Zielona synteza cieczy jonowej na bazie chinoliny

Podsumowanie

W niniejszej pracy wyjaśniamy zieloną syntezę cieczy jonowej (IL) na bazie chinoliny, a mianowicie bromku 1-heksadecylochinolino-1-ium {[C₁₆quin]Br} poprzez zmieszanie chinoliny z nadmiarem 1-bromoheksadekanu, wraz z jej szczegółową charakterystyką za pomocą pomiarów magnetycznego rezonansu jądrowego i spektroskopowego podczerwieni.

Streszczenie

Stale rosnące zagrożenie opornością na środki przeciwdrobnoustrojowe (AMR) zagraża skuteczności dominujących antybiotyków przeciwko nieustannie kiełkującym infekcjom wywoływanym przez bakterie, wirusy, pasożyty i grzyby, stanowiąc wielkie zagrożenie dla ludzkiego zdrowia i dobrego samopoczucia. W związku z tym kilka nowych cząsteczek udowodniło swoją siłę, a ciecze jonowe (IL) są jedną z najbardziej przyjaznych dla środowiska, nielotnych i stabilnych termicznie alternatyw dla istniejących środków przeciwdrobnoustrojowych, posiadając wysoki potencjał solwatacyjny, a także niską prężność pary. Co więcej, wykorzystanie tych jednostek zarówno w stabilizowaniu, jak i destabilizowaniu struktur białkowych oraz wzmacnianiu aktywności enzymatycznej jeszcze bardziej zwiększyło ich potencjał w przemyśle biomedycznym. Mając to na uwadze, przedstawiamy zieloną syntezę i charakterystykę IL na bazie chinoliny, ze względu na jej ogromną siłę przeciwdrobnoustrojową, o niskiej cytotoksyczności i doskonałej aktywności sztucznych białek opiekuńczych. W tym przypadku zastosowanie podejścia opartego na syntezie jednogarnkowej w bezrozpuszczalnikowych, bardziej ekologicznych warunkach reakcji nie tylko poprawiło wydajność reakcji, ale także zwiększyło wydajność chemiczną. Czystość zsyntetyzowanego IL potwierdzono za pomocą spektroskopii 1H magnetycznego rezonansu jądrowego (NMR), 13C NMR i spektroskopii w podczerwieni (IR). Potencjał biologiczny zsyntetyzowanego związku jest dalej weryfikowany poprzez analizę jego właściwości wchłaniania, dystrybucji, metabolizmu, wydalania i toksyczności (ADMET) i uwierzytelniany za pomocą testu dyfuzji krążkowej.

Wprowadzenie

Ogromny wzrost światowej populacji powoduje ogromny wzrost konsumpcji szerokiej gamy towarów w ciągu ostatnich kilku lat, w tym żywności, leków, a także innych kluczowych produktów dla utrzymania organizmów śmiertelnych. Ożywiło to poszukiwania nowych związków chemicznych o wyjątkowo wyspecjalizowanych, ekologicznych i korzystnych właściwościach na całym świecie. Ciecze jonowe (IL) okazały się szczęśliwe pod tym względem. Implikacja tych związków w domenie naukowej wzmocniła nowe przedsięwzięcia badawcze w zakresie współczesnych technologii chemicznych¹. W przeciwieństwie do konwencjonalnych podejść, wykorzystanie IL nie tylko ułatwia postępujące warunki reakcji, ale także promuje zindywidualizowaną strategię radzenia sobie z różnymi wyzwaniami biochemicznymi związanymi z eksperymentalnymi badaniami i rozwojem².

Zazwyczaj, ILs to stabilne sole stanowiące kationy (organiczne) i aniony (nieorganiczne), o temperaturze topnienia poniżej 100 °C³. Empirycznie, zgodnie z 12 zasadami zielonej chemii, są one przekonującymi substytutami zwykłych rozpuszczalników organicznych⁴. Zdumiewające właściwości związane z wykorzystaniem tych związków obejmują doskonałą przewodność wewnętrzną, polarność, tendencję do solwatacji, stabilność termiczną, nielotność, kwasowość/zasadowość, hydrofilowość/hydrofobowość i przestrajalność, dzięki czemu IL najlepiej nadają się do badań eksperymentalnych⁵.

Oprócz szerokich zastosowań różnych klas IL w nowoczesnej syntezie organicznej⁶, kataliza^7, oraz różne procesy elektrochemiczne z udziałem czujników⁸, siłowniki⁹, baterie¹⁰, oraz ogniwa paliwowe¹¹, w ciągu ostatnich kilku lat ta klasa związków zyskała doniosłe uznanie w dziedzinie biomedycyny w świetle oporności na środki przeciwdrobnoustrojowe. Obecne badania wykazały, że IL oparte na imidazolimie, pirydynie, cholinie i pirolu są niezwykle skuteczne jako środki terapeutyczne ze względu na ich wysoki ładunek i hydrofobowość¹². Jednak ich odpowiedniki na bazie chinoliny są nadal uważane za najsilniejsze w walce z drobnoustrojami chorobotwórczymi¹². Dodatkowe zastosowania biomedyczne towarzyszące tej klasie IL obejmują aktywność sztucznych białek opiekuńczych¹³, cytotoksyczność wobec komórek rakowych^14, a także doskonałą zdolność przenoszenia leków¹⁵.

Konwencjonalnie, produkcja ILs wiąże się z użyciem wysoce toksycznych rozpuszczalników, takich jak dichlorometan, benzen, czterochlorek węgla, dichloroetylen, itp.¹⁶, utrudniając biokompatybilność i podnosząc toksyczność związku, czyniąc je niepożądanymi do użytku biologicznego. Dodatkowo, stosowanie szkodliwych rozpuszczalników w pożywkach reakcyjnych nie tylko spowalnia czas reakcji, ale także zwiększa niezamierzoną produkcję odpadów ubocznych uwalnianych do środowiska¹⁷. Co więcej, rozpuszczalnik stosowany w pożywce reakcyjnej wpływa również na pH produktu końcowego; W związku z tym jego usunięcie pod koniec reakcji jest niezbędne, zwłaszcza gdy pożądany związek ma być stosowany w systemach biologicznych związanych z białkami. W związku z tym trzymanie się z dala od stosowania takiego rozpuszczalnika jest korzystne w dziedzinie zielonej chemii.

W tym badaniu opisujemy jednoetapową syntezę biokompatybilnego i nietoksycznego ¹³ IL, a mianowicie bromku 1-hekadecylochinolino-1-ium, używając bardziej ekologicznej metody. Obecna strategia pomija wykorzystanie rozpuszczalnika molekularnego, wykorzystując zdolność samosolwatowania IL utworzonego w mieszaninie reakcyjnej, promując wysoką wydajność reakcji i wydajność chemiczną. Menschutkin reaction¹⁸stanowi podstawę obecnej metodologii syntezy. Czystość zsyntetyzowanego związku bada się za pomocą spektroskopii NMR i IR. Profil farmakokinetyczny związku i jego toksyczność badano w badaniach ADMET. Ponadto w badaniu wykazano również potencjał przeciwdrobnoustrojowy zsyntetyzowanego IL wobec patogennego szczepu Candida albicans.

Protokół

UWAGA: bromek 1-heksadecylochinolino-1-ium{[C₁₆quin]Br} został zsyntetyzowany zgodnie z wcześniejszym opisem Sharma et al.¹³.

1. Przygotowanie i sterylizacja aparatury szklanej

UWAGA: Powinno to być zrobione co najmniej 1 dzień przed przygotowaniem reakcji do syntezy pożądanego związku.

1. Dokładnie umyj kolbę okrągłodenną (RB) o pojemności 24/29 ml i 250 ml wraz z innymi szklanymi urządzeniami, takimi jak cylindry miarowe itp., a następnie spłucz wodą destylowaną, a następnie acetonem.
2. Wysuszyć umyte urządzenie w suszarce z gorącym powietrzem w temperaturze 60 °C, aż urządzenie całkowicie wyschnie do dalszego użytku.
   UWAGA: Zazwyczaj umyte urządzenie należy umieszczać na noc w suszarce, aby całkowicie usunąć film wodny i upewnić się, że system reakcyjny jest wolny od zanieczyszczeń.

2. Ustawianie aparatury

UWAGA: Aparatura powinna być odpowiednio zaciśnięta, aby zapewnić równomierne podgrzewanie reagentów. Schemat ideowy układu reakcji jest pokazany na Rysunek 1.

1. Umieść kąpiel olejową na płycie grzejnej z mieszadłem magnetycznym. Przed rozpoczęciem reakcji podgrzać łaźnię olejową do temperatury 80 °C.
2. Pozostawić RB w kąpieli olejowej za pomocą stojaka retortowego z rurką w taki sposób, aby był do połowy zanurzony w kąpieli olejowej umieszczonej na płycie grzejnej z mieszadłem magnetycznym.
3. Uszczelnić górny otwór RB korkiem stanowiącym igłę do przeczyszczania, następnie połączoną ze strzykawką z przymocowanym do niej balonem_N2.
4. Uszczelnić szczelnie drugą szyjkę RB za pomocą innego gumowego korka, aby uniknąć wycieku N₂ z pożywki reakcyjnej.
5. Podgrzej całe podłoże do temperatury 80 °C w atmosferze obojętnej utrzymywanej przez przedmuchiwanie_N2 przed dodaniem reagentów do RB.
6. Kilkakrotnie napełniać balon_N2, aby zapewnić bezwładność układu reakcyjnego i utrzymać temperaturę przez cały czas (stąd preferowane jest ogrzewanie w kąpieli olejowej).

3. Dodawanie reagentów do układu reakcyjnego

1. Wlać 0,1 M chinoliny i 0,105 M 1-bromoheksadekanu do układu reakcyjnego bez naruszania zadanego środowiska reakcji.
2. Mieszaj zawartość w sposób ciągły z prędkością 2500-3000 obr./min przez 3 dni w obojętnym środowisku i stałej temperaturze.

4. Oczyszczanie/rekrystalizacja związku

UWAGA: Cały produkt nie powinien być poddawany ponownej krystalizacji. Zamiast tego należy wybrać rekrystalizację partii, aby uniknąć strat produktu.

1. Otrzymaną substancję stałą rozpuścić w mieszaninie toluenu i etanianu etylu w stosunku 1:2. Schłodzić tę mieszaninę do temperatury -15 °C w głębokiej zamrażarce (temperatura ustawiona na -15 °C) i przefiltrować pod próżnią za pomocą lejka Buchnera, podłączonego do pompy próżniowej i kolby filtracyjnej przez rurkę. Umieścić polipropylenową membranę filtracyjną o wielkości porów 0,45 μm w lejku Buchnera, zakrywając całe dno filtra. Wlej niewielką ilość mieszaniny rozpuszczalników przez filtr, aby stworzyć odpowiednie uszczelnienie, zapobiegając wszelkim wyciekom powietrza przez zestaw.
2. Przefiltrowany produkt umyć zimnym toluenem, stopniowo przelewając rozpuszczalnik przez lejek, a następnie wysuszyć w temperaturze 70 °C w piecu próżniowym. Powtórz tę procedurę 2x, aby zapewnić wysoką czystość pożądanego związku.

5. Walidacja związku za pomocą spektroskopii NMR

1. Przed poddaniem związku działaniu ¹H NMR i ¹³C NMR należy go rozpuścić w deuterowanym chloroformie (CDCl₃), odmierzając 1-10 mg związku i rozpuszczając go w około 1 ml CDCl_3.
2. Wstrzyknąć tę mieszaninę do probówki NMR za pomocą strzykawki o pojemności 1 ml do analizy próbki pod spektrometrem NMR. Przygotowanie próbki jest identyczne zarówno dla ¹H NMR, jak i ¹³C NMR.

6. Charakterystyka IR zsyntetyzowanego IL

1. Nie jest wymagane przygotowanie próbki do uzyskania widm IR związku.
2. Poddaj kilka mg próbki stałej spektrometrowi IR, aby uzyskać wgląd w różne grupy funkcyjne obecne w zsyntetyzowanym związku. Odczyty uzyskano, jak pokazano wcześniej¹⁹.

7. Przewidywanie właściwości ADMET

1. Wprowadź kanoniczne SMILES żądanego IL do bezpłatnego oprogramowania online ADMETLAB 2.0 i uruchom program, aby uzyskać różne parametry, potwierdzając ich potencjał biologiczny.

8. Test dyfuzji krążków demonstrujący biomedyczne zastosowanie zsyntetyzowanego IL

1. Wstępną hodowlę szczepu grzyba Candida albicans (ATCC 90028) w bulionie dekstrozy peptonowej (YPD) drożdży przez prawie 16 godzin w inkubatorze z wytrząsarką BZT w temperaturze 37 °C.
2. Przygotuj podłoże agarowe YPD, mieszając 1% ekstraktu drożdżowego, 2% peptonu, 2% dekstrozy i 1,5% agaru w 1 litrze podwójnie destylowanej wody. Wlać 25 ml świeżo uformowanej pożywki agarowej YPD do 90 mm płytki Petriego po autoklawowaniu przez 15 minut w temperaturze 121 °C. Pozostawić płytki w spokoju, aby umożliwić prawidłowe zestalenie podłoża.
3. Po całkowitym zestaleniu się płytki rozprowadzić około 100 μl świeżo przygotowanego inokulum grzybowego jednorodnie na płytce zawierającej pożywkę, używając szklanego rozsiewacza. Pozostaw płytki w spokoju przez 5-7 minut w okapie z przepływem laminarnym.
4. Umieść sterylny okrągły krążek papierowy o średnicy 5-6 mm na środku tej samej płytki za pomocą kleszczy.
5. Stopniowo dodawać 50 μl 0,1 mM wodnego roztworu zsyntetyzowanego IL na krążek za pomocą pipety o pojemności 20-200 μl.
6. Wstaw płytkę do lodówki na około 30 minut, aby zapewnić prawidłową dyfuzję IL do agaru. Umieścić płytkę w inkubatorze BZT nastawionym na 37 °C na 24 godziny.
7. Zmierzyć strefę zahamowania (łącznie ze średnicą tarczy) za pomocą skali pomiarowej i obliczyć obszar pod tą strefą zgodnie z równaniem 1.
   Powierzchnia = πr² (1)

Wyniki

Rysunek 2 przedstawia schemat reakcji Menschutkina wykorzystanej w procesie syntezy. Tak zsyntetyzowany bromek 1-heksadecylchinaliniowy został scharakteryzowany za pomocą spektroskopii NMR i IR. Otrzymany w ten sposób oleisty produkt powinien wykazywać sygnały w widmie ¹H NMR (400 MHz, CDCl₃) przy 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), co przedstawiono na

Dyskusja

Ostatnio IL ujawniły różne obiecujące zastosowania w dziedzinie nauk biochemicznych, w tym refałdowanie białek/aktywność opiekuńczą, nośniki dostarczania leków i/lub katalizatory w kilku reakcjach organicznych. Ich intrygujące właściwości fizykochemiczne, takie jak przestrajalność, biokompatybilność, rozpuszczalność, trwałość, stabilność itp., uczyniły je potencjalnymi kandydatami do opracowania nowych środków terapeutycznych²⁰. Proponowane badania wizualizują oporność na środki przeciwdrobnoustro...

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
1-bromoheksadekan	Merck	nr CAS 112-82-3	95% czystości (zgodnie z analizą HPLC)
octan etylu	Merck	nr CAS 205-500-4	95% czystości (zgodnie z analizą HPLC)
spektrometr magnetycznego rezonansu jądrowego (NMR)	Jeol, model: JNM-ECZ 400S	Nil
Nil Chinolina	Merck	nr CAS 91-22-5	95% czystości (zgodnie z oznaczeniem HPLC analiza)
Toluen	Merck	nr CAS 108-88-3	czystości 95% (zgodnie z analizą HPLC)

o