본 연구에서는 퀴놀린을 과량의 1-브로모헥사데칸과 혼합하여 퀴놀린계 이온 액체(IL), 즉 1-헥사데실퀴놀린-1-이움 브로마이드{[C16quin]Br}의 녹색 합성을 규명하고, 핵 자기 공명 및 적외선 분광 측정을 사용하여 그 상세한 특성을 규명합니다.
방법 논문
본 연구에서는 퀴놀린을 과량의 1-브로모헥사데칸과 혼합하여 퀴놀린계 이온 액체(IL), 즉 1-헥사데실퀴놀린-1-이움 브로마이드{[C16quin]Br}의 녹색 합성을 규명하고, 핵 자기 공명 및 적외선 분광 측정을 사용하여 그 상세한 특성을 규명합니다.
계속 증가하는 항생제 내성(AMR)의 위협은 박테리아, 바이러스, 기생충 및 곰팡이에 의해 끊임없이 싹트는 감염에 대한 일반적인 항생제의 효능을 위태롭게 하여 인간의 건강과 복지에 큰 위협이 되고 있습니다. 이와 관련하여 여러 새로운 분자가 그 기량을 입증했으며, 이온 액체(IL)는 기존 항균제에 대한 가장 친환경적이고 비휘발성이며 열적으로 안정적인 대안 중 하나이며 높은 용제 잠재력과 낮은 증기압을 가지고 있습니다. 또한, 단백질 구조를 안정화 및 불안정화하고 효소 활성을 향상시키는 데 이러한 엔티티를 활용하면 생물 의학 산업에서 잠재력을 더욱 높일 수 있습니다. 이를 염두에 두고, 우리는 엄청난 항균 효과, 낮은 세포 독성 및 뛰어난 인공 샤페론 활성으로 인한 퀴놀린 기반 IL의 녹색 합성 및 특성 분석을 제시합니다. 여기에서 무용제, 더 친환경적인 반응 조건에서 원팟 합성 접근 방식을 조작하면 반응 효율이 향상될 뿐만 아니라 화학적 수율도 증가했습니다. 합성된 IL의 순도는 1H 핵 자기 공명(NMR), 13C NMR 및 적외선(IR) 분광법을 사용하여 확증되었습니다. 합성된 화합물의 생물학적 잠재력은 ADMET(Absorption, Distribution, Metabolism, Excretion, and Toxicity) 특성을 분석하여 추가로 검증되고 디스크 확산 분석을 사용하여 인증됩니다.
세계 인구의 기념비적인 증가는 지난 몇 년 동안 식품, 의약품 및 필멸 유기체의 유지를 위한 기타 중요한 제품을 포함한 광범위한 상품의 소비가 엄청나게 증가한 원인입니다. 이로 인해 전 세계적으로 매우 전문화되고 생태학적으로 건전하며 유익한 특성을 가진 새로운 화합물에 대한 탐구가 활력을 얻었습니다. 이온 액체(IL)는 이와 관련하여 유용한 것으로 입증되었습니다. 과학 영역에서 이러한 화합물의 의미는 현대 화학 기술 연구의 새로운 벤처를 강화했습니다1. 기존 접근법과 달리 IL의 활용은 점진적인 반응 조건을 촉진할 뿐만 아니라 실험 연구 및 개발과 관련된 다양한 생화학적 문제를 파악하기 위한 맞춤형 전략을 촉진합니다2.
일반적으로 IL은 양이온(유기)과 음이온(무기)을 구성하는 안정적인 염으로, 녹는점이 100°C미만인 3 입니다. 녹색 화학의 12가지 원칙을 준수하면서 경험적으로 이들은 관습적인 유기 용매에 대한 설득력 있는 대체품입니다4. 이러한 화합물의 활용과 관련된 놀라운 특성은 뛰어난 고유 전도성, 극성, 용매 경향, 열 안정성, 비휘발성, 산성/염기도, 친수성/소수성 및 조정성을 포함하므로 IL은 실험 연구에 가장 적합합니다5.
현대의 유기 합성6, 촉매7 및 센서(8), 액추에이터(9), 배터리(10) 및 연료 전지(11)를 포함하는 다양한 전기화학 공정에서 다양한 종류의 IL이 광범위하게 응용되는 것 외에도, 지난 몇 년 동안 이 종류의 화합물은 AMR에 비추어 생물의학 분야에서 중대한 인식을 갖게 되었다. 현재 연구 결과에 따르면 이미다졸리움(imidazolium), 피리딘(pyridine), 콜린(choline) 및 피롤(pyrrole)을 기반으로 하는 IL은 높은 전하와 소수성으로 인해 치료제로서 매우 효과적이다12. 그러나 퀴놀린 기반 대응물은 여전히 병원성 미생물에 대해 가장 강력한 것으로 간주됩니다12. 이 종류의 IL에 수반되는 추가적인 생물 의학 응용 분야에는 인공 샤페론 활성(13), 암세포(14)에 대한 세포 독성 및 우수한 약물 운반 능력(15)이 포함된다.
일반적으로 IL의 제조에는 디클로로메탄, 벤젠, 사염화탄소, 디클로로에틸렌 등과 같은 고독성 용매 매체의 사용이 포함되며,16 이는 생체 적합성을 저해하고 화합물의 독성을 높여 생물학적 사용에 적합하지 않게 만듭니다. 또한, 반응 매체에 유해한 용매를 사용하면 반응 시간이 느려질 뿐만 아니라 환경으로 방출되는 폐기물 부산물의 의도하지 않은 생성이 증가합니다17. 또한, 반응 매질에 사용되는 용매는 최종 생성물의 pH에도 영향을 미칩니다. 따라서, 반응 종료 시 이의 제거가 매우 중요하며, 특히 원하는 화합물이 단백질 관련 생물학적 시스템에 사용되도록 의도된 경우 더욱 그러하다. 따라서 이러한 용매의 사용을 피하는 것이 녹색 화학 영역에서 유리합니다.
이 연구에서는 생체 적합성 및 무독성13 IL, 즉 1-Hexadecylquinolin-1-ium bromide의 원팟 합성을 보다 친환경적인 경로를 사용하여 보고합니다. 본 전략은 분자 용매의 활용을 생략하고 반응 혼합물 내에 형성된 IL의 자체 용매 능력을 활용하여 높은 반응 효율과 화학적 수율을 촉진합니다. Menschutkin 반응18은 현재 합성 방법론의 기초를 형성합니다. 합성된 화합물의 순도는 NMR 및 IR 분광법을 사용하여 조사됩니다. 화합물의 약동학 프로필과 독성은 ADMET 연구를 통해 조사되었습니다. 또한, 병원성 칸디다 알비칸 스 균주에 대한 합성된 IL의 항균 가능성도 연구에서 입증되었습니다.
참고 : 1- 헥사 데실 퀴놀린 -1- 이움 브로마이드 {[C16quin] Br}은 이전에 Sharma et al.13에 의해 설명 된대로 합성되었습니다.
1. 유리 기구의 준비 및 살균
참고: 이것은 원하는 화합물의 합성을 위한 반응을 설정하기 최소 1일 전에 수행해야 합니다.
2. 장치 설정
알림: 장치는 cl이어야 합니다.amp반응물의 균일한 가열을 보장하기 위해 적절하게 ed. 반응 설정의 개략도는 그림 1에 나와 있습니다.
3. 반응 시스템에 반응물의 첨가
4. 화합물의 정제/재결정화
알림: 전체 제품을 재결정화해서는 안 됩니다. 대신, 제품의 손실을 방지하기 위해 배치 재결정화를 선택해야 합니다.
5. NMR 분광법을 사용하여 화합물 검증
6. 합성된 IL의 IR 특성 분석
7. ADMET 특성 예측
8. 합성된 IL의 생의학적 응용을 보여주는 디스크 확산 분석
그림 2는 합성 공정을 일으키는 데 관여하는 Menschutkin 반응의 반응 계획을 나타냅니다. 이렇게 합성된 1-Hexadecylquinolin-1-ium bromide는 NMR 및 IR 분광법을 사용하여 특성화되었습니다. 이렇게 수득된 유성 생성물은 도 3에 예시된 바와 같이 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)에서 1HNMR(400MHz, CDCl3)을 나타낼 것으로 예상된다. 화합물은 δ 143, 141, 131, 130.27, 130, 127.5, 126.3, 126, 60, 31, 29, 28.5, 27, 23 및 14에서 13CNMR(그림 4; 100MHz, CDCl3)을 보여야 합니다. 각 피크에는 화합물의 구조에 언급된 해당 양성자 수가 태그되어 해당 신호를 발생시키는 책임이 있습니다.
CDCl3 는 이 영역에서 두드러진 신호를 전달하는 H-원자가 없기 때문에 전자기 스펙트럼의 NMR 영역(즉, 무선 주파수 영역)에 투명하므로 중수소화 형태의 시료 준비를 위한 용매로 사용됩니다. 적용된 자기장을 방해하지 않으며 본질적으로 완전히 불활성입니다. 그러나 NMR 용매의 중수소화가 정확히 100%까지 도달할 수 없기 때문에 이 용매에 해당하는 피크(1H NMR 스펙트럼의 경우 약 7.26ppm으로 나타남)를 제거할 수 없습니다. 그러나 나타나는 피크는 일반적으로 유의하지 않으며 CDCl3 의 빈 스펙트럼을 실행하고 그에 따라 필요한 피크를 적분하여 완전히 제거할 수 있습니다. 이러한 설정은 기기 내에서 직접 또는 특정 소프트웨어(예: NMRium 등)를 사용하여 수행할 수 있습니다. 샘플이 완전히 건조되지 않은 경우 물의 피크 특성이 스펙트럼에서 두드러지게 나타날 수 있습니다. 또한, CDCl3 및 기타 중수소화 용매는 또한 일정량의 물을 함유할 수 있으며, 이에 따라 물의 존재에 기인하는 피크를 부여할 수 있습니다. 여기서 이 문제는 샘플을 적절하게 건조하고 NMR 용매를 실온에 유지하고 투명 필름으로 덮음으로써 해결되었습니다. 경우에 따라 탄산칼륨 또는 황산나트륨과 같은 특정 불활성 건조제를 사용하여 CDCl3 병에 존재하는 수분 함량을 제거하기도 합니다.
IL의 FTIR 스펙트럼(그림 5)은 3051cm-1, 2917cm-1 및 2853cm-1의 진동 대역을 나타낼 것으로 예상되며, 이는 방향족 고리 및 알킬 탄소에 존재하는 C-H 스트레칭 진동에 해당하는 최대 강도입니다. 3440cm-1의 넓은 어깨는 N-H 스트레칭 진동에 해당합니다. 1357cm-1에서 관찰되는 또 다른 어깨 밴드는 C-N 결합으로 인해 발생하는 스트레칭 진동의 특징입니다. 820 cm-1,770 cm-1 및 710 cm-1의 주목할만한 밴드는 평면 외 C-H 굽힘 진동과 관련이 있습니다. 1155cm-1의 피크는 평면 내 C-H 굽힘 진동에 따라 다릅니다. 방향족 링에서 우세한 C-C 스트레칭 진동은 1468 cm-1, 1520 cm-1 및 1585 cm-1에서 볼 수 있는 피크에 의해 검증됩니다. 이와 같이 얻어진 결과는 Sharma et al.13에 의해 이전에 보고된 데이터와 비교할 수 있으며, 따라서 원하는 화합물의 형성을 확인한다.
ADMET 분석을 통해 얻은 결과를 표 1에 표로 정리하였다. [C16quin]Br의 생의학적 잠재력은 C. albicans 균주에 대한 well diffusion assay를 사용하여 조사되었습니다(그림 6). 이 기술은 화합물의 적용 부위 주변의 성장 억제 영역을 측정하여 IL의 항균 효능을 평가합니다. [C16quin]Br은 C. albicans에 대해 통계적으로 뚜렷한 항균 효과(p < 0.05)를 나타내어 이 부류의 IL을 생물 의학 분야에서 매우 강력하고 효과적으로 만드는 것으로 관찰되었습니다.
반응의 수율 퍼센트
반응의 이론적 수율은 채택된 반응 방식에 따라 다음과 같이 계산할 수 있습니다(그림 2).
계획에서, 1 M 퀴놀린은 1 M의 1-헥사데실퀴놀린-1-이움 브로마이드의 형성, 즉 129.16 g/mol 퀴놀린 = 434 g/mol [C16quin]Br. 따라서,
퀴놀린
12.916g(0.1몰)×12.916= 43.4g
따라서 반응의 이론적 수율은 43.4g입니다.
그렇지만
% 수율 =
×100
본 연구에서 얻어진 생성물의 완전 건조 후 반응의 실제 수율은 37.84g인 것으로 확인되었다.
따라서
% 수율 =
× 100 = 87.188 % (87 %)
또한 현재 시나리오에서 볼 수 있듯이 더 긴 반응 시간은 반응 시스템이 Gibbs 자유 에너지를 최소화하면서 시스템의 엔트로피를 최대화하는 완전한 열역학적 평형을 달성할 수 있도록 하는 데 적합합니다. 이것은 결국 반응의 수율을 최대화합니다. 그러나 반응 조건은 매우 온화하므로 전체 반응물이 생성물로 성공적으로 전환되었는지 확인하기 위해 연장된 반응 시간이 필요합니다. 여기서 반응 시간은 반복된 실용주의를 통해 최적화됩니다.

그림 1: 반응 설정. 이 그림은 반응 설정의 일반 회로도를 보여줍니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 2: 합성 메커니즘. 합성 공정과 관련된 반응 체계의 개략적인 표현. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3: 예상 1HNMR. [C16quin]Br의 1HNMR 스펙트럼 표현. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 4: 13CNMR 예상. [C16quin]Br의 13C NMR 스펙트럼 표현. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 5: 예상 IR 스펙트럼. [C16quin]Br의 IR 스펙트럼 표현. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 6: 항진균 연구. 디스크 확산 분석은 IL 0.1mM 50μL를 첨가하여 수행되었으며, 이는 [C16quin]Br의 항진균 잠재력을 나타냅니다 . 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
| 재산 | 값 | 주석 | |
| 리핀스키 법칙 | 허용 | MW ≤ 500; 로그 P ≤ 5; H-수용체 ≤ 10; H-기증자 ≤ 5. 두 가지 속성이 범위를 벗어나거나 흡수 또는 투과성이 좋지 않을 수 있는 경우 하나가 허용됩니다. | |
| 위장 흡수 | 높다 | 경구 투여의 효능 향상 | |
| 수용성 | 온화한 | compund의 약 운반 능력을 강화합니다 | |
| 생체이용률 점수 | 0.55 (55%) | 화합물의 치료 잠재력에 영향을 미칩니다. | |
표 1: ADMET 분석. 합성된 IL의 생물학적 잠재력을 검증하기 위해 고려해야 할 중요한 특성을 나타내는 표입니다.
최근 IL은 단백질 재접힘/샤페론 활성, 약물 전달 수단 및/또는 여러 유기 반응에서의 촉매를 포함하여 생화학 과학 분야에서 다양한 유망한 구현을 공개했습니다. 조정 가능성, 생체 적합성, 용해성, 지속 가능성, 안정성 등과 같은 흥미로운 물리화학적 특성으로 인해 새로운 치료제 개발을 위한 잠재적인 후보가 되었습니다20. 제안된 연구는 항생제 내성을 심각한 우려 사항이자 오늘날 세계 보건, 식량 안보 및 개발에 대한 가장 큰 위협 중 하나로 시각화하고 생물 의학 분야에서 새로운 제약 화합물의 연구 및 개발을 우선시합니다. 생물 의학 산업에 적용하기 위해 퀴놀린 기반 IL을 선택함에 있어 당사는 병원성 미생물 파괴에 대한 퀴놀린 기반 IL의 높은 효능을 인식하고 있습니다. 이 종류의 화합물의 항균 효과 외에도 인공 샤페론 활성은 과학 세계의 생물 물리학적 측면에서 장점을 높입니다.
이 연구에서는 보다 친환경적인 반응 경로를 사용하여 원하는 IL을 성공적으로 합성했습니다. 독성 용매의 활용에 의존하는 기존 방법론과 달리, 유해한 가스 부산물21을 진화시키는 여기에서, 우리는 동일한 것의 합성을 위한 보다 경제적이고 친환경적이며 무용제 접근 방식을 보고합니다. 이 프로토콜에는 용이한 반응 설정 및 간단한 장치의 활용이 포함되며, 원하는 화합물의 강력한 실험실 합성을 용이하게 합니다. 여기에서 조달된 제품은 간단한 여과 기술을 통해 쉽게 분리할 수 있습니다. 반응 과정 전반에 걸쳐 실질적인 부산물이 형성되지 않으면 합성의 친환경적 측면이 더욱 촉진됩니다. 이 연구에서 사용된 기술은 화학적 수율과 원하는 화합물의 순도 측면에서 모두 효율적인 것으로 입증되었습니다. 그렇지 않았다면 다단계 반응이 시간과 자원을 줄이려는 의도로 단일 냄비에서 이루어졌습니다. 이 기술은 일반적인 유기 합성과 관련된 장기간의 분리 및 정제 단계를 제거하기 위해 채택되었습니다.
그러나 위에서 언급한 프로토콜에 수반되는 제한 사항에는 반응 조건(특히 온도)의 호환성을 철저히 관리하고 불활성 작업 환경을 수동으로 영속시키기 위해 N2 가스의 적절한 퍼징을 보장하는 것이 포함됩니다. 각 개별 단계의 적절한 실행을 위해 적시에 반응 환경을 제어하고 모니터링하는 것이 중요합니다. 확장성은 제안된 프로토콜에 대한 또 다른 가능한 장애물이 될 수 있는데, 이는 산업적 목적을 위한 원팟 합성을 확장하는 것은 균질 혼합 및 각 반응 파라미터에 대한 제어와 관련된 문제로 인해 매우 까다로울 수 있기 때문입니다.
결론적으로, 보고된 방법론은 녹색 화학의 강력한 전략으로, 반응 경로를 설계, 실행 및 최적화하는 동안 꼼꼼하게 다루고 숙고해야 하는 고유한 일련의 과제와 함께 몇 가지 이점을 제공합니다.
저자는 밝힐 것이 없습니다.
저자는 ICMR, Government of India, Delhi-110029 [No./ICMR/ 52/06/2022-BIO/BMS]에서 받은 보조금의 재정적 지원에 감사드립니다. 저자들은 또한 분석적 도움을 확대해 준 델리 대학교의 USIC(University Science & Instrumentation facility)에 감사의 뜻을 전합니다. Kajal Sharma는 INSPIRE 제도(IF200397)를 통해 과학기술부로부터 받은 재정 지원을 인정합니다.
| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 1-브로모헥사데칸 | Merck | CAS no.112-82-3 | 95% 순수(HPLC 분석에 의해 결정) |
| 에틸 아세테이트 | Merck | CAS 번호 205-500-4 | 95% 순수(HPLC 분석에 의해 결정) |
| 핵 자기 공명(NMR) 분광계 | Jeol, 모델: JNM-ECZ 400S | Nil | Nil |
| Quinoline | Merck | CAS no.91-22-5 | 95% 순수(HPLC에 의해 결정) 분석) |
| 톨루엔 | 머크 | CAS 번호 108-88-3 | 순도 95% (HPLC 분석에 의해 결정) |
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