Tensoactivo Gemini y sus propiedades antibacterianas

Este artículo se centra en el mecanismo antibacteriano del tensoactivo gemini, que se espera que mate eficazmente las bacterias y ayude a frenar la propagación del nuevo coronavirus.

Los tensoactivos son las siglas de "tensoactivo", "tensoactivo" y "preparado". Los tensoactivos son sustancias activas en la superficie y la interfaz, que tienen una gran capacidad y eficiencia para reducir la tensión superficial (límite) y formar Ensamblajes moleculares ordenados en soluciones por encima de una cierta concentración, por lo que tienen una serie de funciones de aplicación. Con buenas propiedades de dispersión, humectabilidad, emulsión y antiestática, los tensoactivos se han convertido en materiales clave para el desarrollo en muchos campos, incluido el campo de la industria química fina, y han hecho contribuciones significativas para mejorar los procesos, reducir el consumo de energía y mejorar la eficiencia de la producción. Con el desarrollo de la sociedad y el progreso continuo del nivel industrial mundial, la aplicación de tensoactivos se ha expandido gradualmente de los productos químicos diarios a varios campos de la economía nacional, como agentes antibacterianos, aditivos alimentarios, nuevos campos energéticos, tratamiento de contaminantes y biofarmacéuticos.

Los tensoactivos convencionales son compuestos "anfifílicos" compuestos compuestos por grupos hidrofílicos polares y grupos hidrofóbicos no polares, cuya estructura molecular se muestra en la figura 1 (a).

En la actualidad, con el desarrollo del refinamiento y la sistematización de la industria manufacturera, la demanda de propiedades de los tensoactivos en el proceso de producción ha aumentado gradualmente, por lo que es de gran importancia encontrar y desarrollar tensoactivos con propiedades de superficie más altas y estructuras especiales. El descubrimiento de los tensoactivos Gemini llena estos vacíos y cumple con los requisitos de la producción industrial. Los tensoactivos Gemini comunes son compuestos con dos grupos hidrofílicos (generalmente iones o no iones con propiedades hidrofílicas) y dos cadenas alquílicas hidrofóbicas.

Como se muestra en la figura 1 (b), a diferencia de los tensoactivos tradicionales de cadena única, los tensoactivos Gemini unen dos grupos hidrofílicos a través de grupos de Unión (grupos espaciadores). En resumen, la estructura de los tensoactivos Gemini puede entenderse como formada por la ingeniosa Unión de dos grupos de cabeza hidrofílicos de los tensoactivos tradicionales con grupos de unión.

La estructura especial del tensoactivo Gemini provoca su alta actividad superficial, que se debe principalmente a:

(1) la acción hidrofóbica de las dos cadenas de cola hidrofóbicas de la molécula tensoactiva Gemini aumentó, y la tendencia de los tensoactivos a salir de la solución de agua aumentó.
(2) la tendencia a la separación de los grupos de cabeza hidrofílica, especialmente los grupos de cabeza iónica, debido al rechazo electrostático, se debilita significativamente debido a la influencia de los espaciadores;
(3) la estructura especial del tensoactivo Gemini afecta su comportamiento de aglomeración en soluciones acuosas, haciéndolo tener una forma de aglomeración más compleja y cambiante.
En comparación con los tensoactivos tradicionales, los tensoactivos Gemini tienen una mayor actividad superficial (límite), una menor concentración crítica de nanopartículas, una mejor humectabilidad, capacidad de emulsión y capacidad antibacteriana. Por lo tanto, el desarrollo y la utilización de tensoactivos Gemini es de gran importancia para el desarrollo y la aplicación de tensoactivos.

La "estructura anfifílica" de los tensoactivos tradicionales les da propiedades superficiales únicas. Como se muestra en la figura 1 (c), cuando se agregan tensoactivos convencionales al agua, el Grupo de cabeza hidrofílica tiende a disolverse en una solución acuosa, y el Grupo hidrofóbico inhibe la disolución de las moléculas de tensoactivos en el agua. Bajo la combinación de estas dos tendencias, las moléculas de tensoactivos se enriquecen en la interfaz Gas - líquido y se organizan de manera ordenada, lo que reduce la tensión superficial del agua. A. diferencia de los tensoactivos tradicionales, los tensoactivos Gemini son "dímeros" que unen los tensoactivos tradicionales a través de grupos espaciadores, lo que puede reducir más eficazmente la tensión superficial del agua y la tensión de la interfaz aceite / agua. A.demás, los tensoactivos Gemini tienen una baja concentración crítica de micelas, una mejor solubilidad en agua, emulsión, espuma, humectabilidad y propiedades antibacterianas.

Introducción a los tensoactivos Gemini
En 1991, Menger y littlau [13] prepararon el primer tensoactivo de cadena dialquil con un grupo de unión rígida y lo llamaron "tensoactivo gemini". En el mismo año, Zana y otros [14] prepararon por primera vez una serie de tensoactivos Gemini de sales de amonio cuaternario y estudiaron sistemáticamente las propiedades de esta serie de tensoactivos Gemini de sales de amonio cuaternario. En 1996, los investigadores resumieron y discutieron el comportamiento superficial (límite), las propiedades de aglomeración, la teología de la solución y el comportamiento de fase de los diferentes tensoactivos Gemini cuando se combinan con los tensoactivos tradicionales. En 2002, Zana [15] estudió el efecto de los diferentes grupos de unión en el comportamiento de aglomeración de los tensoactivos Gemini en soluciones acuáticas. este trabajo promovió en gran medida el desarrollo de los tensoactivos y fue de gran importancia. Más tarde, Qiu y otros [16] inventaron un nuevo método para sintetizar tensoactivos Gemini con estructuras especiales a base de bromuro de cetilo y 4 - amino3,5 - dihidroximetil1,2,4 - triazol, enriqueciendo aún más la vía de síntesis de los tensoactivos gemini.

La investigación de los tensoactivos Gemini en China comenzó tarde; En 1999, zhao, de la Universidad de fuzhou, revisó sistemáticamente la investigación extranjera sobre los tensoactivos Gemini y atrajo la atención de muchas instituciones de investigación nacionales. Desde entonces, la investigación de los tensoactivos Gemini en China ha comenzado a florecer y ha logrado resultados fructíferos. En los últimos años, los investigadores se han dedicado al desarrollo de nuevos tensoactivos Gemini y la investigación de sus propiedades físicas y químicas relacionadas. A.l mismo tiempo, las aplicaciones de los tensoactivos Gemini en los campos de la esterilización y la antibacteriana, la producción de alimentos, la eliminación de burbujas y la supresión de burbujas, la liberación lenta de medicamentos y la limpieza industrial también se han desarrollado gradualmente. Según si los grupos hidrofílicos en las moléculas de los tensoactivos llevan carga eléctrica y el tipo de carga eléctrica que llevan, los tensoactivos Gemini se pueden dividir en las siguientes categorías: tensoactivos Gemini catiónicos, aniónicos, no iónicos y anfotéricos. Entre ellos, los tensoactivos Gemini catiónicos generalmente se refieren a sales de amonio cuaternario o tensoactivos Gemini de sal de amonio, los tensoactivos Gemini aniónicos se refieren a los tensoactivos Gemini con grupos hidrofílicos de ácido sulfónico, ácido fosfórico y ácido nucleico, y los tensoactivos Gemini no iónicos son en su mayoría tensoactivos Gemini de polioxietileno.

1.1 tensoactivo Gemini catiónico

Los tensoactivos Géminis catiónicos pueden desintoxicar los cationes en soluciones acuosas, principalmente sales de amonio y sales de amonio cuaternario géminis. Los tensoactivos Gemini catiónicos tienen una buena biodegradabilidad, una fuerte capacidad de descontaminación, propiedades químicas estables, baja toxicidad, estructura simple, fácil de sintetizar, fácil de separar y purificar, y también tienen propiedades bactericidas, anticorrosivas, antiestáticas, suaves y así sucesivamente.
Los tensoactivos Gemini a base de amonio cuaternario generalmente se preparan a partir de A.minas terciarias a través de alquilaciones. Hay dos métodos sintéticos principales: uno es la amonio cuaternario de alquilos dibromonados y A.minas terciarias alquílicas de cadena única y larga; La otra es la reacción de amonio cuaternario de alcanos de cadena larga reemplazados por 1 - bromo y n, n, N ', n' - tetrametilalquildiaminas con etanol anhidro como disolvente y retorno térmico. Sin embargo, los alcanos reemplazados por dibromuro son más caros y generalmente se sintetizan por un segundo método, y la ecuación de reacción se muestra en la figura 2.

1.2 tensoactivos Gemini aniónicos

Los tensoactivos Gemini aniónicos pueden disociar los iones negativos en soluciones acuáticas, principalmente sulfatos, sulfatos, carbonatos y tensoactivos Gemini fosfatados. Los tensoactivos aniónicos tienen excelentes propiedades como descontaminación, espuma, dispersión, emulsión y humectación, y se utilizan ampliamente como detergentes, espumantes, humectantes, emulsionantes y dispersantes.

1.2.1 Sulfonato

Los biosurfactantes a base de ácido sulfónico tienen las ventajas de buena solubilidad en agua, buena humectabilidad, buena resistencia a la temperatura y la sal, buena limpieza y fuerte capacidad de dispersión. debido a sus fuentes relativamente amplias de materias primas, son ampliamente utilizados como detergentes, espumantes, humectantes, agentes lácteos y dispersantes en petróleo, textiles y productos químicos diarios. El proceso de producción es simple y el costo es bajo. Li y otros sintetizaron una serie de nuevos tensoactivos Gemini de dialquilo disulfonato (2cn - sct) a través de una reacción de tres pasos a partir de tricloroaminas, A.minas grasas y taurina, que es un tensoactivo bariónico típico de tipo sulfónico.

1.2.2 sulfatos

Los tensoactivos dobles sulfatos tienen las ventajas de una tensión superficial ultra baja, una alta actividad superficial, una buena solubilidad en agua, una amplia fuente de materias primas y una síntesis relativamente simple. También tiene buenas propiedades de lavado y espuma, propiedades estables en agua dura y sulfatos neutros o ligeramente alcalinos en soluciones acuosas. Como se muestra en la figura 3, Sun Dong y otros sintetizaron el tensoactivo Barión tipo sulfato ga12 - S - 12 mediante la adición de enlaces de sulfato a través de reacciones de sustitución, transesterificación y adición con ácido láurico y Peg como materias primas Principales.

1.2.3 sales de ácidos nucleicos

Los tensoactivos Gemini a base de ácidos nucleicos suelen ser suaves, verdes y fáciles de biodegradables, con abundantes fuentes naturales de materias primas, propiedades de secuestro de metales altos, buenas propiedades de dispersión de agua dura y jabón de calcio, buenas propiedades de espuma y humectación, y son ampliamente utilizados en productos farmacéuticos, textiles, productos químicos finos y otros campos. La introducción del Grupo amido en los biosurfactantes a base de ácidos nucleicos puede mejorar la biodegradabilidad de las moléculas de tensoactivos para que tengan buenas propiedades de humectación, emulsión, dispersión y descontaminación. Mei y otros sintetizaron un tensoactivo de Barión de ácido carboxílico con grupos amidos CGS - 2 a partir de dodecilamina, dibromoetano y anhidrato de ámbar.

1.2.4 fosfato

Los tensoactivos Gemini de sal fosfónica tienen una estructura similar a los Fosfolípidos naturales y son fáciles de formar estructuras como contraclasas y vesículas. Los tensoactivos Gemini a base de fosfato se han utilizado ampliamente como antiestáticos y detergente en polvo, y sus altas propiedades de emulsión y su irritación relativamente baja los hacen ampliamente utilizados en el cuidado personal de la piel. A.lgunos fosfatos tienen efectos anticancerígenos, antitumorales y antibacterianos, y se han desarrollado decenas de medicamentos. Los biosurfactantes a base de fosfato tienen un alto rendimiento de emulsión de pesticidas y se pueden utilizar no solo como antimicrobianos e insecticidas, sino también como herbicidas. Zheng y otros estudiaron la síntesis del tensoactivo gemini, una sal de fosfato, a partir de P2O5 y oligómeros de o - base seca. el tensoactivo tiene un buen efecto de humectación y buenas propiedades antiestáticas. el proceso de síntesis es relativamente simple y las condiciones de reacción son suaves. La fórmula molecular del tensoactivo de Barión de fosfato de potasio se muestra en la figura 4.

1.3 tensoactivos Gemini no iónicos

Los surfactantes Gemini no iónicos no pueden disolverse en soluciones acuosas y existen en forma molecular. este tipo de surfactantes bariónicos se han estudiado menos hasta ahora y hay dos tipos, uno es el derivado azucarado y el otro es el alcohólico y el fenol. Los tensoactivos Gemini no iónicos no existen en la solución en estado ion, por lo que su estabilidad es alta, no son vulnerables a los fuertes electrolitos, tienen una buena complejación con otros tipos de tensoactivos y tienen una buena disolución. Por lo tanto, los tensoactivos no iónicos tienen muchas propiedades, como buena limpieza, dispersión, emulsión, espuma, humectabilidad, antiestática y esterilización, y pueden ser ampliamente utilizados en pesticidas, recubrimientos y otros campos. Como se muestra en la figura 5, en 2004, Fitzgerald y otros sintetizaron el tensoactivo Gemini de polioxietileno (tensoactivo no iónico), cuya estructura se expresa como (cn - 2h2 - 3hch2o (ch2ch2o) mh) 2 (ch2) 6 (o gemnem).

02 propiedades físicas y químicas del tensoactivo Gemini

2.1 actividad del tensoactivo Gemini

La forma más simple y directa de evaluar la actividad superficial de los tensoactivos es medir la tensión superficial de su solución acuosa. En principio, los tensoactivos reducen la tensión superficial de la solución mediante una disposición direccional en el plano de la superficie (límite) (figura 1 (c). La concentración crítica de micelas (cmc) de los tensoactivos Gemini es más de dos órdenes de magnitud menor que la de los tensoactivos tradicionales con estructuras similares, y el valor de C20 es significativamente menor. La molécula tensoactiva bariónica tiene dos grupos hidrofílicos, lo que le ayuda a mantener una buena solubilidad en agua, al tiempo que tiene largas cadenas hidrofóbicas largas. En la interfaz agua / aire, debido al efecto de resistencia de la posición espacial y el rechazo de cargas eléctricas uniformes en las moléculas, los tensoactivos tradicionales están dispuestos sueltamente, lo que debilita su capacidad de reducir la tensión superficial del agua. Por el contrario, los grupos de Unión de los tensoactivos Gemini son covalentes, por lo que la distancia entre los dos grupos hidrofílicos se mantiene en un rango pequeño (mucho menor que la distancia entre los grupos hidrofílicos de los tensoactivos tradicionales), lo que hace que los tensoactivos Gemini tengan una mejor actividad en la superficie (frontera).

2.2 estructura de montaje del tensoactivo Gemini

En una solución acuosa, a medida que aumenta la concentración de tensoactivo de bariones, sus moléculas están saturadas en la superficie de la solución, obligando así a otras moléculas a migrar al interior de la solución para formar una partícula. La concentración en la que los tensoactivos comienzan a formar micelas se llama concentración crítica de micelas (cmc). Como se muestra en la figura 9, después de que la concentración sea superior a cmc, a diferencia de los tensoactivos tradicionales que se agrupan para formar micelas esféricas, los tensoactivos Gemini producen diversas formas de micelas debido a sus características estructurales, como estructuras lineales y dobles. Las diferencias en el tamaño, la forma y la hidratación de las nanopartículas afectan directamente el comportamiento de fase y las propiedades teológicas de la solución, lo que también conduce a cambios en la viscosidad de la solución. Los tensoactivos tradicionales, como los aniónicos (sds), suelen formar nanopartículas esféricas y tienen poco efecto en la viscosidad de la solución. Sin embargo, la estructura especial de los tensoactivos Gemini conduce a la formación de formas más complejas de micelas, y las propiedades de sus soluciones acuáticas son significativamente diferentes de las de los tensoactivos tradicionales. La viscosidad de la solución acuosa del tensoactivo Gemini aumenta a medida que aumenta la concentración del tensoactivo gemini, lo que puede deberse a que las nanopartículas lineales formadas se entrelazan en estructuras reticulares. Sin embargo, la viscosidad de la solución disminuye a medida que aumenta la concentración del tensoactivo, lo que puede deberse a la destrucción de la estructura reticular y a la formación de otras estructuras micelares.

03 propiedades antibacterianas del tensoactivo Gemini
Como antimicrobiano orgánico, su mecanismo antibacteriano es principalmente la Unión aniónica a la superficie de la membrana celular microbiana o la reacción con sulfhídrico, destruyendo la producción de sus proteínas y membranas celulares, destruyendo así el tejido microbiano para inhibir o matar microorganismos.

3.1 propiedades antibacterianas de los tensoactivos aniónicos Gemini

Las propiedades antimicrobianas de los tensoactivos aniónicos antimicrobianos están determinadas principalmente por las propiedades de la parte antimicrobiana que llevan. En soluciones coloidales como látex natural y recubrimientos, las cadenas hidrofílicas se combinan con dispersantes solubles en agua, y las cadenas hidrofóbicas se combinan con dispersantes hidrofóbicos a través de la adsorción direccional, convirtiendo así la interfaz de dos fases en una densa máscara límite molecular. Este grupo inhibidor bacteriano en la capa protectora densa inhibe el crecimiento bacteriano.
El mecanismo antibacteriano de los tensoactivos aniónicos es fundamentalmente diferente del de los tensoactivos catiónicos. La inhibición de los tensoactivos aniónicos sobre las bacterias está relacionada con su sistema de solución y grupos inhibidores, por lo que tales tensoactivos pueden estar restringidos. Este tipo de tensoactivo debe estar presente en niveles suficientes para que el tensoactivo esté presente en todos los rincones del sistema para producir un buen efecto microbicida. A.l mismo tiempo, este tipo de tensoactivo carece de posicionamiento y apuntamiento, lo que no solo causará un desperdicio innecesario, sino que también generará resistencia durante mucho tiempo.
Por ejemplo, los biosurfactantes a base de alquilsulfónico se han utilizado en medicina clínica. Los sulfonatos de alquilo, como el bexiaoan y el treosulfan, tratan principalmente enfermedades mielodisplásicas y actúan como enlace cruzado entre la guanina y la urepurina, un cambio que no se puede reparar mediante correcciones celulares que provocan la apoptosis celular.

3.2 propiedades antibacterianas de los tensoactivos catiónicos Gemini

El principal tipo de tensoactivo Gemini catiónico desarrollado es el tensoactivo Gemini de sal de amonio cuaternario. Los tensoactivos Gemini catiónicos de tipo amonio cuaternario tienen un fuerte efecto bactericida, porque hay dos alcanos hidrofóbicos de cadena larga en la molécula de tensoactivos Gemini de tipo amonio cuaternario, y las cadenas hidrofóbicas forman una adsorción hidrofóbica con la pared celular (péptido - glicano); A.l mismo tiempo, contienen dos iones de nitrógeno cargados positivamente, lo que facilitará la adsorción de moléculas de tensoactivo en la superficie de bacterias cargadas negativamente y, a través de la penetración y difusión, las cadenas hidrofóbicas penetran profundamente en la capa lipídica de la membrana celular bacteriana, alterando la permeabilidad de la membrana celular y provocando la ruptura bacteriana, A.demás de que los grupos hidrofílicos se adentran profundamente en las proteínas, causan la pérdida de actividad enzimática y la desnaturalización de las proteínas. debido a la combinación de estos dos efectos, los bactericidas tienen un fuerte efecto bactericida.
Sin embargo, desde el punto de vista ambiental, estos tensoactivos tienen actividad hemolítica y citotoxicidad, y el tiempo de contacto con organismos acuáticos y la biodegradación aumentan su toxicidad.

3.3 propiedades antibacterianas de los tensoactivos Gemini no iónicos

A.ctualmente hay dos tipos de tensoactivos Gemini no iónicos, uno es un derivado azucarado y el otro es un éter alcohólico y un éter fenol.
El mecanismo antibacteriano de los biosurfactantes derivados del azúcar se basa en la afinidad molecular, y los biosurfactantes derivados del azúcar pueden unirse a membranas celulares que contienen una gran cantidad de fosfolípidos. Cuando la concentración del tensoactivo derivado del azúcar alcanza un cierto nivel, altera la permeabilidad de la membrana celular, forma poros y canales iónicos, afecta el transporte de nutrientes e intercambio de gases, lo que provoca la salida logística del contenido y, en última instancia, la muerte de bacterias.
El mecanismo antibacteriano de los antimicrobianos fenoles y alcohólicos es actuar sobre paredes celulares o membranas celulares y enzimas, bloquear la función metabólica y destruir la función regenerativa. Por ejemplo, los fármacos antibacterianos del éter de difenilo y sus derivados (fenoles) se sumergen en células bacterianas o virales, actúan a través de paredes celulares y membranas celulares, inhiben el papel y la función de las enzimas relacionadas con la síntesis de ácidos nucleicos y proteínas y limitan el crecimiento y la reproducción de bacterias. También paraliza el metabolismo y la función respiratoria de las enzimas internas de las bacterias y luego falla.

3.4 propiedades antibacterianas de los tensoactivos Gemini anfotéricos

Los tensoactivos gemínidos anfotéricos son una clase de tensoactivos con tanto iones positivos como negativos en la estructura molecular, que pueden ionizarse en soluciones acuosas, mostrando las propiedades de los tensoactivos aniónicos en condiciones de un medio y en otro. El mecanismo de inhibición bacteriana de los tensoactivos anfotéricos es incierto, pero se cree ampliamente que esta inhibición puede ser similar a la de los tensoactivos de amonio cuaternario, que se absorben fácilmente en la superficie de las bacterias cargadas negativamente, interfiriendo con el metabolismo de las bacterias.

Propiedades antibacterianas del tensoactivo de aminoácidos Gemini 3.4.1

El surfactante de Bariones de aminoácidos es un surfactante de Bariones anfotéricos catiónicos compuesto por dos aminoácidos, por lo que su mecanismo antibacteriano es más similar al del surfactante de Bariones de sal de amonio cuaternario. La parte positiva del tensoactivo es atraída a la parte negativa de la superficie de la bacteria o virus debido a la interacción estática, y luego la cadena hidrofóbica se une a la bilayer lipídica, lo que hace que el contenido celular fluya y se rompa hasta la muerte. En comparación con los tensoactivos Gemini a base de amonio cuaternario, tiene ventajas significativas: fácil de biodegradable, baja actividad hemólitica y baja toxicidad, por lo que su aplicación está en desarrollo y su campo de aplicación se está expandiendo.

3.4.2 propiedades antibacterianas de los tensoactivos Gemini no aminoácidos

Los tensoactivos Gemini anfotéricos no aminoácidos tienen residuos moleculares tensoactivos y contienen centros de carga positiva y negativa no ionizables. Los principales tensoactivos Gemini no aminoácidos son la betaína, la midazolina y la óxido de amina. Tomando como ejemplo el tipo de betaína, que tiene grupos aniónicos y catiónicos simultáneos en las moléculas de tensoactivo anfotérico tipo betaína, no es susceptible a las sales inorgánicas y tiene un efecto tensoactivo en soluciones ácidas y alcalinas. El mecanismo antibacteriano de los tensoactivos catiónicos Gemini en soluciones ácidas es consistente con el mecanismo antimicrobiano de los tensoactivos aniónicos Gemini en soluciones alcalinas. También tiene excelentes propiedades de combinación con otros tipos de tensoactivos.

04 conclusiones y perspectivas
Debido a su estructura especial, los tensoactivos Gemini se utilizan cada vez más en la vida y son ampliamente utilizados en los campos de la esterilización antibacteriana, la producción de alimentos, la eliminación de burbujas y la supresión de burbujas, la liberación lenta de medicamentos y la limpieza industrial. Con la mejora continua de los requisitos de protección del medio ambiente verde, los tensoactivos Gemini se han convertido gradualmente en tensoactivos respetuosos con el medio ambiente y multifuncionales. En el futuro, la investigación de los tensoactivos Gemini se puede llevar a cabo desde los siguientes aspectos: el desarrollo de nuevos tensoactivos Gemini con estructuras y funciones especiales, especialmente el fortalecimiento de la investigación antibacteriana y antiviral; Compuesto con tensoactivos o aditivos comunes para formar productos con mejores propiedades; Y el uso de materias primas baratas y fáciles de obtener para sintetizar tensoactivos Gemini respetuosos con el medio ambiente.