In dit werk verduidelijken we de groene synthese van op chinoline gebaseerde ionische vloeistof (IL), namelijk 1-hexadecylquinoline-1-ium bromide {[C16quin]Br} door chinoline te mengen met een overmaat aan 1-broomhexadecaan, samen met de gedetailleerde karakterisering ervan met behulp van nucleaire magnetische resonantie en infraroodspectroscopische metingen.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
Groene synthese van ionische vloeistof op basis van chinoline
In dit artikel
Samenvatting
Samenvatting
De steeds groter wordende dreiging van antimicrobiële resistentie (AMR) brengt de potentie van de heersende antibiotica in gevaar tegen de meedogenloos ontkiemende infecties die worden voortgebracht door bacteriën, virussen, parasieten en schimmels, die een grote bedreiging vormen voor de gezondheid en het welzijn van de mens. In dit opzicht hebben verschillende nieuwe moleculen hun moed bewezen, waarbij ionische vloeistoffen (IL's) een van de meest milieuvriendelijke, niet-vluchtige en thermisch stabiele alternatieven zijn voor de bestaande antimicrobiële stoffen, met een hoog oplossend vermogen en een lage dampdruk. Bovendien heeft het gebruik van deze entiteiten bij zowel het stabiliseren als het destabiliseren van eiwitstructuren en het verbeteren van enzymatische activiteit hun potentieel in de biomedische industrie verder vergroot. Met dit in het achterhoofd presenteren we de groene synthese en karakterisering van op chinoline gebaseerde IL, vanwege zijn immense antimicrobiële potentie, met lage cytotoxiciteit en grote kunstmatige chaperonne-activiteit. Hier verbeterde het manoeuvreren van de eenpotssynthesebenadering in oplosmiddelvrije, groenere reactieomstandigheden niet alleen de reactie-efficiëntie, maar verhoogde het ook de chemische opbrengst. De zuiverheid van het gesynthetiseerde IL werd bevestigd met behulp van 1H Nuclear Magnetic Resonance (NMR), 13C NMR en Infrared (IR) spectroscopie. Het biologisch potentieel van de gesynthetiseerde verbinding wordt verder gevalideerd door de eigenschappen van absorptie, distributie, metabolisme, uitscheiding en toxiciteit (ADMET) te analyseren en te verifiëren met behulp van schijfdiffusietest.
Inleiding
De monumentale groei van de wereldbevolking is verantwoordelijk voor een enorme toename van de consumptie van een breed scala aan goederen in de afgelopen jaren, waaronder voedsel, medicijnen en andere producten die cruciaal zijn voor het levensonderhoud van sterfelijke organismen. Dit heeft de zoektocht naar nieuwe chemische verbindingen met uitzonderlijk gespecialiseerde, ecologisch verantwoorde en heilzame eigenschappen wereldwijd nieuw leven ingeblazen. Ionische vloeistoffen (IL's) zijn in dit opzicht gelukkig gebleken. De implicatie van deze verbindingen in het wetenschappelijke domein heeft nieuwe ondernemingen in het onderzoek naar hedendaagse chemische technologieën versterkt1. In tegenstelling tot de conventionele benaderingen, vergemakkelijkt het gebruik van IL's niet alleen progressieve reactieomstandigheden, maar bevordert het ook een op maat gemaakte strategie om grip te krijgen op verschillende biochemische uitdagingen die verband houden met experimenteel onderzoek en ontwikkeling2.
IL's zijn doorgaans stabiele zouten die kationen (organisch) en anionen (anorganisch) vormen, met een smeltpunt van minder dan 100 °C3. Volgens de 12 principes van de groene chemie zijn dit empirisch gezien overtuigende vervangers voor de gebruikelijke organische oplosmiddelen4. De verbazingwekkende eigenschappen die verband houden met het gebruik van deze verbindingen omvatten een grote intrinsieke geleidbaarheid, polariteit, oplossende neiging, thermische stabiliteit, niet-vluchtigheid, zuurgraad/basiciteit, hydrofiliciteit/hydrofobiciteit en afstembaarheid, waardoor IL's het meest geschikt zijn voor experimenteel onderzoek5.
Afgezien van de uitgebreide toepassingen van verschillende klassen IL's in de moderne organische synthese6, katalyse7 en verschillende elektrochemische processen met sensoren8, actuatoren9, batterijen10 en brandstofcellen11, heeft deze klasse van verbindingen de afgelopen jaren enorme erkenning gekregen op het gebied van biogeneeskunde in het licht van AMR. De huidige proeftijd laat zien dat IL's op basis van imidazolium, pyridine, choline en pyrrol uiterst effectief zijn als therapeutisch middel vanwege hun hoge lading en hydrofobiciteit. Op chinoline gebaseerde tegenhangers worden echter nog steeds beschouwd als het krachtigst tegen de pathogene microben12. Aanvullende biomedische toepassingen die bij deze klasse van IL's horen, zijn onder meer kunstmatige chaperonne-activiteit13, cytotoxiciteit tegen kankercellen14 en een uitstekend vermogen om geneesmiddelen te vervoeren15.
Conventioneel omvat de fabricage van IL's het gebruik van zeer giftige oplosmiddelen zoals dichloormethaan, benzeen, tetrachloorkoolstof, dichloorethyleen, enz.16, waardoor de biocompatibiliteit wordt belemmerd en de toxiciteit van de verbinding wordt verhoogd, waardoor ze ongewenst worden voor biologisch gebruik. Bovendien vertraagt het gebruik van schadelijke oplosmiddelen in de reactiemedia niet alleen de reactietijd, maar verhoogt het ook de onbedoelde productie van afvalbijproducten die in het milieu terechtkomen17. Bovendien beïnvloedt het oplosmiddel dat in de reactiemedia wordt gebruikt ook de pH van het eindproduct; Daarom is de verwijdering ervan aan het einde van de reactie van vitaal belang, vooral wanneer de gewenste verbinding bedoeld is om te worden gebruikt voor eiwitgerelateerde biologische systemen. Daarom is het gunstig om weg te blijven van het gebruik van dergelijk oplosmiddel op het gebied van groene chemie.
In deze studie rapporteren we de eenpotssynthese van een biocompatibele en niet-toxische13 IL, namelijk 1-hexadecylquinoline-1-ium bromide, met behulp van een groenere route. De huidige strategie laat het gebruik van een moleculair oplosmiddel achterwege, waarbij gebruik wordt gemaakt van het zelfoplossend vermogen van het IL dat in het reactiemengsel wordt gevormd, waardoor een hoge reactie-efficiëntie en chemische opbrengst worden bevorderd. Menschutkinreactie18vormt de basis van de huidige synthesemethodologie. De zuiverheid van de gesynthetiseerde verbinding wordt onderzocht met behulp van NMR- en IR-spectroscopie. Het farmacokinetische profiel van de verbinding en de toxiciteit werden onderzocht via de ADMET-studies. Bovendien is het antimicrobiële potentieel van het gesynthetiseerde IL tegen de pathogene Candida albicans-stam ook in de studie aangetoond.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Protocol
OPMERKING: 1-Hexadecylquinoline-1-ium bromide {[C16quin]Br} werd gesynthetiseerd zoals eerder beschreven door Sharma et al.13.
1. Voorbereiding en sterilisatie van glazen apparaten
OPMERKING: Dit moet ten minste 1 dag voorafgaand aan het opzetten van de reactie voor de synthese van de gewenste verbinding worden gedaan.
- Was een 24/29, 250 ml kolf met ronde bodem (RB) grondig, samen met andere glazen apparaten zoals maatcilinders, enz., en spoel af met gedestilleerd water gevolgd door aceton.
- Droog het gewassen apparaat in een heteluchtoven op 60 °C totdat het apparaat volledig droog is voor verder gebruik.
NOTITIE: Gewoonlijk moet het gewassen apparaat een nacht in een droogoven worden geplaatst om de waterfilm volledig te verwijderen en ervoor te zorgen dat het reactiesysteem vrij is van onzuiverheden.
2. Instellen van het apparaat
NOTITIE: Het apparaat moet goed worden vastgeklemd om een gelijkmatige verwarming van de reactanten te garanderen. Het schematische diagram van de reactie-opstelling is weergegeven in figuur 1.
- Plaats een oliebad op een hete plaat met een magnetische roerder. Verwarm het oliebad voor op 80 °C voordat de reactie begint.
- Laat de RB in een oliebad staan met behulp van een buisretortstandaard, zodat deze half ondergedompeld is in het oliebad dat op een hete plaat met magnetische roerder is geplaatst.
- Sluit de bovenste mond van de RB af met een kurk die een spoelnaald vormt, die verder is aangesloten op een spuit met eenN2-ballon eraan.
- Sluit de andere hals van de RB goed af met een andere rubberen kurk om lekkage van N2 uit het reactiemedium te voorkomen.
- Verwarm het gehele medium voor op 80 °C in een inerte atmosfeer die in stand wordt gehouden door N2 spoeling voordat u de reactanten aan de RB toevoegt.
- Vul deN2-ballon herhaaldelijk bij om de inertie van het reactiesysteem te garanderen en de temperatuur gedurende de hele tijd op peil te houden (daarom heeft oliebadverwarming de voorkeur).
3. Toevoeging van de reactanten aan het reactiesysteem
- Giet 0,1 M chinoline en 0,105 M 1-broomhexadecaan in het reactiesysteem zonder de vooraf ingestelde reactieomgeving te verstoren.
- Roer de inhoud continu op 2500-3000 tpm gedurende 3 dagen onder een inerte omgeving en constante temperatuur.
4. Zuivering/herkristallisatie van de verbinding
OPMERKING: Het hele product mag niet opnieuw worden gekristalliseerd. In plaats daarvan moet worden gekozen voor herkristallisatie van batches om verlies van het product te voorkomen.
- Los de verkregen vaste stof op in een mengsel van 1:2 tolueen en ethylethanoaat. Koel dit mengsel af tot -15 °C in een diepvriezer (temperatuur ingesteld op -15 °C) en filtreer onder vacuüm met behulp van een Buchner-trechter, bevestigd aan een vacuümpomp en een filterkolf via een slang. Plaats een polypropyleen filtermembraan met een poriegrootte van 0,45 μm in de Buchner-trechter en bedek de gehele bodem van het filter. Giet een kleine hoeveelheid van het oplosmiddelmengsel door het filter om een goede afdichting te creëren en elke vorm van luchtlekkage door de opstelling te voorkomen.
- Was het gefilterde product met koud tolueen door het oplosmiddel geleidelijk door de trechter te gieten, gevolgd door drogen bij 70 °C in een vacuümoven. Herhaal deze procedure 2x om de hoge zuiverheid van de gewenste verbinding te garanderen.
5. Validatie van de verbinding met behulp van NMR-spectroscopie
- Voordat u de verbinding onderwerpt aan 1H NMR en 13C NMR, lost u deze op in gedeutereerde chloroform (CDCl3) door 1-10 mg van de verbinding af te meten en op te lossen in ongeveer 1 ml CDCl3.
- Injecteer dit mengsel in een NMR-buisje met behulp van een spuit van 1 ml voor analyse van het monster onder een NMR-spectrometer. De monstervoorbereiding is identiek voor zowel 1H NMR als 13C NMR.
6. IR-karakterisering van het gesynthetiseerde IL
- Er is geen monstervoorbereiding nodig om de IR-spectra van de verbinding te verkrijgen.
- Onderwerp een paar mg van het vaste monster aan een IR-spectrometer om inzicht te krijgen in de verschillende functionele groepen die aanwezig zijn in de gesynthetiseerde verbinding. De metingen werden verkregen zoals eerder aangetoond19.
7. Voorspelling van ADMET-eigenschappen
- Voer de canonieke SMILES van de gewenste IL in de gratis online software ADMETLAB 2.0 in en voer het programma uit om verschillende parameters te verkrijgen, die het biologische potentieel ervan rechtvaardigen.
8. Schijfdiffusietest die de biomedische toepassing van het gesynthetiseerde IL aantoont
- Voorcultuur van de schimmelstam van Candida albicans (ATCC 90028) in gistpeptondextrose (YPD) bouillon gedurende bijna 16 uur in een BZV-shaker-incubator bij 37 °C.
- Bereid YPD-agarmedia voor door 1% gistextract, 2% pepton, 2% dextrose en 1,5% agar te mengen in 1 L dubbel gedestilleerd water. Giet 25 ml van het vers gevormde YPD-agarmedium in een petriplaat van 90 mm na 15 minuten autoclaveren bij 121 °C. Laat de platen met rust om een goede stolling van de media mogelijk te maken.
- Zodra de plaat volledig is gestold, verdeelt u met behulp van een glasstrooier ongeveer 100 μl van het vers bereide schimmelinoculum homogeen over de plaat met de media. Laat de platen 5-7 minuten met rust in de laminaire stromingskap.
- Plaats met een pincet een steriele ronde papieren schijf met een diameter van 5-6 mm in het midden van dezelfde plaat.
- Voeg geleidelijk 50 μL 0,1 mM waterige oplossing van het gesynthetiseerde IL toe aan de schijf met behulp van een pipet van 20-200 μL.
- Zet de plaat ongeveer 30 minuten in de koelkast om een goede diffusie van de IL in de agar te garanderen. Plaats de plaat in de BZV-incubator die vooraf is ingesteld op 37 °C gedurende 24 uur.
- Meet de remmingszone (inclusief de diameter van de schijf) met behulp van een meetschaal en bereken de oppervlakte onder deze zone volgens vergelijking 1.
Oppervlakte = πr2 (1)
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Resultaten
Figuur 2 geeft het reactieschema weer van de Menschutkin-reactie die betrokken is bij het tot stand brengen van het syntheseproces. 1-Hexadecylquinolin-1-ium bromide, aldus gesynthetiseerd, werd gekarakteriseerd met behulp van NMR- en IR-spectroscopie. Het aldus verworven olieachtige product zal naar verwachting 1H NMR (400 MHz, CDCl3) vertonen bij 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)...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Discussie
De laatste tijd hebben IL's verschillende veelbelovende implementaties onthuld op het gebied van biochemische wetenschappen, waaronder eiwithervouwing/chaperonne-activiteit, voertuigen voor medicijnafgifte en/of katalysatoren in verschillende organische reacties. Hun intrigerende fysisch-chemische eigenschappen, zoals afstembaarheid, biocompatibiliteit, oplosbaarheid, duurzaamheid, stabiliteit, enz., hebben ze tot potentiële kandidaten gemaakt voor de ontwikkeling van nieuwe therapeutisc...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Openbaarmakingen
De auteurs hebben niets te onthullen.
Dankbetuigingen
Auteurs zijn dankbaar voor de financiële steun van de subsidie die ze hebben ontvangen van ICMR, Government of India, Delhi-110029 [No./ICMR/ 52/06/2022-BIO/BMS]. De auteurs willen ook de University Science & Instrumentation facility (USIC), University of Delhi, bedanken voor het uitbreiden van de analytische hulp. Kajal Sharma erkent de financiële steun die hij heeft ontvangen van het ministerie van Wetenschap en Technologie via het INSPIRE-programma (IF200397).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Materialen
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| 1-broomhexadecaan | Merck | CAS nr.112-82-3 | 95% zuiver (zoals bepaald door HPLC-analyse) |
| Ethylacetaat | Merck | CAS nr. 205-500-4 | 95% zuiver (zoals bepaald door HPLC-analyse) |
| Kernspinresonantie (NMR) spectrometer | Jeol, Model: JNM-ECZ 400S | Niet van toepassing | Niet van toepassing |
| Quinoline | Merck | CAS nr.91-22-5 | 95% zuiver (zoals bepaald door HPLC-analyse) |
| Tolueen | Merck | CAS nr. 108-88-3 | 95% zuiver (zoals bepaald door HPLC-analyse) |
Referenties
- 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).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Herprints en machtigingen
