Grüne Synthese von chinolinbasierter ionischer Flüssigkeit

Zusammenfassung

In der vorliegenden Arbeit klären wir die grüne Synthese von chinolinbasierter ionischer Flüssigkeit (IL), nämlich 1-Hexadecylchinolin-1-iumbromid {[C₁₆quin]Br}, durch Mischen von Chinolin mit einem Überschuss an 1-Bromhexadecan auf, zusammen mit seiner detaillierten Charakterisierung mittels Kernspinresonanz und infrarotspektroskopischen Messungen.

Zusammenfassung

Die ständig wachsende Bedrohung durch antimikrobielle Resistenzen (AMR) gefährdet die Wirksamkeit der vorherrschenden Antibiotika gegen die unaufhaltsam sprießenden Infektionen, die von Bakterien, Viren, Parasiten und Pilzen hervorgebracht werden und eine große Bedrohung für die menschliche Gesundheit und das Wohlbefinden darstellen. In dieser Hinsicht haben sich mehrere neuartige Moleküle bewährt, wobei ionische Flüssigkeiten (ILs) eine der umweltfreundlichsten, nichtflüchtigsten und thermisch stabilsten Alternativen zu den bestehenden antimikrobiellen Mitteln darstellen und sowohl ein hohes Solvatationspotenzial als auch einen niedrigen Dampfdruck besitzen. Darüber hinaus hat die Verwendung dieser Einheiten sowohl zur Stabilisierung als auch zur Destabilisierung von Proteinstrukturen und zur Verbesserung der enzymatischen Aktivität ihr Potenzial in der biomedizinischen Industrie weiter erhöht. Vor diesem Hintergrund präsentieren wir die grüne Synthese und Charakterisierung von chinolinbasierter IL aufgrund ihrer immensen antimikrobiellen Wirksamkeit, mit geringer Zytotoxizität und großer künstlicher Chaperonaktivität. Hier verbesserte das Manövrieren des Eintopfsyntheseansatzes unter lösungsmittelfreien, umweltfreundlicheren Reaktionsbedingungen nicht nur die Reaktionseffizienz, sondern auch die chemische Ausbeute. Die Reinheit des synthetisierten IL wurde mit Hilfe der 1H-Kernspinresonanz (NMR), der 13C-NMR- und der Infrarotspektroskopie (IR) bestätigt. Das biologische Potenzial der synthetisierten Verbindung wird durch die Analyse ihrer Absorptions-, Verteilungs-, Stoffwechsel-, Ausscheidungs- und Toxizitätseigenschaften (ADMET) weiter validiert und mit Hilfe eines Disc-Diffusionsassays authentifiziert.

Einleitung

Das monumentale Wachstum der Weltbevölkerung ist der Grund für einen enormen Anstieg des Verbrauchs einer Vielzahl von Rohstoffen in den letzten Jahren, darunter Lebensmittel, Medikamente sowie andere wichtige Produkte für die Ernährung sterblicher Organismen. Dies hat die Suche nach neuartigen chemischen Verbindungen mit außergewöhnlich spezialisierten, ökologisch unbedenklichen und vorteilhaften Eigenschaften weltweit verstärkt. Ionische Flüssigkeiten (ILs) haben sich in dieser Hinsicht als erfolgreich erwiesen. Die Bedeutung dieser Verbindungen im wissenschaftlichen Bereich hat neue Vorstöße in der Forschung auf dem Gebiet der zeitgenössischen chemischen Technologien gefördert¹. Im Gegensatz zu herkömmlichen Ansätzen ermöglicht die Verwendung von ILs nicht nur progressive Reaktionsbedingungen, sondern fördert auch eine maßgeschneiderte Strategie, um verschiedene biochemische Herausforderungen im Zusammenhang mit experimenteller Forschung und Entwicklung in den Griff zu bekommen².

Typischerweise sind IL stabile Salze, die aus Kationen (organisch) und Anionen (anorganisch) bestehen und einen Schmelzpunkt unter 100 °C^{besitzen 3}. Hält man sich an die 12 Prinzipien der grünen Chemie, so sind diese empirisch überzeugende Ersatzstoffe für die üblichen organischen Lösungsmittel⁴. Zu den erstaunlichen Eigenschaften, die mit der Verwendung dieser Verbindungen verbunden sind, gehören eine hohe intrinsische Leitfähigkeit, Polarität, Solvatationstendenz, thermische Stabilität, Nichtflüchtigkeit, Säure/Basizität, Hydrophilie/Hydrophobie und Abstimmbarkeit, wodurch ILs am besten für die experimentelle Forschung geeignet sind⁵.

Abgesehen von den umfangreichen Anwendungen verschiedener Klassen von ILs in der modernen organischen Synthese⁶, der Katalyse⁷ und verschiedenen elektrochemischen Prozessen mit Sensoren⁸, Aktuatoren⁹, Batterien¹⁰ und Brennstoffzellen¹¹ hat diese Klasse von Verbindungen in den letzten Jahren im Bereich der Biomedizin im Hinblick auf AMR eine bedeutende Anerkennung gefunden. Aktuelle Untersuchungen zeigen, dass ILs auf Basis von Imidazolium, Pyridin, Cholin und Pyrrol aufgrund ihrer hohen Ladung und Hydrophobie als Therapeutika äußerst wirksam sind¹². Chinolin-basierte Gegenstücke gelten jedoch nach wie vor als am wirksamsten gegen die pathogenen Mikroben¹². Zu den weiteren biomedizinischen Anwendungen, die mit dieser Klasse von ILs einhergehen, gehören die Aktivität des künstlichen Chaperons¹³, die Zytotoxizität gegen Krebszellen¹⁴ sowie eine ausgezeichnete Wirkstofftransportkapazität¹⁵.

Herkömmlicherweise beinhaltet die Herstellung von ILs die Verwendung von hochgiftigen Lösungsmittelmedien wie Dichlormethan, Benzol, Tetrachlorkohlenstoff, Dichlorethylen ^usw.16, wodurch die Biokompatibilität behindert und die Toxizität der Verbindung erhöht wird, wodurch sie für die biologische Verwendung unerwünscht sind. Darüber hinaus verlangsamt die Verwendung schädlicher Lösungsmittel in den Reaktionsmedien nicht nur die Reaktionszeit, sondern erhöht auch die unbeabsichtigte Produktion von Abfallnebenprodukten, die in die Umwelt freigesetzt werden¹⁷. Darüber hinaus beeinflusst auch das in den Reaktionsmedien verwendete Lösungsmittel den pH-Wert des Endprodukts. Daher ist seine Entfernung am Ende der Reaktion von entscheidender Bedeutung, insbesondere wenn die gewünschte Verbindung für proteinbezogene biologische Systeme verwendet werden soll. Daher ist es im Bereich der grünen Chemie vorteilhaft, sich von der Verwendung eines solchen Lösungsmittels fernzuhalten.

In dieser Studie berichten wir über die Eintopfsynthese eines biokompatiblen und untoxischen¹³ IL, nämlich 1-Hexadecylchinolin-1-iumbromid, auf einem umweltfreundlicheren Weg. Die vorliegende Strategie verzichtet auf die Verwendung eines molekularen Lösungsmittels, wodurch die Selbstsolvatisierungsfähigkeit des in der Reaktionsmischung gebildeten IL genutzt wird, was eine hohe Reaktionseffizienz und chemische Ausbeute fördert. Die Menschutkin-Reaktion¹⁸bildet die Grundlage der aktuellen Synthesemethodik. Die Reinheit der synthetisierten Verbindung wird mittels NMR- und IR-Spektroskopie untersucht. Das pharmakokinetische Profil der Substanz und die Toxizität wurden im Rahmen der ADMET-Studien untersucht. Darüber hinaus wurde in der Studie auch das antimikrobielle Potenzial des synthetisierten IL gegen den pathogenen Stamm Candida albicans nachgewiesen.

Protokoll

ANMERKUNG: 1-Hexadecylchinolin-1-iumbromid{[C₁₆quin]Br} wurde synthetisiert, wie zuvor von Sharma et ^al.13 beschrieben.

1. Vorbereitung und Sterilisation von Glasapparaten

HINWEIS: Dies sollte mindestens 1 Tag vor dem Einrichten der Reaktion für die Synthese der gewünschten Verbindung erfolgen.

1. Einen 24/29-Kolben mit 250 ml und zweihalsigem Rundkolben (RB) wird zusammen mit anderen Glasapparaten wie Messzylindern usw. gründlich gewaschen und mit destilliertem Wasser und anschließend mit Aceton gespült.
2. Trocknen Sie das gewaschene Gerät in einem Heißluftofen bei 60 °C, bis das Gerät für die weitere Verwendung vollständig trocken ist.
   HINWEIS: Normalerweise sollten gewaschene Geräte über Nacht in einen Trockenschrank gestellt werden, um den Wasserfilm vollständig zu entfernen und sicherzustellen, dass das Reaktionssystem frei von Verunreinigungen ist.

2. Einrichten des Gerätes

HINWEIS: Das Gerät sollte ordnungsgemäß eingespannt werden, um eine gleichmäßige Erwärmung der Reaktanten zu gewährleisten. Das schematische Diagramm des Reaktionsaufbaus ist in Abbildung 1 dargestellt.

1. Stellen Sie ein Ölbad mit einem Magnetrührer auf eine heiße Platte. Heizen Sie das Ölbad vor Beginn der Reaktion auf 80 °C vor.
2. Lassen Sie den RB mit einem Rohrretortenständer so in einem Ölbad stehen, dass er halb in das Ölbad eingetaucht ist, das auf einer Heizplatte mit Magnetrührer aufgestellt ist.
3. Die obere Öffnung des RB wird mit einem Korken verschlossen, der eine Spülnadel bildet, die weiter mit einer Spritze verbunden ist, an der ein N_2-Ballon befestigt ist.
4. Den anderen Hals des RB mit einem weiteren Gummikorken dicht verschließen, um ein Austreten von N₂ aus dem Reaktionsmedium zu vermeiden.
5. Das gesamte Medium wird in einer inerten Atmosphäre, die durch N 2-Spülung aufrechterhalten wird, auf 80 °C vorgeheizt, bevor die Reaktanten dem RB zugesetzt werden.
6. Füllen Sie den N₂ -Ballon wiederholt nach, um die Inertheit des Reaktionssystems sicherzustellen und die Temperatur durchgehend zu halten (daher wird eine Ölbadheizung bevorzugt).

3. Zugabe der Reaktanten zum Reaktionssystem

1. Gießen Sie 0,1 M Chinolin und 0,105 M 1-Bromhexadecan in das Reaktionssystem, ohne die voreingestellte Reaktionsumgebung zu stören.
2. Rühren Sie den Inhalt 3 Tage lang kontinuierlich bei 2500-3000 U/min unter inerter Umgebung und konstanter Temperatur.

4. Reinigung/Rekristallisation der Verbindung

HINWEIS: Das gesamte Produkt sollte nicht einer Rekristallisation unterzogen werden. Stattdessen sollte die Batch-Rekristallisation gewählt werden, um den Verlust des Produkts zu vermeiden.

1. Lösen Sie den erhaltenen Feststoff in einem 1:2 Toluol/Ethylethanoat-Gemisch. Diese Mischung wird in einem Tiefkühlschrank (Temperatur auf -15 °C) auf -15 °C abgekühlt und unter Vakuum mit einem Buchner-Trichter filtriert, der über einen Schlauch an einer Vakuumpumpe und einem Filterkolben befestigt ist. Legen Sie eine Polypropylen-Filtermembran mit einer Porengröße von 0,45 μm in den Buchner-Trichter, die den gesamten Boden des Filters bedeckt. Gießen Sie eine kleine Menge des Lösungsmittelgemisches durch den Filter, um eine ordnungsgemäße Abdichtung zu gewährleisten und jegliche Art von Luftleck durch die Einrichtung zu verhindern.
2. Waschen Sie das gefilterte Produkt mit kaltem Toluol, indem Sie das Lösungsmittel nach und nach durch den Trichter gießen und anschließend bei 70 °C in einem Vakuumofen trocknen. Wiederholen Sie diesen Vorgang 2x, um die hohe Reinheit der gewünschten Verbindung sicherzustellen.

5. Validierung der Verbindung mittels NMR-Spektroskopie

1. Bevor Sie die ^{Verbindung einer}1-H-NMR und einer 13-C-NMR unterziehen, lösen Sie sie in deuteriertem Chloroform (_{CDCl 3}) auf, indem Sie 1-10 mg der Verbindung messen und in etwa 1 ml CDCl 3 auflösen_.
2. Injizieren Sie diese Mischung mit einer 1-ml-Spritze in ein NMR-Röhrchen, um die Probe unter einem NMR-Spektrometer zu analysieren. Die Probenvorbereitung ist sowohl für ^die1-H-NMR als auch für ^{die 13-C-NMR}identisch.

6. IR-Charakterisierung des synthetisierten IL

1. Es ist keine Probenvorbereitung erforderlich, um die IR-Spektren der Verbindung zu erhalten.
2. Setzen Sie einige mg der festen Probe einem IR-Spektrometer aus, um einen Einblick in die verschiedenen funktionellen Gruppen zu erhalten, die in der synthetisierten Verbindung vorhanden sind. Die Messwerte wurden, wie zuvor gezeigt, erhalten¹⁹.

7. Vorhersage der ADMET-Eigenschaften

1. Geben Sie die kanonischen SMILES des gewünschten IL in die kostenlose Online-Software ADMETLAB 2.0 ein und führen Sie das Programm aus, um verschiedene Parameter zu erhalten, die das biologische Potenzial derselben bestätigen.

8. Disc-Diffusionsassay, der die biomedizinische Anwendung des synthetisierten IL demonstriert

1. Den Pilzstamm von Candida albicans (ATCC 90028) in Hefe-Pepton-Dextrose (YPD)-Brühe für fast 16 Stunden in einem BSB-Shaker-Inkubator bei 37 °C vorkultivieren.
2. Bereiten Sie YPD-Agar-Medien vor, indem Sie 1 % Hefeextrakt, 2 % Pepton, 2 % Dextrose und 1,5 % Agar in 1 l doppelt destilliertem Wasser mischen. Gießen Sie 25 mL des frisch gebildeten YPD-Agar-Mediums in eine 90 mm Petriplatte, nachdem Sie es 15 Minuten lang bei 121 °C autoklaviert haben. Lassen Sie die Platten ungestört, damit sich das Medium richtig verfestigen kann.
3. Sobald die Platte vollständig erstarrt ist, verteilen Sie mit einem Glasstreuer etwa 100 μl des frisch vorbereiteten Pilzinokulums homogen auf der Platte mit dem Medium. Lassen Sie die Platten 5-7 min ungestört in der Laminar-Flow-Haube.
4. Legen Sie eine sterile kreisförmige Papierscheibe mit einem Durchmesser von 5-6 mm mit einer Pinzette in die Mitte derselben Platte.
5. Geben Sie nach und nach 50 μl 0,1 mM wässrige Lösung des synthetisierten IL mit Hilfe einer 20-200 μl Pipette auf die Scheibe.
6. Kühlen Sie die Platte für ca. 30 Minuten, um eine ordnungsgemäße Diffusion des IL in den Agar zu gewährleisten. Stellen Sie die Platte für 24 h in den auf 37 °C voreingestellten BSB-Inkubator.
7. Messen Sie die Hemmzone (einschließlich des Scheibendurchmessers) mit einer Messskala und berechnen Sie die Fläche unter dieser Zone gemäß Gleichung 1.
   Fläche = πr² (1)

Ergebnisse

Abbildung 2 zeigt das Reaktionsschema der Menschutkin-Reaktion, die an der Herbeiführung des Syntheseprozesses beteiligt ist. Das so synthetisierte 1-Hexadecylchinolin-1-iumbromid wurde mittels NMR- und IR-Spektroskopie charakterisiert. Es wird erwartet, dass das auf diese Weise erworbene ölige Produkt ¹H NMR (400 MHz,_{CDCl 3}) bei 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 (t, 3H) aufweist...

Diskussion

In letzter Zeit haben ILs verschiedene vielversprechende Anwendungen im Bereich der biochemischen Wissenschaften vorgestellt, darunter Proteinrückfaltung/Chaperonaktivität, Wirkstoffverabreichungsvehikel und/oder Katalysatoren in verschiedenen organischen Reaktionen. Ihre faszinierenden physikalisch-chemischen Eigenschaften wie Abstimmbarkeit, Biokompatibilität, Löslichkeit, Nachhaltigkeit, Stabilität usw. haben sie zu potenziellen Kandidaten für die Entwicklung neuartiger Therapeutika g...

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien

Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
1-Bromhexadecan	Merck	CAS-Nr. 112-82-3	95 % rein (wie durch HPLC-Analyse bestimmt)
Ethylacetat	Merck	CAS-Nr. 205-500-4	95 % rein (wie durch HPLC-Analyse bestimmt)
Kernspinresonanz (NMR) Spektrometer	Jeol, Modell: JNM-ECZ 400S	Nil
Nil Chinolin	Merck	CAS Nr. 91-22-5	95 % rein (wie durch HPLC bestimmt Analyse)
Toluol	Merck	CAS-Nr. 108-88-3	einer Reinheit von 95 % (bestimmt durch HPLC-Analyse)

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