Овај чланак се фокусира на антимикробни механизам Гемини сурфактаната, за које се очекује да ће бити ефикасни у убијању бактерија и могу пружити одређену помоћ у успоравању ширења нових коронавируса.
Сурфактант, који је контракција фраза Сурфаце, Ацтиве и Агент. Сурфактанти су супстанце које су активне на површинама и интерфејсима и имају веома високу способност и ефикасност у смањењу површинске (граничне) напетости, формирајући молекуларно уређене склопове у растворима изнад одређене концентрације и на тај начин имају низ функција примене. Сурфактанти поседују добру дисперзибилност, квашење, способност емулговања и антистатичка својства и постали су кључни материјали за развој многих области, укључујући и област финих хемикалија, и имају значајан допринос у побољшању процеса, смањењу потрошње енергије и повећању ефикасности производње. . Са развојем друштва и континуираним напретком светског индустријског нивоа, примена сурфактаната се постепено ширила са хемикалија свакодневне употребе на различите области националне привреде, као што су антибактеријска средства, адитиви за храну, нова енергетска поља, третман загађивача и биофармацеутика.
Конвенционални сурфактанти су "амфифилна" једињења која се састоје од поларних хидрофилних група и неполарних хидрофобних група, а њихове молекуларне структуре су приказане на слици 1(а).
Тренутно, са развојем оплемењивања и систематизације у прерађивачкој индустрији, потражња за својствима тензида у производном процесу се постепено повећава, па је важно пронаћи и развити површински активне материје са вишим површинским својствима и са посебним структурама. Откриће Гемини сурфактаната премошћује ове празнине и испуњава захтеве индустријске производње. Уобичајени сурфактант Гемини је једињење са две хидрофилне групе (генерално јонске или нејонске са хидрофилним својствима) и два хидрофобна алкил ланца.
Као што је приказано на слици 1(б), за разлику од конвенционалних једноланчаних сурфактаната, Гемини сурфактанти повезују две хидрофилне групе заједно преко групе за повезивање (одстојника). Укратко, структура Гемини сурфактанта може се схватити као формирана вештим повезивањем две хидрофилне главне групе конвенционалног сурфактанта заједно са групом за везу.
Посебна структура Гемини сурфактанта доводи до његове високе површинске активности, што је углавном због:
(1) појачани хидрофобни ефекат два хидрофобна репна ланца молекула Гемини сурфактанта и повећана тенденција сурфактанта да напусти водени раствор.
(2) Тенденција хидрофилних група глава да се одвајају једна од друге, посебно јонске групе глава услед електростатичког одбијања, значајно је ослабљена утицајем одстојника;
(3) Посебна структура Гемини сурфактаната утиче на њихово понашање агрегације у воденом раствору, дајући им сложенију и варијабилнију морфологију агрегације.
Гемини сурфактанти имају већу површинску (граничну) активност, нижу критичну концентрацију мицела, бољу квашење, способност емулговања и антибактеријску способност у поређењу са конвенционалним сурфактантима. Стога су развој и коришћење Гемини сурфактаната од великог значаја за развој и примену сурфактаната.
"Амфифилна структура" конвенционалних сурфактаната даје им јединствена својства површине. Као што је приказано на слици 1(ц), када се конвенционални сурфактант дода у воду, група хидрофилне главе тежи да се раствори унутар воденог раствора, а хидрофобна група инхибира растварање молекула сурфактанта у води. Под комбинованим ефектом ова два тренда, молекули сурфактанта се обогаћују на интерфејсу гас-течност и подвргавају се уредном распореду, чиме се смањује површински напон воде. За разлику од конвенционалних сурфактаната, Гемини сурфактанти су „димери“ који повезују конвенционалне сурфактанте заједно преко одстојних група, што може ефикасније смањити површински напон воде и међуфазну напетост уље/вода. Поред тога, Гемини сурфактанти имају ниже критичне концентрације мицела, бољу растворљивост у води, емулзификацију, пењење, влажење и антибактеријска својства.
| Увођење Гемини сурфактаната Године 1991. Менгер и Литау [13] су припремили први сурфактант бис-алкил ланца са крутом везном групом и назвали га „Близанци сурфактант“. Исте године, Зана и сарадници [14] су по први пут припремили серију Гемини сурфактаната кватернарне амонијумове соли и систематски истраживали својства ове серије Гемини сурфактаната кватернарне амонијумове соли. 1996, истраживачи су генерализовали и расправљали о површинском (граничном) понашању, особинама агрегације, реологији раствора и фазном понашању различитих тензида Гемини када су спојени са конвенционалним сурфактантима. Године 2002, Зана [15] је истраживао ефекат различитих група веза на понашање агрегације Гемини сурфактаната у воденом раствору, рад који је у великој мери унапредио развој сурфактаната и био је од великог значаја. Касније су Киу и сарадници [16] измислили нову методу за синтезу Гемини сурфактаната који садрже специјалне структуре на бази цетил бромида и 4-амино-3,5-дихидроксиметил-1,2,4-триазола, што је додатно обогатило начин Гемини Сурфактант синтеза. |
Истраживање о Гемини сурфактантима у Кини почело је касно; 1999. године, Јианки Зхао са Универзитета Фузхоу направио је систематски преглед страних истраживања о Гемини сурфактантима и привукао пажњу многих истраживачких институција у Кини. Након тога, истраживање Гемини Сурфацтантс у Кини почело је да цвета и постигло је плодне резултате. Последњих година, истраживачи су се посветили развоју нових Гемини сурфактаната и проучавању њихових сродних физичко-хемијских својстава. Истовремено, примена Гемини сурфактаната постепено је развијена у областима стерилизације и антибактерије, производње хране, депене и инхибиције пене, спорог ослобађања лекова и индустријског чишћења. На основу тога да ли су хидрофилне групе у молекулима сурфактанта наелектрисане или не и врсте наелектрисања које носе, Гемини сурфактанти се могу поделити у следеће категорије: катјонски, ањонски, нејонски и амфотерни Гемини сурфактанти. Међу њима, катјонски Гемини сурфактанти се генерално односе на кватернарне амонијум или амонијумове соли Гемини сурфактанти, ањонски Гемини сурфактанти се углавном односе на Гемини сурфактанте чије су хидрофилне групе сулфонска киселина, фосфат и карбоксилна киселина, док су нејонски Гемини сурфактанти већина Гемини сурфактокси.
1.1 Катионски Гемини сурфактанти
Катјонски Гемини сурфактанти могу да дисоцирају катјоне у воденим растворима, углавном амонијум и кватернарне амонијумове соли Гемини сурфактанти. Катионски Гемини сурфактанти имају добру биоразградљивост, јаку способност деконтаминације, стабилне хемијске особине, ниску токсичност, једноставну структуру, лаку синтезу, лако одвајање и пречишћавање, а такође имају бактерицидна својства, антикорозивна, антистатичка својства и мекоћу.
Гемини сурфактанти на бази квартарне амонијумове соли се генерално припремају од терцијарних амина реакцијама алкилације. Постоје две главне синтетичке методе као што следи: једна је кватернизација дибромо-супституисаних алкана и једноструких дуголанчаних алкил диметил терцијарних амина; други је кватернизација 1-бром-супституисаних дуголанчаних алкана и Н,Н,Н',Н'-тетраметил алкил диамина са анхидрованим етанолом као растварачем и рефлуксом загревања. Међутим, дибромо-супституисани алкани су скупљи и обично се синтетишу другом методом, а једначина реакције је приказана на слици 2.
1.2 Ањонски Гемини сурфактанти
Ањонски Гемини сурфактанти могу да дисоцирају ањоне у воденом раствору, углавном сулфонате, сулфатне соли, карбоксилате и фосфатне соли типа Гемини сурфактанти. Ањонски сурфактанти имају боља својства као што су деконтаминација, пењење, дисперзија, емулговање и влажење, и широко се користе као детерџенти, средства за пењење, средства за влажење, емулгатори и дисперзанти.
1.2.1 Сулфонати
Биосурфактанти на бази сулфоната имају предности добре растворљивости у води, добре квашења, добре отпорности на температуру и соли, добре детерџенте и јаке дисперзивне способности, а широко се користе као детерџенти, средства за пењење, средства за влажење, емулгатори и дисперзанти у нафти, текстилну индустрију и хемикалије свакодневне употребе због релативно широких извора сировина, једноставних производних процеса и ниских трошкова. Ли и сарадници су синтетизовали серију нових диалкил дисулфонских киселина Гемини Сурфацтантс (2Цн-СЦТ), типичног барионског сурфактанта сулфонатног типа, користећи трихлорамин, алифатични амин и таурин као сировине у реакцији у три корака.
1.2.2 Сулфатне соли
Дуплетни сурфактанти соли сулфатних естра имају предности ултра-ниског површинског напона, високе површинске активности, добре растворљивости у води, широког извора сировина и релативно једноставне синтезе. Такође има добре перформансе прања и способност пене, стабилне перформансе у тврдој води, а соли сулфатних естра су неутралне или благо алкалне у воденом раствору. Као што је приказано на слици 3, Сун Донг и сарадници су користили лауринску киселину и полиетилен гликол као главне сировине и додали сулфатне естарске везе кроз реакције супституције, естерификације и додавања, чиме су синтетизовали барионски сурфактант типа сулфатне естарске соли-ГА12-С-12.
1.2.3 Соли карбоксилне киселине
Гемини сурфактанти на бази карбоксилата су обично благи, зелени, лако биолошки разградиви и имају богат извор природних сировина, висока својства хелатирања метала, добру отпорност на тврду воду и дисперзију калцијумовог сапуна, добра својства пене и влажења, и широко се користе у фармацеутским производима, текстил, фине хемикалије и друге области. Увођење амидних група у биосурфактанте на бази карбоксилата може побољшати биоразградљивост молекула сурфактанта и такође учинити да они имају добра својства влажења, емулгирања, дисперзије и деконтаминације. Меи и сарадници су синтетизовали барионски сурфактант ЦГС-2 на бази карбоксилата који садржи амидне групе користећи додециламин, дибромоетан и сукцински анхидрид као сировине.
1.2.4 Фосфатне соли
Фосфатни естар соли типа Гемини Сурфактанти имају сличну структуру као природни фосфолипиди и склони су формирању структура као што су реверзне мицеле и везикуле. Фосфатни естар соли типа Гемини Сурфактанти су широко коришћени као антистатички агенси и детерџенти за прање веша, док су њихова висока својства емулговања и релативно мала иритација довели до њихове широке употребе у личној нези коже. Одређени фосфатни естри могу бити антиканцерогени, антитуморски и антибактеријски, а развијено је на десетине лекова. Биосурфактанти типа соли фосфатног естра имају висока својства емулгирања за пестициде и могу се користити не само као антибактеријски и инсектицидни, већ и као хербициди. Зхенг и сарадници су проучавали синтезу соли фосфатног естра Гемини сурфактаната из П2О5 и олигомерних диола на бази орто-квата, који имају бољи ефекат влажења, добра антистатичка својства и релативно једноставан процес синтезе са благим реакционим условима. Молекуларна формула барионског сурфактанта соли калијум фосфата приказана је на слици 4.
1.3 Нејонски Гемини сурфактанти
Нејонски Гемини сурфактанти се не могу дисоцирати у воденом раствору и постоје у молекуларном облику. Ова врста барионског сурфактанта је до сада мање проучавана, а постоје две врсте, једна је дериват шећера, а друга је алкохолни етар и фенол етар. Нејонски Гемини сурфактанти не постоје у јонском стању у раствору, тако да имају високу стабилност, на њих не утичу лако јаки електролити, имају добру комплексабилност са другим врстама сурфактаната и имају добру растворљивост. Стога, нејонски сурфактанти имају различита својства као што су добра детерџента, дисперзибилност, емулговање, пењење, квашење, антистатичко својство и стерилизација, и могу се широко користити у различитим аспектима као што су пестициди и премази. Као што је приказано на слици 5, 2004. године, ФитзГералд и сарадници су синтетизовали Гемини сурфактанте на бази полиоксиетилена (нејонске сурфактанте), чија је структура изражена као (Цн-2Х2н-3ЦХЦХ2О(ЦХ2ЦХ2О)мХ)2(ЦХ2)6 (или ГемнЕм).
02 Физичкохемијска својства Гемини сурфактаната
2.1 Активност сурфактаната Гемини
Најједноставнији и најдиректнији начин за процену површинске активности сурфактаната је мерење површинског напона њихових водених раствора. У принципу, сурфактанти смањују површински напон раствора оријентисаним распоредом на површинској (граничној) равни (слика 1(ц)). Критична концентрација мицела (ЦМЦ) Гемини сурфактаната је за више од два реда величине мања, а вредност Ц20 је значајно нижа у поређењу са конвенционалним сурфактантима сличне структуре. Молекул барионског сурфактанта поседује две хидрофилне групе које му помажу да одржи добру растворљивост у води док има дугачке хидрофобне дугачке ланце. На интерфејсу вода/ваздух, конвенционални сурфактанти су лабаво распоређени због ефекта отпорности на просторно место и одбијања хомогених наелектрисања у молекулима, чиме се слаби њихова способност да смање површински напон воде. Насупрот томе, групе за повезивање Гемини сурфактаната су ковалентно повезане тако да се растојање између две хидрофилне групе одржава у малом опсегу (много мањем од растојања између хидрофилних група конвенционалних сурфактаната), што резултира бољом активношћу Гемини сурфактаната на површина (граница).
2.2 Структура склопа Гемини сурфактаната
У воденим растворима, како се концентрација барионског сурфактанта повећава, његови молекули засићују површину раствора, што заузврат тера друге молекуле да мигрирају у унутрашњост раствора и формирају мицеле. Концентрација при којој сурфактант почиње да формира мицеле назива се критична концентрација мицела (ЦМЦ). Као што је приказано на слици 9, након што је концентрација већа од ЦМЦ, за разлику од конвенционалних сурфактаната који се агрегирају и формирају сферне мицеле, Гемини сурфактанти производе различите морфологије мицела, као што су линеарне и двослојне структуре, због својих структурних карактеристика. Разлике у величини, облику и хидратацији мицела директно утичу на фазно понашање и реолошка својства раствора, а такође доводе до промене вискоеластичности раствора. Конвенционални сурфактанти, као што су ањонски сурфактанти (СДС), обично формирају сферне мицеле, које готово да немају утицаја на вискозитет раствора. Међутим, посебна структура Гемини сурфактаната доводи до формирања сложеније морфологије мицела и својства њихових водених раствора значајно се разликују од оних конвенционалних сурфактаната. Вискозност водених раствора Гемини сурфактаната расте са повећањем концентрације Гемини сурфактаната, вероватно зато што се формиране линеарне мицеле преплићу у структуру налик мрежици. Међутим, вискозност раствора опада са повећањем концентрације сурфактанта, вероватно због нарушавања структуре мреже и формирања других структура мицела.
03 Антимикробна својства Гемини сурфактаната
Као нека врста органског антимикробног агенса, антимикробни механизам барионског сурфактанта је углавном у томе што се комбинује са ањонима на површини ћелијске мембране микроорганизама или реагује са сулфхидрилним групама да поремети производњу њихових протеина и ћелијских мембрана, чиме уништава микробно ткиво да инхибира или убијају микроорганизме.
3.1 Антимикробна својства ањонских тензида Гемини
Антимикробна својства антимикробних ањонских сурфактаната углавном су одређена природом антимикробних делова које носе. У колоидним растворима као што су природни латекси и премази, хидрофилни ланци се везују за дисперзанте растворљиве у води, а хидрофобни ланци ће се везати за хидрофобне дисперзије усмереном адсорпцијом, претварајући тако двофазни интерфејс у густ молекуларни међуфазни филм. Бактеријске инхибиторне групе на овом густом заштитном слоју инхибирају раст бактерија.
Механизам бактеријске инхибиције ањонских сурфактаната се суштински разликује од механизма катјонских сурфактаната. Бактеријска инхибиција ањонских сурфактаната је повезана са њиховим системом раствора и групама инхибиције, тако да се ова врста сурфактаната може ограничити. Ова врста сурфактанта мора бити присутна у довољним количинама тако да сурфактант буде присутан у сваком углу система да би произвео добар микробицидни ефекат. Истовремено, овој врсти сурфактанта недостаје локализација и циљање, што не само да узрокује непотребан отпад, већ ствара отпор током дужег временског периода.
Као пример, биосурфактанти на бази алкил сулфоната су коришћени у клиничкој медицини. Алкил сулфонати, као што су Бусулфан и Треосулфан, углавном лече мијелопролиферативне болести, делујући тако да стварају унакрсно повезивање између гванина и уреапурина, док се ова промена не може поправити ћелијском коректуром, што доводи до апоптотске смрти ћелије.
3.2 Антимикробна својства катјонских Гемини сурфактаната
Главни тип развијених катјонских Гемини сурфактаната су кватернарне амонијумове соли типа Гемини сурфактаната. Кватернарни амонијум тип катјона Гемини сурфактанти имају снажно бактерицидно дејство јер постоје два хидрофобна дуга алканска ланца у молекулима барионског сурфактанта кватернарног типа амонијума, а хидрофобни ланци формирају хидрофобну адсорпцију са ћелијским зидом (пептидогликан); истовремено садрже два позитивно наелектрисана јона азота, који ће промовисати адсорпцију молекула сурфактанта на површину негативно наелектрисаних бактерија, а пенетрацијом и дифузијом, хидрофобни ланци продиру дубоко у липидни слој мембране бактеријске ћелије, мењају пермеабилност ћелијске мембране, што доводи до руптуре бактерије, поред хидрофилних група дубоко у протеин, што доводи до губитка активности ензима и денатурације протеина, због комбинованог дејства ова два дејства, због чега фунгицид има снажан бактерицидни ефекат.
Међутим, са еколошке тачке гледишта, ови сурфактанти имају хемолитичку активност и цитотоксичност, а дуже време контакта са воденим организмима и биоразградња могу повећати њихову токсичност.
3.3 Антибактеријска својства нејонских Гемини сурфактаната
Тренутно постоје две врсте нејонских Гемини сурфактаната, један је дериват шећера, а други је алкохолни етар и фенол етар.
Антибактеријски механизам биосурфактаната добијених из шећера заснива се на афинитету молекула, а сурфактанти добијени од шећера могу да се вежу за ћелијске мембране, које садрже велики број фосфолипида. Када концентрација сурфактаната деривата шећера достигне одређени ниво, мења се пропустљивост ћелијске мембране, формирајући поре и јонске канале, што утиче на транспорт хранљивих материја и размену гасова, изазива одлив садржаја и на крају доводи до одумирања ћелије. бактерија.
Антибактеријски механизам фенолних и алкохолних етара антимикробних агенаса је да делују на ћелијски зид или ћелијску мембрану и ензиме, блокирајући метаболичке функције и ометајући регенеративне функције. На пример, антимикробни лекови дифенил етра и њихових деривата (фенола) су уроњени у бактеријске или вирусне ћелије и делују кроз ћелијски зид и ћелијску мембрану, инхибирајући деловање и функцију ензима везаних за синтезу нуклеинских киселина и протеина, ограничавајући раст и размножавање бактерија. Такође паралише метаболичке и респираторне функције ензима унутар бактерија, који тада не успевају.
3.4 Антибактеријска својства амфотерних тензида Гемини
Амфотерни тензиди Близанци су класа сурфактаната који имају и катјоне и ањоне у својој молекуларној структури, могу да јонизују у воденом раствору и показују својства ањонских сурфактаната у једном медијуму и катјонских сурфактаната у другом стању медијума. Механизам бактеријске инхибиције амфотерних сурфактаната није убедљив, али се генерално верује да инхибиција може бити слична оној код кватернарних амонијум сурфактаната, где се сурфактант лако адсорбује на негативно наелектрисаној површини бактерије и омета метаболизам бактерија.
3.4.1 Антимикробна својства аминокиселина Гемини Сурфактанти
Барионски сурфактант типа аминокиселине је катјонски амфотерни барионски сурфактант који се састоји од две аминокиселине, тако да је његов антимикробни механизам сличнији оном код барионског сурфактанта типа кватернарне амонијумове соли. Позитивно наелектрисани део сурфактанта привлачи негативно наелектрисани део бактеријске или вирусне површине услед електростатичке интеракције, а затим се хидрофобни ланци везују за липидни двослој, што доводи до ефлукса ћелијског садржаја и лизе до смрти. Има значајне предности у односу на Гемини Сурфацтантс на бази кватернарног амонијума: лаку биоразградљивост, ниску хемолитичку активност и ниску токсичност, па се развија за примену и шири поље примене.
3.4.2 Антибактеријска својства Гемини сурфактаната без аминокиселина
Амфотерни Гемини сурфактанти без аминокиселина имају површински активне молекуларне остатке који садрже нејонизујуће позитивне и негативне центре наелектрисања. Главни не-амино киселински тип Гемини сурфактанти су бетаин, имидазолин и амин оксид. Узимајући бетаин тип као пример, амфотерни сурфактанти бетаинског типа имају и ањонске и катјонске групе у својим молекулима, на које неорганске соли не утичу лако и имају сурфактантне ефекте иу киселим и у алкалним растворима, а антимикробни механизам катјонских Гемини сурфактаната је следе у киселим растворима и ањонских Гемини сурфактаната у алкалним растворима. Такође има одличне перформансе мешања са другим врстама сурфактаната.
04 Закључак и изглед
Гемини сурфактанти се све више користе у животу због своје посебне структуре, а нашироко се користе у областима антибактеријске стерилизације, производње хране, депене и инхибиције пене, спорог ослобађања лекова и индустријског чишћења. Са све већом потражњом за зеленом заштитом животне средине, Гемини сурфактанти се постепено развијају у еколошки прихватљиве и мултифункционалне сурфактанте. Будућа истраживања Гемини сурфактаната могу се спроводити у следећим аспектима: развој нових Гемини сурфактаната са посебним структурама и функцијама, посебно јачање истраживања антибактеријских и антивирусних; мешање са уобичајеним сурфактантима или адитивима да би се формирали производи са бољим перформансама; и коришћење јефтиних и лако доступних сировина за синтезу еколошки прихватљивих Гемини сурфактаната.
Време поста: 25.03.2022