженных бактерий, а за счет проникновения и диффузии гидрофобные цепи глубоко проникают в липидный слой мембраны бактериальной клетки, изменяют проницаемость клеточной мембраны, что приводит к разрыву бактерии, помимо гидрофильных групп, проникающих глубоко в белок, что приводит к потере активности фермента и денатурации белка из-за совместного действия этих двух эффектов, что делает фунгицид обладающим сильный бактерицидный эффект.
Однако с экологической точки зрения эти поверхностно-активные вещества обладают гемолитической активностью и цитотоксичностью, а более длительное время контакта с водными организмами и биоразложение могут повысить их токсичность.
3.3 Антибактериальные свойства неионогенных поверхностно-активных веществ Gemini.
В настоящее время существует два типа неионогенных поверхностно-активных веществ Gemini: один представляет собой производное сахара, а другой — эфир спирта и эфир фенола.
Антибактериальный механизм биосурфактантов на основе сахаров основан на сродстве молекул, а поверхностно-активные вещества на основе сахаров могут связываться с клеточными мембранами, которые содержат большое количество фосфолипидов. Когда концентрация ПАВ-производных сахаров достигает определенного уровня, это изменяет проницаемость клеточной мембраны, образуя поры и ионные каналы, что влияет на транспорт питательных веществ и газообмен, вызывая отток содержимого и в конечном итоге приводя к гибели клетки. бактерия.
Антибактериальный механизм антимикробных средств на основе фенольных и спиртовых эфиров заключается в воздействии на клеточную стенку или клеточную мембрану и ферменты, блокируя метаболические функции и нарушая регенеративные функции. Например, противомикробные препараты дифениловых эфиров и их производных (фенолов) погружаются в бактериальные или вирусные клетки и действуют через клеточную стенку и клеточную мембрану, подавляя действие и функцию ферментов, связанных с синтезом нуклеиновых кислот и белков, ограничивая рост и размножение бактерий. Он также парализует метаболические и дыхательные функции ферментов бактерий, которые затем перестают работать.
3.4. Антибактериальные свойства амфотерных поверхностно-активных веществ Gemini.
Амфотерные поверхностно-активные вещества Gemini представляют собой класс поверхностно-активных веществ, которые имеют в своей молекулярной структуре как катионы, так и анионы, могут ионизироваться в водном растворе и проявлять свойства анионных поверхностно-активных веществ в одном состоянии среды и катионных поверхностно-активных веществ в другом состоянии среды. Механизм бактериального ингибирования амфотерных поверхностно-активных веществ неясен, но обычно считается, что ингибирование может быть сходным с ингибированием четвертичных аммониевых поверхностно-активных веществ, где поверхностно-активное вещество легко адсорбируется на отрицательно заряженной бактериальной поверхности и мешает бактериальному метаболизму.
3.4.1 Антимикробные свойства аминокислотных поверхностно-активных веществ Gemini
Барионное поверхностно-активное вещество аминокислотного типа представляет собой катионное амфотерное барионное поверхностно-активное вещество, состоящее из двух аминокислот, поэтому его антимикробный механизм больше похож на механизм барионного поверхностно-активного вещества типа четвертичной аммониевой соли. Положительно заряженная часть поверхностно-активного вещества притягивается к отрицательно заряженной части бактериальной или вирусной поверхности за счет электростатического взаимодействия, и в дальнейшем гидрофобные цепи связываются с липидным бислоем, что приводит к оттоку клеточного содержимого и лизису вплоть до гибели. Он имеет существенные преимущества перед поверхностно-активными веществами Gemini на основе четвертичного аммония: легкая биоразлагаемость, низкая гемолитическая активность и низкая токсичность, поэтому разрабатывается его применение и расширяется область его применения.
3.4.2 Антибактериальные свойства поверхностно-активных веществ Gemini неаминокислотного типа
Амфотерные поверхностно-активные вещества Gemini неаминокислотного типа имеют поверхностно-активные молекулярные остатки, содержащие как неионизируемые центры положительного, так и отрицательного заряда. Основными поверхностно-активными веществами Gemini неаминокислотного типа являются бетаин, имидазолин и оксид амина. Если взять в качестве примера бетаинового типа, амфотерные поверхностно-активные вещества бетаинового типа имеют в своих молекулах как анионные, так и катионные группы, на которые трудно воздействовать неорганическими солями и которые оказывают поверхностно-активное действие как в кислых, так и в щелочных растворах, а антимикробный механизм катионных поверхностно-активных веществ Gemini заключается в следующем. затем в кислых растворах и анионных поверхностно-активных веществ Gemini в щелочных растворах. Он также имеет превосходные характеристики смешивания с другими типами поверхностно-активных веществ.
04 Заключение и перспективы
Поверхностно-активные вещества Gemini все чаще используются в жизни из-за их особой структуры и широко используются в областях антибактериальной стерилизации, производства продуктов питания, пеногасления и ингибирования пенообразования, замедленного высвобождения лекарств и промышленной очистки. В связи с растущим спросом на защиту окружающей среды, поверхностно-активные вещества Gemini постепенно превращаются в экологически чистые и многофункциональные поверхностно-активные вещества. Будущие исследования поверхностно-активных веществ Gemini могут проводиться в следующих аспектах: разработка новых поверхностно-активных веществ Gemini со специальной структурой и функциями, особенно усиление исследований в области антибактериальных и противовирусных свойств; смешивание с обычными поверхностно-активными веществами или добавками для получения продуктов с лучшими характеристиками; и использование дешевого и легкодоступного сырья для синтеза экологически чистых поверхностно-активных веществ Gemini.
Время публикации: 25 марта 2022 г.