用C-N交叉偶联反应组装气驱生物杀灭材料的高能和杀菌基团

引言

公共卫生危机往往涉及细菌和病毒感染,迫切需要高效的杀菌材料来遏制疫情的传播。现有的液体杀菌剂,如次氯酸钠、酒精和过氧化氢等,虽然成本低廉、杀菌谱广且易得,但也存在一些局限性。这些液体杀菌剂必须使用准确浓度才能发挥应有效果,且只能局限于可手动喷洒的区域,难以覆盖天花板、管道等隐蔽空间。更重要的是,使用这些杀菌剂需要大量工人,不仅耗时耗力,而且工人还会面临感染风险。因此,亟需开发一种新型杀菌材料,能够自主高效杀灭各类细菌和病毒,覆盖面广且安全便捷。

新型化合物的合成与表征

针对上述需求,研究团队通过C-N偶联反应,将高能基团与生物杀灭基团组装成两个系列化合物(Series A: 1–3; Series B: 4–6)。这些化合物含有63-70%的碘元素,是一种新型的碘富集芳香杂环化合物。与传统的纯碘化合物相比,这些新化合物在分解时能释放大量可散布的气体,有助于提高杀菌效果。所有新合成的化合物都经过多种表征手段进行了详细分析,结构特征得到了确认。

化合物的气体释放性能

为了评估化合物1-6的气体释放特性,研究团队设计了一个模拟各种复杂消毒场景的实验装置。结果显示,当加热至分解温度时,这些化合物能够在短时间内迅速分解,释放大量紫色碘烟雾。相比于纯碘化合物,化合物1-6能产生更广泛、更快速的多种气体产物,使碘烟雾能更好地扩散至隐蔽区域。这得益于这些化合物含有能量基团,在分解时能产生大量可散布的气体。

化合物的杀菌性能

基于优异的气体释放性能,研究团队进一步评估了化合物1-6对4种代表性细菌的杀灭能力。结果显示,30 mg化合物1-6的分解产物在5秒内即可达到>99.9%的杀灭率,远优于传统液体杀菌剂。这是因为气体驱动下的生物杀灭材料不仅效率高,而且杀菌谱广,对各种细菌都具有卓越的杀灭能力。这一优异表现得益于两方面因素:一是这些化合物含有高碘含量,碘具有广谱生物杀灭活性;二是在分解时能产生大量可以广泛扩散的气体,使生物杀灭剂能覆盖隐蔽空间。

理论预测与机理分析

为了进一步理解化合物1-6的分解过程和产物组成,研究团队采用理论模拟手段,对它们的热分解产物进行了预测。结果显示,与纯碘化合物相比,化合物1-6在分解时不仅产生生物杀灭成分,还伴有大量可散布的气体。这是因为化合物1-6中引入了含氮能量基团,在分解时能产生更多的可燃气体,从而增强了杀菌剂的扩散能力。此外,含硝基的化合物4-6气体产物更丰富,杀菌效果也更优异。这一理论预测结果与实验观察基本一致,验证了将生物杀灭基团与能量基团相结合的有效性。

结论：

本研究通过组装高能基团和生物杀灭基团,成功开发出一类新型可燃气体驱动生物杀灭材料。这种材料分解时不仅释放大量的碘类生物杀灭剂,还产生大量可散布的气体,从而实现高效、广域的消毒杀菌。相比于传统的液体杀菌剂,气体驱动材料能自主覆盖隐蔽空间,无需人工参与,且杀菌效率显著提高。这种创新性设计为构建新型多功能材料提供了新思路,对改善传统杀菌技术,应对公共卫生危机具有重要意义。未来,研究团队还将进一步优化化合物结构,提高安全性和可控性,促进这种新型杀菌材料在实际应用中的广泛推广。

参考文献

Xinyuan Zhao, Xun Zhang, Yuming Chen, Qi Sun, Zhengdi Wang, Ningning Song, Yan Liu, Siping Pang, Chunlin He, Assembling of energetic and biocidal moieties via C-N cross coupling reactions for gas-driven biocidal materials, Chemical Engineering Journal, Volume 493, 2024, 152682. https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.152682.