Тази статия се фокусира върху антимикробния механизъм на Gemini Surfactants, за които се очаква да бъдат ефективни при унищожаването на бактерии и могат да осигурят известна помощ при забавяне на разпространението на нови коронавируси.
Повърхностноактивно вещество, което е съкращение на фразите Surface, Active и Agent. Повърхностноактивните вещества са вещества, които са активни върху повърхности и интерфейси и имат много висока способност и ефективност при намаляване на повърхностното (гранично) напрежение, образувайки молекулярно подредени групи в разтвори над определена концентрация и по този начин имайки набор от функции на приложение. Повърхностноактивните вещества притежават добра диспергируемост, омокряемост, способност за емулгиране и антистатични свойства и са се превърнали в ключови материали за развитието на много области, включително областта на фините химикали, и имат значителен принос за подобряване на процесите, намаляване на потреблението на енергия и повишаване на ефективността на производството . С развитието на обществото и непрекъснатия прогрес на световното индустриално ниво, приложението на повърхностноактивните вещества постепенно се разпространи от химикали за ежедневна употреба в различни области на националната икономика, като антибактериални агенти, хранителни добавки, нови енергийни полета, третиране на замърсители и биофармацевтични продукти.
Конвенционалните повърхностноактивни вещества са "амфифилни" съединения, състоящи се от полярни хидрофилни групи и неполярни хидрофобни групи и техните молекулни структури са показани на Фигура 1(а).
Понастоящем, с развитието на усъвършенстването и систематизирането в производствената промишленост, търсенето на повърхностноактивни свойства в производствения процес постепенно се увеличава, така че е важно да се намерят и разработят повърхностноактивни вещества с по-високи повърхностни свойства и със специални структури. Откриването на Gemini Surfactants преодолява тези пропуски и отговаря на изискванията на промишленото производство. Често срещано повърхностно активно вещество на Gemini е съединение с две хидрофилни групи (обикновено йонни или нейонни с хидрофилни свойства) и две хидрофобни алкилови вериги.
Както е показано на фигура 1(b), за разлика от конвенционалните едноверижни повърхностноактивни вещества, повърхностноактивните вещества Gemini свързват две хидрофилни групи заедно чрез свързваща група (спейсер). Накратко, структурата на повърхностноактивно вещество Gemini може да се разбира като образувана чрез умело свързване на две хидрофилни главни групи на конвенционално повърхностно активно вещество заедно със свързваща група.
Специалната структура на Gemini Surfactant води до неговата висока повърхностна активност, която се дължи главно на:
(1) засиления хидрофобен ефект на двете хидрофобни опашни вериги на молекулата на повърхностноактивното вещество Gemini и повишената склонност на повърхностноактивното вещество да напусне водния разтвор.
(2) Тенденцията на хидрофилните главни групи да се отделят една от друга, особено йонните главни групи поради електростатично отблъскване, е значително отслабена от влиянието на спейсера;
(3) Специалната структура на повърхностноактивните вещества Gemini влияе върху поведението им при агрегиране във воден разтвор, което им придава по-сложна и променлива морфология на агрегиране.
Повърхностноактивните вещества Gemini имат по-висока повърхностна (гранична) активност, по-ниска критична концентрация на мицели, по-добра омокряемост, способност за емулгиране и антибактериална способност в сравнение с конвенционалните повърхностноактивни вещества. Следователно разработването и използването на повърхностноактивните вещества Gemini са от голямо значение за разработването и приложението на повърхностноактивните вещества.
„Амфифилната структура“ на конвенционалните повърхностноактивни вещества им придава уникални повърхностни свойства. Както е показано на фигура 1(c), когато конвенционално повърхностноактивно вещество се добави към вода, хидрофилната основна група има тенденция да се разтваря във водния разтвор, а хидрофобната група инхибира разтварянето на молекулата на повърхностноактивното вещество във вода. Под комбинирания ефект на тези две тенденции, молекулите на повърхностно активното вещество се обогатяват на границата газ-течност и претърпяват подредено подреждане, като по този начин намаляват повърхностното напрежение на водата. За разлика от конвенционалните повърхностноактивни вещества, Gemini Surfactants са "димери", които свързват конвенционалните повърхностноактивни вещества заедно чрез дистанционни групи, което може да намали по-ефективно повърхностното напрежение на водата и междинното напрежение масло/вода. В допълнение, повърхностно активните вещества Gemini имат по-ниски критични концентрации на мицели, по-добра разтворимост във вода, емулгиране, разпенване, омокряне и антибактериални свойства.
| Представяне на повърхностноактивните вещества Gemini През 1991 г. Menger и Littau [13] подготвиха първото повърхностно активно вещество с бис-алкилова верига с твърда свързваща група и го нарекоха "повърхностно активно вещество Gemini". През същата година Zana et al [14] подготвиха за първи път серия от кватернерни амониеви соли Gemini Surfactants за първи път и систематично изследваха свойствата на тази серия от кватернерни амониеви соли Gemini Surfactants. През 1996 г. изследователите обобщиха и обсъдиха поведението на повърхността (на границата), свойствата на агрегиране, реологията на разтвора и фазовото поведение на различни повърхностноактивни вещества Gemini, когато се смесват с конвенционални повърхностноактивни вещества. През 2002 г. Zana [15] изследва ефекта на различни групи на свързване върху поведението на агрегиране на повърхностноактивните вещества Gemini във воден разтвор, работа, която значително напредна в развитието на повърхностноактивните вещества и беше от голямо значение. По-късно Qiu et al [16] изобретяват нов метод за синтез на Gemini Surfactants, съдържащ специални структури на базата на цетил бромид и 4-амино-3,5-дихидроксиметил-1,2,4-триазол, който допълнително обогати начина на Синтез на повърхностно активно вещество Gemini. |
Изследванията на Gemini Surfactants в Китай започнаха късно; през 1999 г. Jianxi Zhao от университета Fuzhou направи систематичен преглед на чуждестранни изследвания върху Gemini Surfactants и привлече вниманието на много изследователски институции в Китай. След това изследванията на Gemini Surfactants в Китай започват да процъфтяват и постигат ползотворни резултати. През последните години изследователите се посветиха на разработването на нови повърхностно активни вещества Gemini и изследването на свързаните с тях физикохимични свойства. В същото време, приложенията на Gemini Surfactants са постепенно разработени в областта на стерилизацията и антибактериалните средства, производството на храни, обезпенването и инхибирането на пяната, бавното освобождаване на лекарства и промишленото почистване. Въз основа на това дали хидрофилните групи в молекулите на повърхностноактивните вещества са заредени или не и вида на заряда, който носят, повърхностноактивните вещества Gemini могат да бъдат разделени на следните категории: катионни, анионни, нейонни и амфотерни повърхностноактивни вещества Gemini. Сред тях катионните повърхностно активни вещества Gemini обикновено се отнасят до кватернерни амониеви или амониева сол повърхностно активни вещества Gemini, анионните повърхностно активни вещества Gemini се отнасят предимно до повърхностно активни вещества Gemini, чиито хидрофилни групи са сулфонова киселина, фосфат и карбоксилна киселина, докато нейонните повърхностно активни вещества Gemini са предимно полиоксиетиленови повърхностно активни вещества Gemini.
1.1 Катионни повърхностноактивни вещества Gemini
Катионните повърхностноактивни вещества Gemini могат да дисоциират катиони във водни разтвори, главно амониеви и кватернерни амониеви соли повърхностноактивни вещества Gemini. Катионните повърхностноактивни вещества Gemini имат добра биоразградимост, силна способност за обеззаразяване, стабилни химични свойства, ниска токсичност, проста структура, лесен синтез, лесно разделяне и пречистване, а също така имат бактерицидни свойства, антикорозионни, антистатични свойства и мекота.
Базираните на кватернерни амониеви соли повърхностно активни вещества Gemini обикновено се приготвят от третични амини чрез реакции на алкилиране. Има два основни синтетични метода, както следва: единият е кватернизиране на дибромо-заместени алкани и единични дълговерижни алкил диметил третични амини; другият е кватернизиране на 1-бромо-заместени дълговерижни алкани и N,N,N',N'-тетраметил алкилдиамини с безводен етанол като разтворител и нагряване под обратен хладник. Въпреки това, дибромо-заместените алкани са по-скъпи и обикновено се синтезират по втория метод, а уравнението на реакцията е показано на фигура 2.
1.2 Анионни повърхностноактивни вещества Gemini
Анионните повърхностноактивни вещества Gemini могат да дисоциират аниони във воден разтвор, главно сулфонати, сулфатни соли, карбоксилати и фосфатни соли тип повърхностноактивни вещества Gemini. Анионните повърхностноактивни вещества имат по-добри свойства като обеззаразяване, разпенване, дисперсия, емулгиране и омокряне и се използват широко като детергенти, пенообразуващи агенти, омокрящи агенти, емулгатори и диспергатори.
1.2.1 Сулфонати
Биоповърхностно активните вещества на базата на сулфонати имат предимствата на добра разтворимост във вода, добра омокряемост, добра устойчивост на температура и соли, добра детергентна способност и силна диспергираща способност и се използват широко като детергенти, пенообразуващи агенти, омокрящи агенти, емулгатори и диспергатори в нефт, текстилната промишленост и химикалите за ежедневна употреба поради техните относително широки източници на суровини, прости производствени процеси и ниски разходи. Li et al синтезираха серия от нови диалкил дисулфонови киселини Gemini Surfactants (2Cn-SCT), типично барионно повърхностноактивно вещество от сулфонатен тип, използвайки трихлорамин, алифатен амин и таурин като суровини в тристепенна реакция.
1.2.2 Сулфатни соли
Дублетните повърхностноактивни вещества на сулфатните естерни соли имат предимствата на ултра ниско повърхностно напрежение, висока повърхностна активност, добра разтворимост във вода, широк източник на суровини и сравнително прост синтез. Освен това има добра производителност на измиване и способност за разпенване, стабилна производителност в твърда вода, а сулфатните естерни соли са неутрални или леко алкални във воден разтвор. Както е показано на Фигура 3, Sun Dong et al използват лауринова киселина и полиетилен гликол като основни суровини и добавят сулфатни естерни връзки чрез реакции на заместване, естерификация и добавяне, като по този начин синтезират барионно повърхностноактивно вещество тип сулфатна естерна сол тип GA12-S-12.
1.2.3 Соли на карбоксилни киселини
Базираните на карбоксилат повърхностноактивни вещества Gemini обикновено са меки, зелени, лесно биоразградими и имат богат източник на естествени суровини, високи метални хелатни свойства, добра устойчивост на твърда вода и дисперсия на калциев сапун, добри пенещи и омокрящи свойства и се използват широко във фармацевтиката, текстил, фини химикали и други области. Въвеждането на амидни групи в базирани на карбоксилат биосърфактанти може да подобри биоразградимостта на молекулите на повърхностноактивните вещества и също така да ги накара да имат добри свойства на омокряне, емулгиране, дисперсия и обеззаразяване. Mei et al синтезират базирано на карбоксилат барионно повърхностно активно вещество CGS-2, съдържащо амидни групи, използвайки додециламин, дибромоетан и янтарен анхидрид като суровини.
1.2.4 Фосфатни соли
Фосфатни естерни соли тип Gemini Surfactants имат подобна структура на естествените фосфолипиди и са склонни да образуват структури като обратни мицели и везикули. Фосфатни естерни соли тип Gemini Surfactants са били широко използвани като антистатични агенти и перилни препарати, докато техните високи емулгиращи свойства и относително слабо дразнене са довели до широкото им използване в личната грижа за кожата. Някои фосфатни естери могат да бъдат противоракови, противотуморни и антибактериални и са разработени десетки лекарства. Биоповърхностноактивните вещества от типа на фосфатни естерни соли имат високи емулгиращи свойства за пестициди и могат да се използват не само като антибактериални и инсектициди, но и като хербициди. Zheng et al изследват синтеза на фосфатна естерна сол Gemini Surfactants от P2O5 и олигомерни диоли на основата на орто-кват, които имат по-добър омокрящ ефект, добри антистатични свойства и сравнително прост процес на синтез с меки реакционни условия. Молекулната формула на барионното повърхностно активно вещество на калиево-фосфатната сол е показана на фигура 4.
1.3 Нейонни повърхностноактивни вещества Gemini
Нейонните повърхностноактивни вещества Gemini не могат да се дисоциират във воден разтвор и съществуват в молекулярна форма. Този тип барионно повърхностноактивно вещество е по-малко проучен досега и има два вида, единият е производно на захарта, а другият е алкохолен етер и фенол етер. Нейонните повърхностноактивни вещества Gemini не съществуват в йонно състояние в разтвор, така че те имат висока стабилност, не се повлияват лесно от силни електролити, имат добра комплексоспособност с други видове повърхностноактивни вещества и имат добра разтворимост. Следователно, нейонните повърхностноактивни вещества имат различни свойства като добра детергентност, диспергируемост, емулгиране, разпенване, омокряемост, антистатични свойства и стерилизация и могат да бъдат широко използвани в различни аспекти като пестициди и покрития. Както е показано на Фигура 5, през 2004 г. FitzGerald et al синтезираха базирани на полиоксиетилен Gemini Surfactants (нейонни повърхностно активни вещества), чиято структура беше изразена като (Cn-2H2n-3CHCH2O(CH2CH2O)mH)2(CH2)6 (или GemnEm).
02 Физикохимични свойства на повърхностноактивните вещества Gemini
2.1 Активност на повърхностноактивните вещества Gemini
Най-простият и директен начин за оценка на повърхностната активност на повърхностноактивните вещества е измерването на повърхностното напрежение на техните водни разтвори. По принцип повърхностноактивните вещества намаляват повърхностното напрежение на разтвор чрез ориентирано разположение върху повърхностната (гранична) равнина (Фигура 1(c)). Критичната мицелна концентрация (CMC) на Gemini Surfactants е повече от два порядъка по-малка и стойността на C20 е значително по-ниска в сравнение с конвенционалните повърхностноактивни вещества с подобни структури. Молекулата на барионното повърхностноактивно вещество притежава две хидрофилни групи, които й помагат да поддържа добра разтворимост във вода, докато има дълги хидрофобни дълги вериги. На границата вода/въздух конвенционалните повърхностноактивни вещества са свободно подредени поради ефекта на съпротивлението на пространственото място и отблъскването на хомогенните заряди в молекулите, като по този начин отслабват способността им да намаляват повърхностното напрежение на водата. Обратно, свързващите групи на Gemini Surfactants са ковалентно свързани, така че разстоянието между двете хидрофилни групи се поддържа в малък диапазон (много по-малко от разстоянието между хидрофилните групи на конвенционалните повърхностноактивни вещества), което води до по-добра активност на Gemini Surfactants при повърхността (граница).
2.2 Структура на сглобяване на повърхностно активни вещества Gemini
Във водни разтвори, когато концентрацията на барионно повърхностно активно вещество се увеличава, неговите молекули насищат повърхността на разтвора, което от своя страна принуждава други молекули да мигрират към вътрешността на разтвора, за да образуват мицели. Концентрацията, при която повърхностно активното вещество започва да образува мицели, се нарича критична концентрация на мицели (CMC). Както е показано на Фигура 9, след като концентрацията е по-голяма от CMC, за разлика от конвенционалните повърхностноактивни вещества, които се агрегират, за да образуват сферични мицели, повърхностноактивните вещества Gemini произвеждат различни морфологии на мицели, като линейни и двуслойни структури, поради техните структурни характеристики. Разликите в размера, формата и хидратацията на мицелите имат пряко влияние върху фазовото поведение и реологичните свойства на разтвора и също водят до промени във вискоеластичността на разтвора. Конвенционалните повърхностноактивни вещества, като анионни повърхностноактивни вещества (SDS), обикновено образуват сферични мицели, които нямат почти никакъв ефект върху вискозитета на разтвора. Въпреки това, специалната структура на Gemini Surfactants води до образуването на по-сложна морфология на мицелите и свойствата на техните водни разтвори се различават значително от тези на конвенционалните повърхностноактивни вещества. Вискозитетът на водните разтвори на Gemini Surfactants се увеличава с увеличаване на концентрацията на Gemini Surfactants, вероятно защото образуваните линейни мицели се преплитат в структура, подобна на мрежа. Въпреки това, вискозитетът на разтвора намалява с увеличаване на концентрацията на повърхностно активното вещество, вероятно поради разрушаването на структурата на мрежата и образуването на други мицелни структури.
03 Антимикробни свойства на повърхностноактивните вещества Gemini
Като вид органичен антимикробен агент, антимикробният механизъм на барионното повърхностно активно вещество се състои главно в това, че той се комбинира с аниони върху повърхността на клетъчната мембрана на микроорганизмите или реагира със сулфхидрилни групи, за да наруши производството на техните протеини и клетъчни мембрани, като по този начин разрушава микробните тъкани, за да инхибира или убиват микроорганизми.
3.1 Антимикробни свойства на анионни повърхностноактивни вещества Gemini
Антимикробните свойства на антимикробните анионни повърхностноактивни вещества се определят главно от естеството на антимикробните части, които носят. В колоидни разтвори, като естествени латекси и покрития, хидрофилните вериги се свързват с водоразтворими дисперсанти, а хидрофобните вериги ще се свързват с хидрофобни дисперсии чрез насочена адсорбция, като по този начин трансформират двуфазния интерфейс в плътен молекулен междуфазов филм. Бактериалните инхибиторни групи върху този плътен защитен слой потискат растежа на бактериите.
Механизмът на бактериално инхибиране на анионните повърхностноактивни вещества е фундаментално различен от този на катионните повърхностноактивни вещества. Бактериалното инхибиране на анионните повърхностноактивни вещества е свързано с тяхната система от разтвори и инхибиращите групи, така че този тип повърхностноактивни вещества може да бъде ограничен. Този тип повърхностноактивно вещество трябва да присъства в достатъчни нива, така че повърхностноактивното вещество да присъства във всеки ъгъл на системата, за да се получи добър микробициден ефект. В същото време, този тип повърхностно активно вещество няма локализация и насочване, което не само причинява ненужни отпадъци, но и създава устойчивост за дълъг период от време.
Като пример биосърфактантите на базата на алкил сулфонат са използвани в клиничната медицина. Алкил сулфонатите, като бусулфан и треосулфан, лекуват главно миелопролиферативни заболявания, действайки за създаване на кръстосано свързване между гуанин и уреапурин, докато тази промяна не може да бъде поправена чрез клетъчна корекция, което води до апоптотична клетъчна смърт.
3.2 Антимикробни свойства на катионните повърхностноактивни вещества Gemini
Основният тип разработени катионни повърхностно активни вещества Gemini са повърхностно активни вещества Gemini тип кватернерна амониева сол. Четвъртичният амониев тип катионни повърхностноактивни вещества Gemini имат силен бактерициден ефект, тъй като има две хидрофобни дълги алканови вериги в молекулите на барионното повърхностно активно вещество от кватернерен амониев тип и хидрофобните вериги образуват хидрофобна адсорбция с клетъчната стена (пептидогликан); в същото време те съдържат два положително заредени азотни йона, които ще насърчат адсорбцията на повърхностноактивните молекули към повърхността на отрицателно заредените бактерии и чрез проникване и дифузия хидрофобните вериги проникват дълбоко в липидния слой на бактериалната клетъчна мембрана, променяйки пропускливост на клетъчната мембрана, което води до разкъсване на бактерията, в допълнение към хидрофилните групи дълбоко в протеина, което води до загуба на ензимна активност и денатурация на протеина, поради комбинирания ефект на тези два ефекта, което прави фунгицида има силен бактерициден ефект.
Въпреки това, от гледна точка на околната среда, тези повърхностно активни вещества имат хемолитична активност и цитотоксичност, а по-дългото време на контакт с водни организми и биоразграждането може да увеличи тяхната токсичност.
3.3 Антибактериални свойства на нейонните повърхностноактивни вещества Gemini
Понастоящем има два вида нейонни повърхностно активни вещества Gemini, единият е производно на захар, а другият е алкохолен етер и фенол етер.
Антибактериалният механизъм на биосърфактантите, получени от захар, се основава на афинитета на молекулите, а повърхностноактивните вещества, получени от захар, могат да се свързват с клетъчните мембрани, които съдържат голям брой фосфолипиди. Когато концентрацията на повърхностноактивни вещества от захарни производни достигне определено ниво, тя променя пропускливостта на клетъчната мембрана, образувайки пори и йонни канали, което засяга транспорта на хранителни вещества и обмена на газ, причинявайки изтичане на съдържанието и в крайна сметка води до смърт на бактерия.
Антибактериалният механизъм на антимикробните агенти с фенолни и алкохолни етери е да действат върху клетъчната стена или клетъчната мембрана и ензимите, като блокират метаболитните функции и нарушават регенеративните функции. Например, антимикробни лекарства от дифенилови етери и техните производни (феноли) се потапят в бактериални или вирусни клетки и действат през клетъчната стена и клетъчната мембрана, като инхибират действието и функцията на ензимите, свързани със синтеза на нуклеинови киселини и протеини, ограничавайки растеж и размножаване на бактерии. Освен това парализира метаболитните и дихателните функции на ензимите в бактериите, които след това се провалят.
3.4 Антибактериални свойства на амфотерните повърхностноактивни вещества Gemini
Амфотерните повърхностноактивни вещества Gemini са клас повърхностноактивни вещества, които имат както катиони, така и аниони в тяхната молекулна структура, могат да се йонизират във воден разтвор и проявяват свойствата на анионни повърхностноактивни вещества в едно средно състояние и катионни повърхностноактивни вещества в друго средно състояние. Механизмът на бактериално инхибиране на амфотерните повърхностноактивни вещества е неубедителен, но обикновено се смята, че инхибирането може да бъде подобно на това на кватернерните амониеви повърхностноактивни вещества, където повърхностноактивното вещество лесно се адсорбира върху отрицателно заредената бактериална повърхност и пречи на бактериалния метаболизъм.
3.4.1 Антимикробни свойства на аминокиселините Gemini Surfactants
Аминокиселинен тип барионно повърхностно активно вещество е катионно амфотерно барионно повърхностно активно вещество, съставено от две аминокиселини, така че неговият антимикробен механизъм е по-сходен с този на барионно повърхностно активно вещество тип кватернерна амониева сол. Положително заредената част от повърхностно активното вещество се привлича към отрицателно заредената част от бактериалната или вирусната повърхност поради електростатично взаимодействие и впоследствие хидрофобните вериги се свързват с липидния двоен слой, което води до изтичане на клетъчно съдържание и лизис до смърт. Той има значителни предимства пред кватернерни амониеви повърхностно активни вещества Gemini Surfactants: лесна биоразградимост, ниска хемолитична активност и ниска токсичност, така че се разработва за неговото приложение и областта му на приложение се разширява.
3.4.2 Антибактериални свойства на неаминокиселинен тип Gemini Surfactants
Амфотерните повърхностноактивни вещества Gemini от неаминокиселинен тип имат повърхностно активни молекулни остатъци, съдържащи както нейонизиращи се положителни, така и отрицателни зарядни центрове. Основните неаминокиселинни повърхностно активни вещества Gemini са бетаин, имидазолин и амин оксид. Като вземем за пример бетаинов тип, амфотерните повърхностноактивни вещества от бетаинов тип имат както анионни, така и катионни групи в молекулите си, които не се повлияват лесно от неорганични соли и имат повърхностноактивни ефекти както в киселинни, така и в алкални разтвори, а антимикробният механизъм на катионните повърхностноактивни вещества Gemini е следван в киселинни разтвори и този на анионни повърхностноактивни вещества Gemini в алкални разтвори. Той също така има отлични характеристики на смесване с други видове повърхностно активни вещества.
04 Заключение и перспектива
Повърхностноактивните вещества Gemini се използват все повече в живота поради тяхната специална структура и се използват широко в областта на антибактериалната стерилизация, производството на храни, обезпенването и инхибирането на пяната, бавното освобождаване на лекарства и индустриалното почистване. С нарастващото търсене на екологична защита на околната среда, повърхностно активните вещества Gemini постепенно се развиват в екологични и многофункционални повърхностноактивни вещества. Бъдещите изследвания на повърхностно активните вещества Gemini могат да бъдат проведени в следните аспекти: разработване на нови повърхностно активни вещества Gemini със специални структури и функции, особено засилване на изследванията върху антибактериалните и антивирусните средства; смесване с обикновени повърхностноактивни вещества или добавки за образуване на продукти с по-добро представяне; и използване на евтини и лесно достъпни суровини за синтезиране на екологично чисти повърхностноактивни вещества Gemini.
Време на публикуване: 25 март 2022 г