Este artículo se centra en el mecanismo antimicrobiano de los tensioactivos Gemini, que se espera que sean eficaces para matar bacterias y pueden ayudar a frenar la propagación de nuevos coronavirus.
Surfactante, que es una contracción de las frases Superficie, Activo y Agente. Los tensioactivos son sustancias que son activas en superficies e interfaces y tienen una capacidad y eficiencia muy altas para reducir la tensión superficial (límite), formando conjuntos molecularmente ordenados en soluciones por encima de una cierta concentración y, por lo tanto, tienen una variedad de funciones de aplicación. Los tensioactivos poseen buena dispersabilidad, humectabilidad, capacidad de emulsificación y propiedades antiestáticas, y se han convertido en materiales clave para el desarrollo de muchos campos, incluido el campo de la química fina, y tienen una contribución significativa en la mejora de los procesos, la reducción del consumo de energía y el aumento de la eficiencia de la producción. . Con el desarrollo de la sociedad y el continuo progreso del nivel industrial mundial, la aplicación de tensioactivos se ha extendido gradualmente desde los productos químicos de uso diario a diversos campos de la economía nacional, como agentes antibacterianos, aditivos alimentarios, nuevos campos energéticos, tratamiento de contaminantes y biofarmacéuticos.
Los tensioactivos convencionales son compuestos "anfifílicos" que constan de grupos hidrófilos polares y grupos hidrófobos no polares, y sus estructuras moleculares se muestran en la Figura 1 (a).
En la actualidad, con el desarrollo del refinamiento y sistematización en la industria manufacturera, la demanda de propiedades tensioactivas en el proceso de producción está aumentando paulatinamente, por lo que es importante encontrar y desarrollar tensioactivos con mayores propiedades superficiales y con estructuras especiales. El descubrimiento de los tensioactivos Gemini cierra estas brechas y satisface los requisitos de la producción industrial. Un tensioactivo Gemini común es un compuesto con dos grupos hidrofílicos (generalmente iónicos o no iónicos con propiedades hidrofílicas) y dos cadenas alquílicas hidrofóbicas.
Como se muestra en la Figura 1(b), a diferencia de los tensioactivos monocatenarios convencionales, los tensioactivos Gemini unen dos grupos hidrófilos a través de un grupo de enlace (espaciador). En resumen, se puede entender que la estructura de un tensioactivo Gemini se forma uniendo inteligentemente dos grupos de cabeza hidrófilos de un tensioactivo convencional junto con un grupo de enlace.
La estructura especial del tensioactivo Gemini conduce a su alta actividad superficial, que se debe principalmente a:
(1) el efecto hidrófobo mejorado de las dos cadenas de cola hidrófobas de la molécula de tensioactivo Gemini y la mayor tendencia del tensioactivo a abandonar la solución acuosa.
(2) La tendencia de los grupos de cabeza hidrófilos a separarse entre sí, especialmente los grupos de cabeza iónicos debido a la repulsión electrostática, se debilita sustancialmente por la influencia del espaciador;
(3) La estructura especial de los tensioactivos Gemini afecta su comportamiento de agregación en solución acuosa, dándoles una morfología de agregación más compleja y variable.
Los tensioactivos Gemini tienen mayor actividad superficial (límite), menor concentración micelar crítica, mejor humectabilidad, capacidad de emulsificación y capacidad antibacteriana en comparación con los tensioactivos convencionales. Por lo tanto, el desarrollo y la utilización de los tensioactivos Gemini son de gran importancia para el desarrollo y la aplicación de tensioactivos.
La "estructura anfifílica" de los tensioactivos convencionales les confiere propiedades superficiales únicas. Como se muestra en la Figura 1 (c), cuando se agrega un surfactante convencional al agua, el grupo de cabeza hidrofílico tiende a disolverse dentro de la solución acuosa y el grupo hidrofóbico inhibe la disolución de la molécula de surfactante en agua. Bajo el efecto combinado de estas dos tendencias, las moléculas de surfactante se enriquecen en la interfaz gas-líquido y se organizan ordenadamente, reduciendo así la tensión superficial del agua. A diferencia de los tensioactivos convencionales, los tensioactivos Gemini son "dímeros" que unen los tensioactivos convencionales a través de grupos espaciadores, lo que puede reducir la tensión superficial del agua y la tensión interfacial aceite/agua de manera más efectiva. Además, los tensioactivos Gemini tienen concentraciones micelares críticas más bajas, mejor solubilidad en agua, emulsificación, formación de espuma, humectación y propiedades antibacterianas.
| Introducción de tensioactivos Gemini En 1991, Menger y Littau [13] prepararon el primer tensioactivo de cadena bis-alquilo con un grupo de enlace rígido y lo llamaron "tensioactivo Gemini". En el mismo año, Zana et al [14] prepararon una serie de tensioactivos Gemini de sal de amonio cuaternario por primera vez e investigaron sistemáticamente las propiedades de esta serie de tensioactivos Gemini de sal de amonio cuaternario. En 1996, los investigadores generalizaron y discutieron el comportamiento de la superficie (límite), las propiedades de agregación, la reología de la solución y el comportamiento de las fases de diferentes tensioactivos Gemini cuando se combinan con tensioactivos convencionales. En 2002, Zana [15] investigó el efecto de diferentes grupos de enlaces sobre el comportamiento de agregación de los tensioactivos Gemini en solución acuosa, un trabajo que avanzó enormemente en el desarrollo de tensioactivos y fue de gran importancia. Posteriormente, Qiu et al [16] inventaron un nuevo método para la síntesis de tensioactivos Gemini que contienen estructuras especiales basadas en bromuro de cetilo y 4-amino-3,5-dihidroximetil-1,2,4-triazol, lo que enriqueció aún más la forma de Síntesis de surfactante Gemini. |
La investigación sobre los tensioactivos Gemini en China comenzó tarde; En 1999, Jianxi Zhao de la Universidad de Fuzhou hizo una revisión sistemática de la investigación extranjera sobre los tensioactivos Gemini y atrajo la atención de muchas instituciones de investigación en China. Después de eso, la investigación sobre los tensioactivos Gemini en China comenzó a florecer y logró resultados fructíferos. En los últimos años, los investigadores se han dedicado al desarrollo de nuevos tensioactivos Gemini y al estudio de sus propiedades fisicoquímicas relacionadas. Al mismo tiempo, las aplicaciones de los tensioactivos Gemini se han desarrollado gradualmente en los campos de la esterilización y antibacterianos, producción de alimentos, antiespumantes e inhibición de la espuma, liberación lenta de fármacos y limpieza industrial. Según si los grupos hidrófilos de las moléculas de tensioactivo están cargados o no y el tipo de carga que llevan, los tensioactivos Gemini se pueden dividir en las siguientes categorías: tensioactivos Gemini catiónicos, aniónicos, no iónicos y anfóteros. Entre ellos, los tensioactivos Gemini catiónicos generalmente se refieren a los tensioactivos Gemini de amonio cuaternario o sal de amonio, los tensioactivos Gemini aniónicos se refieren principalmente a los tensioactivos Gemini cuyos grupos hidrófilos son ácido sulfónico, fosfato y ácido carboxílico, mientras que los tensioactivos Gemini no iónicos son en su mayoría tensioactivos Gemini de polioxietileno.
1.1 Surfactantes catiónicos Gemini
Los tensioactivos catiónicos Gemini pueden disociar cationes en soluciones acuosas, principalmente los tensioactivos Gemini de sal de amonio y amonio cuaternario. Los tensioactivos catiónicos Gemini tienen buena biodegradabilidad, fuerte capacidad de descontaminación, propiedades químicas estables, baja toxicidad, estructura simple, fácil síntesis, fácil separación y purificación, y también tienen propiedades bactericidas, anticorrosión, propiedades antiestáticas y suavidad.
Los tensioactivos Gemini a base de sales de amonio cuaternario se preparan generalmente a partir de aminas terciarias mediante reacciones de alquilación. Hay dos métodos sintéticos principales: uno consiste en cuaternizar alcanos dibromosustituidos y alquildimetilaminas terciarias de cadena larga única; el otro consiste en cuaternizar alcanos de cadena larga 1-bromo-sustituidos y N,N,N',N'-tetrametilalquildiaminas con etanol anhidro como disolvente y calentamiento a reflujo. Sin embargo, los alcanos dibromosustituidos son más caros y comúnmente se sintetizan mediante el segundo método, y la ecuación de reacción se muestra en la Figura 2.
1.2 Surfactantes aniónicos Gemini
Los Surfactantes Aniónicos Gemini pueden disociar aniones en solución acuosa, principalmente sulfonatos, sales de sulfato, carboxilatos y sales de fosfato tipo Surfactantes Gemini. Los tensioactivos aniónicos tienen mejores propiedades como descontaminación, formación de espuma, dispersión, emulsificación y humectación, y se usan ampliamente como detergentes, agentes espumantes, agentes humectantes, emulsionantes y dispersantes.
1.2.1 Sulfonatos
Los biosurfactantes a base de sulfonato tienen las ventajas de una buena solubilidad en agua, buena humectabilidad, buena resistencia a la temperatura y a la sal, buena detergencia y una fuerte capacidad de dispersión, y se usan ampliamente como detergentes, agentes espumantes, agentes humectantes, emulsionantes y dispersantes en petróleo. industria textil y productos químicos de uso diario debido a sus fuentes relativamente amplias de materias primas, procesos de producción simples y bajos costos. Li et al sintetizaron una serie de nuevos tensioactivos Gemini de ácido dialquildisulfónico (2Cn-SCT), un tensioactivo bariónico de tipo sulfonato típico, utilizando tricloramina, amina alifática y taurina como materias primas en una reacción de tres pasos.
1.2.2 Sales de sulfato
Los tensioactivos dobletes de sales de éster de sulfato tienen las ventajas de una tensión superficial ultrabaja, alta actividad superficial, buena solubilidad en agua, amplia fuente de materias primas y síntesis relativamente simple. También tiene un buen rendimiento de lavado y capacidad de formación de espuma, un rendimiento estable en agua dura y las sales de éster de sulfato son neutras o ligeramente alcalinas en solución acuosa. Como se muestra en la Figura 3, Sun Dong et al utilizaron ácido láurico y polietilenglicol como materias primas principales y agregaron enlaces éster sulfato mediante reacciones de sustitución, esterificación y adición, sintetizando así el tensioactivo bariónico tipo sal éster sulfato GA12-S-12.
1.2.3 Sales de ácidos carboxílicos
Los tensioactivos Gemini a base de carboxilato suelen ser suaves, ecológicos, fácilmente biodegradables y tienen una rica fuente de materias primas naturales, altas propiedades quelantes de metales, buena resistencia al agua dura y dispersión de jabón de calcio, buenas propiedades espumantes y humectantes, y se utilizan ampliamente en productos farmacéuticos. Textiles, productos químicos finos y otros campos. La introducción de grupos amida en biosurfactantes a base de carboxilato puede mejorar la biodegradabilidad de las moléculas de surfactante y también hacer que tengan buenas propiedades de humectación, emulsificación, dispersión y descontaminación. Mei et al sintetizaron un tensioactivo bariónico a base de carboxilato CGS-2 que contiene grupos amida utilizando dodecilamina, dibromoetano y anhídrido succínico como materias primas.
1.2.4 Sales de fosfato
Los tensioactivos Gemini de tipo sal de éster de fosfato tienen una estructura similar a los fosfolípidos naturales y son propensos a formar estructuras como micelas inversas y vesículas. Los tensioactivos Gemini de tipo sal de éster de fosfato se han utilizado ampliamente como agentes antiestáticos y detergentes para ropa, mientras que sus altas propiedades emulsionantes y su irritación relativamente baja han llevado a su amplio uso en el cuidado personal de la piel. Ciertos ésteres de fosfato pueden ser anticancerígenos, antitumorales y antibacterianos, y se han desarrollado decenas de fármacos. Los biosurfactantes de tipo sal de éster de fosfato tienen altas propiedades emulsionantes para pesticidas y pueden usarse no solo como antibacterianos e insecticidas sino también como herbicidas. Zheng et al estudiaron la síntesis de tensioactivos Gemini de sal de éster de fosfato a partir de P2O5 y dioles oligoméricos a base de orto-quat, que tienen un mejor efecto humectante, buenas propiedades antiestáticas y un proceso de síntesis relativamente simple con condiciones de reacción suaves. La fórmula molecular del tensioactivo bariónico de sal de fosfato de potasio se muestra en la Figura 4.
1.3 Surfactantes no iónicos Gemini
Los tensioactivos no iónicos Gemini no se pueden disociar en solución acuosa y existen en forma molecular. Este tipo de tensioactivo bariónico ha sido menos estudiado hasta ahora, y existen dos tipos, uno es un derivado del azúcar y el otro es éter de alcohol y éter de fenol. Los tensioactivos no iónicos Gemini no existen en estado iónico en solución, por lo que tienen una alta estabilidad, no se ven fácilmente afectados por electrolitos fuertes, tienen buena complejabilidad con otros tipos de tensioactivos y tienen buena solubilidad. Por lo tanto, los tensioactivos no iónicos tienen diversas propiedades, como buena detergencia, dispersabilidad, emulsificación, formación de espuma, humectabilidad, propiedades antiestáticas y esterilización, y pueden usarse ampliamente en diversos aspectos, como pesticidas y recubrimientos. Como se muestra en la Figura 5, en 2004, FitzGerald et al sintetizaron tensioactivos Gemini (tensioactivos no iónicos) a base de polioxietileno, cuya estructura se expresó como (Cn-2H2n-3CHCH2O(CH2CH2O)mH)2(CH2)6 (o GemnEm).
02 Propiedades fisicoquímicas de los tensioactivos Gemini
2.1 Actividad de los tensioactivos Gemini
La forma más sencilla y directa de evaluar la actividad superficial de los tensioactivos es medir la tensión superficial de sus soluciones acuosas. En principio, los tensioactivos reducen la tensión superficial de una solución mediante una disposición orientada en el plano de la superficie (límite) (Figura 1 (c)). La concentración micelar crítica (CMC) de los tensioactivos Gemini es más de dos órdenes de magnitud menor y el valor de C20 es significativamente menor en comparación con los tensioactivos convencionales con estructuras similares. La molécula de tensioactivo bariónico posee dos grupos hidrófilos que le ayudan a mantener una buena solubilidad en agua mientras tiene largas cadenas hidrófobas. En la interfaz agua/aire, los tensioactivos convencionales están dispuestos de manera laxa debido al efecto de resistencia espacial del sitio y la repulsión de cargas homogéneas en las moléculas, debilitando así su capacidad para reducir la tensión superficial del agua. Por el contrario, los grupos de enlace de los tensioactivos Gemini están unidos covalentemente de modo que la distancia entre los dos grupos hidrófilos se mantiene dentro de un rango pequeño (mucho menor que la distancia entre los grupos hidrófilos de los tensioactivos convencionales), lo que resulta en una mejor actividad de los tensioactivos Gemini en la superficie (límite).
2.2 Estructura de ensamblaje de los tensioactivos Gemini
En soluciones acuosas, a medida que aumenta la concentración de tensioactivo bariónico, sus moléculas saturan la superficie de la solución, lo que a su vez obliga a otras moléculas a migrar al interior de la solución para formar micelas. La concentración a la que el tensioactivo comienza a formar micelas se denomina concentración micelar crítica (CMC). Como se muestra en la Figura 9, después de que la concentración es mayor que la CMC, a diferencia de los surfactantes convencionales que se agregan para formar micelas esféricas, los surfactantes Gemini producen una variedad de morfologías de micelas, como estructuras lineales y bicapa, debido a sus características estructurales. Las diferencias en el tamaño, la forma y la hidratación de las micelas tienen un impacto directo en el comportamiento de las fases y las propiedades reológicas de la solución, y también conducen a cambios en la viscoelasticidad de la solución. Los tensioactivos convencionales, como los tensioactivos aniónicos (SDS), suelen formar micelas esféricas que casi no tienen efecto sobre la viscosidad de la solución. Sin embargo, la estructura especial de los tensioactivos Gemini conduce a la formación de una morfología micelar más compleja y las propiedades de sus soluciones acuosas difieren significativamente de las de los tensioactivos convencionales. La viscosidad de las soluciones acuosas de tensioactivos Gemini aumenta al aumentar la concentración de tensioactivos Gemini, probablemente porque las micelas lineales formadas se entrelazan en una estructura similar a una red. Sin embargo, la viscosidad de la solución disminuye al aumentar la concentración de surfactante, probablemente debido a la alteración de la estructura de la red y la formación de otras estructuras micelares.
03 Propiedades antimicrobianas de los tensioactivos Gemini
Como tipo de agente antimicrobiano orgánico, el mecanismo antimicrobiano del tensioactivo bariónico es principalmente que se combina con aniones en la superficie de la membrana celular de los microorganismos o reacciona con grupos sulfhidrilo para interrumpir la producción de sus proteínas y membranas celulares, destruyendo así los tejidos microbianos para inhibir. o matar microorganismos.
3.1 Propiedades antimicrobianas de los tensioactivos aniónicos Gemini
Las propiedades antimicrobianas de los tensioactivos aniónicos antimicrobianos están determinadas principalmente por la naturaleza de los restos antimicrobianos que contienen. En soluciones coloidales como látex y recubrimientos naturales, las cadenas hidrófilas se unen a dispersantes solubles en agua, y las cadenas hidrófobas se unirán a dispersiones hidrófobas mediante adsorción direccional, transformando así la interfaz de dos fases en una película interfacial molecular densa. Los grupos inhibidores de bacterias en esta densa capa protectora inhiben el crecimiento de bacterias.
El mecanismo de inhibición bacteriana de los tensioactivos aniónicos es fundamentalmente diferente al de los tensioactivos catiónicos. La inhibición bacteriana de los tensioactivos aniónicos está relacionada con su sistema de solución y los grupos de inhibición, por lo que este tipo de tensioactivos puede ser limitado. Este tipo de tensioactivo debe estar presente en niveles suficientes para que el tensioactivo esté presente en todos los rincones del sistema para producir un buen efecto microbicida. Al mismo tiempo, este tipo de tensioactivo carece de localización y focalización, lo que no sólo provoca un desperdicio innecesario, sino que también crea resistencia durante un largo período de tiempo.
Como ejemplo, en medicina clínica se han utilizado biosurfactantes a base de alquilsulfonato. Los alquilsulfonatos, como el busulfano y el treosulfano, tratan principalmente enfermedades mieloproliferativas, actuando para producir entrecruzamiento entre guanina y ureapurina, mientras que esta alteración no puede repararse mediante corrección celular, lo que resulta en muerte celular apoptótica.
3.2 Propiedades antimicrobianas de los tensioactivos catiónicos Gemini
El principal tipo de tensioactivos catiónicos Gemini desarrollados son los tensioactivos Gemini del tipo sal de amonio cuaternario. Los tensioactivos catiónicos Gemini de tipo amonio cuaternario tienen un fuerte efecto bactericida porque hay dos cadenas de alcanos largas hidrófobas en las moléculas de tensioactivo bariónico de tipo amonio cuaternario, y las cadenas hidrófobas forman una adsorción hidrófoba con la pared celular (peptidoglicano); al mismo tiempo, contienen dos iones de nitrógeno cargados positivamente, que promoverán la adsorción de moléculas de surfactante 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, cambian la permeabilidad de la membrana celular, lo que lleva a la ruptura de la bacteria, además de grupos hidrófilos en lo profundo de la proteína, lo que lleva a la pérdida de actividad enzimática y a la desnaturalización de la proteína, debido al efecto combinado de estos dos efectos, lo que hace que el fungicida tenga un fuerte efecto bactericida.
Sin embargo, desde un punto de vista ambiental, estos surfactantes tienen actividad hemolítica y citotoxicidad, y un mayor tiempo de contacto con organismos acuáticos y biodegradación pueden aumentar su toxicidad.
3.3 Propiedades antibacterianas de los tensioactivos no iónicos Gemini
Actualmente existen dos tipos de tensioactivos Gemini no iónicos, uno es un derivado del azúcar y el otro es el éter de alcohol y el éter de fenol.
El mecanismo antibacteriano de los biosurfactantes derivados del azúcar se basa en la afinidad de las moléculas, y los tensioactivos derivados del azúcar pueden unirse a las membranas celulares, que contienen una gran cantidad de fosfolípidos. Cuando la concentración de tensioactivos derivados del azúcar alcanza un cierto nivel, cambia la permeabilidad de la membrana celular, formando poros y canales iónicos, lo que afecta el transporte de nutrientes y el intercambio de gases, provocando la salida del contenido y eventualmente provocando la muerte del bacteria.
El mecanismo antibacteriano de los agentes antimicrobianos de éteres fenólicos y alcohólicos es actuar sobre la pared celular o la membrana celular y las enzimas, bloqueando las funciones metabólicas e interrumpiendo las funciones regenerativas. Por ejemplo, los fármacos antimicrobianos de éteres de difenilo y sus derivados (fenoles) se sumergen en células bacterianas o virales y actúan a través de la pared y membrana celular, inhibiendo la acción y función de enzimas relacionadas con la síntesis de ácidos nucleicos y proteínas, limitando la Crecimiento y reproducción de bacterias. También paraliza las funciones metabólicas y respiratorias de las enzimas dentro de las bacterias, que luego fallan.
3.4 Propiedades antibacterianas de los tensioactivos anfóteros Gemini
Los tensioactivos anfóteros Gemini son una clase de tensioactivos que tienen cationes y aniones en su estructura molecular, pueden ionizarse en solución acuosa y exhiben las propiedades de los tensioactivos aniónicos en una condición media y de los tensioactivos catiónicos en otra condición media. El mecanismo de inhibición bacteriana de los tensioactivos anfóteros no es concluyente, pero generalmente se cree que la inhibición puede ser similar a la de los tensioactivos de amonio cuaternario, donde el tensioactivo se absorbe fácilmente en la superficie bacteriana cargada negativamente e interfiere con el metabolismo bacteriano.
3.4.1 Propiedades antimicrobianas de los tensioactivos de aminoácidos Gemini
El tensioactivo bariónico de tipo aminoácido es un tensioactivo bariónico anfótero catiónico compuesto de dos aminoácidos, por lo que su mecanismo antimicrobiano es más similar al del tensioactivo bariónico de tipo sal de amonio cuaternario. La parte cargada positivamente del surfactante es atraída por la parte cargada negativamente de la superficie bacteriana o viral debido a la interacción electrostática y, posteriormente, las cadenas hidrofóbicas se unen a la bicapa lipídica, lo que provoca la salida del contenido celular y la lisis hasta la muerte. Tiene importantes ventajas sobre los Surfactantes Gemini a base de amonio cuaternario: fácil biodegradabilidad, baja actividad hemolítica y baja toxicidad, por lo que se está desarrollando para su aplicación y se está ampliando su campo de aplicación.
3.4.2 Propiedades antibacterianas de los tensioactivos Gemini de tipo no aminoácido
Los tensioactivos anfóteros Gemini de tipo no aminoácido tienen residuos moleculares tensioactivos que contienen centros de carga positiva y negativa no ionizables. Los principales tensioactivos Gemini de tipo no aminoácido son la betaína, la imidazolina y el óxido de amina. Tomando el tipo betaína como ejemplo, los tensioactivos anfóteros de tipo betaína tienen grupos aniónicos y catiónicos en sus moléculas, que no se ven afectados fácilmente por las sales inorgánicas y tienen efectos tensioactivos tanto en soluciones ácidas como alcalinas, y el mecanismo antimicrobiano de los tensioactivos catiónicos Gemini es seguido en soluciones ácidas y el de los tensioactivos aniónicos Gemini en soluciones alcalinas. También tiene un excelente rendimiento de composición con otros tipos de tensioactivos.
04 Conclusión y perspectivas
Los tensioactivos Gemini se utilizan cada vez más en la vida debido a su estructura especial y se utilizan ampliamente en los campos de la esterilización antibacteriana, la producción de alimentos, la inhibición de la espuma y la espuma, la liberación lenta de fármacos y la limpieza industrial. Con la creciente demanda de protección del medio ambiente ecológico, los tensioactivos Gemini se están convirtiendo gradualmente en tensioactivos multifuncionales y respetuosos con el medio ambiente. Las investigaciones futuras sobre los Surfactantes Gemini se pueden llevar a cabo en los siguientes aspectos: desarrollar nuevos Surfactantes Gemini con estructuras y funciones especiales, fortaleciendo especialmente la investigación sobre antibacterianos y antivirales; combinar con tensioactivos o aditivos comunes para formar productos con mejor rendimiento; y utilizar materias primas baratas y fácilmente disponibles para sintetizar tensioactivos Gemini respetuosos con el medio ambiente.
Hora de publicación: 25 de marzo de 2022