Este artículo se centra en el mecanismo antimicrobiano de los tensioactivos Gemini, que se espera que sean efectivos para matar bacterias y puedan 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 interfases y tienen una capacidad y eficiencia muy altas para reducir la tensión superficial (límite), formando ensamblajes ordenados molecularmente 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 a nivel industrial mundial, la aplicación de los surfactantes se ha ido extendiendo desde los 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 la sistematización en la industria manufacturera, la demanda de propiedades de tensioactivos en el proceso de producción está aumentando gradualmente, por lo que es importante encontrar y desarrollar tensioactivos con propiedades superficiales más altas y con estructuras especiales.El descubrimiento de Gemini Surfactants cierra estas brechas y cumple con los requisitos de la producción industrial.Un tensioactivo común de Gemini es un compuesto con dos grupos hidrofílicos (generalmente iónicos o no iónicos con propiedades hidrofílicas) y dos cadenas de alquilo hidrofóbicas.
Como se muestra en la Figura 1(b), a diferencia de los tensioactivos monocatenarios convencionales, los tensioactivos Gemini unen dos grupos hidrofílicos a través de un grupo de enlace (espaciador).En resumen, la estructura de un tensioactivo Gemini puede entenderse como formada por la unión inteligente de dos grupos de cabeza hidrofílicos 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 hidrofóbico mejorado de las dos cadenas de cola hidrofóbicas de la molécula Gemini Surfactant y la tendencia aumentada del surfactante a abandonar la solución acuosa.
(2) La tendencia de los grupos de cabeza hidrofílicos a separarse unos de otros, 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 una mayor actividad superficial (límite), menor concentración crítica de micelas, 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 otorga propiedades superficiales únicas.Como se muestra en la Figura 1(c), cuando se agrega un tensioactivo 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 tensioactivo 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, lo que reduce 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 con mayor eficacia.Además, los tensioactivos Gemini tienen concentraciones de micelas críticas más bajas, mejor solubilidad en agua, emulsificación, formación de espuma, propiedades humectantes y antibacterianas.
| Introducción de los 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 por primera vez una serie de tensioactivos Gemini de sal de amonio cuaternario e investigaron sistemáticamente las propiedades de esta serie de tensioactivos Gemini de sal de amonio cuaternario.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 fase de diferentes tensioactivos Gemini cuando se combinan con tensioactivos convencionales.En 2002, Zana [15] investigó el efecto de diferentes grupos de enlace en el comportamiento de agregación de los tensioactivos Gemini en solución acuosa, un trabajo que avanzó mucho 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 contenían estructuras especiales a base de bromuro de cetilo y 4-amino-3,5-dihidroximetil-1,2,4-triazol, que enriquecieron aún más la forma de Síntesis de tensioactivo Gemini. |
La investigación sobre los tensioactivos Gemini en China comenzó tarde;En 1999, Jianxi Zhao de la Universidad de Fuzhou realizó 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 Gemini Surfactants se han desarrollado gradualmente en los campos de esterilización y antibacteriano, producción de alimentos, antiespumante e inhibición de espuma, liberación lenta de fármacos y limpieza industrial.Según si los grupos hidrofílicos en las moléculas de surfactante están cargados o no y el tipo de carga que llevan, los surfactantes Gemini se pueden dividir en las siguientes categorías: surfactantes Gemini catiónicos, aniónicos, no iónicos y anfóteros.Entre ellos, los tensioactivos Gemini catiónicos generalmente se refieren a tensioactivos Gemini de amonio cuaternario o sal de amonio, los tensioactivos Gemini aniónicos se refieren principalmente a tensioactivos Gemini cuyos grupos hidrofílicos 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 tensioactivos Gemini de amonio y sal de 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, anticorrosivas, antiestáticas y suaves.
Los tensioactivos Gemini basados en sales de amonio cuaternario se preparan generalmente a partir de aminas terciarias mediante reacciones de alquilación.Existen dos métodos de síntesis principales: uno es cuaternizar alcanos sustituidos con dibromo y aminas terciarias de alquil dimetil de cadena larga únicas;el otro consiste en cuaternizar alcanos de cadena larga sustituidos con bromo en 1 y N,N,N',N'-tetrametilalquildiaminas con etanol anhidro como disolvente y calentar a reflujo.Sin embargo, los alcanos sustituidos con dibromo son más caros y comúnmente se sintetizan por el segundo método, y la ecuación de reacción se muestra en la Figura 2.
1.2 Tensioactivos aniónicos Gemini
Los tensioactivos aniónicos Gemini pueden disociar aniones en solución acuosa, principalmente sulfonatos, sales de sulfato, carboxilatos y sales de fosfato tipo tensioactivos Gemini.Los tensioactivos aniónicos tienen mejores propiedades como descontaminación, formación de espuma, dispersión, emulsificación y humectación, y se utilizan 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 temperatura y resistencia a la sal, buena detergencia y 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 dialquil disulfónico (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, una alta actividad superficial, una buena solubilidad en agua, una amplia fuente de materias primas y una 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 de éster de sulfato a través de reacciones de sustitución, esterificación y adición, sintetizando así el surfactante bariónico tipo sal de éster de 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 humectantes y espumantes, y se utilizan ampliamente en productos farmacéuticos, Textiles, productos químicos finos y otros campos.La introducción de grupos amida en biosurfactantes basados en carboxilatos 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 basado en carboxilato CGS-2 que contiene grupos amida utilizando dodecilamina, dibromoetano y anhídrido succínico como materias primas.
1.2.4 Sales de fosfato
Los tensioactivos tipo Gemini de sal de éster de fosfato tienen una estructura similar a los fosfolípidos naturales y son propensos a formar estructuras tales como vesículas y micelas inversas.Los tensioactivos de tipo Gemini de sal de éster de fosfato se han utilizado ampliamente como agentes antiestáticos y detergentes para ropa, mientras que sus altas propiedades de emulsificación 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 docenas de fármacos.Los biosurfactantes de tipo sal de éster de fosfato tienen altas propiedades de emulsificación 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 basados en 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 surfactante bariónico de sal de fosfato de potasio se muestra en la Figura 4.
1.3 Surfactantes Gemini no iónicos
Los tensioactivos no iónicos Gemini no pueden disociarse en solución acuosa y existen en forma molecular.Este tipo de tensioactivo bariónico ha sido menos estudiado hasta el momento, y existen dos tipos, uno es un derivado de azúcar y el otro es alcohol éter y fenol éter.Los tensioactivos no iónicos Gemini no existen en estado iónico en solución, por lo que tienen una alta estabilidad, no se ven afectados fácilmente 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 los tensioactivos Gemini basados en polioxietileno (tensioactivos no iónicos), 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 crítica de micelas (CMC) de los tensioactivos Gemini es más de dos órdenes de magnitud menor y el valor C20 es significativamente menor en comparación con los tensioactivos convencionales con estructuras similares.La molécula de surfactante bariónico posee dos grupos hidrofílicos que la ayudan a mantener una buena solubilidad en agua mientras tiene largas cadenas hidrofóbicas.En la interfaz agua/aire, los tensioactivos convencionales están sueltos debido al efecto de resistencia del sitio espacial y la repulsión de cargas homogéneas en las moléculas, lo que debilita 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 hidrofílicos se mantiene dentro de un rango pequeño (mucho menor que la distancia entre los grupos hidrofílicos de los tensioactivos convencionales), lo que da como resultado una mejor actividad de los tensioactivos Gemini en la superficie (límite).
2.2 Estructura de montaje 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 crítica de micelas (CMC).Como se muestra en la Figura 9, después de que la concentración es mayor que la CMC, a diferencia de los tensioactivos convencionales que se agregan para formar micelas esféricas, los tensioactivos 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 fase 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 de micelas más compleja y las propiedades de sus soluciones acuosas difieren significativamente de las de los tensioactivos convencionales.La viscosidad de las soluciones acuosas de los tensioactivos Gemini aumenta con el aumento de la concentración de los 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 con el aumento de la concentración de surfactante, probablemente debido a la alteración de la estructura de la red y la formación de otras estructuras de micelas.
03 Propiedades antimicrobianas de los tensioactivos Gemini
Como un tipo de agente antimicrobiano orgánico, el mecanismo antimicrobiano del surfactante 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 portan.En soluciones coloidales como los látex naturales y los revestimientos, las cadenas hidrofílicas se unen a los dispersantes solubles en agua y las cadenas hidrofóbicas se unirán a las dispersiones hidrofóbicas por adsorción direccional, transformando así la interfaz de dos fases en una película interfacial molecular densa.Los grupos inhibidores bacterianos 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 solo provoca un desperdicio innecesario, sino que también crea resistencia durante un largo período de tiempo.
Como ejemplo, los biotensioactivos basados en sulfonato de alquilo se han utilizado en medicina clínica.Los sulfonatos de alquilo, como el busulfán y el treosulfán, tratan principalmente las enfermedades mieloproliferativas, actuando para producir entrecruzamiento entre la guanina y la 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 tipo principal de tensioactivos Gemini catiónicos desarrollados son los tensioactivos Gemini de tipo sal de amonio cuaternario.Los tensioactivos Gemini catiónicos de tipo amonio cuaternario tienen un fuerte efecto bactericida porque hay dos cadenas largas de alcano hidrofóbicas en las moléculas de tensioactivo bariónico de tipo amonio cuaternario, y las cadenas hidrofóbicas forman adsorción hidrofóbica 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 el permeabilidad de la membrana celular, lo que lleva a la ruptura de la bacteria, además de grupos hidrofílicos en lo profundo de la proteína, lo que lleva a la pérdida de la actividad enzimática y 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 la biodegradación pueden aumentar su toxicidad.
3.3 Propiedades antibacterianas de los tensioactivos Gemini no iónicos
Actualmente existen dos tipos de tensioactivos Gemini no iónicos, uno es un derivado del azúcar y el otro es alcohol éter y fenol éter.
El mecanismo antibacteriano de los biosurfactantes derivados del azúcar se basa en la afinidad de las moléculas, y los surfactantes 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, lo que provoca la salida del contenido y, finalmente, conduce a la muerte del bacteria.
El mecanismo antibacteriano de los agentes antimicrobianos de los éteres fenólicos y alcohólicos consiste en 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 difenílicos 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 en general se cree que la inhibición puede ser similar a la de los tensioactivos de amonio cuaternario, donde el tensioactivo se adsorbe 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 por 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 Tensoactivos 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 Gemini anfóteros de tipo no aminoácido tienen residuos moleculares activos en la superficie 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 como ejemplo el tipo de betaína, 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 seguida en soluciones ácidas y la de los tensioactivos aniónicos Gemini en soluciones alcalinas.También tiene un excelente rendimiento de composición con otros tipos de tensioactivos.
04 Conclusión y perspectiva
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 espuma y la eliminación de espuma, la liberación lenta de fármacos y la limpieza industrial.Con la creciente demanda de protección ambiental ecológica, los tensioactivos Gemini se desarrollan gradualmente en tensioactivos ecológicos y multifuncionales.La investigación futura sobre Gemini Surfactants se puede llevar a cabo en los siguientes aspectos: desarrollar nuevos Gemini Surfactants con estructuras y funciones especiales, fortaleciendo especialmente la investigación sobre antibacterianos y antivirales;composición con surfactantes o aditivos comunes para formar productos con mejor desempeño;y el uso de materias primas baratas y de fácil acceso para sintetizar tensioactivos Gemini respetuosos con el medio ambiente.
Hora de publicación: 25-mar-2022