新型表面活性尼古丁基离子液体的合成、水合、抗菌、抗真菌及抗病毒特性研究

《Molecules》：Synthesis, Hydration, Antibacterial, Antifungal, and Antiviral Properties of New Surface-Active Nicotine-Based Ionic Liquids

　　

专业摘要翻译 尼古丁是一种由茄科植物天然产生的吡啶生物碱。本研究通过尼古丁与不同烷基溴化物的烷基化反应，合成了四种具有不同烷基侧链长度的尼古丁基离子液体（ILs）：N-辛基烟碱溴化物、N-癸基烟碱溴化物、N-十二烷基烟碱溴化物和N-十四烷基烟碱溴化物；其中仅辛基衍生物此前有过报道。其结构经核磁共振波谱（NMR）确认。所有离子液体在所研究的浓度范围内均溶于水，并表现出表面活性剂性质。通过电导法测定了临界胶束浓度（CMC），同时利用密度、声速和粘度测量研究了其水合行为。CMC值随烷基链长度增加而降低，表明聚集增强，同时所有离子液体在水中均表现出结构促成效应。研究人员评估了其对三种革兰氏阳性菌、三种革兰氏阴性菌、四种霉菌、两种酵母菌和五种噬菌体的抗菌活性。这些离子液体显示出比尼古丁显著更强的抗菌活性。抗菌活性随烷基链长度增加而增强，且长链离子液体在特定抗菌和抗病毒试验中的表现优于商用消毒剂苯扎氯铵。抗真菌活性因物种而异，与苯扎氯铵相当或略低。N-十四烷基烟碱溴化物表现出最强的抗病毒活性。这些结果清晰地揭示了离子液体结构、聚集行为、水合性质与抗菌活性之间的关系。

论文主体解读文章

研究背景与研究目的

尼古丁作为一种天然的吡啶生物碱，主要存在于烟草等茄科植物中，历史上曾被用作杀虫剂，但因非选择性毒性而被禁用。将尼古丁转化为季铵盐（QAS）类化合物，特别是引入长烷基链形成离子液体（ILs），有望显著增强其生物活性。季铵盐通过其正电荷吸附于微生物细胞壁和膜的负电荷表面，疏水烷基链则插入脂质双层导致膜破裂，从而发挥广谱抗菌作用。然而，传统季铵盐对无脂包膜的微生物（如某些病毒和噬菌体）效果有限。此外，许多长链离子液体可能具有细胞毒性。因此，设计兼具高抗菌活性和良好生物相容性的新型化合物至关重要。本研究旨在合成一系列新型的N-烷基烟碱溴化物离子液体，系统研究其在水溶液中的物理化学性质（包括水合、聚集行为），并全面评估其抗菌、抗真菌和抗病毒活性，探讨结构与功能之间的构效关系。

主要技术方法

研究人员采用烷基化反应，以尼古丁和相应的烷基溴化物为原料，在氯仿溶剂中回流72小时合成了四种离子液体，并通过核磁共振波谱（NMR）确认结构。物理化学表征方面，使用电导法测定临界胶束浓度（CMC），利用振动管密度计和声速测量仪进行密度和声速测定，使用奥斯特瓦尔德粘度计进行粘度测量，并通过琼斯-多尔方程计算B系数以评估溶质的结构促成/破坏特性。抗菌活性测试采用微量稀释法，针对三种革兰氏阳性菌、三种革兰氏阴性菌、两种酵母菌和四种霉菌，测定最低抑菌浓度（MIC）和最低杀菌/杀真菌浓度（MBC/MFC）。抗病毒活性测试针对五种无脂包膜的噬菌体（T4、MS2、LR1、P22、K），采用双层平板法测定存活率。

研究结果

临界胶束浓度——电导法

通过电导法测定CMC发现，随着烷基链长度从C₈增加到C₁₄，CMC值显著降低，表明长链离子液体疏水相互作用更强，更易自组装形成胶束。

体积测量

密度测量用于计算表观摩尔体积（V_φ）和无限稀释时的表观摩尔体积（V_φ°）。马森方程的斜率S_v作为溶质-溶质相互作用的指标，其值随烷基链增长而增大，与CMC趋势一致，表明长链离子液体聚集倾向更强。海普勒系数因统计误差较大，未被视为可靠的结构促成/破坏指示。

声学测量

声速测量用于计算表观摩尔绝热压缩率（κ_φ°）。在较低温度下，短链离子液体的κ_φ°为负值，表明体系存在刚性相互作用，抵抗压缩；随温度升高，κ_φ°变为正值，表明热运动增加使体系更易压缩。斜率S_k的结果与S_v高度一致，进一步证实了溶质-溶质相互作用随链长增强的趋势。

粘度测量

通过琼斯-多尔方程计算的B系数在所有四种离子液体中均为较大的正值，表明它们均为结构促成剂，即与水分子发生强烈相互作用，增强了水的结构。C₁₀NicBr的B系数异常偏高，这一现象在文献中也有类似报道。

抗菌活性

细菌对所有合成离子液体最为敏感，MIC和MBC范围在1.53×10^-6至7.81×10^-4 mol/dm³之间，而尼古丁的效果极弱（MIC和MBC约为2.5×10^-2至5.0×10^-2 mol/dm³）。所有离子液体对革兰氏阳性菌的作用强于革兰氏阴性菌。在革兰氏阳性菌中，藤黄微球菌最为敏感；在革兰氏阴性菌中，大肠杆菌最敏感，铜绿假单胞菌最耐药。抗菌活性随烷基链增长而增强，C₁₄NicBr效果最强。与商用消毒剂苯扎氯铵相比，C₁₂NicBr和C₁₄NicBr对大肠杆菌、铜绿假单胞菌和金黄色葡萄球菌的MBC值低2至30倍。

抗真菌活性

离子液体的抗真菌活性也显著强于尼古丁。对于酵母菌，未观察到抗菌活性随链长单调递增的规律，C₁₀NicBr和C₁₂NicBr效果最佳，而C₁₄NicBr对季也蒙念珠菌活性反而减弱，表明C₁₂可能是抗念珠菌活性的临界点。对于丝状真菌（霉菌），抗真菌活性随烷基链增长而增强，曲霉属真菌是最耐药的微生物。与苯扎氯铵相比，长链离子液体对白色念珠菌的活性略弱，对黄曲霉和寄生曲霉的活性明显较弱。

抗病毒活性

抗病毒活性因噬菌体种类差异很大。对T4和MS2噬菌体的灭活效果最强，C₁₄NicBr可完全灭活T4，C₁₀NicBr、C₁₂NicBr和C₁₄NicBr可完全灭活MS2。对LR1和P22噬菌体有中等程度的灭活效果，且C₁₂NicBr的活性优于C₁₄NicBr，可能与长链分子的自聚集降低了单体有效浓度有关。对葡萄球菌噬菌体K基本无效，推测是由于金黄色葡萄球菌裂解液中的壁磷壁酸（WTA）竞争性地结合了阳离子化合物。未修饰的尼古丁对所有噬菌体均无影响。

抗病毒对比试验

将效果最佳的C₁₄NicBr与苯扎氯铵进行对比。在10^-4 mol/dm³浓度下，C₁₄NicBr对T4和MS2的灭活效果显著优于苯扎氯铵，尤其是对MS2实现了完全灭活，而苯扎氯铵仅减少约75%的滴度。这表明尼古丁基离子液体是一种更有效的抗病毒剂，尤其对通常耐消毒剂的非包膜病毒MS2效果突出。

结论与讨论

本研究成功合成并表征了一系列烷基链长度从C₈到C₁₄的N-烷基烟碱溴化物离子液体。物理化学研究表明，增加烷基链长度显著降低了CMC，增强了疏水相互作用和自组装能力，并表现为结构促成剂。抗菌、抗真菌和抗病毒实验证明，将尼古丁转化为季铵盐型离子液体极大地增强了其生物活性，且活性总体上随烷基链增长而提高。C₁₄NicBr在抗菌和抗病毒方面表现最优，甚至在部分测试中优于商用消毒剂苯扎氯铵。研究结果清晰地揭示了离子液体结构、聚集行为、水合性质与抗菌活性之间的内在联系。这些发现表明，尼古丁基离子液体是一类有前景的生物活性两亲材料，其物理化学性质和抗菌性能可通过结构调整进行优化。然而，由于许多长链离子液体可能存在细胞毒性或生态毒性，未来研究的关键方向是评估C₁₄NicBr对哺乳动物细胞的细胞毒性及其环境生物降解性。