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本文着重介绍了双子表面活性剂的抗菌机理，期待双子表面活性剂能够有效杀死细菌，能够为减缓新冠病毒传播提供一定助力。表面活性剂一词来自英文Surfactant，它是短语Surface (表面)、Active (活性)、Agent (添加剂)的缩合词[1]。表面活性剂是一种活跃于表面和界面上，具有极高的降低表(界)面张力能力和效率的物质，在一定浓度以上的溶液中形成分子有序组合体，从而具有一系列应用功能。表面活性剂拥有良好的分散性、润湿性、乳化能力、抗静电性能，已经成为包括精细化工领域在内的多个领域发展的关键材料，在改进工艺、降低能耗和提高生产效率等方面有显著的促进作用[2]。随着社会的发展以及世界工业水平的不断进步，表面活性剂的应用逐渐从日用化学品扩散到国民经济的各个领域，如抗菌剂、食品添加剂、新能源领域、污染物治理以及生物制药等。 传统的表面活性剂是由极性的亲水基团和非极性的疏水基团构成的具有“两亲性”的化合物，其分子结构如图1(a)所示[7]。目前，随着制造业的精细化和系统化发展，生产过程中对表面活性剂性能的要求正在逐渐增加，因此，寻找和开发具有更高表面性能和具有特殊结构的表面活性剂具有重要的意义。双子表面活性剂的发现弥补了上述空白并满足了工业生产要求。常见的双子表面活性剂是一种具有两个亲水基团(一般是离子或者具有亲水性的非离子)和两条疏水烷基链的化合物[8]。如图1(b)所示，与传统的单链表面活性剂相比，双子表面活性剂通过联接基团(spacer)把两个亲水基团联接在一起。简而言之，双子表面活性剂的结构可以理解为是将两个传统表面活性剂的亲水头基巧妙地用联接基团键合在一起所形成的。双子表面活性剂的特殊结构导致它具有较高的表面活性，其主要原因在于：(1) 双子表面活性剂分子的两条疏水尾链使其疏水作用增强，表面活性剂离开水溶液的趋势增大；(2) 受到联接基团的影响，亲水头基之间尤其是离子头基由于静电排斥作用而彼此分离的倾向被大幅度削弱；(3) 双子表面活性剂的特殊结构影响其在水溶液中的聚集体行为，使其具有更复杂多变的聚集形态。双子表面活性剂与传统的表面活性剂相比，表(界)面活性更高、临界胶束浓度更低、润湿性能更好、乳化能力和抗菌能力都更强。因此，双子表面活性剂的开发和利用对于表面活性剂的发展和应用具有重要的意义。 传统的表面活性剂的“两亲结构”使其具有独特的表面性质。如图1(c)所示，将传统的表面活性剂添加到水中，亲水头基倾向于溶于水溶液内部，疏水基团则会抑制表面活性剂分子在水中的溶解。在这两种趋势的综合作用下，表面活性剂分子在气-液两相界面富集，并进行有序的排列进而降低水的表面张力。与传统表面活性剂不同，双子表面活性剂则是通过间隔基将传统表面活性剂联接在一起的“二聚体”，可以更有效地降低水的表面张力和油/水界面张力[9]。此外，双子表面活性剂还具有较低的临界胶束浓度，更好的水溶、乳化、泡沫、润湿和抗菌等性能。
我国双子表面活性剂的研究起步较晚。1999年，福州大学的赵剑曦[17]对国外双子表面活性剂的研究做了系统的综述并引起国内众多研究机构的重视。之后，国内对双子表面活性剂的研究开始蓬勃发展并取得了丰硕的成果。近年来，研究者们致力于新型双子表面活性剂的研发及其相关物理化学性质的研究。同时，将双子表面活性剂的应用逐渐发展到灭菌抑菌、食品生产、消泡抑泡、药物缓释以及工业清洗等领域。根据表面活性剂分子中亲水基团是否带电以及所带电荷类型可以将双子表面活性剂分为以下几类：阳离子型、阴离子型、非离子型和两性离子型双子表面活性剂。其中，阳离子型双子表面活性剂一般是指季铵盐或铵盐型双子表面活性剂，阴离子型双子表面活性剂多指亲水基团是磺酸根、磷酸根和羧酸根的双子表面活性剂，而非离子型双子表面活性剂大多是聚氧乙烯类双子表面活性剂。 1.1 阳离子型双子表面活性剂 阳离子型双子表面活性剂可以在水溶液中解离出阳离子，主要有铵盐、季铵盐型双子表面活性剂。阳离子型双子表面活性剂生物降解性好、去污能力强、化学性质稳定、毒性低、结构简单、易合成、易分离提纯，同时还具备杀菌性、防腐性、抗静电性、柔软性。 季铵盐型双子表面活性剂一般由三级胺通过烷基化反应制备[19]。主要有以下两种合成方法：一种是以二溴取代烷烃和单长链烷基二甲基叔胺为原料季铵化；另一种是以1-溴代长链烷烃和N,N,N’,N’-四甲基烷基二胺为原料，无水乙醇做溶剂，加热回流，进行季铵化反应。但二溴取代烷烃较贵，常用第二种方法合成，反应方程式如图2所示。
1.2 阴离子型双子表面活性剂 阴离子型双子表面活性剂可以在水溶液中解离出阴离子，主要有磺酸盐、硫酸酯盐、羧酸盐和磷酸酯盐型双子表面活性剂。阴离子表面活性剂具有较好的去污、发泡、分散、乳化、润湿等性能，被广泛用作洗涤剂、起泡剂、润湿剂、乳化剂和分散剂。 1.2.1 磺酸盐 磺酸盐型双子表面活性剂具有水溶性好、润湿性良好、耐温抗盐性好、去污性能好、分散能力强的优点，且其原料来源比较广泛，生产工艺简单、成本低，广泛用于石油、纺织工业、日用化工等领域作洗涤剂、起泡剂、润湿剂、乳化剂和分散剂[20]。如图3所示，Li等[21]以三聚氯胺、脂肪胺和牛磺酸为原料采用三步反应合成了一系列新型二烷基二磺酸双子表面活性剂(2Cn-SCT)，是一种典型的磺酸盐型双子表面活性剂。 1.2.2 硫酸酯盐 硫酸酯盐双子表面活性剂具有超低表面张力、表面活性高，水溶性好，原料来源广，合成相对简单的优点。同时洗涤性能和发泡能力良好，在硬水中性能稳定，硫酸酯盐在水溶液呈中性或微碱性[22]。如图4所示，孙冬等[23]以月桂酸、聚乙二醇等为主要原料，通过取代、酯化和加成反应加入硫酸酯键，从而合成了硫酸酯盐型双子表面活性剂-GA12-S-12。
1.2.3 羧酸盐 羧酸盐型双子表面活性剂通常性质温和，绿色环保，易生物降解并且具有丰富的天然原料来源，具有很高的金属螯合性，耐硬水性和钙皂分散能力好[24]，具有良好的起泡性、润湿性，广泛用于医药、纺织、精细化工等领域。在羧酸盐型双子表面活性剂中引入酰胺基团可以增强表面活性剂分子的生物降解性，还使其具有良好的润湿、乳化、分散和去污性能。如图5所示，梅平等[25]用十二胺、二溴乙烷与丁二酸酐为原料合成了一种含酰胺基团的羧酸盐型双子表面活性剂CGS-2。 1.2.4 磷酸酯盐 磷酸酯盐型双子表面活性剂与天然磷脂有类似的结构，易形成反向胶束、囊泡等结构[26]。磷酸酯盐型双子表面活性剂已被广泛用于抗静电剂、洗衣粉，同时其乳化性能较高，刺激性比较低，因此被广泛应用于个人皮肤护理。某些磷酸酯类可以抗癌、抗肿瘤、抗菌，目前已经开发的药物有数十种。磷酸酯盐型双子表面活性剂对农药乳化性能较强，不仅可以抗菌杀虫，还可用作除草剂[27]。郑帼等[28]研究以P2O5和正奎基低聚二醇为原料合成磷酸酯盐型双子表面活性剂，这种双子表面活性剂具有较好的润湿作用，良好的抗静电性能，且合成工艺较为简单，反应条件温和。磷酸酯钾盐双子表面活性剂的分子式如图6所示。
1.3 非离子型双子表面活性剂 非离子型双子表面活性剂不能在水溶液中解离，以分子形式存在。该类型的双子表面活性剂到目前为止研究的还较少，目前有两类，一类是糖的衍生物，另一类是醇醚、酚醚类[29]。非离子型双子表面活性剂在溶液中不是以离子状态存在，所以它具有高稳定性，不易受强电解质的影响，与其他类型表面活性剂复配性好，溶解性好。因此非离子表面活性剂具有良好的洗涤性、分散性、乳化性、起泡性、润湿性、抗静电性和杀菌等多种性能，可广泛用于农药、涂料等各方面。如图7所示，2004年FitzGerald等[30]合成了聚氧乙烯类双子表面活性剂(非离子型表面活性剂)，其结构表示为(Cn-2H2n-3CHCH2O(CH2CH2O)mH)2(CH2)6 (或GemnEm)。
2.1 双子表面活性剂的活性 评价表面活性剂表面活性最简单直接的方法是测量其水溶液的表面张力。从原理上来看，表面活性剂是通过在表(界)面上的定向排布降低溶液的表面张力(图1(c)) [35]。与结构类似的传统表面活性剂相比，双子表面活性剂的临界胶束浓度(CMC)要小两个数量级以上，并且C20值也明显降低。双子表面活性剂分子中拥有两个亲水基团，可以帮助其在拥有较长疏水长链的同时保持良好的水溶性。在水/空气界面上，由于空间位阻效应以及分子中同种电荷相斥的影响，传统表面活性剂的排布较为松散，从而使其降低水表面张力的能力弱化。而双子表面活性剂的联接基团以共价键结合，使两个亲水基团的距离保持在一个很小的范围内(远小于传统表面活性剂亲水基团之间的距离)，从而使双子表面活性剂在表(界)面上的活性更好。 2.2 双子表面活性剂的组装结构 在水溶液中，随着双子表面活性剂的浓度增高，其分子在溶液的表面达到饱和，进而迫使其他分子向溶液内部迁移从而形成胶束。表面活性剂开始形成胶束时的浓度称为临界胶束浓度(Critical Micelle Concentration，CMC) [36]。如图9所示，在浓度大于CMC后，与传统表面活性剂聚集形成球形胶束不同，双子表面活性剂因为结构上的特点会产生多种胶束形态，如线形、双层结构等[37]。胶束的大小、形状和水化作用的不同对溶液的相行为和流变学性质有直接影响，也会导致溶液粘弹性发生变化。传统的表面活性剂，如阴离子表面活性剂(SDS)，通常都是形成球形胶束，对溶液的粘度几乎无影响。但是，双子表面活性剂的特殊结构导致其形成的胶束形态更加复杂，其水溶液的性质也与传统表面活性剂有较大差异。双子表面活性剂水溶液的粘度随着双子表面活性剂的浓度增加而增大，可能是因为所形成的线形胶束相互缠绕成网状结构。然而，继续增加表面活性剂的浓度可使溶液的粘度有所下降，原因可能是因为网状结构被破坏而形成其他胶束结构。
作为有机抗菌剂的一种，双子表面活性剂的抗菌机理主要是其与微生物的细胞膜表面阴离子相结合，或者与巯基反应，破坏其蛋白质和细胞膜的生产，从而破坏微生物组织以抑制或杀灭微生物。 3.1 阴离子型双子表面活性剂的抗菌性能 抑菌型阴离子表面活性剂主要是其携带的抑菌基团的性质决定了抑菌性能。在天然胶乳、涂料等胶体溶液中，亲水链与水溶性的分散剂结合，疏水链会与疏水性的分散质定向吸附而结合，从而将两相界面转化为致密的分子界面膜。这层紧密的保护层上的抑菌基团抑制细菌的生长。 阴离子表面活性剂的抑菌机理与阳离子表面活性剂的抑菌机理有着根本性的不同，阴离子表面活性剂的抑菌作用和其溶液体系以及抑菌基团有关，因此该种类型的表面活性剂会受到限制。此类表面活性剂必须达到足够的含量，使得体系的每个角落都有表面活性剂的存在，才能产生良好的微生物杀灭作用。同时该种表面活性剂杀菌缺乏定位及针对性，不仅造成没有必要的浪费，长时间使用还会产生抗药性。 以烷基磺酸盐型双子表面活性剂为例，已用于临床医学。烷基磺酸盐类药物如白消安、曲奥舒凡，主要治疗骨髓增生类疾病，作用于鸟嘌呤和脲嘌呤之间产生交联，同时这种改变不能被细胞校对修复，从而使细胞凋零死亡。 3.2 阳离子型双子表面活性剂的抗菌性能 阳离子型双子表面活性剂主要开发的类型是季铵盐型双子表面活性剂。季铵盐型阳离子双子表面活性剂有很强的杀菌作用，因为季铵盐型双子表面活性剂分子中有两个疏水的长烷烃链，疏水链与细胞壁(肽聚糖)之间形成疏水吸附作用；同时其含有两个带正电荷的氮离子，这样会促进表面活性剂分子吸附到带有负电荷的细菌表面，通过渗透和扩散，使其疏水链深入菌体细胞膜的类脂层，改变细胞膜的渗透性，导致菌体破裂，此外亲水基团深入蛋白质，导致酶失去活性和蛋白质变性，由于这两种作用的联合效应，使得该杀菌剂有较强的杀菌作用。 但从环境角度来看，这些表面活性剂具有溶血活性和细胞毒性，与水生物的接触时间较长，生物降解也会增加其毒性。 3.3 非离子型双子表面活性剂的抗菌性能 非离子型双子表面活性剂目前有两类，一类是糖的衍生物，另一类是醇醚、酚醚类。 糖的衍生物类双子表面活性剂的抗菌机理是依据分子的亲和性，糖的衍生物类表面活性剂可以与细胞膜结合，因为细胞膜上含有大量磷脂。当糖的衍生物类表面活性剂达到一定的浓度时，会改变细胞膜的通透性，形成孔隙和离子通道，影响营养物质的运输和气体交换，使得内容物外流，最终导致菌体死亡。 酚醚、醇醚类抗菌剂的抗菌机理是作用于细胞壁或细胞膜及酶，阻止代谢功能，破坏再生功能[42]。如二苯基醚及其衍生物(酚类)的抗菌药物浸入细菌或病毒细胞中，通过细胞壁、细胞膜，抑制与合成核酸和蛋白质有关的酶的作用和功能，限制细菌的生长和繁殖。同时使细菌内的酶的代谢功能和呼吸功能发生麻痹，进而衰竭。 3.4 两性双子表面活性剂的抗菌性能 两性双子表面活性剂是指分子结构中同时具有阳离子和阴离子，能在水溶液中电离，在某种介质条件下表现出阴离子表面活性剂的特性，而在另一种介质条件下又表现出阳离子表面活性剂的特性的一类表面活性剂。两性表面活性剂的抑菌机理尚无定论，但通常认为，其抑菌作用可能与季铵盐类表面活性剂类似，表面活性剂易被吸附在带负电的细菌表面，干扰细菌新陈代谢。 3.4.1 氨基酸型双子表面活性剂的抗菌性能 氨基酸型双子表面活性剂是由两个氨基酸组成的阳离子型两性双子表面活性剂，因此它的抗菌机理与季铵盐型双子表面活性剂的抗菌机理较为相似。表面活性剂带正电的部分因静电作用与细菌或病毒表面的负电部分产生吸引，随后疏水链与脂质双分子层结合，导致细胞内容物的流出，裂解直至死亡[43]。与季铵盐型双子表面活性剂相比，它具有显著的优势：易生物降解，溶血活性低，毒性低，因此正对其应用不断开发，对其应用领域不断扩展。 3.4.2 非氨基酸型双子表面活性剂的抗菌性能 非氨基酸型的两性双子表面活性剂具有表面活性的分子残基中同时包含不可被电离的正、负电荷中心。非氨基酸型双子表面活性剂主要有甜菜碱型、咪唑啉型、氧化胺型[44]。以甜菜碱型为例，甜菜碱型两性表面活性剂分子中既带有阴离子又带有阳离子基团，不易受无机盐的影响，在酸性和碱性溶液中都具有表面活性剂的作用，在酸性溶液中抗菌遵循阳离子型双子表面活性剂的抗菌机理，在碱性溶液中遵循阴离子型双子表面活性剂的抗菌机理。同时与其他类型的表面活性剂的复配性能十分优异。 双子表面活性剂因其特殊的结构在生活中应用得越来越广泛，双子表面活性剂广泛应用于抑菌灭菌、食品生产、消泡抑泡、药物缓释以及工业清洗等领域。随着人们对绿色环保的要求越来越高，双子表面活性剂逐渐发展为环境友好、多功能型的表面活性剂。今后双子表面活性剂的研究可以在如下方面进行：开发具有特殊结构和功能的新型双子表面活性剂，尤其加强在抗菌、抗病毒方面的研究；与普通表面活性剂或添加剂复配形成具有更优性能的产品；采用廉价易得的原料合成环境友好型双子表面活性剂。转自大学化学 作者：肖龙强 李秋雨 赵玉来 张文哲 侯琳熙  |
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