この記事では、細菌を殺すのに効果的であると期待され、新しいコロナウイルスの拡散を遅らせるのに役立つと期待されているジェミニ界面活性剤の抗菌メカニズムに焦点を当てています.
サーファクタントは、Surface、Active、Agent の短縮形です。界面活性剤は、表面や界面で活性を持ち、表面 (境界) 張力を低下させる非常に高い能力と効率を持ち、一定濃度以上の溶液中で分子秩序化された集合体を形成し、さまざまな応用機能を持つ物質です。界面活性剤は、分散性、濡れ性、乳化性、帯電防止性に優れ、ファインケミカル分野をはじめ多くの分野の発展のキーマテリアルとなり、プロセスの改善、省エネルギー、生産効率の向上に大きく貢献しています。 .社会の発展と世界の産業レベルの継続的な進歩に伴い、界面活性剤の用途は、日常使用の化学物質から、抗菌剤、食品添加物、新エネルギー分野、汚染物質処理およびバイオ医薬品。
従来の界面活性剤は、極性の親水基と非極性の疎水基からなる「両親媒性」化合物で、その分子構造を図1(a)に示します。
現在、製造業における微細化・システム化の進展に伴い、製造工程における界面活性剤の特性に対する要求が徐々に高まっており、より高い表面特性や特殊な構造を有する界面活性剤の探索・開発が重要となっています。ジェミニ界面活性剤の発見は、これらのギャップを埋め、工業生産の要件を満たします。一般的なジェミニ界面活性剤は、2 つの親水基 (一般に、親水性を持つイオン性または非イオン性) と 2 つの疎水性アルキル鎖を持つ化合物です。
図 1(b) に示すように、従来の単鎖界面活性剤とは対照的に、Gemini Surfactants は 2 つの親水性基を結合基 (スペーサー) を介して結合します。つまり、ジェミニ界面活性剤の構造は、従来の界面活性剤の2つの親水性の頭部が結合基で巧みに結合したものと理解することができます。
ジェミニ界面活性剤の特別な構造は、主に次の理由による高い表面活性をもたらします。
(1) Gemini Surfactant 分子の 2 つの疎水性尾鎖の強化された疎水性効果と、界面活性剤が水溶液から離れる傾向の増加。
（２）親水性ヘッド基、特に静電反発によるイオン性ヘッド基が互いに分離する傾向は、スペーサーの影響によって実質的に弱められる。
(3) ジェミニ界面活性剤の特殊な構造は、水溶液中での凝集挙動に影響を与え、より複雑で可変的な凝集形態を与えます。
ジェミニ界面活性剤は、従来の界面活性剤と比較して、表面（境界）活性が高く、臨界ミセル濃度が低く、湿潤性、乳化性、抗菌性に優れています。したがって、ジェミニ界面活性剤の開発と利用は、界面活性剤の開発と応用にとって非常に重要です。
従来の界面活性剤の「両親媒性構造」は、それらに独特の表面特性を与えます。図1（c）に示すように、従来の界面活性剤を水に添加すると、親水性の頭部基が水溶液内に溶解する傾向があり、疎水性基が界面活性剤分子の水への溶解を阻害します。これらの 2 つの傾向の複合効果の下で、界面活性剤分子は気液界面で濃縮され、規則正しく配置され、それによって水の表面張力が低下します。従来の界面活性剤とは異なり、ジェミニ界面活性剤はスペーサー基を介して従来の界面活性剤を結合する「二量体」であり、水の表面張力と油/水の界面張力をより効果的に低下させることができます。さらに、ジェミニ界面活性剤は、臨界ミセル濃度が低く、水溶性、乳化性、発泡性、湿潤性、および抗菌性が優れています。
| ジェミニ界面活性剤のご紹介 1991 年、Menger と Littau [13] は、剛直な連結基を持つ最初のビスアルキル鎖界面活性剤を調製し、「ジェミニ界面活性剤」と名付けました。同じ年に、Zana et al [14] は、一連の第 4 級アンモニウム塩ジェミニ界面活性剤を初めて調製し、この一連の第 4 アンモニウム塩ジェミニ界面活性剤の特性を体系的に調査しました。1996 年、研究者は、従来の界面活性剤と混合した場合のさまざまなジェミニ界面活性剤の表面 (境界) 挙動、凝集特性、溶液レオロジー、および相挙動を一般化し、議論しました。2002 年、Zana [15] は、水溶液中のジェミニ界面活性剤の凝集挙動に対するさまざまな結合基の影響を調査しました。これは界面活性剤の開発を大きく前進させ、非常に重要な研究でした。その後、Qiu ら [16] は、臭化セチルと 4-アミノ-3,5-ジヒドロキシメチル-1,2,4-トリアゾールに基づく特別な構造を含むジェミニ界面活性剤の新しい合成方法を発明しました。ジェミニ界面活性剤の合成。 |
中国でのジェミニ界面活性剤に関する研究は遅れて開始されました。1999 年、福州大学の Jianxi Zhao は、ジェミニ サーファクタントに関する外国の研究を体系的にレビューし、中国の多くの研究機関の注目を集めました。その後、中国でジェミニ界面活性剤の研究が盛んになり、実り多い成果を上げました。近年、研究者は新しいジェミニ界面活性剤の開発とそれに関連する物理化学的特性の研究に専念してきました。同時に、ジェミニ界面活性剤の用途は、滅菌および抗菌、食品製造、消泡および泡抑制、薬物徐放および工業用洗浄の分野で徐々に開発されてきました。界面活性剤分子の親水基が帯電しているかどうか、およびそれらが持つ電荷のタイプに基づいて、ジェミニ界面活性剤は、カチオン性、アニオン性、非イオン性、および両性ジェミニ界面活性剤のカテゴリに分類できます。その中で、カチオン性ジェミニ界面活性剤は一般に第四級アンモニウムまたはアンモニウム塩ジェミニ界面活性剤を指し、アニオン性ジェミニ界面活性剤は主に親水基がスルホン酸、リン酸、カルボン酸であるジェミニ界面活性剤を指し、非イオン性ジェミニ界面活性剤は主にポリオキシエチレンジェミニ界面活性剤を指します。
1.1 カチオン性ジェミニ界面活性剤
カチオン性ジェミニ界面活性剤は、水溶液中の陽イオンを解離できます。主にアンモニウム塩と第 4 級アンモニウム塩のジェミニ界面活性剤です。カチオン性ジェミニ界面活性剤は、良好な生分解性、強力な除染能力、安定した化学的性質、低毒性、単純な構造、容易な合成、容易な分離および精製を備え、さらに殺菌特性、防食性、帯電防止特性、および柔軟性を備えています。
第 4 級アンモニウム塩ベースの Gemini 界面活性剤は、一般にアルキル化反応によって第 3 級アミンから調製されます。主な合成法には次の 2 つがあります。もう 1 つは、1-ブロモ置換長鎖アルカンと N,N,N',N'-テトラメチル アルキル ジアミンを溶媒として無水エタノールを使用し、加熱還流して四級化することです。ただし、ジブロモ置換アルカンはより高価であり、通常は 2 番目の方法で合成されます。反応式を図 2 に示します。
1.2 アニオン性ジェミニ界面活性剤
アニオン性ジェミニ界面活性剤は、水溶液中の陰イオンを解離できます。主に、スルホン酸塩、硫酸塩、カルボン酸塩、リン酸塩タイプのジェミニ界面活性剤です。陰イオン界面活性剤は、除染、発泡、分散、乳化、湿潤などの優れた特性を持ち、洗剤、発泡剤、湿潤剤、乳化剤、分散剤として広く使用されています。
1.2.1 スルホン酸塩
スルホネートベースのバイオサーファクタントは、良好な水溶性、良好な湿潤性、良好な温度および耐塩性、良好な洗浄力、および強力な分散能力という利点があり、石油の洗剤、発泡剤、湿潤剤、乳化剤、および分散剤として広く使用されています。繊維産業、および日常使用の化学物質は、原材料の供給源が比較的広く、製造プロセスが単純で、コストが低いためです。Liらは、トリクロラミン、脂肪族アミン、タウリンを原料として、3段階の反応により、代表的なスルホン酸型バリオン界面活性剤である一連の新しいジアルキルジスルホン酸ジェミニ界面活性剤（2Cn-SCT）を合成しました。
1.2.2 硫酸塩
硫酸エステル塩ダブレット界面活性剤は、超低表面張力、高表面活性、良好な水溶性、幅広い原材料源、および比較的簡単な合成という利点を持っています。洗浄力や泡立ちも良く、硬水でも安定した性能を発揮し、硫酸エステル塩は水溶液中で中性または弱アルカリ性です。図3に示すように、Sun Dongらはラウリン酸とポリエチレングリコールを主原料とし、置換、エステル化、付加反応により硫酸エステル結合を付加し、硫酸エステル塩型バリオン界面活性剤-GA12-S-12を合成しました。
1.2.3 カルボン酸塩
カルボン酸ベースのジェミニ界面活性剤は、通常、マイルドで環境に優しく、生分解性が高く、豊富な天然原料源、高い金属キレート特性、優れた硬水耐性とカルシウム石鹸分散性、優れた発泡性と湿潤性を備えており、医薬品で広く使用されています。テキスタイル、ファインケミカル、その他の分野。カルボキシレートベースのバイオサーファクタントにアミド基を導入すると、界面活性剤分子の生分解性が向上し、湿潤性、乳化性、分散性、除染性が向上します。Meiらは、ドデシルアミン、ジブロモエタン、無水コハク酸を原料として、アミド基を含むカルボキシレート系バリオン界面活性剤CGS-2を合成しました。
1.2.4 リン酸塩
リン酸エステル塩型のジェミニ界面活性剤は、天然のリン脂質と構造が似ており、逆ミセルやベシクルなどの構造を形成しやすい性質があります。リン酸エステル塩タイプのジェミニ界面活性剤は、帯電防止剤や洗濯用洗剤として広く使用されていますが、乳化性が高く、刺激が比較的少ないため、パーソナルスキンケアにも幅広く使用されています。特定のリン酸エステルは、抗がん剤、抗腫瘍剤、および抗菌剤である可能性があり、数十の薬が開発されています.リン酸エステル塩タイプのバイオサーファクタントは、殺虫剤の乳化性が高く、抗菌剤や殺虫剤だけでなく除草剤としても使用できます。Zheng らは、P2O5 およびオルトクアットベースのオリゴマージオールからのリン酸エステル塩 Gemini 界面活性剤の合成を研究しました。これは、より優れた湿潤効果、優れた帯電防止特性、および温和な反応条件による比較的単純な合成プロセスを備えています。リン酸カリウム塩バリオン界面活性剤の分子式を図 4 に示します。
1.3 非イオン性ジェミニ界面活性剤
非イオン性ジェミニ界面活性剤は、水溶液中で解離できず、分子の形で存在します。このタイプのバリオン界面活性剤はこれまであまり研究されておらず、糖誘導体とアルコールエーテルやフェノールエーテルの2種類があります。非イオン性ジェミニ界面活性剤は、溶液中でイオン状態で存在しないため、安定性が高く、強い電解質の影響を受けにくく、他のタイプの界面活性剤との複合性が高く、溶解性が良好です。したがって、ノニオン系界面活性剤は、洗浄力、分散性、乳化性、起泡性、湿潤性、帯電防止性、殺菌性などの優れた特性を有し、農薬や塗料などさまざまな面で広く使用されています。図 5 に示すように、2004 年に FitzGerald らがポリオキシエチレン ベースのジェミニ界面活性剤 (非イオン性界面活性剤) を合成しました。
02 ジェミニ界面活性剤の物理化学的性質
2.1 ジェミニ界面活性剤の活性
界面活性剤の表面活性を評価する最も簡単で直接的な方法は、それらの水溶液の表面張力を測定することです。原理的に、界面活性剤は溶液の表面（境界）面に配向配列することで溶液の表面張力を低下させます（図1（c））。Gemini Surfactants の臨界ミセル濃度 (CMC) は 2 桁以上小さく、C20 値は類似の構造を持つ従来の界面活性剤と比較して大幅に低くなっています。バリオン界面活性剤分子は、長い疎水性長鎖を持ちながら良好な水溶性を維持するのに役立つ 2 つの親水基を持っています。水/空気界面では、従来の界面活性剤は、空間的なサイト抵抗効果と分子内の均一な電荷の反発により緩く配置され、水の表面張力を低下させる能力が弱まります。対照的に、Gemini Surfactants の連結基は共有結合されているため、2 つの親水基間の距離は狭い範囲内 (従来の界面活性剤の親水基間の距離よりもはるかに小さい) に保たれるため、Gemini Surfactants のより優れた活性が得られます。表面（境界）。
2.2 ジェミニ界面活性剤の集合構造
水溶液では、バリオン界面活性剤の濃度が増加すると、その分子が溶液の表面を飽和させ、他の分子が溶液の内部に移動してミセルを形成します。界面活性剤がミセルを形成し始める濃度は、臨界ミセル濃度 (CMC) と呼ばれます。図 9 に示すように、濃度が CMC を超えると、凝集して球状ミセルを形成する従来の界面活性剤とは異なり、Gemini 界面活性剤は、その構造特性により、線形構造や二重層構造など、さまざまなミセル形態を生成します。ミセルのサイズ、形状、水和の違いは、溶液の相挙動とレオロジー特性に直接影響し、溶液の粘弾性にも変化をもたらします。陰イオン界面活性剤 (SDS) などの従来の界面活性剤は、通常、溶液の粘度にほとんど影響を与えない球状ミセルを形成します。ただし、ジェミニ界面活性剤の特殊な構造により、より複雑なミセル形態が形成され、その水溶液の特性は従来の界面活性剤の特性とは大きく異なります。ジェミニ界面活性剤の水溶液の粘度は、ジェミニ界面活性剤の濃度の増加とともに増加します。おそらく、形成された線形ミセルが絡み合って網状構造になるためです。ただし、おそらくウェブ構造の破壊と他のミセル構造の形成により、界面活性剤濃度の増加とともに溶液の粘度が低下します。
03 ジェミニ界面活性剤の抗菌特性
一種の有機抗菌剤として、バリオン界面活性剤の抗菌メカニズムは、主に微生物の細胞膜表面の陰イオンと結合するか、スルフヒドリル基と反応してタンパク質と細胞膜の生成を妨害し、微生物組織を破壊して阻害することです。または微生物を殺します。
3.1 アニオン性ジェミニ界面活性剤の抗菌特性
抗菌性陰イオン界面活性剤の抗菌特性は、主にそれらが持つ抗菌部分の性質によって決まります。天然ラテックスやコーティングなどのコロイド溶液では、親水性鎖は水溶性分散剤に結合し、疎水性鎖は指向性吸着によって疎水性分散液に結合し、2 相界面を密な分子界面フィルムに変換します。この緻密な保護層のバクテリア抑制基は、バクテリアの増殖を抑制します。
陰イオン界面活性剤の細菌阻害のメカニズムは、陽イオン界面活性剤のそれとは根本的に異なります。陰イオン界面活性剤の細菌阻害は、その溶液系と阻害基に関連しているため、このタイプの界面活性剤は制限される可能性があります。このタイプの界面活性剤は、界面活性剤がシステムの隅々に存在して良好な殺菌効果を生み出すのに十分なレベルで存在しなければならない。同時に、このタイプの界面活性剤は局在性とターゲティング性に欠けるため、不要な廃棄物が発生するだけでなく、長期にわたって抵抗が生じます。
一例として、アルキルスルホネートベースのバイオサーファクタントが臨床医学で使用されています。ブスルファンやトレオスルファンなどのアルキルスルホン酸塩は、主に骨髄増殖性疾患を治療し、グアニンとウレアプリンの間の架橋を生成するように作用しますが、この変化は細胞校正では修復できず、アポトーシス細胞死を引き起こします。
3.2 カチオン性ジェミニ界面活性剤の抗菌特性
開発されたカチオン性ジェミニ界面活性剤の主なタイプは、4級アンモニウム塩タイプのジェミニ界面活性剤です。第四級アンモニウム型カチオン性ジェミニ界面活性剤は、第四級アンモニウム型バリオン界面活性剤分子に疎水性の長いアルカン鎖が2本あり、疎水性鎖が細胞壁（ペプチドグリカン）に疎水吸着するため、強い殺菌効果を発揮します。同時に、それらは2つの正に帯電した窒素イオンを含み、負に帯電した細菌の表面への界面活性剤分子の吸着を促進し、浸透と拡散により、疎水性鎖が細菌細胞膜の脂質層に深く浸透し、細菌の破裂につながる細胞膜の透過性、タンパク質の奥深くにある親水基に加えて、これら2つの効果の複合効果により、酵素活性の喪失とタンパク質の変性につながり、殺菌剤に強力な殺菌効果。
しかし、環境の観点から、これらの界面活性剤には溶血活性と細胞毒性があり、水生生物との長時間の接触や生分解により毒性が高まる可能性があります。
3.3 非イオン性ジェミニ界面活性剤の抗菌特性
現在、非イオン性ジェミニ界面活性剤には 2 種類あり、1 つは糖誘導体、もう 1 つはアルコール エーテルとフェノール エーテルです。
糖由来のバイオサーファクタントの抗菌メカニズムは、分子の親和性に基づいており、糖由来の界面活性剤は、多数のリン脂質を含む細胞膜に結合できます。糖誘導体界面活性剤の濃度が一定のレベルに達すると、細胞膜の透過性が変化し、細孔とイオンチャネルが形成され、栄養素の輸送とガス交換に影響を与え、内容物の流出を引き起こし、最終的に細胞の死に至ります。細菌。
フェノール系およびアルコール系エーテル系抗菌剤の抗菌メカニズムは、細胞壁または細胞膜および酵素に作用し、代謝機能を遮断し、再生機能を妨害することです。例えば、ジフェニルエーテルおよびその誘導体（フェノール）の抗菌薬は、細菌またはウイルスの細胞に浸され、細胞壁および細胞膜を通して作用し、核酸およびタンパク質の合成に関連する酵素の作用および機能を阻害し、バクテリアの増殖と繁殖。また、バクテリア内の酵素の代謝機能と呼吸機能を麻痺させます。
3.4 両性ジェミニ界面活性剤の抗菌特性
両性ジェミニ界面活性剤は、分子構造に陽イオンと陰イオンの両方を持ち、水溶液中でイオン化することができ、ある媒体条件では陰イオン界面活性剤の特性を示し、別の媒体条件では陽イオン界面活性剤の特性を示す界面活性剤のクラスです。両性界面活性剤の細菌阻害のメカニズムは決定的ではありませんが、阻害は、界面活性剤が負に帯電した細菌表面に容易に吸着され、細菌代謝を妨害する第 4 級アンモニウム界面活性剤の阻害と同様である可能性があると一般に考えられています。
3.4.1 アミノ酸ジェミニ界面活性剤の抗菌特性
アミノ酸型バリオン界面活性剤は、2つのアミノ酸から構成されるカチオン性両性バリオン界面活性剤であるため、その抗菌メカニズムは第4級アンモニウム塩型バリオン界面活性剤の抗菌メカニズムに類似しています。界面活性剤の正に帯電した部分は、静電相互作用により細菌またはウイルスの表面の負に帯電した部分に引き付けられ、続いて疎水性鎖が脂質二重層に結合し、細胞内容物の流出と死までの溶解を引き起こします。第四級アンモニウム系のジェミニ界面活性剤に比べて生分解性が高く、溶血活性が低く、毒性が低いという大きな利点があるため、その応用を目指して開発が進められており、応用分野が拡大されています。
3.4.2 非アミノ酸型ジェミニサーファクタントの抗菌性
非アミノ酸タイプの両性ジェミニ界面活性剤は、非イオン性の正電荷中心と負電荷中心の両方を含む表面活性分子残基を持っています。主な非アミノ酸タイプのジェミニ界面活性剤は、ベタイン、イミダゾリン、アミンオキシドです。ベタイン型を例にとると、ベタイン型両性界面活性剤は、分子内に陰イオン基と陽イオン基の両方を持ち、無機塩の影響を受けにくく、酸性溶液でもアルカリ溶液でも界面活性効果を発揮しますが、陽イオン性ジェミニ界面活性剤の抗菌メカニズムは、酸性溶液では、アルカリ性溶液ではアニオン性ジェミニ界面活性剤が続きます。また、他の界面活性剤との配合性にも優れています。
04 まとめと展望
ジェミニ界面活性剤は、その特殊な構造から生活の中でますます使用されており、抗菌殺菌、食品製造、消泡および泡抑制、薬物徐放および産業用洗浄の分野で広く使用されています。緑の環境保護に対する需要の高まりに伴い、ジェミニ界面活性剤は徐々に環境に優しい多機能界面活性剤に発展しています。ジェミニ界面活性剤に関する将来の研究は、次の側面で実施できます。特別な構造と機能を備えた新しいジェミニ界面活性剤の開発、特に抗菌および抗ウイルスに関する研究の強化。一般的な界面活性剤または添加剤と配合して、より優れた性能の製品を形成します。安価で簡単に入手できる原材料を使用して、環境に優しいジェミニ界面活性剤を合成します。
投稿時間: 2022 年 3 月 25 日