Síntese Verde de Líquido Iônico à Base de Quinolina

Resumo

No presente trabalho, elucidamos a síntese verde do líquido iônico (IL) à base de quinolina, ou seja, brometo de 1-hexadecilquinolina-1-ium {[C₁₆quin]Br} misturando quinolina com um excesso de 1-bromohexadecano, juntamente com sua caracterização detalhada usando medidas espectroscópicas de ressonância magnética nuclear e infravermelho.

Resumo

A ameaça cada vez maior da Resistência Antimicrobiana (RAM) põe em risco a potência dos antibióticos predominantes contra as infecções implacavelmente geradas por bactérias, vírus, parasitas e fungos, representando uma grande ameaça à saúde e ao bem-estar humanos. Nesse sentido, várias novas moléculas provaram sua coragem, sendo os Líquidos Iônicos (ILs) uma das alternativas mais ecológicas, não voláteis e termicamente estáveis aos antimicrobianos existentes, possuindo alto potencial de solvatação e baixa pressão de vapor. Além disso, a utilização dessas entidades tanto na estabilização quanto na desestabilização de estruturas proteicas e no aumento da atividade enzimática aumentou ainda mais seu potencial na indústria biomédica. Com isso em vista, apresentamos a síntese e caracterização verde da IL à base de quinolina, devido à sua imensa potência antimicrobiana, com baixa citotoxicidade e grande atividade de chaperona artificial. Aqui, manobrar a abordagem de síntese de um pote em condições de reação mais ecológicas e sem solventes não apenas melhorou a eficiência da reação, mas também aumentou o rendimento químico. A pureza do IL sintetizado foi corroborada usando ressonância magnética nuclear (RMN) de 1H, RMN de 13C e espectroscopia de infravermelho (IR). O potencial biológico do composto sintetizado é ainda validado pela análise de suas propriedades de Absorção, Distribuição, Metabolismo, Excreção e Toxicidade (ADMET) e autenticado usando ensaio de difusão em disco.

Introdução

O crescimento monumental da população mundial é responsável por um tremendo incremento no consumo de uma vasta gama de mercadorias nos últimos anos, incluindo alimentos, medicamentos, bem como outros produtos cruciais para o sustento dos organismos mortais. Isso revigorou a busca por novos compostos químicos com propriedades excepcionalmente especializadas, ecologicamente corretas e benéficas em todo o mundo. Os líquidos iônicos (ILs) provaram ser felizes nesse aspecto. A implicação desses compostos no domínio científico tem reforçado novos empreendimentos na pesquisa em tecnologias químicas contemporâneas¹. Em contraste com as abordagens convencionais, a utilização de LIs não apenas facilita as condições de reação progressiva, mas também promove uma estratégia personalizada para enfrentar vários desafios bioquímicos relacionados à pesquisa e desenvolvimento experimental².

Tipicamente, os ILs são sais estáveis que constituem cátions (orgânicos) e ânions (inorgânicos), possuindo um ponto de fusão abaixo de 100 °C³. Respeitando os 12 princípios da química verde, empiricamente, estes são substitutos convincentes para os solventes orgânicos habituais⁴. As propriedades surpreendentes associadas à utilização desses compostos abrangem grande condutividade intrínseca, polaridade, tendência de solvatação, estabilidade térmica, não volatilidade, acidez / basicidade, hidrofilicidade / hidrofobicidade e sintonia, tornando os ILs mais adequados para pesquisas experimentais⁵.

Além das aplicações expansivas de várias classes de ILs na síntese orgânica moderna⁶, catálise⁷ e vários processos eletroquímicos envolvendo sensores⁸, atuadores⁹, baterias¹⁰ e células de combustível¹¹, nos últimos anos, essa classe de compostos recebeu um reconhecimento importante no campo da biomedicina à luz da AMR. As provações atuais revelam que as LIs à base de imidazólio, piridina, colina e pirrol são extremamente eficazes como agentes terapêuticos devido à sua alta carga e hidrofobicidade¹². No entanto, as contrapartes à base de quinolina ainda são consideradas mais potentes contra os micróbios patogênicos¹². Aplicações biomédicas adicionais que acompanham esta classe de ILs incluem atividade de chaperona artificial¹³, citotoxicidade contra células cancerígenas¹⁴ , bem como uma excelente capacidade de transporte de drogas¹⁵.

Convencionalmente, a fabricação de LIs envolve a utilização de meios solventes altamente tóxicos, como diclorometano, benzeno, tetracloreto de carbono, dicloroetileno, ^etc.16, dificultando a biocompatibilidade e elevando a toxicidade do composto, tornando-os indesejáveis para uso biológico. Além disso, o uso de solventes nocivos nos meios de reação não apenas retarda o tempo de reação, mas também aumenta a produção não intencional de subprodutos residuais liberados no meio ambiente¹⁷. Além disso, o dissolvente utilizado no meio de reação também influencia o pH do produto final; portanto, sua remoção no final da reação é vital, especialmente quando o composto desejado se destina a ser usado para sistemas biológicos relacionados a proteínas. Portanto, evitar o uso de tal solvente é favorável no campo da química verde.

Neste estudo, relatamos a síntese de um pote de um¹³ IL biocompatível e não tóxico, a saber, brometo de 1-hexadecilquinolina-1-ium, usando uma rota mais verde. A presente estratégia omite a utilização de um solvente molecular, alavancando a capacidade de autosolvatação do IL formado dentro da mistura de reação, promovendo alta eficiência de reação e rendimento químico. A reação de Menschutkin¹⁸forma a base da atual metodologia de síntese. A pureza do composto sintetizado é testada usando espectroscopia de RMN e IR. O perfil farmacocinético do composto e a toxicidade foram investigados por meio dos estudos ADMET. Além disso, o potencial antimicrobiano da IL sintetizada contra a cepa patogênica de Candida albicans também foi demonstrado no estudo.

Protocolo

NOTA: O brometo de 1-hexadecilquinolina-1-ium {[C₁₆quin]Br} foi sintetizado conforme descrito anteriormente por Sharma et ^al.13.

1. Preparação e esterilização de aparelhos de vidro

NOTA: Isso deve ser feito pelo menos 1 dia antes de configurar a reação para a síntese do composto desejado.

1. Lave bem um balão de fundo redondo (RB) de 24/29 mL, 250 mL, juntamente com outros aparelhos de vidro, como cilindros medidores, etc., e enxágue com água destilada seguida de acetona.
2. Secar o aparelho lavado numa estufa de ar quente a 60 °C até que esteja completamente seco para posterior utilização.
   NOTA: Normalmente, o aparelho lavado deve ser colocado durante a noite em um forno de secagem para remover completamente o filme de água e garantir que o sistema de reação esteja livre de impurezas.

2. Configurando o aparelho

NOTA: O aparelho deve ser clamped corretamente para garantir o aquecimento uniforme dos reagentes. O diagrama esquemático da configuração da reação é demonstrado na Figura 1.

1. Coloque um banho de óleo em uma placa quente com um agitador magnético. Pré-aqueça o banho de óleo a 80 °C antes do início da reação.
2. Deixe o RB em um banho de óleo usando um suporte de retorta de tubo de forma que fique meio imerso no banho de óleo colocado em uma placa quente com agitador magnético.
3. Selar a boca superior do RB com uma rolha que constitua uma agulha de purga, posteriormente ligada a uma seringa com um balão N₂ ligado a ela.
4. Selar bem o outro gargalo do RB com outra rolha de borracha para evitar a fuga de N₂ do meio de reacção.
5. Pré-aqueça todo o meio a 80 ° C em uma atmosfera inerte mantida por purga de N₂ antes de adicionar os reagentes ao RB.
6. Reabasteça o balão N₂ repetidamente para garantir a inércia do sistema de reação e manter a temperatura durante todo o processo (portanto, o aquecimento em banho de óleo é preferido).

3. Adição dos reagentes ao sistema de reação

1. Despeje 0,1 M de quinolina e 0,105 M de 1-bromohexadecano no sistema de reação sem perturbar o ambiente de reação predefinido.
2. Agite o conteúdo continuamente a 2500-3000 rpm por 3 dias em ambiente inerte e temperatura constante.

4. Purificação/Recristalização do composto

NOTA: Todo o produto não deve ser submetido a recristalização. Em vez disso, a recristalização em lote deve ser eleita para evitar a perda do produto.

1. Dissolver o sólido obtido numa mistura 1:2 de tolueno/etanoato de etilo. Arrefecer esta mistura a -15 °C num congelador (temperatura regulada para -15 °C) e filtrar sob vácuo utilizando um funil de Buchner, ligado a uma bomba de vácuo e a um balão filtrante através de um tubo. Colocar uma membrana filtrante de polipropileno, constituindo um tamanho de poro de 0,45 μm, no funil de Buchner, cobrindo todo o fundo do filtro. Despeje uma pequena quantidade da mistura de solvente através do filtro para criar uma vedação adequada, evitando qualquer tipo de vazamento de ar através da configuração.
2. Lavar o produto filtrado com tolueno frio, deitando o solvente através do funil progressivamente e, em seguida, secando a 70 °C numa estufa de vácuo. Repita este procedimento 2x para garantir a alta pureza do composto desejado.

5. Validando o composto usando espectroscopia de RMN

1. Antes de submeter o composto a ¹H RMN e ¹³C RMN, dissolva-o em clorofórmio deuterado (CDCl₃) medindo 1-10 mg do composto e dissolvendo-o em cerca de 1 mL de CDCl_3.
2. Injete esta mistura em um tubo de RMN usando uma seringa de 1 mL para análise da amostra sob um espectrômetro de RMN. A preparação da amostra é idêntica para ^{RMN de 1}H e ^{RMN de 13}C.

6. Caracterização IR da IL sintetizada

1. Nenhuma preparação de amostra é necessária para obter os espectros de IR do composto.
2. Submeta alguns mg da amostra sólida a um espectrômetro IR para obter uma visão dos diferentes grupos funcionais presentes no composto sintetizado. As leituras foram obtidas conforme demonstrado anteriormente¹⁹.

7. Previsão das propriedades do ADMET

1. Insira os SMILES canônicos do IL desejado no software online gratuito ADMETLAB 2.0 e execute o programa para obter vários parâmetros, reivindicando o potencial biológico do mesmo.

8. Ensaio de difusão em disco demonstrando a aplicação biomédica do IL sintetizado

1. Pré-cultive a cepa fúngica de Candida albicans (ATCC 90028) em caldo de levedura peptona dextrose (YPD) por quase 16 h em uma incubadora agitadora BOD a 37 ° C.
2. Prepare o meio de ágar YPD misturando 1% de extrato de levedura, 2% de peptona, 2% de dextrose e 1,5% de ágar em 1 L de água bidestilada Despeje 25 mL do meio de ágar YPD recém-formado em uma placa de Petri de 90 mm após autoclavá-lo por 15 min a 121 ° C. Deixe as placas intactas para permitir a solidificação adequada do meio.
3. Uma vez que a placa esteja completamente solidificada, espalhe cerca de 100 μL do inóculo fúngico recém-preparado homogeneamente sobre a placa que contém o meio, usando um espalhador de vidro. Deixe as placas intactas por 5-7 min na capela de fluxo laminar.
4. Coloque um disco de papel circular estéril de diâmetro de 5-6 mm no meio da mesma placa, usando uma pinça.
5. Adicionar 50 μL de solução aquosa 0,1 mM da IL sintetizada no disco, gradualmente, com a ajuda de uma pipeta de 20-200 μL.
6. Refrigere a placa por cerca de 30 min para garantir a difusão adequada do IL no ágar. Coloque a placa na incubadora BOD pré-ajustada a 37 °C por 24 h.
7. Meça a zona de inibição (incluindo o diâmetro do disco) usando uma escala de medição e calcule a área sob esta zona de acordo com a equação 1.
   Área = πr² (1)

Resultados

A Figura 2 representa o esquema de reação da reação de Menschutkin envolvida na realização do processo de síntese. O brometo de 1-hexadecilquinolina-1-io, assim sintetizado, foi caracterizado por RMN e espectroscopia de infravermelho. Espera-se que o produto oleoso assim adquirido exiba ^{RMN de 1}H (400 MHz, CDCl₃) a 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), conforme demonstrado na Figura 3. O composto deve mostrar ^{RMN de 13}C (Figura 4; 100 MHz, CDCl₃) a δ 143, 141, 131, 130,27, 130, 127,5, 126,3, 126, 60, 31, 29, 29, 28,5, 27, 23 e 14. Cada pico é marcado com o número de prótons correspondente mencionado na estrutura do composto, responsável por produzir esse sinal.

O CDCl₃ é transparente para a região de RMN (ou seja, a região de radiofrequência) dos espectros eletromagnéticos devido à ausência de átomos de H que transmitem sinais proeminentes nesta região e, portanto, é usado como solvente para preparação de amostras em sua forma deuterada. Não interfere no campo magnético aplicado e é completamente inerte por natureza. No entanto, não é possível eliminar o pico correspondente a este solvente (que aparece em torno de 7,26 ppm para espectros de RMN de 1H), uma vez que a deuterização dos solventes de RMN não pode atingir exatamente 100%. No entanto, o pico que aparece geralmente não é significativo e pode ser completamente removido executando um espectro em branco de CDCl₃ e integrando os picos necessários de acordo. Essas configurações podem ser feitas diretamente no instrumento ou pela utilização de determinado software (como NMRium, etc.). Caso a amostra não esteja perfeitamente seca, o pico característico da água pode aparecer com destaque nos espectros. Além disso, o CDCl₃ e outros solventes deuteriados também podem conter alguma quantidade de água e, assim, transmitir os picos atribuídos à presença de água. Esse problema aqui foi resolvido secando a amostra adequadamente e mantendo o solvente de RMN em temperatura ambiente, coberto com um filme transparente. Em alguns casos, certos agentes secantes inertes, como carbonato de potássio ou sulfato de sódio, também são usados para eliminar o teor de água presente na garrafa de CDCl₃.

Espera-se que os espectros FTIR do IL (Figura 5) demonstrem bandas de vibração em 3051 ^cm-1, 2917 ^cm-1 e 2853 ^cm-1, com intensidade máxima, correspondendo às vibrações de estiramento CH existentes no anel aromático, bem como para carbonos alquil. Um ombro largo a 3440 ^cm-1 corresponde às vibrações de alongamento NH. Outra faixa de ombro observada a 1357 ^cm-1 é característica de vibrações de alongamento decorrentes da ligação CN. Bandas notáveis em 820 ^{cm-1.770 cm-1} e 710 ^cm-1 estão associadas às vibrações de flexão CH fora do plano. O pico a 1155 ^cm-1é específico para as vibrações de flexão CH no plano. As vibrações de estiramento CC predominantes no anel aromático são validadas pelos picos visíveis em 1468 ^cm-1, 1520 ^cm-1 e 1585 ^cm-1. Os resultados assim obtidos são comparáveis com os dados relatados anteriormente por Sharma et ^al.13 e, portanto, confirmam a formação do composto desejado.

Os resultados obtidos por meio da análise ADMET estão tabulados na Tabela 1. O potencial biomédico de [C₁₆quin]Br foi investigado usando um ensaio de difusão de poço contra a cepa de C. albicans (Figura 6). Essa técnica avalia a potência antimicrobiana da IL medindo a zona de inibição do crescimento ao redor do local de aplicação do composto. Observou-se que [C₁₆quin]Br apresentou um efeito antimicrobiano estatisticamente pronunciado (p < 0,05) contra C. albicans, tornando esta classe de LIs altamente potente e eficaz no campo da biomedicina.

Rendimento percentual da reação
O rendimento teórico da reação pode ser calculado da seguinte forma, de acordo com o esquema de reação adotado (Figura 2).

A partir do esquema, 1 M de quinolina leva à formação de 1 M de brometo de 1-hexadecilquinolina-1-io, ou seja, 129,16 g / mol de quinolina = 434 g / mol [C₁₆quin]Br. Portanto,

12,916 g (0,1 moles) de quinolina ×12,916= 43,4 g

Assim, o rendimento teórico da reação é de 43,4 g.

Contudo

% rendimento = ×100

No presente estudo, o rendimento real da reação foi de 37,84 g após a secagem completa do produto obtido.

Daqui

% de rendimento = ×100 = 87,188% (87%)

Além disso, o tempo de reação mais longo, como visto no presente cenário, é pertinente para permitir que o sistema de reação atinja o equilíbrio termodinâmico completo, onde a entropia do sistema é maximizada enquanto minimiza a energia livre de Gibbs. Isso eventualmente maximiza o rendimento da reação. No entanto, as condições de reação são bastante suaves e, portanto, requerem um tempo de reação prolongado para garantir que todo o reagente tenha sido convertido com sucesso no produto. O tempo de reação, aqui, é otimizado após pragmatismo repetido.

Figura 1: Configuração da reação. A figura exibe os esquemas gerais da configuração da reação. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2: Mecanismo de síntese. Representação esquemática do esquema de reação envolvido no processo de síntese. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3: RMN esperada ^{de 1}h. Representação dos espectros de RMN de ¹H de [C₁₆quin]Br. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 4: ^{Esperado 13}CNMR. Representação dos espectros de RMN de ¹³C de [C₁₆quin]Br. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 5: Espectros IR esperados. Representação dos espectros IR de [C₁₆quin]Br. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 6: Estudo antifúngico. O ensaio de difusão em disco foi realizado pela adição de 50 μL de 0,1 mM do IL, representando o potencial antifúngico de [C₁₆quin]Br. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Propriedade	Valor	Comentário
Regra de Lipinski	Aceitado	MW ≤ 500; log P ≤ 5; Aceptor H ≤ 10; Doador H ≤ 5. Se duas propriedades estiverem fora do intervalo, uma má absorção ou permeabilidade é possível, uma é aceitável.
Absorção gastrointestinal	Alto	Eficácia aumentada da administração oral
Solubilidade em água	Moderado	Aumenta a capacidade de transporte de medicamentos do composto
Pontuação de biodisponibilidade	0.55 (55%)	Influencia o potencial terapêutico do composto

Tabela 1: Análise ADMET. Tabela representando as propriedades importantes a serem consideradas para validar o potencial biológico da IL sintetizada.

Discussão

Ultimamente, os ILs têm divulgado várias implementações promissoras no campo das ciências bioquímicas, incluindo atividade de redobramento de proteínas/chaperonas, veículos de entrega de medicamentos e/ou catalisadores em várias reações orgânicas. Suas intrigantes propriedades físico-químicas, como sintonia, biocompatibilidade, solubilidade, sustentabilidade, estabilidade, etc., os tornaram potenciais candidatos para o desenvolvimento de novos agentes terapêuticos²⁰. A pesquisa proposta visualiza a RAM como uma questão de grande preocupação e uma das maiores ameaças à saúde global, segurança alimentar e desenvolvimento hoje, priorizando a busca da pesquisa e desenvolvimento de novos compostos farmacêuticos no campo da ciência biomédica. Ao escolher o IL à base de quinolina para aplicação na indústria biomédica, reconhecemos sua alta potência na destruição de micróbios patogênicos. Além do efeito antimicrobiano dessa classe de compostos, sua atividade de chaperona artificial aumenta seu mérito no aspecto biofísico do mundo científico.

Neste estudo, sintetizamos com sucesso o IL desejado usando uma rota de reação mais verde. Em contraste com as metodologias convencionais que dependem da utilização de solventes tóxicos, evoluindo subprodutos gasosos nocivos²¹, relatamos aqui uma abordagem mais econômica, ecológica e livre de solventes para a síntese dos mesmos. O protocolo envolve a utilização de uma configuração de reação fácil e um aparelho simples, facilitando a síntese laboratorial robusta do composto desejado. O produto adquirido aqui pode ser isolado sem esforço através de uma técnica de filtração simples. A formação de subprodutos não substanciais ao longo da reação promove ainda mais os aspectos mais verdes da síntese. A técnica utilizada neste estudo mostrou-se eficiente tanto em termos de rendimento químico quanto de pureza do composto desejado. A reação de várias etapas foi provocada em um único pote, com a intenção de reduzir o tempo e os recursos. Esta técnica foi adotada para se livrar dos estágios prolongados de separação e purificação envolvidos na síntese orgânica geral.

No entanto, as limitações que acompanham o protocolo acima mencionado envolvem o gerenciamento completo da compatibilidade das condições de reação (especialmente temperatura) e a garantia da purga adequada do gás N2 para perpetuar um ambiente de trabalho inerte manualmente. É vital controlar e monitorar o ambiente de reação em tempo hábil para a execução adequada de cada etapa individual. A escalabilidade pode ser outro possível impedimento para o protocolo sugerido, uma vez que a ampliação de uma síntese de um pote para fins industriais pode ser extremamente exigente devido às preocupações relacionadas à mistura homogênea, bem como ao controle sobre cada parâmetro de reação.

Conclusivamente, a metodologia relatada é uma estratégia poderosa em química verde, oferecendo vários benefícios, com seu próprio conjunto de desafios que precisam ser meticulosamente abordados e ponderados durante o projeto, execução e otimização das rotas de reação.

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo

Nome	Empresa	Número de catálogo	Comentários
1-bromohexadecano	Merck	CAS no.112-82-3	95% puro (conforme determinado pela análise HPLC)
Acetato de etila	Merck	CAS no. 205-500-4	95% puro (conforme determinado pela análise HPLC
)Espectrômetro de Ressonância Magnética Nuclear (RMN)	Jeol, Modelo: JNM-ECZ 400S	Nil	Nil
Quinolina	Merck	CAS no.91-22-5	95% puro (conforme determinado por HPLC
Tolueno	Merck	CAS nº 108-88-3	95% puro (conforme determinado pela análise HPLC)