基于喹啉的离子液体的绿色合成

摘要

本研究中，我们阐明了一种基于喹啉的离子液体（IL）的绿色合成方法，即通过将喹啉与过量的1-溴十六烷混合，制备出1-十六烷基喹啉溴化物{[C₁₆quin]Br}，并利用核磁共振和红外光谱对其进行了详细表征。

摘要

抗菌耐药性（Antimicrobial Resistance, AMR）这一日益严峻的威胁，正在削弱现有抗生素对细菌、病毒、寄生虫及真菌不断引发的感染的治疗效力，严重危害人类健康与福祉。在此背景下，多种新型分子已展现出卓越潜力，其中离子液体（Ionic Liquids, ILs）因其环境友好、非挥发性、热稳定性高、溶解能力强且蒸气压低，成为现有抗菌剂中极具前景的替代选择之一。此外，离子液体在稳定与破坏蛋白质结构以及增强酶活性方面的应用，进一步提升了其在生物医学领域的应用价值。基于此，本文报道了一种基于喹啉的离子液体的绿色合成及其表征，该化合物具有显著的抗菌活性、低细胞毒性以及优良的人工分子伴侣功能。本研究采用无溶剂、更环保的一锅法合成策略，不仅提高了反应效率，还显著提升了化学产率。通过1H核磁共振（NMR）、13C NMR和红外光谱（IR）对所合成离子液体的纯度进行了确证。通过分析其吸收、分布、代谢、排泄和毒性（ADMET）特性，并结合纸片扩散法实验，进一步验证了该化合物的生物学潜力。

引言

近年来，全球人口的急剧增长导致各类商品的消费量大幅上升，包括食品、药品以及其他维持生命所必需的重要产品。这推动了全球范围内对具有高度专一性、环境友好且有益特性的新型化学化合物的探索。离子液体（ILs）在这一领域表现出显著优势。这些化合物在科学领域的应用促进了现代化学技术研究的新发展¹。与传统方法相比，离子液体的使用不仅有助于实现更先进的反应条件，还提供了一种可定制的策略，以应对实验研究与开发中涉及的多种生物化学挑战²。

通常，离子液体（ILs）是由阳离子（有机）和阴离子（无机）组成的稳定盐类，其熔点低于100 °C³。根据绿色化学的12条原则，这些化合物在经验上被认为是传统有机溶剂的有力替代品⁴。离子液体在应用中表现出诸多优异特性，包括高本征导电性、极性、溶解能力、热稳定性、非挥发性、酸碱性、亲水性/疏水性以及可调节性，使其非常适用于实验研究⁵。

除了离子液体（ILs）在现代有机合成⁶、催化⁷以及涉及传感器⁸、驱动器⁹、电池¹⁰和燃料电池¹¹的各种电化学过程中的广泛应用外，近年来，这类化合物在应对抗菌耐药性（AMR）的生物医学领域也获得了重大关注。目前的研究表明，基于咪唑鎓、吡啶、胆碱和吡咯的离子液体由于具有高电荷密度和疏水性，作为治疗剂表现出极高的有效性¹²。然而，基于喹啉的离子液体仍被认为对致病微生物具有最强的抑制作用¹²。此类离子液体的其他生物医学应用还包括人工分子伴侣活性¹³、对癌细胞的细胞毒性¹⁴以及优异的药物携带能力¹⁵。

传统上，离子液体（ILs）的制备通常需要使用高毒性的溶剂体系，例如二氯甲烷、苯、四氯化碳、二氯乙烯等¹⁶，这会降低化合物的生物相容性并增加其毒性，因而不适用于生物学用途。此外，反应体系中使用有害溶剂不仅会延长反应时间，还会增加无意产生的副产物排放到环境中，造成环境污染¹⁷。而且，反应介质中所用溶剂还会影响最终产物的pH值；因此，在反应结束时彻底去除溶剂至关重要，尤其是在目标化合物拟用于蛋白质相关生物体系时。因此，在绿色化学领域，避免使用此类溶剂是更为可取的做法。

本研究报道了一种生物相容性好且无毒¹³的离子液体（即1-十六烷基喹啉溴化物）的一步法合成方法，该方法采用更环保的合成路线。本策略无需使用分子溶剂，而是利用反应混合物中生成的离子液体自身的自溶剂化能力，从而提高了反应效率和化学产率。该合成方法基于Menschutkin反应¹⁸。 通过核磁共振（NMR）和红外光谱（IR）对所合成化合物的纯度进行了表征。通过ADMET研究评估了该化合物的药代动力学特征及其毒性。此外，本研究还验证了所合成离子液体对致病性Candida albicans菌株的抗菌潜力。

方案

注意：1-十六烷基喹啉-1-溴化物{[C₁₆quin]Br} 的合成方法如 Sharma 等人先前所述¹³。

1. 玻璃器皿的准备与灭菌

注意：此步骤应在进行目标化合物合成反应前至少1天完成。

1. 彻底清洗一个24/29接口的250 mL双颈圆底烧瓶（RB）以及其他玻璃器皿（如量筒等），先用蒸馏水冲洗，再用丙酮冲洗。
2. 将清洗后的器皿置于60 °C的热风烘箱中干燥，直至完全干燥以供后续使用。
   注意：通常情况下，清洗后的器皿应放置在干燥烘箱中过夜，以彻底去除水膜，确保反应体系无杂质。

2. 设置实验装置

注意：应将装置妥善固定，以确保反应物受热均匀。反应装置的示意图见图1。

1. 将油浴锅置于带有磁力搅拌器的加热板上。反应开始前，将油浴预热至 80 °C。
2. 使用试管铁架台将圆底烧瓶（RB）固定于油浴中，使其一半浸入置于磁力搅拌器加热板上的油浴内。
3. 用橡胶塞密封圆底烧瓶的上口，塞中插入吹扫针，并连接带有附着 N₂ 气球的注射器。
4. 用另一个橡胶塞紧密封住圆底烧瓶的另一颈口，以防止 N₂ 从反应体系中泄漏。
5. 在向圆底烧瓶中加入反应物之前，通过 N₂ 吹扫维持惰性气氛，将整个体系预热至 80 °C。
6. 反复补充 N₂ 气球中的气体，以确保反应体系的惰性环境，并在整个过程中维持温度（因此优先采用油浴加热）。

3. 将反应物加入反应体系

1. 将 0.1 M 喹啉和 0.105 M 1-溴十六烷加入反应体系中，注意不要扰动预设的反应环境。
2. 在惰性环境和恒定温度下，以 2500–3000 rpm 的速度持续搅拌 3 天。

4. 化合物的纯化/重结晶

注意：切勿对全部产物进行重结晶。为避免产物损失，应选择分批重结晶。

1. 将所得固体溶于甲苯/乙酸乙酯体积比为1:2的混合溶剂中。将该混合液置于超低温冰箱（设定温度为-15 °C）中冷却至-15 °C，然后使用布氏漏斗在真空条件下抽滤；布氏漏斗通过橡胶管连接真空泵和抽滤瓶。在布氏漏斗中放置一张孔径为0.45 µm的聚丙烯滤膜，确保完全覆盖滤器底部。缓慢倒入少量上述混合溶剂润湿滤膜，以形成良好密封，防止装置发生任何空气泄漏。
2. 用预冷的甲苯洗涤滤得的产物，即缓慢将溶剂沿漏斗加入，随后将产物在70 °C的真空烘箱中干燥。重复此操作两次，以确保目标化合物具有高纯度。

5. 使用核磁共振波谱法验证化合物

1. 在将该化合物进行处理之前 ¹H NMR 和 ¹³C核磁共振，将其溶解于氘代氯仿（CDCl₃）中₃) 通过称取1-10 mg该化合物并溶于约1 mL CDCl₃中进行测定_3.
2. 使用1 mL注射器将该混合物注入核磁共振管中，用于在核磁共振波谱仪下进行样品分析。两种情况下的样品制备方法相同 ¹H NMR 和 ¹³C NMR

6. 合成离子液体的红外表征

1. 获取化合物的红外光谱无需进行样品预处理。
2. 取少量毫克级的固体样品进行红外光谱仪检测，以了解所合成化合物中存在的不同官能团。检测方法如先前所述¹⁹。

7. ADMET 性质预测

1. 将目标离子液体的规范SMILES输入免费在线软件ADMETLAB 2.0中，并运行程序以获得多种参数，从而验证其生物潜力。

8. 琼脂扩散试验展示所合成离子液体的生物医学应用

1. 将白色念珠菌（Candida albicans）菌株（ATCC 90028） 接种于酵母浸膏蛋白胨葡萄糖（YPD）液体培养基中，在37 °C的BOD摇床培养箱中预培养约16小时。
2. 通过将1%酵母提取物、2%蛋白胨、2%葡萄糖和1.5%琼脂溶于1 L双蒸水中制备YPD琼脂培养基。将配制好的培养基在121 °C下高压灭菌15分钟后，取25 mL新鲜配制的YPD琼脂培养基倒入90 mm的培养皿中。静置培养皿，使培养基充分凝固。
3. 待培养基完全凝固后，用玻璃涂布棒将约100 µL新鲜制备的真菌接种液均匀涂布于含培养基的平板表面。将平板置于超净工作台中静置5–7分钟。
4. 使用镊子将直径为5–6 mm的无菌圆形滤纸片置于同一平板中央。
5. 使用20–200 µL移液器，缓慢将50 µL浓度为0.1 mM的合成离子液体（IL）水溶液加至滤纸片上。
6. 将平板置于冰箱中冷藏约30分钟，以确保离子液体在琼脂中充分扩散。随后将平板放入预设温度为37 °C的BOD培养箱中培养24小时。
7. 使用刻度尺测量抑菌圈直径（包含滤纸片直径），并根据公式1计算抑菌圈面积。
   面积 = πr²    （1）

结果

图2展示了实现合成过程所涉及的门施特金反应的反应路线。所合成的1-十六烷基喹啉-1-鎓溴化物通过核磁共振（NMR）和红外（IR）光谱进行表征。所得油状产物预期在¹H NMR（400 MHz，CDCl₃）中显示化学位移δ 9.34（d，1H）、8.21（d，1H）、7.80（t，1H）、7.30–7.35（m，3H）、7.20（d，1H）、5.00（t，2H）、2.00（p，2H）、1.30–1.35（m，26H）、1.00（t，3H），如图3所示。该化合物在¹³C NMR（图4；100 MHz，CDCl₃）中应显示化学位移δ 143、141、131、130.27、130、127.5、126.3、126、60、31、29、29、28.5、27、23和14。每个峰均标注了化合物结构中对应质子的编号，该编号即为产生相应信号的质子。

讨论

近年来，离子液体（ILs）在生物化学科学领域展现出多种有前景的应用，包括蛋白质复性/分子伴侣活性、药物递送载体以及多种有机反应中的催化剂。其独特的物理化学性质，如可调节性、生物相容性、溶解性、可持续性、稳定性等，使其成为开发新型治疗剂的潜在候选材料²⁰。本研究将抗菌耐药性（AMR）视为一个严重问题，也是当今全球健康、食品安全和发展面临的最大威胁之一，因此优先推动生物医学科学领域内新型药物化合物的研究与开发。在选择基于喹啉的离子液体用于生物医药产业时，我们认识到其在杀灭病原微生物方面具有高效性。除了此类化合物的抗菌作用外，其人工分子伴侣活性也提升了其在生物物理学领域的科学价值。

本研究中，我们通过一种更环保的反应路线成功合成了目标离子液体。与依赖有毒溶剂并产生有害气体副产物的传统方法²¹相比，本文报道了一种更为经济、环保且无溶剂的合成方法。该方案仅需简单的反应装置和简易仪器，便于在实验室中稳定地合成目标化合物。所得产物可通过简单的过滤技术轻松分离。反应过程中未生成显著副产物，进一步增强了该...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
1-溴十六烷	Merck	CAS 号 112-82-3	纯度 95%（由 HPLC 分析确定）
乙酸乙酯	Merck	CAS 号 205-500-4	纯度 95%（由 HPLC 分析确定）
核磁共振（NMR）波谱仪	Jeol，型号：JNM-ECZ 400S	无	无
喹啉	Merck	CAS 号 91-22-5	纯度 95%（由 HPLC 分析确定）
甲苯	Merck	CAS 号 108-88-3	纯度 95%（由 HPLC 分析确定）