Synthèse verte d’un liquide ionique à base de quinoléine

Résumé

Dans le présent travail, nous élucidons la synthèse verte du liquide ionique (IL) à base de quinoléine, à savoir le bromure de 1-hexadécylquinoline-1-ium {[C₁₆quin]Br} en mélangeant la quinoléine avec un excès de 1-bromohexadécane, ainsi que sa caractérisation détaillée à l’aide de mesures spectroscopiques par résonance magnétique nucléaire et infrarouge.

Résumé

La menace sans cesse croissante de la résistance aux antimicrobiens (RAM) compromet la puissance des antibiotiques dominants contre les infections qui germent sans relâche engendrées par des bactéries, des virus, des parasites ainsi que des champignons, ce qui constitue une grande menace pour la santé et le bien-être humains. À cet égard, plusieurs nouvelles molécules ont fait leurs preuves, les liquides ioniques (IL) étant l’une des alternatives les plus écologiques, non volatiles et thermiquement stables aux antimicrobiens existants, possédant un potentiel de solvatation élevé ainsi qu’une faible pression de vapeur. De plus, l’utilisation de ces entités dans les structures protéiques stabilisatrices et déstabilisantes et l’amélioration de l’activité enzymatique a encore augmenté leur potentiel dans l’industrie biomédicale. Dans cette optique, nous présentons la synthèse et la caractérisation vertes de l’IL, en raison de son immense pouvoir antimicrobien, avec une faible cytotoxicité et une grande activité chaperonne artificielle. Ici, la manœuvre de l’approche de synthèse à un seul pot dans des conditions de réaction sans solvant et plus vertes a non seulement amélioré l’efficacité de la réaction, mais a également augmenté le rendement chimique. La pureté de l’IL synthétisée a été corroborée à l’aide de la résonance magnétique nucléaire (RMN) 1H, de la RMN 13C et de la spectroscopie infrarouge (IR). Le potentiel biologique du composé synthétisé est validé par l’analyse de ses propriétés d’absorption, de distribution, de métabolisme, d’excrétion et de toxicité (ADMET) et authentifié à l’aide d’un test de diffusion sur disque.

Introduction

La croissance monumentale de la population mondiale explique une augmentation considérable de la consommation d’une vaste gamme de produits au cours des dernières années, y compris la nourriture, les médicaments, ainsi que d’autres produits cruciaux pour la subsistance des organismes mortels. Cela a revigoré la quête de nouveaux composés chimiques aux propriétés exceptionnellement spécialisées, écologiquement saines et bénéfiques dans le monde entier. Les liquides ioniques (IL) se sont avérés heureux à cet égard. L’implication de ces composés dans le domaine scientifique a stimulé de nouvelles entreprises dans la recherche sur les technologies chimiques contemporaines¹. Contrairement aux approches conventionnelles, l’utilisation des ILs facilite non seulement les conditions de réaction progressives, mais favorise également une stratégie personnalisée pour s’attaquer aux différents défis biochimiques liés à la recherche et au développement expérimentaux².

Typiquement, les IL sont des sels stables constituant des cations (organiques) et des anions (inorganiques), possédant un point de fusion inférieur à 100 °C³. En respectant les 12 principes de la chimie verte, empiriquement, ce sont des substituts convaincants aux solvants organiques habituels⁴. Les propriétés étonnantes associées à l’utilisation de ces composés englobent une grande conductivité intrinsèque, la polarité, la tendance à solvatation, la stabilité thermique, la non-volatilité, l’acidité/basicité, l’hydrophilie/hydrophobie et l’accordabilité, ce qui rend les IL les mieux adaptés à la recherche expérimentale⁵.

Outre les applications étendues de diverses classes d’IL dans la synthèse organique moderne⁶, la catalyse⁷ et divers processus électrochimiques impliquant des capteurs⁸, des actionneurs⁹, des batteries¹⁰ et des piles à combustible¹¹, au cours des dernières années, cette classe de composés a reçu une reconnaissance capitale dans le domaine de la biomédecine à la lumière de la RAM. Les probations actuelles révèlent que les IL à base d’imidazolium, de pyridine, de choline et de pyrrole sont extrêmement efficaces en tant qu’agents thérapeutiques en raison de leur charge élevée et de leur hydrophobicité¹². Cependant, les homologues à base de quinoléine sont toujours considérés comme les plus puissants contre les microbes pathogènes¹². D’autres applications biomédicales accompagnant cette classe d’ILs comprennent l’activité chaperonne artificielle¹³, la cytotoxicité contre les cellules cancéreuses¹⁴ ainsi qu’une excellente capacité de charge de médicament¹⁵.

Traditionnellement, la fabrication des IL implique l’utilisation de solvants hautement toxiques tels que le dichlorométhane, le benzène, le tétrachlorure de carbone, le dichloréthylène, ^etc.16, ce qui entrave la biocompatibilité et augmente la toxicité du composé, ce qui les rend indésirables pour un usage biologique. De plus, l’utilisation de solvants nocifs dans les milieux réactionnels ralentit non seulement le temps de réaction, mais augmente également la production involontaire de sous-produits de déchets rejetés dans l’environnement¹⁷. De plus, le dissolvant utilisé dans le milieu réactionnel influence également le pH du produit final ; Par conséquent, son élimination à la fin de la réaction est vitale, en particulier lorsque le composé souhaité est destiné à être utilisé pour des systèmes biologiques liés aux protéines. Par conséquent, il est préférable de se tenir à l’écart de l’utilisation d’un tel solvant dans le domaine de la chimie verte.

Dans cette étude, nous rapportons la synthèse en un seul pot d’un¹³ IL biocompatible et non toxique, à savoir le bromure de 1-Hexadécylquinolin-1-ium, en utilisant une voie plus verte. La stratégie actuelle omet l’utilisation d’un solvant moléculaire, en tirant parti de la capacité d’auto-solvatation de l’IL formé dans le mélange réactionnel, favorisant une efficacité de réaction et un rendement chimique élevés. La réaction de Menschutkin¹⁸constitue la base de la méthodologie de synthèse actuelle. La pureté du composé synthétisé est sondée à l’aide de la spectroscopie RMN et IR. Le profil pharmacocinétique du composé et sa toxicité ont été étudiés dans le cadre des études ADMET. De plus, le potentiel antimicrobien de l’IL synthétisé contre la souche pathogène de Candida albicans a également été démontré dans l’étude.

Protocole

REMARQUE : Le bromure de 1-hexadécylquinoline-1-ium aété synthétisé comme décrit précédemment par Sharma et ^al.13.

1. Préparation et stérilisation des appareils en verre

REMARQUE : Cela doit être fait au moins 1 jour avant de mettre en place la réaction pour la synthèse du composé souhaité.

1. Lavez soigneusement une fiole à fond rond à deux cols (RB) 24/29, 250 ml, ainsi que d’autres appareils en verre tels que des cylindres doseurs, etc., et rincez-les à l’eau distillée suivie d’acétone.
2. Sécher l’appareil lavé dans un four à air chaud à 60 °C jusqu’à ce qu’il soit complètement sec pour une utilisation ultérieure.
   REMARQUE : Habituellement, l’appareil lavé doit être placé pendant la nuit dans un four de séchage pour éliminer complètement le film d’eau et s’assurer que le système de réaction est exempt d’impuretés.

2. Mise en place de l’appareil

REMARQUE : L’appareil doit être correctement serré pour assurer un chauffage uniforme des réactifs. Le schéma de principe de la configuration de la réaction est illustré à la figure 1.

1. Placez un bain d’huile sur une plaque chauffante à l’aide d’un agitateur magnétique. Préchauffez le bain d’huile à 80 °C avant le début de la réaction.
2. Laissez le RB reposer dans un bain d’huile à l’aide d’un support d’autoclave à tube tel qu’il soit à moitié immergé dans le bain d’huile placé sur une plaque chauffante avec agitateur magnétique.
3. Scellez la bouche supérieure du RB avec un bouchon constituant une aiguille de purge, reliée à une seringue à laquelle est attaché un ballon N₂ .
4. Fermez hermétiquement l’autre col du RB à l’aide d’un autre bouchon en caoutchouc pour éviter la fuite de N₂ du milieu réactionnel.
5. Préchauffer l’ensemble du fluide à 80 °C dans une atmosphère inerte maintenue par une purge N₂ avant d’ajouter les réactifs au RB.
6. Remplissez le ballon N₂ à plusieurs reprises pour assurer l’inertie du système réactionnel et maintenir la température tout au long de la course (d’où la préférence pour le chauffage par bain d’huile).

3. Ajout des réactifs au système de réaction

1. Versez 0,1 M de quinoléine et 0,105 M de 1-bromohexadécane dans le système réactionnel sans perturber l’environnement de réaction prédéfini.
2. Agitez le contenu en continu à 2500-3000 tr/min pendant 3 jours dans un environnement inerte et à température constante.

4. Purification/recristallisation du composé

REMARQUE : L’ensemble du produit ne doit pas être soumis à une recristallisation. Au lieu de cela, la recristallisation par lots doit être choisie pour éviter la perte du produit.

1. Dissoudre le solide obtenu dans un mélange 1:2 de toluène et d’éthanoate d’éthyle. Refroidissez ce mélange à -15 °C dans un congélateur (température réglée à -15 °C) et filtrez sous vide à l’aide d’un entonnoir Buchner, fixé à une pompe à vide et d’une fiole filtrante à travers un tube. Placez une membrane filtrante en polypropylène, constituant une taille de pores de 0,45 μm, dans l’entonnoir Buchner, en couvrant tout le fond du filtre. Versez une petite quantité du mélange de solvants à travers le filtre afin de créer une bonne étanchéité, empêchant toute sorte de fuite d’air à travers la configuration.
2. Lavez le produit filtré avec du toluène froid en versant progressivement le solvant dans l’entonnoir, puis séchez-le à 70 °C dans un four sous vide. Répétez cette procédure 2 fois pour garantir la grande pureté du composé souhaité.

5. Validation du composé par spectroscopie RMN

1. Avant de soumettre le composé à une RMN ¹H et à une RMN ¹³C, dissolvez-le dans du chloroforme deutéré (CDCl₃) en mesurant 1 à 10 mg du composé et en le dissolvant dans environ 1 mL de CDCl_3.
2. Injecter ce mélange dans un tube RMN à l’aide d’une seringue de 1 mL pour l’analyse de l’échantillon sous un spectromètre RMN. La préparation de l’échantillon est identique pour la RMN ¹H et la RMN ¹³C.

6. Caractérisation IR de l’IL synthétisé

1. Aucune préparation d’échantillon n’est nécessaire pour obtenir les spectres IR du composé.
2. Soumettez quelques mg de l’échantillon solide à un spectromètre IR pour obtenir un aperçu des différents groupes fonctionnels présents dans le composé synthétisé. Les lectures ont été obtenues comme démontré précédemment¹⁹.

7. Prédiction des propriétés ADMET

1. Entrez les SMILES canoniques de l’IL souhaité dans le logiciel en ligne gratuit ADMETLAB 2.0 et exécutez le programme pour obtenir divers paramètres, confirmant le potentiel biologique de celui-ci.

8. Test de diffusion discale démontrant l’application biomédicale de l’IL synthétisé

1. Pré-culture de la souche fongique de Candida albicans (ATCC 90028) dans un bouillon de levure peptone dextrose (YPD) pendant près de 16 h dans un incubateur à agitateur à 37 °C.
2. Préparez le milieu gélosé YPD en mélangeant 1 % d’extrait de levure, 2 % de peptone, 2 % de dextrose et 1,5 % de gélose dans 1 L d’eau doublement distillée. Versez 25 ml de gélose YPD fraîchement formée dans une plaque de Pétri de 90 mm après l’avoir autoclavée pendant 15 minutes à 121 °C. Laissez les plaques intactes pour permettre une bonne solidification du support.
3. Une fois la plaque complètement solidifiée, étalez uniformément environ 100 μL de l’inoculum fongique fraîchement préparé sur la plaque contenant le milieu, à l’aide d’un épandeur de verre. Laissez les plaques intactes pendant 5 à 7 minutes dans la hotte à flux laminaire.
4. Placez un disque de papier circulaire stérile de 5 à 6 mm de diamètre au milieu de la même plaque, à l’aide d’une pince.
5. Ajouter 50 μL de solution aqueuse de 0,1 mM de l’IL synthétisé sur le disque, progressivement, à l’aide d’une pipette de 20-200 μL.
6. Réfrigérer la plaque pendant environ 30 minutes pour assurer une bonne diffusion de l’IL dans l’agar. Placez la plaque dans l’incubateur BOD préréglé à 37 °C pendant 24 h.
7. Mesurez la zone d’inhibition (y compris le diamètre du disque) à l’aide d’une échelle de mesure et calculez la zone sous cette zone conformément à l’équation 1.
   Aire = πr² (1)

Résultats

La figure 2 représente le schéma réactionnel de la réaction de Menschutkin impliquée dans le processus de synthèse. Le bromure de 1-hexadécylquinoline-1-ium, ainsi synthétisé, a été caractérisé par RMN et spectroscopie IR. Le produit huileux ainsi acquis devrait présenter une RMN ^{de 1}H (400 MHz, CDCl₃) à 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), comme le montre la figure 3. Le composé doit présenter une RMN ^{de 13}°C (Figure 4 ; 100 MHz, CDCl₃) à δ 143, 141, 131, 130.27, 130, 127.5, 126.3, 126, 60, 31, 29, 29, 28.5, 27, 23 et 14. Chaque pic est marqué avec le nombre de protons correspondant mentionné dans la structure du composé, responsable de l’origine de ce signal.

CDCl₃ est transparent à la région RMN (c’est-à-dire la région de radiofréquence) des spectres électromagnétiques en raison de l’absence d’atomes H qui transmettent des signaux proéminents dans cette région et est donc utilisé comme solvant pour la préparation d’échantillons sous sa forme deutérée. Il n’interfère pas avec le champ magnétique appliqué et est de nature totalement inerte. Cependant, il n’est pas possible d’éliminer le pic correspondant à ce solvant (apparaissant autour de 7,26 ppm pour les spectres RMN 1H) puisque la deutérisation des solvants RMN ne peut atteindre jusqu’à 100% exactement. Cependant, l’apparition du pic n’est généralement pas significative et peut être complètement éliminée en exécutant un spectre vide de CDCl₃ et en intégrant les pics requis en conséquence. Ces paramètres peuvent être effectués soit directement dans l’instrument, soit à l’aide de certains logiciels (comme le NMRium, etc.). Dans le cas où l’échantillon n’est pas parfaitement sec, le pic caractéristique de l’eau peut apparaître de manière proéminente dans les spectres. De plus, CDCl₃ et d’autres solvants deutériés peuvent également contenir une certaine quantité d’eau et ainsi transmettre les pics attribués à la présence d’eau. Ce problème a été résolu en séchant correctement l’échantillon et en maintenant le solvant RMN à température ambiante, recouvert d’un film transparent. Dans certains cas, certains agents de séchage inertes, tels que le carbonate de potassium ou le sulfate de sodium, sont également utilisés pour se débarrasser de la teneur en eau présente dans la bouteille de_{CDCl 3}.

Les spectres FTIR de l’IL (Figure 5) devraient mettre en évidence des bandes de vibrations à 3051 ^cm-1, 2917 ^cm-1 et 2853 ^cm-1, avec une intensité maximale, correspondant aux vibrations d’étirement C-H existant dans le cycle aromatique ainsi que pour les carbones alkyles. Une épaule large à 3440 ^cm-1 correspond aux vibrations d’étirement N-H. Une autre bande d’épaule observée à 1357 ^cm-1 est caractéristique des vibrations d’étirement dues à la liaison C-N. Des bandes notables de 820 ^cm-1 770 ^cm-1 et 710 ^cm-1 sont associées aux vibrations de flexion C-H hors plan. Le pic à 1155 ^cm-1est spécifique aux vibrations de flexion C-H dans le plan. Les vibrations d’étirement C-C prévalant dans le cycle aromatique sont validées par les pics visibles à 1468 ^cm-1, 1520 ^cm-1 et 1585 ^cm-1. Les résultats ainsi obtenus sont comparables avec les données précédemment rapportées par Sharma et ^al.13 et confirment donc la formation du composé souhaité.

Les résultats obtenus par l’analyse ADMET sont présentés dans le tableau 1. Le potentiel biomédical de [C₁₆quin]Br a été étudié à l’aide d’un essai de diffusion de puits contre la souche de C. albicans (figure 6). Cette technique évalue l’efficacité antimicrobienne de l’IL en mesurant la zone d’inhibition de la croissance autour du site d’application du composé. Il a été observé que [C₁₆quin]Br présentait un effet antimicrobien statistiquement prononcé (p < 0,05) contre C. albicans, ce qui rend cette classe de IL très puissante et efficace dans le domaine de la biomédecine.

Pourcentage de rendement de la réaction
Le rendement théorique de la réaction peut être calculé comme suit, selon le schéma de réaction adopté (Figure 2).

D’après le schéma, 1 M de quinoléine conduit à la formation de 1 M de bromure de 1-hexadécylquinoline-1-ium, c’est-à-dire 129,16 g/mol de quinoléine = 434 g/mol [C₁₆quin]Br.

12,916 g (0,1 mole) de quinoléine ×12,916 = 43,4 g

Ainsi, le rendement théorique de la réaction est de 43,4 g.

Toutefois

% rendement = ×100

Dans la présente étude, le rendement réel de la réaction s’est avéré être de 37,84 g après séchage complet du produit obtenu.

Donc

% rendement= ×100=87,188% (87%)

De plus, le temps de réaction plus long, comme on le voit dans le scénario actuel, est pertinent pour permettre au système réactionnel d’atteindre un équilibre thermodynamique complet, où l’entropie du système est maximisée tout en minimisant l’énergie libre de Gibbs. Cela finit par maximiser le rendement de la réaction. Cependant, les conditions de réaction sont assez douces et nécessitent donc un temps de réaction prolongé pour s’assurer que l’ensemble du réactif s’est converti avec succès dans le produit. Le temps de réaction, ici, est optimisé après un pragmatisme répété.

Figure 1 : Configuration de la réaction. La figure présente les schémas généraux de la configuration de la réaction. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 2 : Mécanisme de synthèse. Représentation schématique du schéma réactionnel impliqué dans le processus de synthèse. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 3 : RMN sur ¹h prévue. Représentation des spectres RMN ¹H de [C₁₆quin]Br. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 4 : ¹³CNMR attendus. Représentation des spectres RMN ¹³C de [C₁₆quin]Br. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 5 : Spectres IR attendus. Représentation des spectres IR de [C₁₆quin]Br. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 6 : Étude antifongique. Le test de diffusion discale a été réalisé par l’ajout de 50 μL de 0,1 mM de l’IL, représentant le potentiel antifongique de [C₁₆quin]Br. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Propriété	Valeur	Commentaire
Règle de Lipinski	Accepté	MW ≤ 500 ; log P ≤ 5 ; Accepteur H ≤ 10 ; H-donateur ≤ 5. Si deux propriétés sont hors de portée, si une mauvaise absorption ou une mauvaise perméabilité est possible, une seule est acceptable.
Absorption gastro-intestinale	Haut	Efficacité accrue de l’administration orale
Hydrosolubilité	Modéré	Améliore la capacité de charge du composé
Score de biodisponibilité	0.55 (55%)	Influence le potentiel thérapeutique du composé

Tableau 1 : Analyse ADMET. Tableau représentant les propriétés importantes à prendre en compte pour valider le potentiel biologique de la IL synthétisée.

Discussion

Dernièrement, les IL ont divulgué diverses mises en œuvre prometteuses dans le domaine des sciences biochimiques, notamment le repliement des protéines/l’activité chaperonne, les véhicules d’administration de médicaments et/ou les catalyseurs dans plusieurs réactions organiques. Leurs propriétés physicochimiques intrigantes, telles que l’accordabilité, la biocompatibilité, la solubilité, la durabilité, la stabilité, etc., en ont fait des candidats potentiels pour le développement de nouveaux agents thérapeutiques²⁰. La recherche proposée considère la résistance aux antimicrobiens comme un sujet de grave préoccupation et l’une des plus grandes menaces pour la santé mondiale, la sécurité alimentaire et le développement aujourd’hui, en donnant la priorité à la poursuite de la recherche et du développement de nouveaux composés pharmaceutiques dans le domaine de la science biomédicale. En choisissant l’IL à base de quinoléine pour une application dans l’industrie biomédicale, nous reconnaissons sa grande puissance dans la destruction des microbes pathogènes. Outre l’effet antimicrobien de cette classe de composés, son activité chaperonne artificielle augmente son mérite dans l’aspect biophysique du monde scientifique.

Dans cette étude, nous avons réussi à synthétiser l’IL souhaité en utilisant une voie de réaction plus verte. Contrairement aux méthodologies conventionnelles qui reposent sur l’utilisation de solvants toxiques, développant des sous-produits gazeux nocifs²¹, nous rapportons ici une approche plus économique, écologique et sans solvant pour la synthèse de ceux-ci. Le protocole implique l’utilisation d’une configuration de réaction facile et d’un appareil simple, facilitant la synthèse robuste en laboratoire du composé souhaité. Le produit obtenu ici peut être isolé sans effort grâce à une simple technique de filtration. La formation d’aucun sous-produit substantiel tout au long de la réaction favorise davantage les aspects plus écologiques de la synthèse. La technique utilisée dans cette étude s’est avérée efficace tant en termes de rendement chimique que de pureté du composé souhaité. La réaction, par ailleurs en plusieurs étapes, a été provoquée dans un seul pot, dans le but de réduire le temps et les ressources. Cette technique a été adoptée afin de se débarrasser des étapes prolongées de séparation et de purification impliquées dans la synthèse organique générale.

Cependant, les limitations accompagnant le protocole susmentionné impliquent une gestion minutieuse de la compatibilité des conditions de réaction (notamment la température) et la bonne purge du gaz N2 afin de pérenniser manuellement un environnement de travail inerte. Il est essentiel de contrôler et de surveiller l’environnement réactionnel en temps opportun pour la bonne exécution de chaque étape individuelle. L’évolutivité peut être un autre obstacle possible au protocole suggéré, car la mise à l’échelle d’une synthèse en un seul pot à des fins industrielles peut être extrêmement exigeante en raison des préoccupations liées au mélange homogène ainsi qu’au contrôle de chaque paramètre de réaction.

En conclusion, la méthodologie présentée est une stratégie puissante en chimie verte, offrant plusieurs avantages, avec son propre ensemble de défis qui doivent être méticuleusement abordés et pris en compte lors de la conception, de l’exécution et de l’optimisation des voies de réaction.

Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article

Nom	Entreprise	Numéro de catalogue	Commentaires
1-bromohexadécane		Merck n° CAS 112-82-3	pur à 95 % (tel que déterminé par analyse HPLC)
Acétate d’éthyle	Merck	n° CAS 205-500-4	à 95 % (tel que déterminé par analyse HPLC)
Spectromètre à résonance magnétique nucléaire (RMN)	Jeol, Modèle : JNM-ECZ 400S	Nil	Nil
Quinoléine	Merck	n° CAS 91-22-5	à 95 % (tel que déterminé par HPLC Analyse)
Toluène	Merck	n° CAS 108-88-3	95 % (tel que déterminé par analyse HPLC)