В настоящей работе мы проливаем свет на зеленый синтез ионной жидкости (ИЛ) на основе хинолина, а именно 1-гексадецилхинолхинолина-1-иумия бромида {[C16quin]Br} путем смешивания хинолина с избытком 1-бромогексадекана, а также его детальную характеристику с помощью ядерного магнитного резонанса и инфракрасных спектроскопических измерений.
Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.
Методическая статья
Зеленый синтез ионной жидкости на основе хинолина
В этой статье
Краткое содержание
Аннотация
Постоянно растущая угроза устойчивости к противомикробным препаратам (УПП) ставит под угрозу эффективность преобладающих антибиотиков в борьбе с неумолимо прорастающими инфекциями, порожденными бактериями, вирусами, паразитами, а также грибками, что представляет серьезную угрозу для здоровья и благополучия человека. В этом отношении несколько новых молекул доказали свою эффективность, при этом ионные жидкости (ИЛ) являются одной из самых экологически чистых, нелетучих и термически стабильных альтернатив существующим противомикробным препаратам, обладая высоким сольватирующим потенциалом, а также низким давлением пара. Более того, использование этих соединений как для стабилизации, так и для дестабилизации белковых структур и повышения ферментативной активности еще больше повысило их потенциал в биомедицинской промышленности. В связи с этим мы представляем «зеленый» синтез и характеристику ИЛ на основе хинолина, благодаря его огромной антимикробной активности, низкой цитотоксичности и большой искусственной шапероновой активности. В этом случае маневрирование методом однокамерного синтеза в более экологичных условиях реакции без растворителей не только повысило эффективность реакции, но и увеличило выход химических веществ. Чистота синтезированного ИЛ была подтверждена с помощью ядерного магнитного резонанса (ЯМР) 1H, ЯМР 13C и инфракрасной (ИК) спектроскопии. Биологический потенциал синтезированного соединения дополнительно подтверждается путем анализа его свойств абсорбции, распределения, метаболизма, экскреции и токсичности (ADMET) и аутентифицируется с помощью дискового диффузионного анализа.
Введение
Монументальный рост населения мира объясняет огромный рост потребления огромного количества товаров за последние несколько лет, включая продукты питания, лекарства, а также другие важнейшие продукты для поддержания жизнедеятельности смертных организмов. Это дало толчок поиску новых химических соединений с исключительно специализированными, экологически чистыми и полезными свойствами во всем мире. Ионные жидкости (ИЛ) доказали свою эффективность в этом отношении. Использование этих соединений в научной сфере дало толчок новым начинаниям в области исследований в области современных химических технологий1. В отличие от традиционных подходов, использование ИЛ не только облегчает условия прогрессивных реакций, но и способствует разработке индивидуальной стратегии для решения различных биохимических проблем, связанных с экспериментальными исследованиямии разработками.
Как правило, ИЛ представляют собой стабильные соли, составляющие катионы (органические) и анионы (неорганические), обладающие температурой плавления ниже 100 °С3. Следуя 12 принципам зеленой химии, эмпирически они являются убедительными заменителями привычных органических растворителей4. Поразительные свойства, связанные с использованием этих соединений, включают в себя большую внутреннюю проводимость, полярность, склонность к сольватации, термическую стабильность, нелетучесть, кислотность/основность, гидрофильность/гидрофобность и настраиваемость, что делает ИЛ наиболее подходящими для экспериментальных исследований5.
Помимо широкого применения различных классов ИЛ в современном органическом синтезе6, катализе7 и различных электрохимических процессах с участием датчиков8, приводов9, батарей10 и топливных элементов11, за последние несколько лет этот класс соединений получил важное признание в области биомедицины в свете УПП. Текущие испытания показывают, что ИЛы на основе имидазолия, пиридина, холина и пиррола чрезвычайно эффективны в качестве терапевтических агентов благодаря своему высокому заряду и гидрофобности. Тем не менее, аналоги на основе хинолина по-прежнему считаются наиболее эффективными против патогенных микробов12. Дополнительные биомедицинские применения, сопровождающие этот класс ИЛ, включают активность искусственного шаперона13, цитотоксичность в отношении раковых клеток14 , а также отличную способность к переносу лекарств15.
Как правило, изготовление ИЛ связано с использованием высокотоксичных растворителей, таких как дихлорметан, бензол, тетрахлорметан, дихлорэтилен и т.д.16, что препятствует биосовместимости и повышает токсичность соединения, что делает их нежелательными для биологического использования. Кроме того, использование вредных растворителей в реакционных средах не только замедляет время реакции, но и увеличивает непреднамеренное образование отходов побочных продуктов, выбрасываемых в окружающую среду17. Кроме того, растворитель, используемый в реакционной среде, также влияет на pH конечного продукта; Следовательно, его удаление в конце реакции имеет жизненно важное значение, особенно когда желаемое соединение предназначено для использования в биологических системах, связанных с белками. Следовательно, отказ от использования такого растворителя является выгодным в области зеленой химии.
В этом исследовании мы сообщаем о синтезе биосовместимого и нетоксичного13 IL, а именно 1-гексадецилхинолхинолина-1-ium бромида, с использованием более экологичного способа. В настоящей стратегии не используется молекулярный растворитель, а также используется способность к саморастворению ИЛ, образующегося в реакционной смеси, что способствует высокой эффективности реакции и выходу химических веществ. Реакция Меншуткина18лежит в основе современной методологии синтеза. Чистоту синтезированного соединения исследуют с помощью ЯМР и ИК-спектроскопии. Фармакокинетический профиль соединения и токсичность были изучены в рамках исследований ADMET. Кроме того, в исследовании также был продемонстрирован антимикробный потенциал синтезированного ИЛ в отношении патогенного штамма Candida albicans .
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Протокол
ПРИМЕЧАНИЕ: 1-гексадецилхинолин-1-бромид алюминия{[C16quin]Br} был синтезирован, как описано ранее в Sharma et al.13.
1. Подготовка и стерилизация стеклянных аппаратов
ПРИМЕЧАНИЕ: Это следует сделать не менее чем за 1 день до начала реакции для синтеза нужного соединения.
- Тщательно вымойте колбу с круглым дном объемом 24/29, 250 мл с двумя горлышками вместе с другими стеклянными приборами, такими как измерительные цилиндры и т. д., и промойте дистиллированной водой, а затем ацетоном.
- Вымытый аппарат высушите в духовке с горячим воздухом при температуре 60 °C до полного высыхания аппарата для дальнейшего использования.
ПРИМЕЧАНИЕ: Обычно вымытый аппарат следует поместить на ночь в сушильную печь, чтобы полностью удалить водную пленку и убедиться, что реакционная система свободна от примесей.
2. Настройка аппарата
ПРИМЕЧАНИЕ: Аппарат должен быть правильно зажат для обеспечения равномерного нагрева реагентов. Принципиальная схема реакции показана на рисунке 1.
- Поставьте масляную баню на горячую плиту с магнитной мешалкой. Перед началом реакции разогрейте масляную баню до 80 °C.
- Дайте RB постоять в масляной бане с помощью трубчатой ретортной подставки таким образом, чтобы она была наполовину погружена в масляную ванну, помещенную на горячую плиту с магнитной мешалкой.
- Запечатайте верхнюю горловину РБ пробкой, представляющей собой продувающую иглу, дополнительно соединенную со шприцем с прикрепленным к нему баллоном N2 .
- Плотно запечатайте другую горловину RB с помощью другой резиновой пробки, чтобы избежать утечки N2 из реакционной среды.
- Предварительно нагрейте всю среду до 80 °C в инертной атмосфере, поддерживаемой за счет продувки N2 перед добавлением реагентов в RB.
- Многократно доливайте баллон N2 , чтобы обеспечить инертность реакционной системы и поддерживать температуру на всем протяжении (следовательно, предпочтительнее нагревание в масляной бане).
3. Добавление реагентов в реакционную систему
- Влить в реакционную систему 0,1 М хинолина и 0,105 М 1-бромгексадекана, не нарушая заданной реакционной среды.
- Непрерывно перемешивайте содержимое при 2500-3000 об/мин в течение 3 дней в инертной среде и при постоянной температуре.
4. Очистка/рекристаллизация соединения
ПРИМЕЧАНИЕ: Весь продукт не должен подвергаться повторной кристаллизации. Вместо этого следует выбирать периодическую рекристаллизацию, чтобы избежать потерь продукта.
- Полученное твердое вещество растворить в смеси толуол/этилэтаноат соотношением 1:2. Охладите эту смесь до -15 °C в морозильной камере (температура установлена на уровне -15 °C) и отфильтруйте под вакуумом с помощью воронки Бюхнера, прикрепленной к вакуумному насосу и фильтрующей колбе через трубку. Поместите полипропиленовую фильтрующую мембрану, составляющую размер пор 0,45 мкм, в воронку Бюхнера, охватывающую все дно фильтра. Вылейте небольшое количество смеси растворителей через фильтр, чтобы создать надлежащее уплотнение, предотвращающее любую утечку воздуха через установку.
- Процеженное изделие промыть холодным толуолом, постепенно вливая растворитель через воронку, с последующей сушкой при 70 °С в вакуумной печи. Повторите эту процедуру 2 раза, чтобы убедиться в высокой чистоте нужного состава.
5. Валидация соединения с помощью ЯМР-спектроскопии
- Перед тем, как подвергнуть соединение 1Н ЯМР и 13С ЯМР, растворите его в дейтерированном хлороформе (CDCl3), отмерив 1-10 мг соединения и растворив его примерно в 1 мл CDCl3.
- Введите эту смесь в ЯМР-пробирку с помощью шприца объемом 1 мл для анализа образца под ЯМР-спектрометром. Подготовка образцов идентична как для 1Н ЯМР, так и для 13С ЯМР.
6. Определение ИК-характеристик синтезированного ИЛ
- Для получения ИК-спектров соединения не требуется подготовка образца.
- Подвергните несколько мг твердого образца воздействию ИК-спектрометра, чтобы получить представление о различных функциональных группах, присутствующих в синтезированном соединении. Показания были получены, как показано ранее19.
7. Прогнозирование свойств ADMET
- Введите канонические СМАЙЛИКИ нужного ИЛ в бесплатную онлайн-программу ADMETLAB 2.0 и выполните программу для получения различных параметров, подтверждающих их биологический потенциал.
8. Дискодиффузионный анализ, демонстрирующий биомедицинское применение синтезированного ИЛ
- Предварительно культивируйте грибковый штамм Candida albicans (ATCC 90028) в дрожжевом пептона декстрозе (YPD) в течение почти 16 часов в шейкер-инкубаторе БПК при 37 °C.
- Приготовьте агаровую среду YPD, смешав 1% дрожжевой экстракт, 2% пептон, 2% декстрозу и 1,5% агар в 1 л дважды дистиллированной воды. Налейте 25 мл свежесформированного агарового материала YPD в пластину Петри диаметром 90 мм после автоклавирования в течение 15 минут при 121 °C. Оставьте пластины в покое, чтобы обеспечить надлежащее затвердевание среды.
- Когда пластина полностью застынет, равномерно распределите около 100 μл свежеприготовленного грибкового инокулюма по пластине, содержащей среду, с помощью разбрасывателя стекла. Оставьте пластины в покое на 5-7 минут в колпаке с ламинарным потоком.
- Поместите стерильный круглый бумажный диск диаметром 5-6 мм в середину той же пластины, используя щипцы.
- Добавьте 50 мкл 0,1 мМ водного раствора синтезированного ИЛ на диск, постепенно, с помощью пипетки объемом 20-200 мкл.
- Охладите пластину примерно на 30 минут, чтобы обеспечить надлежащую диффузию IL в агар. Поместите планшет в инкубатор БПК при температуре 37 °C на 24 часа.
- Измерьте зону торможения (включая диаметр диска) с помощью измерительной шкалы и рассчитайте площадь под этой зоной по уравнению 1.
Площадь = πr2 (1)
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Результаты
На рисунке 2 представлена схема реакции Меншуткина, участвующей в протекании процесса синтеза. Синтезированный таким образом 1-гексадецилхинолин-1-бромид был охарактеризован с помощью ЯМР и ИК-спектроскопии. Ожидается, что полученный таким образом маслянистый продукт будет демонстрировать 1Н ЯМР (400 МГц, CDCl3) при 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), как показано на
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Обсуждение
В последнее время ИЛ обнародовали различные многообещающие реализации в области биохимических наук, включая рефолдинг/шапероновую активность белка, средства доставки лекарств и/или катализаторы в нескольких органических реакциях. Их интригующие физико-химические свойства, такие как перестраиваемость, биосовместимость, растворимость, устойчивость, стабильность и т.д., сделали их потенциальными кандидатами для разработки новых терапевтическихагентов. Предлагаемое ис...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Раскрытие информации
Авторам нечего раскрывать.
Благодарности
Авторы выражают благодарность за финансовую поддержку гранта, полученного от ICMR, Правительство Индии, Дели-110029 [No./ICMR/52/06/2022-BIO/BMS]. Авторы также хотели бы поблагодарить Университетский научно-исследовательский центр (USIC) Университета Дели за оказанную аналитическую помощь. Каджал Шарма выражает признательность за финансовую поддержку, полученную от Департамента науки и технологий в рамках программы INSPIRE (IF200397).
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Материалы
| Имя | Компания | Каталожный номер | Комментарии |
|---|---|---|---|
| 1-бромгексадекан | Merck | CAS no.112-82-3 | 95% чистоты (по данным анализа ВЭЖХ) |
| Этилацетат | Merck | CAS No. 205-500-4 | 95% чистоты (по данным анализа ВЭЖХ) |
| Спектрометр ядерного магнитного резонанса (ЯМР) | Jeol, модель: JNM-ECZ 400S | ноль | ноль |
| хинолина | Merck | CAS no.91-22-5 | 95% чистоты (по данным ВЭЖХ анализ) |
| Толуол | Merck | CAS No 108-88-3 | 95% чистоты (согласно анализу ВЭЖХ) |
Ссылки
- 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).
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Перепечатки и разрешения
