Den här artikeln fokuserar på den antimikrobiella mekanismen hos Gemini Surfactants, som förväntas vara effektiva för att döda bakterier och kan ge viss hjälp för att bromsa spridningen av nya coronavirus.
Surfactant, som är en sammandragning av fraserna Surface, Active och Agent. Ytaktiva ämnen är ämnen som är aktiva på ytor och gränsytor och har en mycket hög förmåga och effektivitet i att reducera yt(gräns)spänning, bilda molekylärt ordnade sammansättningar i lösningar över en viss koncentration och därmed ha en rad tillämpningsfunktioner. Ytaktiva ämnen har god dispergerbarhet, vätbarhet, emulgeringsförmåga och antistatiska egenskaper och har blivit nyckelmaterial för utvecklingen av många områden, inklusive området för finkemikalier, och har ett betydande bidrag till att förbättra processer, minska energiförbrukningen och öka produktionseffektiviteten. . Med samhällsutvecklingen och den kontinuerliga utvecklingen av världens industriella nivå har appliceringen av ytaktiva ämnen gradvis spridit sig från dagliga kemikalier till olika områden av den nationella ekonomin, såsom antibakteriella medel, livsmedelstillsatser, nya energifält, föroreningsbehandling och bioläkemedel.
Konventionella ytaktiva ämnen är "amfifila" föreningar bestående av polära hydrofila grupper och opolära hydrofoba grupper, och deras molekylära strukturer visas i figur 1(a).
För närvarande, med utvecklingen av förfining och systematisering inom tillverkningsindustrin, ökar efterfrågan på ytaktiva egenskaper i produktionsprocessen gradvis, så det är viktigt att hitta och utveckla ytaktiva ämnen med högre ytegenskaper och med speciella strukturer. Upptäckten av Gemini Surfactants överbryggar dessa klyftor och uppfyller kraven för industriell produktion. En vanlig Gemini-tensid är en förening med två hydrofila grupper (vanligen joniska eller nonjoniska med hydrofila egenskaper) och två hydrofoba alkylkedjor.
Som visas i figur 1(b), i motsats till konventionella enkelkedjiga ytaktiva ämnen, länkar Gemini Surfactants två hydrofila grupper samman genom en länkande grupp (spacer). Kortfattat kan strukturen hos ett Gemini-ytaktivt ämne förstås som bildat genom att på ett smart sätt binda två hydrofila huvudgrupper av ett konventionellt ytaktivt ämne tillsammans med en kopplingsgrupp.
Den speciella strukturen hos Gemini Surfactant leder till dess höga ytaktivitet, vilket främst beror på:
(1) den förstärkta hydrofoba effekten av de två hydrofoba svanskedjorna i Gemini Surfactant-molekylen och den ökade tendensen hos det ytaktiva medlet att lämna den vattenhaltiga lösningen.
(2) Tendensen hos hydrofila huvudgrupper att separera från varandra, speciellt joniska huvudgrupper på grund av elektrostatisk repulsion, försvagas avsevärt av inverkan av spacer;
(3) Den speciella strukturen hos Gemini Surfactants påverkar deras aggregationsbeteende i vattenlösning, vilket ger dem en mer komplex och variabel aggregationsmorfologi.
Tvillingarnas ytaktiva ämnen har högre ytaktivitet, lägre kritisk micellkoncentration, bättre vätbarhet, emulgeringsförmåga och antibakteriell förmåga jämfört med konventionella ytaktiva ämnen. Därför är utvecklingen och användningen av Gemini Surfactants av stor betydelse för utveckling och applicering av ytaktiva ämnen.
Den "amfifila strukturen" hos konventionella ytaktiva ämnen ger dem unika ytegenskaper. Såsom visas i figur 1(c), när ett konventionellt ytaktivt ämne tillsätts till vatten, tenderar den hydrofila huvudgruppen att lösas inuti den vattenhaltiga lösningen, och den hydrofoba gruppen hämmar upplösningen av den ytaktiva molekylen i vatten. Under den kombinerade effekten av dessa två trender anrikas de ytaktiva ämnesmolekylerna vid gränsytan mellan gas och vätska och genomgår ett ordnat arrangemang, vilket minskar vattenytans ytspänning. Till skillnad från konventionella ytaktiva ämnen är Gemini Surfactants "dimerer" som länkar samman konventionella ytaktiva ämnen genom distansgrupper, vilket kan minska ytspänningen av vatten och olja/vatten-gränsytspänningen mer effektivt. Dessutom har Gemini Surfactants lägre kritiska micellkoncentrationer, bättre vattenlöslighet, emulgering, skummande, vätande och antibakteriella egenskaper.
| Introduktion av Gemini Surfactants 1991 beredde Menger och Littau [13] det första ytaktiva ämnet i bis-alkylkedjan med en styv bindningsgrupp och kallade det "Gemini-surfaktant". Samma år beredde Zana et al [14] för första gången en serie kvaternära ammoniumsalt Gemini Surfactants och undersökte systematiskt egenskaperna hos denna serie av kvaternära ammoniumsalt Gemini Surfactants. 1996 generaliserade og diskuterade forskare yt- (gräns-) beteende, aggregationsegenskaper, lösningsreologi och fasbeteende för olika Gemini Surfactants när de blandas med konventionella ytaktiva ämnen. 2002 undersökte Zana [15] effekten av olika kopplingsgrupper på aggregationsbeteendet hos Gemini Surfactants i vattenlösning, ett arbete som avsevärt avancerade utvecklingen av ytaktiva ämnen och var av stor betydelse. Senare uppfann Qiu et al [16] en ny metod för syntes av Gemini Surfactants som innehåller speciella strukturer baserade på cetylbromid och 4-amino-3,5-dihydroximetyl-1,2,4-triazol, vilket ytterligare berikade sättet att Gemini Surfactant syntes. |
Forskning om Gemini Surfactants i Kina startade sent; 1999 gjorde Jianxi Zhao från Fuzhou University en systematisk genomgång av utländsk forskning om Gemini Surfactants och uppmärksammades av många forskningsinstitutioner i Kina. Därefter började forskningen om Tvillingarnas ytaktiva ämnen i Kina blomstra och nådde fruktbara resultat. Under de senaste åren har forskare ägnat sig åt utvecklingen av nya Gemini Surfactants och studier av deras relaterade fysikalisk-kemiska egenskaper. Samtidigt har applikationerna för Gemini Surfactants gradvis utvecklats inom områdena sterilisering och antibakteriella, livsmedelsproduktion, skumdämpning och skumhämning, långsam frisättning av läkemedel och industriell rengöring. Baserat på om de hydrofila grupperna i ytaktiva molekyler är laddade eller inte och vilken typ av laddning de bär, kan Gemini Surfactants delas in i följande kategorier: katjoniska, anjoniska, nonjoniska och amfotera Gemini Surfactants. Bland dem hänvisar katjoniska Gemini Surfactants i allmänhet till kvaternära ammonium- eller ammoniumsalt Gemini Surfactants, anjoniska Gemini Surfactants hänvisar mest till Gemini Surfactants vars hydrofila grupper är sulfonsyra, fosfat och karboxylsyra, medan nonjoniska Gemini Surfactants är mestadels polyoxietylen Gemini Surfactants.
1.1 Katjoniska Tvillingtensider
Katjoniska Gemini Surfactants kan dissociera katjoner i vattenlösningar, främst ammonium och kvartärt ammoniumsalt Gemini Surfactants. Katjoniska Gemini Surfactants har god biologisk nedbrytbarhet, stark dekontamineringsförmåga, stabila kemiska egenskaper, låg toxicitet, enkel struktur, enkel syntes, enkel separation och rening, och har även bakteriedödande egenskaper, antikorrosion, antistatiska egenskaper och mjukhet.
Kvaternära ammoniumsaltbaserade Gemini Surfactants framställs i allmänhet av tertiära aminer genom alkyleringsreaktioner. Det finns två huvudsakliga syntesmetoder enligt följande: den ena är att kvaternisera dibromsubstituerade alkaner och enkla långkedjiga alkyldimetyl-tertiära aminer; den andra är att kvaternisera 1-brom-substituerade långkedjiga alkaner och N,N,N',N'-tetrametylalkyldiaminer med vattenfri etanol som lösningsmedel och återloppskokning. Emellertid är dibromsubstituerade alkaner dyrare och syntetiseras vanligtvis med den andra metoden, och reaktionsekvationen visas i figur 2.
1.2 Anjoniska Gemini ytaktiva ämnen
Anjoniska Gemini Surfactants kan dissociera anjoner i vattenlösning, främst sulfonater, sulfatsalter, karboxylater och fosfatsalter typ Gemini Surfactants. Anjoniska ytaktiva ämnen har bättre egenskaper såsom dekontaminering, skumning, dispergering, emulgering och vätning, och används i stor utsträckning som rengöringsmedel, skummedel, vätmedel, emulgeringsmedel och dispergeringsmedel.
1.2.1 Sulfonater
Sulfonatbaserade biotensider har fördelarna med god vattenlöslighet, god vätbarhet, god temperatur- och saltbeständighet, god rengöringsförmåga och stark dispergerande förmåga, och de används ofta som rengöringsmedel, skummedel, vätmedel, emulgeringsmedel och dispergeringsmedel i petroleum, textilindustrin och dagligt använda kemikalier på grund av deras relativt breda råvarukällor, enkla produktionsprocesser och låga kostnader. Li et al syntetiserade en serie nya dialkyldisulfonsyra Gemini Surfactants (2Cn-SCT), ett typiskt baryoniskt ytaktivt medel av sulfonattyp, med användning av trikloramin, alifatisk amin och taurin som råmaterial i en trestegsreaktion.
1.2.2 Sulfatsalter
Sulfatestersalter dubbletttensider har fördelarna med ultralåg ytspänning, hög ytaktivitet, god vattenlöslighet, bred källa till råmaterial och relativt enkel syntes. Den har också bra tvättegenskaper och skumningsförmåga, stabil prestanda i hårt vatten och sulfatestersalter är neutrala eller svagt alkaliska i vattenlösning. Som visas i figur 3 använde Sun Dong et al laurinsyra och polyetylenglykol som de huvudsakliga råmaterialen och tillsatte sulfatesterbindningar genom substitutions-, förestrings- och additionsreaktioner, och syntetiserade således sulfatestersalttypen baryonisk tensid-GA12-S-12.
1.2.3 Karboxylsyrasalter
Karboxylatbaserade Tvillingytaktiva ämnen är vanligtvis milda, gröna, lätt biologiskt nedbrytbara och har en rik källa av naturliga råvaror, höga metallkelaterande egenskaper, god motståndskraft mot hårt vatten och dispersion av kalciumtvål, goda skumnings- och vätningsegenskaper och används i stor utsträckning i läkemedel, textilier, finkemikalier och andra områden. Införandet av amidgrupper i karboxylatbaserade biotensider kan förbättra den biologiska nedbrytbarheten av ytaktiva molekyler och även göra att de har goda vätnings-, emulgerings-, dispergerings- och dekontamineringsegenskaper. Mei et al syntetiserade en karboxylatbaserad baryonisk tensid CGS-2 innehållande amidgrupper med användning av dodecylamin, dibrometan och bärnstenssyraanhydrid som råmaterial.
1.2.4 Fosfatsalter
Fosfatestersalt typ Gemini Surfactants har en liknande struktur som naturliga fosfolipider och är benägna att bilda strukturer som omvända miceller och vesiklar. Fosfatestersalt typ Gemini Surfactants har använts i stor utsträckning som antistatiska medel och tvättmedel, medan deras höga emulgerande egenskaper och relativt låga irritation har lett till att de används i stor utsträckning inom personlig hudvård. Vissa fosfatestrar kan vara anticancer, antitumör och antibakteriella, och dussintals läkemedel har utvecklats. Biotensider av fosfatestersalttyp har höga emulgerande egenskaper för bekämpningsmedel och kan användas inte bara som antibakteriella och insekticider utan också som herbicider. Zheng et al studerade syntesen av fosfatestersalt Gemini Surfactants från P2O5 och orto-quat-baserade oligomera dioler, som har bättre vätningseffekt, goda antistatiska egenskaper och en relativt enkel syntesprocess med milda reaktionsförhållanden. Molekylformeln för kaliumfosfatsaltet baryonytaktivt ämne visas i figur 4.
1.3 Nonjoniska Gemini Tensider
Nonjoniska Gemini Surfactants kan inte dissocieras i vattenlösning och finns i molekylär form. Denna typ av baryonisk tensid har hittills varit mindre studerad, och det finns två typer, den ena är ett sockerderivat och den andra är alkoholeter och fenoleter. Nonjoniska Tvillingytaktiva ämnen finns inte i joniskt tillstånd i lösning, så de har hög stabilitet, påverkas inte lätt av starka elektrolyter, har god komplexbarhet med andra typer av ytaktiva ämnen och har god löslighet. Därför har nonjoniska ytaktiva ämnen olika egenskaper såsom god rengöringsförmåga, dispergerbarhet, emulgering, skumbildning, vätbarhet, antistatiska egenskaper och sterilisering, och kan användas i stor utsträckning i olika aspekter såsom bekämpningsmedel och beläggningar. Som visas i figur 5, 2004, syntetiserade FitzGerald et al polyoxietylenbaserade Gemini Surfactants (nonjoniska ytaktiva ämnen), vars struktur uttrycktes som (Cn-2H2n-3CHCH2O(CH2CH2O)mH)2(CH2)6 (eller GemnEm).
02 Fysikalisk-kemiska egenskaper hos Gemini Surfactants
2.1 Aktiviteten hos Gemini Surfactants
Det enklaste och mest direkta sättet att utvärdera ytaktiviteten hos ytaktiva ämnen är att mäta ytspänningen hos deras vattenlösningar. I princip minskar ytaktiva ämnen ytspänningen hos en lösning genom orienterade arrangemang på ytan (gräns)planet (Figur 1(c)). Den kritiska micellkoncentrationen (CMC) av Gemini Surfactants är mer än två storleksordningar mindre och C20-värdet är betydligt lägre jämfört med konventionella ytaktiva ämnen med liknande strukturer. Den baryoniska ytaktiva molekylen har två hydrofila grupper som hjälper den att bibehålla god vattenlöslighet samtidigt som den har långa hydrofoba långa kedjor. Vid gränsytan mellan vatten och luft är de konventionella ytaktiva medlen löst anordnade på grund av den rumsliga resistanseffekten och avstötningen av homogena laddningar i molekylerna, vilket försvagar deras förmåga att reducera vattenytans ytspänning. Däremot är de länkande grupperna av Gemini Surfactants kovalent bundna så att avståndet mellan de två hydrofila grupperna hålls inom ett litet område (mycket mindre än avståndet mellan de hydrofila grupperna av konventionella ytaktiva ämnen), vilket resulterar i bättre aktivitet av Gemini Surfactants vid ytan (gränsen).
2.2 Monteringsstruktur för Gemini Surfactants
I vattenlösningar, när koncentrationen av baryoniskt ytaktivt ämne ökar, mättar dess molekyler lösningens yta, vilket i sin tur tvingar andra molekyler att migrera till det inre av lösningen för att bilda miceller. Den koncentration vid vilken det ytaktiva ämnet börjar bilda miceller kallas Critical Micelle Concentration (CMC). Som visas i figur 9, efter att koncentrationen är större än CMC, till skillnad från konventionella ytaktiva ämnen som aggregerar för att bilda sfäriska miceller, producerar Gemini Surfactants en mängd olika micellmorfologier, såsom linjära och dubbelskiktiga strukturer, på grund av deras strukturella egenskaper. Skillnaderna i micellstorlek, form och hydratisering har en direkt inverkan på lösningens fasbeteende och reologiska egenskaper, och leder också till förändringar i lösningens viskoelasticitet. Konventionella ytaktiva ämnen, såsom anjoniska ytaktiva ämnen (SDS), bildar vanligtvis sfäriska miceller, som nästan inte har någon effekt på lösningens viskositet. Den speciella strukturen hos Gemini Surfactants leder dock till bildandet av mer komplex micellmorfologi och egenskaperna hos deras vattenlösningar skiljer sig väsentligt från de för konventionella ytaktiva ämnen. Viskositeten hos vattenlösningar av Gemini Surfactants ökar med ökande koncentration av Gemini Surfactants, förmodligen på grund av att de bildade linjära micellerna flätas samman till en vävliknande struktur. Lösningens viskositet minskar emellertid med ökande koncentration av ytaktivt ämne, troligen på grund av sönderdelningen av banstrukturen och bildandet av andra micellstrukturer.
03 Antimikrobiella egenskaper hos Gemini Surfactants
Som ett slags organiskt antimikrobiellt medel är den antimikrobiella mekanismen för baryonisk tensid huvudsakligen att den kombineras med anjoner på cellmembranytan hos mikroorganismer eller reagerar med sulfhydrylgrupper för att störa produktionen av deras proteiner och cellmembran och på så sätt förstöra mikrobiella vävnader för att hämma eller döda mikroorganismer.
3.1 Antimikrobiella egenskaper hos anjoniska Gemini Surfactants
De antimikrobiella egenskaperna hos antimikrobiella anjoniska ytaktiva ämnen bestäms huvudsakligen av naturen hos de antimikrobiella delar de bär. I kolloidala lösningar som naturliga latexar och beläggningar binder hydrofila kedjor till vattenlösliga dispergeringsmedel, och hydrofoba kedjor kommer att binda till hydrofoba dispersioner genom riktad adsorption, vilket omvandlar tvåfasgränssnittet till en tät molekylär gränssnittsfilm. De bakteriella hämmande grupperna på detta täta skyddande lager hämmar tillväxten av bakterier.
Mekanismen för bakteriell inhibering av anjoniska ytaktiva ämnen skiljer sig fundamentalt från den för katjoniska ytaktiva ämnen. Den bakteriella hämningen av anjoniska ytaktiva ämnen är relaterad till deras lösningssystem och hämningsgrupperna, så denna typ av ytaktiva ämnen kan begränsas. Denna typ av ytaktivt medel måste finnas närvarande i tillräckliga halter så att det ytaktiva medlet finns i varje hörn av systemet för att ge en bra mikrobicid effekt. Samtidigt saknar den här typen av ytaktiva ämnen lokalisering och målinriktning, vilket inte bara orsakar onödigt slöseri, utan också skapar motstånd under lång tid.
Som ett exempel har alkylsulfonatbaserade biotensider använts inom klinisk medicin. Alkylsulfonater, såsom Busulfan och Treosulfan, behandlar huvudsakligen myeloproliferativa sjukdomar, som verkar för att producera tvärbindning mellan guanin och ureapurin, medan denna förändring inte kan repareras genom cellulär korrekturläsning, vilket resulterar i apoptotisk celldöd.
3.2 Antimikrobiella egenskaper hos katjoniska Gemini Surfactants
Den huvudsakliga typen av katjoniska Gemini Surfactants som utvecklats är kvaternära ammoniumsalttyp Gemini Surfactants. Katjoniska Tvillingtensider av kvaternär ammoniumtyp har stark bakteriedödande effekt eftersom det finns två hydrofoba långa alkankedjor i baryoniska ytaktiva medelmolekyler av kvaternär ammoniumtyp, och de hydrofoba kedjorna bildar hydrofob adsorption med cellväggen (peptidoglykan); samtidigt innehåller de två positivt laddade kvävejoner, som kommer att främja adsorptionen av ytaktiva molekyler till ytan av negativt laddade bakterier, och genom penetration och diffusion tränger de hydrofoba kedjorna djupt in i bakteriecellsmembranets lipidskikt, ändrar permeabilitet av cellmembranet, vilket leder till bristning av bakterien, förutom hydrofila grupper djupt in i proteinet, vilket leder till förlust av enzymaktivitet och proteindenaturering, på grund av den kombinerade effekten av dessa två effekter, vilket gör att svampmedlet har en stark bakteriedödande effekt.
Men ur miljösynpunkt har dessa ytaktiva ämnen hemolytisk aktivitet och cytotoxicitet, och längre kontakttid med vattenlevande organismer och biologisk nedbrytning kan öka deras toxicitet.
3.3 Antibakteriella egenskaper hos nonjoniska Gemini Surfactants
Det finns för närvarande två typer av nonjoniska Gemini Surfactants, den ena är ett sockerderivat och den andra är alkoholeter och fenoleter.
Den antibakteriella mekanismen för sockerhärledda biotensider är baserad på molekylernas affinitet, och sockerhärledda ytaktiva ämnen kan binda till cellmembran, som innehåller ett stort antal fosfolipider. När koncentrationen av ytaktiva ämnen av sockerderivat når en viss nivå, förändrar det cellmembranets permeabilitet och bildar porer och jonkanaler, vilket påverkar transporten av näringsämnen och gasutbytet, vilket orsakar utflöde av innehåll och så småningom leder till döden av bakterie.
Den antibakteriella mekanismen för fenoliska och alkoholiska etrar antimikrobiella medel är att verka på cellväggen eller cellmembranet och enzymer, blockera metaboliska funktioner och störa regenerativa funktioner. Till exempel är antimikrobiella läkemedel av difenyletrar och deras derivat (fenoler) nedsänkta i bakterie- eller virusceller och verkar genom cellväggen och cellmembranet, vilket hämmar verkan och funktion hos enzymer relaterade till syntesen av nukleinsyror och proteiner, vilket begränsar tillväxt och reproduktion av bakterier. Det förlamar också de metaboliska och respiratoriska funktionerna hos enzymerna i bakterierna, som sedan misslyckas.
3.4 Antibakteriella egenskaper hos amfotära Gemini Surfactants
Amfotera Tvillingytaktiva ämnen är en klass av ytaktiva ämnen som har både katjoner och anjoner i sin molekylära struktur, kan jonisera i vattenlösning och uppvisa egenskaperna hos anjoniska ytaktiva ämnen i ett mediumtillstånd och katjoniska ytaktiva ämnen i ett annat mediumtillstånd. Mekanismen för bakteriell hämning av amfotära ytaktiva ämnen är inte avgörande, men det anses allmänt att hämningen kan likna den för kvartära ammoniumtensider, där det ytaktiva medlet lätt adsorberas på den negativt laddade bakterieytan och stör bakteriell metabolism.
3.4.1 Antimikrobiella egenskaper hos aminosyra Gemini Surfactants
Baryonisk tensid av aminosyratyp är en katjonisk amfoter baryonisk tensid som består av två aminosyror, så dess antimikrobiella mekanism liknar mer den hos baryonisk tensid av kvaternär ammoniumsalttyp. Den positivt laddade delen av det ytaktiva medlet attraheras till den negativt laddade delen av bakterie- eller virusytan på grund av elektrostatisk interaktion, och därefter binder de hydrofoba kedjorna till lipiddubbelskiktet, vilket leder till utflöde av cellinnehåll och lys fram till döden. Det har betydande fördelar jämfört med kvaternära ammoniumbaserade Gemini Surfactants: lätt biologisk nedbrytbarhet, låg hemolytisk aktivitet och låg toxicitet, så det utvecklas för sin tillämpning och dess användningsområde utökas.
3.4.2 Antibakteriella egenskaper hos tensider av icke-aminosyratyp Gemini
De amfotera Tvillingarnas tensider av icke-aminosyratyp har ytaktiva molekylrester som innehåller både icke-joniserbara positiva och negativa laddningscentra. De huvudsakliga Tvillingarnas ytaktiva icke-aminosyratyp är betain, imidazolin och aminoxid. Om man tar betaintyp som ett exempel, har amfotera ytaktiva ämnen av betaintyp både anjoniska och katjoniska grupper i sina molekyler, som inte lätt påverkas av oorganiska salter och har ytaktiva effekter i både sura och alkaliska lösningar, och den antimikrobiella mekanismen för katjoniska Gemini Surfactants är följt i sura lösningar och anjoniska Gemini Surfactants i alkaliska lösningar. Den har också utmärkt blandningsprestanda med andra typer av ytaktiva ämnen.
04 Slutsats och framtidsutsikter
Gemini Surfactants används allt mer i livet på grund av sin speciella struktur, och de används i stor utsträckning inom områdena antibakteriell sterilisering, livsmedelsproduktion, skumdämpning och skumhämning, långsam frisättning av läkemedel och industriell rengöring. Med den ökande efterfrågan på grön miljöskydd utvecklas Gemini Surfactants gradvis till miljövänliga och multifunktionella ytaktiva ämnen. Framtida forskning om Gemini Surfactants kan utföras i följande aspekter: utveckla nya Gemini Surfactants med speciella strukturer och funktioner, särskilt stärka forskningen om antibakteriella och antivirala; blandning med vanliga ytaktiva ämnen eller tillsatser för att bilda produkter med bättre prestanda; och att använda billiga och lättillgängliga råvaror för att syntetisera miljövänliga Gemini Surfactants.
Posttid: 2022-mars