В этой статье основное внимание уделяется противомикробному 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, которое является сокращением фраз Surface, Active и Agent.Поверхностно-активные вещества представляют собой вещества, активные на поверхностях и границах раздела и обладающие очень высокой способностью и эффективностью в снижении поверхностного (граничного) натяжения, образующие молекулярно упорядоченные ансамбли в растворах выше определенной концентрации и, таким образом, обладающие широким спектром прикладных функций.Поверхностно-активные вещества обладают хорошей диспергируемостью, смачиваемостью, эмульгирующей способностью и антистатическими свойствами и стали ключевыми материалами для развития многих областей, в том числе в 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 из химических веществ повседневного использования в различные области народного хозяйства, такие как антибактериальные агенты, пищевые добавки, новые области энергетики, обработка загрязняющих веществ и биофармацевтические препараты.
Обычные поверхностно-активные вещества представляют собой «амфифильные» соединения, состоящие из полярных гидрофильных групп и неполярных гидрофобных групп, и их молекулярная структура показана на рисунке 1(а).
В настоящее время с развитием рафинирования и систематизации в обрабатывающей промышленности спрос на свойства ПАВ в процессе производства постепенно возрастает, поэтому важно найти и разработать ПАВ с более высокими поверхностными свойствами и со специальными структурами.Открытие поверхностно-активных веществ Gemini устраняет эти пробелы и отвечает требованиям промышленного производства.Обычное поверхностно-активное вещество Gemini представляет собой соединение с двумя гидрофильными группами (обычно ионными или неионогенными 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 вместе две гидрофильные группы посредством связующей группы (спейсера).Короче говоря, структура поверхностно-активного вещества Gemini может быть понята как образованная умным соединением двух гидрофильных головных групп обычного поверхностно-активного вещества вместе с группой связи.
Особая структура поверхностно-активного вещества Gemini приводит к его высокой поверхностной активности, что в основном связано с:
(1) усиленный гидрофобный эффект двух гидрофобных концевых цепей молекулы поверхностно-активного вещества Gemini и повышенная склонность поверхностно-активного вещества к выходу из водного раствора.
(2) Тенденция гидрофильных головных групп к отделению друг от друга, особенно ионных головных групп из-за электростатического отталкивания, существенно ослабляется влиянием спейсера;
(3) Особая структура поверхностно-активных веществ Gemini влияет на их поведение при агрегации 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 мицеллообразования, лучшей смачиваемостью, эмульгирующей и антибактериальной способностью по сравнению с обычными поверхностно-активными веществами.Поэтому разработка и использование поверхностно-активных веществ Gemini имеет большое значение для разработки и применения поверхностно-активных веществ.
«Амфифильная структура» обычных поверхностно-активных веществ придает им уникальные свойства поверхности.Как показано на рис. 1(с), при добавлении в воду обычного ПАВ гидрофильная головная группа стремится раствориться внутри водного раствора, а гидрофобная группа ингибирует растворение молекулы ПАВ в воде.Под совместным действием этих двух тенденций молекулы ПАВ обогащаются на границе раздела газ-жидкость и подвергаются упорядоченному расположению, 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 спейсерные группы, которые могут более эффективно снижать поверхностное натяжение воды и межфазное натяжение масло/вода.Кроме того, поверхностно-активные вещества Gemini обладают более низкими критическими концентрациями мицеллообразования, лучшей растворимостью в воде, эмульгированием, пенообразованием, смачивающими и антибактериальными свойствами.
| Внедрение поверхностно-активных веществ Gemini В 1991 году Менгер и Литтау [13] получили первое поверхностно-активное вещество с бисалкильной цепью с жесткой группой связи и назвали его «поверхностно-активное вещество Gemini».В том же году Зана и др. [14] впервые приготовили 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, свойства агрегации, реологию раствора и фазовое поведение различных поверхностно-активных веществ Gemini при смешивании с обычными поверхностно-активными веществами.В 2002 г. Zana [15] исследовал влияние различных групп сцепления на агрегационное поведение поверхностно-активных веществ Gemini в водном растворе, работа, которая значительно продвинула разработку поверхностно-активных веществ и имела большое значение.Позднее Qiu с соавторами [16] изобрели новый метод синтеза поверхностно-активных веществ Gemini, содержащих специальные структуры на основе цетилбромида и 4-амино-3,5-дигидроксиметил-1,2,4-триазола, что еще больше обогатило способ получения Близнецы Синтез ПАВ. |
Исследования поверхностно-активных веществ Gemini в Китае начались с опозданием;В 1999 году Цзяньси Чжао из Университета Фучжоу сделал систематический обзор зарубежных исследований поверхностно-активных веществ Gemini и привлек внимание многих исследовательских институтов Китая.После этого исследования поверхностно-активных веществ Gemini 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 расширяется в таких областях, как стерилизация и антибактериальная обработка, производство продуктов питания, пеногашение и подавление пенообразования, медленное высвобождение лекарств и промышленная очистка.В зависимости от того, заряжены гидрофильные группы в молекулах поверхностно-активных веществ или нет, а также по типу заряда, который они несут, поверхностно-активные вещества Gemini можно разделить на следующие категории: катионные, анионные, неионогенные и амфотерные поверхностно-активные вещества Gemini.Среди них катионные поверхностно-активные вещества Gemini обычно относятся к четвертичным аммониевым или аммониевым поверхностно-активным веществам Gemini, анионные поверхностно-активные вещества Gemini в основном относятся к поверхностно-активным веществам Gemini, гидрофильными группами которых являются сульфоновая кислота, фосфат и карбоновая кислота, а неионогенные поверхностно-активные вещества Gemini в основном представляют собой полиоксиэтиленовые поверхностно-активные вещества Gemini.
1.1 Катионные поверхностно-активные вещества Близнецы
Катионные поверхностно-активные вещества Gemini могут диссоциировать катионы в водных растворах, в основном, соли аммония и четвертичного аммония.Катионные поверхностно-активные вещества Gemini обладают хорошей биоразлагаемостью, сильной обеззараживающей способностью, стабильными химическими свойствами, низкой токсичностью, простой структурой, легкостью синтеза, легкого разделения и очистки, а также обладают бактерицидными свойствами, антикоррозионными, антистатическими свойствами и мягкостью.
Поверхностно-активные вещества Gemini на основе солей четвертичного аммония обычно получают из третичных аминов с помощью реакций алкилирования.Существует два основных синтетических метода: один заключается в кватернизации дибромзамещенных алканов и одиночных длинноцепочечных алкилдиметилтрет-аминов;другой заключается в кватернизации 1-бромзамещенных длинноцепочечных алканов и N,N,N',N'-тетраметилалкилдиаминов с помощью безводного этанола в качестве растворителя и нагревания с обратным холодильником.Однако дибромзамещенные алканы дороже и обычно синтезируются вторым методом, а уравнение реакции показано на рис. 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 Gemini Surfactants.Анионные поверхностно-активные вещества обладают лучшими свойствами, такими как обеззараживание, пенообразование, диспергирование, эмульгирование и смачивание, и широко используются в качестве детергентов, пенообразователей, смачивающих агентов, 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, хорошая моющая способность и сильная диспергирующая способность, и они широко используются в качестве детергентов, пенообразователей, смачивающих агентов, эмульгаторов и диспергаторов в нефти, текстильная промышленность и химикаты повседневного использования из-за их 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), типичного барионного поверхностно-активного вещества сульфонатного типа, используя трихлорамин, алифатический амин и таурин в качестве исходных материалов в трехстадийной реакции.
1.2.2 Сульфатные соли
Дублетные поверхностно-активные вещества солей сложных эфиров сульфата обладают преимуществами ультранизкого 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, стабильно работает в жесткой воде, а соли сульфатных эфиров нейтральны или слабощелочны в водном растворе.Как показано на рисунке 3, Sun Dong et al. использовали лауриновую кислоту и полиэтиленгликоль в качестве основного сырья и добавляли связи сульфатного эфира посредством реакций замещения, этерификации и присоединения, тем самым синтезируя барионное поверхностно-активное вещество типа соли сульфатного эфира-GA12-S-12.
1.2.3 Соли карбоновых кислот
Поверхностно-активные вещества Gemini на основе карбоксилатов обычно мягкие, зеленые, легко биоразлагаемые и имеют богатый источник природного сырья, высокие свойства хелатирования металлов, хорошую устойчивость к жесткой воде и дисперсию кальциевого мыла, хорошие пенообразующие и смачивающие свойства и широко используются в фармацевтике. текстиль, тонкая химия и другие области.Введение амидных групп в биосурфактанты на основе карбоксилатов может повысить биоразлагаемость молекул поверхностно-активных веществ, а также сделать их хорошими смачивающими, эмульгирующими, диспергирующими и обеззараживающими свойствами.Мей и др. синтезировали барионное поверхностно-активное вещество CGS-2 на основе карбоксилата, содержащее амидные группы, используя додециламин, дибромэтан и янтарный ангидрид в качестве исходных материалов.
1.2.4 Фосфатные соли
Поверхностно-активные вещества типа Gemini на основе солей сложных эфиров фосфорной кислоты имеют структуру, сходную с природными фосфолипидами, и склонны к образованию таких структур, как обратные мицеллы и везикулы.Поверхностно-активные вещества на основе сложных эфиров фосфорной кислоты 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.Некоторые эфиры фосфорной кислоты могут быть противораковыми, противоопухолевыми и антибактериальными, и были разработаны десятки лекарств.Биосурфактанты типа солей сложных эфиров фосфорной кислоты обладают высокими эмульгирующими свойствами для пестицидов и могут использоваться не только в качестве антибактериальных и инсектицидных средств, но и в качестве гербицидов.Zheng et al. изучили синтез поверхностно-активных веществ Gemini на основе соли сложного эфира фосфорной кислоты из P2O5 и олигомерных диолов на основе орто-квата, 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 подвержены влиянию сильных электролитов, хорошо сочетаются с другими типами поверхностно-активных веществ и обладают хорошей растворимостью.Следовательно, неионогенные поверхностно-активные вещества обладают различными свойствами, такими как хорошие моющие свойства, 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 г. FitzGerald et al. 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 поверхностно-активных веществ Gemini
2.1 Активность поверхностно-активных веществ Gemini
Самый простой и прямой способ оценки поверхностной активности поверхностно-активных веществ — измерение поверхностного натяжения их водных растворов.В принципе поверхностно-активные вещества снижают поверхностное натяжение раствора за счет 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 поверхностно-активными веществами аналогичной структуры.Молекула барионного поверхностно-активного вещества обладает двумя гидрофильными группами, которые помогают ему поддерживать хорошую растворимость в воде, имея длинные гидрофобные длинные цепи.На границе вода/воздух обычные поверхностно-активные вещества располагаются свободно из-за эффекта пространственного сопротивления и отталкивания однородных зарядов в молекулах, что ослабляет их способность снижать поверхностное натяжение воды.Напротив, связующие группы ПАВ Gemini связаны ковалентно, так что расстояние между двумя гидрофильными группами остается в пределах небольшого диапазона (намного меньше, чем расстояние между гидрофильными группами обычных ПАВ), что приводит к лучшей активности ПАВ Gemini при поверхность (граница).
2.2 Структура сборки 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 мицеллообразования (ККМ).Как показано на рисунке 9, после того, как концентрация превысит ККМ, в отличие от обычных поверхностно-активных веществ, которые агрегируют с образованием сферических мицелл, поверхностно-активные вещества Gemini образуют мицеллы различной морфологии, такие как линейные и двухслойные структуры, благодаря своим структурным характеристикам.Различия в размере, форме и гидратации мицелл оказывают непосредственное влияние на фазовое поведение и реологические свойства раствора, а также приводят к изменению вязкоупругости раствора.Обычные ПАВ, например анионные ПАВ (ДСН), обычно образуют сферические мицеллы, практически не влияющие на вязкость раствора.Однако особая структура ПАВ Gemini приводит к образованию более сложной морфологии мицелл, а свойства их водных растворов значительно отличаются от свойств обычных ПАВ.Вязкость водных растворов ПАВ Gemini увеличивается с увеличением концентрации ПАВ Gemini, вероятно, из-за того, что образовавшиеся линейные мицеллы переплетаются в паутинообразную структуру.Однако вязкость раствора снижается с увеличением концентрации ПАВ, вероятно, из-за нарушения структуры полотна и образования других мицеллярных структур.
03 Антимикробные свойства поверхностно-активных веществ Gemini
Как вид органического антимикробного агента, антимикробный механизм барионного поверхностно-активного вещества в основном заключается в том, что он соединяется с анионами на поверхности клеточной мембраны микроорганизмов или реагирует с сульфгидрильными группами, нарушая выработку их белков и клеточных мембран, тем самым разрушая микробные ткани для ингибирования. 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 будут связываться с гидрофобными дисперсиями посредством направленной адсорбции, таким образом, превращая двухфазную границу раздела в плотную молекулярную межфазную пленку.Бактериальные ингибирующие группы на этом плотном защитном слое препятствуют росту бактерий.
Механизм бактериального ингибирования анионных ПАВ принципиально отличается от механизма катионных ПАВ.Бактериальное ингибирование анионных поверхностно-активных веществ связано с их системой растворов и ингибирующими группами, 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 для обеспечения хорошего бактерицидного эффекта.В то же время этому типу ПАВ не хватает локализации и направленности, что не только вызывает ненужные отходы, но и создает резистентность в течение длительного периода времени.
Например, биосурфактанты на основе алкилсульфонатов используются в клинической медицине.Алкилсульфонаты, такие как бусульфан и треосульфан, в основном лечат миелопролиферативные заболевания, образуя перекрестные связи между гуанином и уреапурином, в то время как это изменение не может быть устранено клеточной коррекцией, 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 солей четвертичного аммония.Катионные поверхностно-активные вещества Gemini четвертичного аммониевого типа обладают сильным бактерицидным действием, поскольку в молекулах барионного поверхностно-активного вещества четвертичного аммониевого типа присутствуют две гидрофобные длинные алкановые цепи, а гидрофобные цепи образуют гидрофобную адсорбцию клеточной стенкой (пептидогликан);в то же время они содержат два положительно заряженных иона азота, которые будут способствовать адсорбции молекул поверхностно-активного вещества на поверхности отрицательно заряженных бактерий, а путем проникновения и диффузии гидрофобные цепи проникают глубоко в липидный слой бактериальной клеточной мембраны, изменяют проницаемость клеточной мембраны, приводящая к разрыву бактерии, в дополнение к гидрофильным группам вглубь белка, приводящая к потере активности фермента и денатурации белка, за счет комбинированного действия этих двух эффектов, благодаря чему фунгицид обладает 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 биодеградация 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 представляет собой эфир спирта и эфир фенола.
Антибактериальный механизм биосурфактантов, полученных из сахаров, основан на сродстве молекул, и поверхностно-активные вещества, полученные из сахаров, могут связываться с клеточными мембранами, которые содержат большое количество фосфолипидов.Когда концентрация поверхностно-активных веществ производных сахара достигает определенного уровня, изменяется проницаемость клеточной мембраны, образуются поры и ионные каналы, что влияет на транспорт питательных веществ и газообмен, вызывая истечение содержимого и в итоге приводя к гибели клетки. бактерия.
Механизм антибактериального действия противомикробных 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 действовать.
3.4 Антибактериальные свойства амфотерных ПАВ Gemini
Амфотерные поверхностно-активные вещества Gemini представляют собой класс поверхностно-активных веществ, которые имеют как катионы, так и анионы в своей молекулярной структуре, могут ионизироваться в водном растворе и проявлять свойства анионных поверхностно-активных веществ в одних условиях среды и катионных поверхностно-активных веществ в других условиях среды.Механизм бактериального ингибирования амфотерными поверхностно-активными веществами неубедителен, но обычно считается, что ингибирование может быть сходным с ингибированием четвертичными аммониевыми поверхностно-активными веществами, где поверхностно-активное вещество легко адсорбируется на отрицательно заряженной бактериальной поверхности и препятствует бактериальному метаболизму.
3.4.1 Антимикробные свойства аминокислот Gemini Surfactants
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 действия барионного поверхностно-активного вещества типа соли четвертичного аммония.Положительно заряженная часть сурфактанта притягивается к отрицательно заряженной части бактериальной или вирусной поверхности за счет электростатического взаимодействия, а затем гидрофобные цепи связываются с липидным бислоем, что приводит к оттоку клеточного содержимого и лизису вплоть до гибели.Он имеет значительные преимущества перед ПАВ Gemini на основе четвертичного аммония: легкая биоразлагаемость, низкая гемолитическая активность и низкая токсичность, поэтому он разрабатывается для его применения 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 аминоксид.Взяв в качестве примера бетаиновый тип амфотерных поверхностно-активных веществ, бетаиновые амфотерные поверхностно-активные вещества имеют в своих молекулах как анионные, так и катионные группы, на которые не так легко воздействуют неорганические соли и которые оказывают поверхностно-активное действие как в кислых, так и в щелочных растворах, а противомикробный механизм катионных поверхностно-активных веществ Gemini заключается в следующем. затем в кислых растворах и анионных поверхностно-активных веществ Gemini в щелочных растворах.Он также обладает отличными характеристиками компаундирования с другими типами поверхностно-активных веществ.
04 Заключение и перспективы
Поверхностно-активные вещества Gemini все чаще используются в быту из-за их особой структуры, и они широко используются в областях антибактериальной стерилизации, производства продуктов питания, пеногасителя и подавления пенообразования, медленного 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 по поверхностно-активным веществам 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.