בעבודה הנוכחית, אנו מבהירים את הסינתזה הירוקה של נוזל יוני מבוסס קווינולין (IL), כלומר, 1-Hexadecylquinolin-1-ium bromide {[C16quin]Br} על ידי ערבוב quinoline עם עודף של 1-Bromohexadecane, יחד עם אפיון מפורט שלה באמצעות תהודה מגנטית גרעינית ומדידות ספקטרוסקופיות אינפרא אדום.
הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.
במאמר זה
סיכום
תקציר
האיום ההולך וגובר של עמידות מיקרוביאלית (AMR) מסכן את עוצמתה של האנטיביוטיקה הרווחת נגד זיהומים נובטים ללא רחם הנוצרים על ידי חיידקים, וירוסים, טפילים כמו גם פטריות, ומהווים איום גדול על בריאות האדם ורווחתו. בהקשר זה, מספר מולקולות חדשות הוכיחו את יכולתן, כאשר נוזלים יוניים (ILs) הם אחת החלופות הידידותיות ביותר לסביבה, לא נדיפות ויציבות תרמית לאנטי-מיקרוביאלים הקיימים, בעלי פוטנציאל המסה גבוה כמו גם לחץ אדים נמוך. יתר על כן, ניצולם של גופים אלה הן בייצוב והן בערעור מבנים חלבוניים והגברת הפעילות האנזימטית העלה עוד יותר את הפוטנציאל שלהם בתעשייה הביו-רפואית. לאור זאת, אנו מציגים את הסינתזה והאפיון הירוק של IL מבוסס קווינולין, בשל עוצמתו האנטי-מיקרוביאלית העצומה, עם ציטוטוקסיות נמוכה ופעילות רבה של מלווה מלאכותי. כאן, תמרון גישת הסינתזה של סיר אחד בתנאי תגובה ירוקים ונטולי ממסים לא רק שיפר את יעילות התגובה אלא גם הגביר את התפוקה הכימית. טוהר ה-IL המסונתז אומת באמצעות תהודה מגנטית גרעינית 1H (NMR), 13C NMR וספקטרוסקופיית אינפרא-אדום (IR). הפוטנציאל הביולוגי של התרכובת המסונתזת מאומת עוד יותר על ידי ניתוח תכונות הספיגה, ההפצה, חילוף החומרים, ההפרשה והרעילות שלה (ADMET) ומאומת באמצעות בדיקת דיפוזיית דיסק.
מבוא
הגידול המונומנטלי באוכלוסיית העולם אחראי לעלייה עצומה בצריכה של מגוון עצום של סחורות בשנים האחרונות, כולל מזון, תרופות, כמו גם מוצרים חיוניים אחרים למחייתם של אורגניזמים בני תמותה. זה המריץ את החיפוש אחר תרכובות כימיות חדשות עם תכונות מיוחדות, אקולוגיות ומועילות במיוחד ברחבי העולם. נוזלים יוניים (ILs) הוכיחו את עצמם בהקשר זה. ההשלכות של תרכובות אלה בתחום המדעי חיזקו מיזמים חדשים במחקר בטכנולוגיות כימיות עכשוויות1. בניגוד לגישות המקובלות, השימוש ב- ILs לא רק מקל על תנאי תגובה מתקדמים אלא גם מקדם אסטרטגיה מותאמת אישית להתמודדות עם אתגרים ביוכימיים שונים הקשורים למחקר ופיתוח ניסיוני2.
בדרך כלל, ILs הם מלחים יציבים המהווים קטיונים (אורגניים) ואניונים (אנאורגניים), בעלי נקודת התכה מתחת ל -100 מעלות צלזיוס3. בהתאם ל-12 העקרונות של הכימיה הירוקה, מבחינה אמפירית, אלה הם תחליפים משכנעים לממסים האורגניים המקובלים4. התכונות המדהימות הקשורות לניצול תרכובות אלה כוללות מוליכות פנימית רבה, קוטביות, נטייה להמסה, יציבות תרמית, אי-נדיפות, חומציות/בסיסיות, הידרופיליות/הידרופוביות וכוונון, מה שהופך את ILs למתאימים ביותר למחקר ניסיוני5.
מלבד היישומים הנרחבים של סוגים שונים של ILs בסינתזה אורגנית מודרנית6, קטליזה7, ותהליכים אלקטרוכימיים שונים המערבים חיישנים8, מפעילים9, סוללות10 ותאי דלק11, במהלך השנים האחרונות, סוג זה של תרכובות קיבל הכרה משמעותית בתחום הביו-רפואה לאור AMR. בדיקות נוכחיות מגלות כי ILs המבוססים על אימידזוליום, פירידין, כולין ופירול יעילים ביותר כחומרים טיפוליים בשל המטען הגבוה וההידרופוביות שלהם12. עם זאת, עמיתים מבוססי קווינולין עדיין נחשבים החזקים ביותר נגד חיידקים פתוגניים12. יישומים ביו-רפואיים נוספים הנלווים לסוג זה של ILs כוללים פעילות מלווה מלאכותי13, ציטוטוקסיות נגד תאים סרטניים14 וכן יכולת נשיאת תרופות מצוינת15.
באופן קונבנציונלי, ייצור ILs כרוך בשימוש במדיומים רעילים ביותר של ממסים כגון דיכלורומתאן, בנזן, פחמן טטרכלוריד, דיכלורואתילן וכו '.16, מה שמעכב את התאימות הביולוגית ומעלה את הרעילות של התרכובת, מה שהופך אותם ללא רצויים לשימוש ביולוגי. בנוסף, השימוש בממסים מזיקים באמצעי התגובה לא רק מאט את זמן התגובה אלא גם מגביר את הייצור הלא מכוון של תוצרי לוואי של פסולת המשתחררת לסביבה17. יתר על כן, הממס המשמש בתקשורת התגובה משפיע גם על ה- pH של המוצר הסופי; לפיכך, הסרתו בסוף התגובה היא חיונית, במיוחד כאשר התרכובת הרצויה מיועדת לשמש למערכות ביולוגיות הקשורות לחלבון. לפיכך, התרחקות משימוש בממס כזה היא חיובית בתחום הכימיה הירוקה.
במחקר זה, אנו מדווחים על סינתזה של סיר אחד של13 IL תואם ביולוגית ולא רעיל, כלומר, 1-Hexadecylquinolin-1-ium bromide, באמצעות מסלול ירוק יותר. האסטרטגיה הנוכחית משמיטה את השימוש בממס מולקולרי, תוך מינוף יכולת המסה עצמית של IL הנוצרת בתוך תערובת הריאקציה, ומקדמת יעילות תגובה גבוהה ותשואה כימית. תגובת מנשוטקין18מהווה את הבסיס למתודולוגיית הסינתזה הנוכחית. טוהר התרכובת המסונתזת נבדק באמצעות ספקטרוסקופיית NMR ו- IR. הפרופיל הפרמקוקינטי של התרכובת והרעילות נחקרו באמצעות מחקרי ADMET. יתר על כן, הפוטנציאל האנטי-מיקרוביאלי של IL המסונתז כנגד זן קנדידה אלביקנס הפתוגני הודגם גם הוא במחקר.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
פרוטוקול
הערה: 1-Hexadecylquinolin-1-ium bromide{[C16quin]Br} סונתז כפי שתואר קודם לכן על ידי Sharma et al.13.
1. הכנה ועיקור של מכשיר זכוכית
הערה: יש לעשות זאת לפחות יום אחד לפני הגדרת התגובה לסינתזה של התרכובת הרצויה.
- יש לשטוף היטב בקבוק תחתון עגול בעל שני צווארים (RB) 24/29, 250 מ"ל, יחד עם מכשירי זכוכית אחרים כגון גלילי מדידה וכו', ולשטוף במים מזוקקים ולאחריהם אצטון.
- יבש את המכשיר שטוף בתנור אוויר חם ב 60 ° C עד המכשיר יבש לחלוטין לשימוש נוסף.
הערה: בדרך כלל, יש להניח מכשיר שטוף למשך הלילה בתנור ייבוש כדי להסיר לחלוטין את סרט המים ולהבטיח שמערכת התגובה נקייה מלכלוך.
2. הגדרת המנגנון
הערה: יש להדק את המכשיר כראוי כדי להבטיח חימום אחיד של המגיבים. התרשים הסכמטי של מערך התגובה מודגם באיור 1.
- מניחים אמבט שמן על צלחת חמה עם מערבל מגנטי. מחממים את אמבט השמן ל 80 מעלות צלזיוס לפני תחילת התגובה.
- אפשרו ל-RB לעמוד באמבט שמן באמצעות מעמד צינור כך שהוא שקוע למחצה באמבט השמן המונח על פלטה חמה עם מערבל מגנטי.
- אוטמים את הפה העליון של ה-RB עם פקק המהווה מחט טיהור, המחובר עוד יותר למזרק שמחובר אליו בלון N2 .
- אטמו את הצוואר השני של ה-RB בחוזקה באמצעות פקק גומי נוסף כדי למנוע דליפה של N2 ממדיום התגובה.
- מחממים מראש את כל התווך ל-80 מעלות צלזיוס באטמוספירה אינרטית הנשמרת באמצעות טיהור N2 לפני הוספת המגיבים ל-RB.
- מלאו את בלון N2 שוב ושוב כדי להבטיח את אדישות מערכת התגובה ולשמור על הטמפרטורה לאורך כל הדרך (לכן, עדיף חימום אמבט שמן).
3. הוספת המגיבים למערכת התגובה
- יוצקים 0.1 M Quinoline ו 0.105 M 1-bromohexadecane לתוך מערכת התגובה מבלי להפריע לסביבת התגובה שנקבעה מראש.
- יש לערבב את התוכן ברציפות במהירות 2500-3000 סל"ד במשך 3 ימים בסביבה אינרטית ובטמפרטורה קבועה.
4. טיהור/התגבשות מחדש של התרכובת
הערה: המוצר כולו לא צריך להיות נתון להתגבשות מחדש. במקום זאת, יש לבחור בהתגבשות מחדש של אצווה כדי למנוע אובדן של המוצר.
- ממיסים את המוצק המתקבל בתערובת טולואן/אתיל אתנואט ביחס 1:2. מצננים את התערובת ל-15°C- במקפיא עמוק (הטמפרטורה נקבעה על -15°C) ומסננים תחת ואקום באמצעות משפך Buchner, המחובר למשאבת ואקום ולבקבוק מסנן דרך צינור. הניחו קרום מסנן פוליפרופילן, בגודל נקבוביות של 0.45 מיקרומטר, במשפך בוכנר, המכסה את כל תחתית המסנן. יוצקים כמות קטנה מתערובת הממסים דרך הפילטר על מנת ליצור איטום תקין ולמנוע דליפת אוויר מכל סוג שהוא דרך ההתקנה.
- שטפו את המוצר המסונן עם טולואן קר על ידי יציקת הממס דרך המשפך בהדרגה, ולאחר מכן ייבוש ב 70 מעלות צלזיוס בתנור ואקום. חזור על הליך זה 2x כדי להבטיח את הטוהר הגבוה של התרכובת הרצויה.
5. אימות התרכובת באמצעות ספקטרוסקופיית NMR
- לפני חשיפת התרכובת ל-1HNMR ו-13C NMR, יש להמיס אותה בכלורופורם מפורק (CDCl 3) על ידי מדידת 1-10 מ"ג של התרכובת והמסתה בכ-1 מ"ל CDCl3.
- הזריקו תערובת זו לצינור NMR באמצעות מזרק 1 מ"ל לניתוח הדגימה תחת ספקטרומטר NMR. הכנת הדגימה זהה הן עבור1 H NMR והן עבור 13C NMR.
6. אפיון IR של IL המסונתז
- אין צורך בהכנת דגימה כדי לקבל את ספקטרום האינפרא-אדום של התרכובת.
- העבירו כמה מ"ג של הדגימה המוצקה לספקטרומטר IR כדי לקבל תובנה לגבי הקבוצות הפונקציונליות השונות הקיימות בתרכובת המסונתזת. הקריאות התקבלו כפי שהודגם קודםלכן 19.
7. חיזוי נכסי ADMET
- הזן את החיוכים הקנוניים של IL הרצוי לתוך התוכנה המקוונת החופשית ADMETLAB 2.0 ולבצע את התוכנית כדי לקבל פרמטרים שונים, מצדיק את הפוטנציאל הביולוגי של אותו.
8. בדיקת דיפוזיה של דיסק המדגימה את היישום הביו-רפואי של IL המסונתז
- תרבית מראש את הזן הפטרייתי של קנדידה אלביקנס (ATCC 90028) במרק פפטון דקסטרוז שמרים (YPD) במשך כמעט 16 שעות באינקובטור שייקר BOD ב 37 מעלות צלזיוס.
- הכינו מצע אגר YPD על ידי ערבוב 1% תמצית שמרים, 2% פפטון, 2% דקסטרוז ו-1.5% אגר ב-1 ליטר מים מזוקקים כפול. יוצקים 25 מ"ל של מדיה אגר YPD שנוצר טרי לתוך צלחת פטרי 90 מ"מ לאחר autoclaving אותו במשך 15 דקות ב 121 ° C. השאירו את הצלחות ללא הפרעה כדי לאפשר התמצקות נכונה של התקשורת.
- לאחר שהצלחת מתמצקת לחלוטין, פזרו כ-100 מיקרוליטר של החיסון הפטרייתי הטרי שהוכן בצורה הומוגנית על הצלחת המכילה את המדיה, באמצעות מפזר זכוכית. השאירו את הצלחות ללא הפרעה למשך 5-7 דקות במכסה המנוע של הזרימה הלמינרית.
- מניחים דיסק נייר עגול סטרילי בקוטר 5-6 מ"מ במרכז אותה לוחית, בעזרת מלקחיים.
- הוסף 50 μL של תמיסה מימית 0.1 mM של IL מסונתז על הדיסק, בהדרגה, בעזרת פיפטה 20-200 μL.
- מקררים את הצלחת למשך כ-30 דקות כדי להבטיח פיזור נכון של ה-IL לתוך האגר. מניחים את הצלחת באינקובטור BOD מוגדר מראש על 37 ° C למשך 24 שעות.
- מדוד את אזור העיכוב (כולל קוטר הדיסק) באמצעות סולם מדידה וחשב את השטח מתחת לאזור זה לפי משוואה 1.
שטח = πr2 (1)
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
תוצאות
איור 2 מייצג את סכמת התגובה של תגובת מנשוטקין המעורבת ביצירת תהליך הסינתזה. 1-Hexadecylquinolin-1-ium bromide, כך מסונתז, אופיין באמצעות NMR וספקטרוסקופיית IR. המוצר השומני שנרכש כך צפוי להציג 1H NMR (400 MHz, CDCl3) ב 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), כפי שמודגם באיור 3. התרכובת צריכה להראות 13C NMR (איור 4
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
דיון
לאחרונה, ILs חשפו יישומים מבטיחים שונים בתחום המדעים הביוכימיים, כולל קיפול מחדש / פעילות מלווה חלבונים, כלי משלוח תרופות, ו / או זרזים במספר תגובות אורגניות. התכונות הפיזיקוכימיות המסקרנות שלהם, כגון כוונון, תאימות ביולוגית, מסיסות, קיימות, יציבות וכו ', הפכו אותם למועמדים פוטנציאליים לפיתוח חומרים טיפוליים חדשניים20. המחקר המוצע מדמיין את AMR כעניין של דאגה חמורה ואחד האיומים הגדולים ביותר על הבריאות, הביטחון התזונתי והפיתוח העולמי כיום, תוך מתן עדיפות למרדף אחר...
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
גילויים
למחברים אין מה לחשוף.
תודות
המחברים מודים בהכרת תודה על התמיכה הכספית במענק שהתקבל מ- ICMR, ממשלת הודו, דלהי-110029 [No./ICMR/ 52/06/2022-BIO/BMS]. המחברים רוצים גם להודות למתקן המדע והמכשור של האוניברסיטה (USIC), אוניברסיטת דלהי, על הרחבת העזרה האנליטית. קג'אל שארמה מכיר בתמיכה הכספית שהתקבלה מהמחלקה למדע וטכנולוגיה באמצעות תוכנית INSPIRE (IF200397).
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
חומרים
| שם | חברה | מספר קטלוג | הערות |
|---|---|---|---|
| 1-bromohexadecane | Merck | CAS no.112-82-3 | 95% טהור (כפי שנקבע על ידי ניתוח HPLC) |
| אתיל אצטט | Merck | CAS מס' 205-500-4 | 95% טהור (כפי שנקבע על ידי ניתוח HPLC) |
| ספקטרומטר תהודה מגנטית גרעינית (NMR) | Jeol, דגם: JNM-ECZ 400S | Nil Nil | |
| Quinoline | Merck | CAS no.91-22-5 | 95% טהור (כפי שנקבע על ידי HPLC ניתוח) |
| טולואן | Merck | CAS מס' 108-88-3 | 95% טהור (כפי שנקבע על ידי ניתוח HPLC) |
מקורות
- Vekariya, R. L. A review of ionic liquids: Applications towards catalytic organic transformations. J Mol Liquids. 227 (3), 44-60 (2017).
- Pena-Pereira, F., Kloskowski, A., Namieśnik, J. Perspectives on the replacement of harmful organic solvents in analytical methodologies: a framework toward the implementation of a generation of eco-friendly alternatives. Green Chem. 17 (7), 3687-3705 (2015).
- Anastas, P. T., Kirchhoff, M. M. Origins, current status, and future challenges of green chemistry. Account Chem Res. 35 (9), 686-694 (2002).
- Cull, S. G., Holbrey, J. D., Vargas-Mora, V., Seddon, K. R., Lye, G. J. Room-temperature ionic liquids as replacements for organic solvents in multiphase bioprocess operations. Biotech Bioeng. 69 (2), 227-233 (2000).
- Rooney, D. W., Jacquemin, J., Gardas, R. L. Thermophysical properties of ionic liquids. Ionic Liquids. 3 (5), 185-212 (2010).
- Qureshi, Z. S., Deshmukh, K. M., Bhanage, B. M. Applications of ionic liquids in organic synthesis and catalysis. Clean Tech Environ Policy. 16 (8), 1487-1513 (2014).
- Welton, T. Ionic liquids in catalysis. Coord Chem Rev. 248 (21-24), 2459-2477 (2004).
- Singh, V. V., et al. Applications of ionic liquids in electrochemical sensors and biosensors. Int J Electrochem. 2012 (9), 112-125 (2012).
- Must, I., et al. Ionic liquid-based actuators working in air: The effect of ambient humidity. Sens Actuat B: Chemical. 202 (3), 114-122 (2014).
- Ray, A., Saruhan, B. Application of ionic liquids for batteries and supercapacitors. Materials. 14 (11), 2942(2021).
- Alashkar, A., et al. A critical review on the use of ionic liquids in proton exchange membrane fuel cells. Membranes. 12 (2), 178(2022).
- Busetti, A., Crawford, R. J., Ivanova, E. P. Antimicrobial and antibiofilm activities of 1-alkylquinolinium bromide ionic liquids. Green Chem. 12 (3), 420-425 (2010).
- Sharma, K., Sharma, M. In vitro anti-biofilm activity and the artificial chaperone activity of quinoline-based ionic liquids. Colloids Surfaces B: Biointer. 235, 113773(2024).
- Qashou, E., et al. Antiproliferative activities of lipophilic fluoroquinolones-based scaffold against a panel of solid and liquid cancer cell lines. Asian Paci J Cancer Prevent. 23 (5), 1529-1538 (2022).
- Patel, H. M. Synthesis of new mannich products bearing quinoline nucleus using reusable ionic liquid and antitubercular evaluation. Green Sust Chem. 5 (4), 137-144 (2015).
- Joshi, D. R., Adhikari, N. An overview on common organic solvents and their toxicity. J Pharm Res Int. 28 (3), 1-18 (2019).
- Sanchez, J. M. Air and breath analysis for the assessment of exposure to solvent emissions in university chemistry laboratories. Atm Pollut Res. 10 (6), 1795-1802 (2019).
- Sowmiah, S., Esperanca, J. M. S. S., Rebelo, L. P. N., Afonso, C. A. M. On the chemical stabilities of ionic liquids. Molecules. 14 (9), 3780-3813 (2009).
- JoVE Science Education Database. Organic Chemistry II. Infrared Spectroscopy. , JoVE. Cambridge MA. (2024).
- Zhuo, Y., et al. Ionic liquids in pharmaceutical and biomedical applications: A review. Pharmaceutics. 16 (1), 151(2024).
- Process for the preparation of quinoline-based ionic fluoride salts (QUFS). US patent. , 9643169 (2017).
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
הדפסות חוזרות והרשאות
