Summary
Dit protocol beoogt de voorbereiding van diepe eutectische systemen in de gehele wetenschappelijke gemeenschap te standaardiseren, zodat deze systemen kunnen worden gereproduceerd.
Abstract
De voorbereiding van diepe eutectische systemen (DES) is a priori een eenvoudige procedure. Per definitie worden twee of meer componenten samen gemengd met een bepaalde molaire verhouding om een DES te vormen. Echter, uit onze ervaring in het laboratorium, is het noodzakelijk om de procedure te standaardiseren om voor te bereiden, karakteriseren en rapporteren van de methodologieën gevolgd door verschillende onderzoekers, zodat de gepubliceerde resultaten kunnen worden gereproduceerd. In dit werk testen we verschillende benaderingen die in de literatuur zijn gerapporteerd om eutectische systemen voor te bereiden en het belang van water bij de succesvolle bereiding van vloeistofsystemen bij kamertemperatuur te evalueren. Deze gepubliceerde eutectische systemen waren samengesteld uit citroenzuur, glucose, sucrose, appelzuur, β-alanine, L-wijnsteenzuur en betaïne en niet alle beschreven bereidingsmethoden konden worden gereproduceerd. In sommige gevallen was het echter mogelijk om de beschreven systemen te reproduceren, waarbij water als derde bestanddeel van het eutectische mengsel werd opgenomen.
Introduction
Diepe eutectische oplosmiddelen zijn genoemd de oplosmiddelen voor de 21e eeuw en worden beschouwd als een nieuwe generatie van oplosmiddelen. Ze worden gedefinieerd als een mengsel van twee of meer chemische verbindingen met een bepaalde molaire verhouding, wat resulteert in een significante afname van de smelttemperatuur van de afzonderlijke bestanddelen, waardoor vloeistof bij kamertemperatuur1,2, 3. in deze zin vereist de bereiding van de oplosmiddelen geen chemische reactie en vandaar de productieopbrengst 100%. In 2011 rapporteerden Choi en medewerkers de mogelijkheid van natuurlijk voorkomende des en noemden ze natuurlijke diepe eutectische oplosmiddelen (Nades)3,4,5. NADES kunnen worden bereid uit verschillende combinaties van suikers, aminozuren, organische zuren en choline derivaten; en deze systemen die uit natuurlijke componenten zijn vervaardigd, zijn inherent biologisch compatibel en biologisch afbreekbaar en vertonen aanzienlijk minder toxiciteit in vergelijking met andere alternatieve oplosmiddelen (bijv. Ionische vloeistoffen)5,6, 7,8. Sinds 2015 is het aantal publicaties in het veld exponentieel gestegen en zijn de mogelijke toepassingen van NADES zeer breed3. Hoewel veel manuscripten en recensies zijn gepubliceerd, zijn er fundamentele vragen die aanhouden, en wetenschappers hebben nog niet het antwoord gevonden op intrigerende vragen zoals de mechanismen die ten grondslag liggen aan de formatie. Het begrijpen van het DES-vormings mechanisme zou leiden tot een geconsolideerde aanpak van de ontwikkeling van nieuwe systemen in plaats van de huidige trial and error aanpak. Bovendien groeien de kansen in het veld elke dag, omdat consumenten zich meer bewust worden van de duurzaamheid van hun producten, niet alleen in termen van hun eind levens, maar ook in termen van verwerking zelf,8,9, 10. Om belangrijke innovaties op het gebied van diepe eutectische oplosmiddelen te stimuleren, is eerst de standaardisering van de productie-en karakterisatie methoden vereist. Het gebrek aan reproduceerbaarheid van sommige van de in de literatuur gerapporteerde systemen was de motivatie om dit werk te ontwikkelen als we dit probleem meerdere malen tegen waren. Hierin tonen we de noodzaak en het cruciale belang om de materialen en methoden nauwkeurig te beschrijven en te laten zien dat hoewel de voorbereiding van DES een eenvoudige en ongecompliceerde procedure is, er enkele belangrijke aspecten zijn (bijv. de aanwezigheid/hoeveelheid water) die moet altijd worden besproken.
Protocol
NB: de bestudeerde NADES waren betaïne: L-(+)-wijnsteenzuur (2:1), β-alanine: DL-appelzuur (3:2), glucose: sucrose (1:1) en citroenzuur: glucose (2:1). Deze systemen werden op verschillende manieren bereid: vriesdrogen (FD), vacuümverdamping (VE) en hitte en roeren (HS) met en zonder water. Als voorbeeld wordt het protocol voor het systeem citroenzuur: glucose (2:1) gegeven. De NADES werden gekenmerkt door differentiële scanning calorimetrie (DSC), gepolariseerde optische microscopie (POM), watergehalte en nucleaire magnetische resonantie (NMR) spectroscopie.
1. voorbereiding van NADES
- Vriesdrogen
- Voeg in afzonderlijke recipiënten 2 g citroenzuur monohydraat en 0,9530 g glucose monohydraat toe. Voeg 10 mL gedeïoniseerd water toe aan elk en roer totdat de verbindingen volledig zijn opgelost.
- Meng de twee oplossingen samen en zorg voor de homogenisatie van de uiteindelijke oplossing. Plaats de oplossing in een ronde bodem kolf.
- Vries het met vloeibare stikstof. Plaats de kolf in een vriesdroger voor 48 uur om ervoor te zorgen dat al het water uit het monster wordt verwijderd.
- Vacuümverdamping
- Weeg 2 g citroenzuur monohydraat en 0,9530 g glucose monohydraat af in afzonderlijke recipiënten. Voeg 10 mL gedeïoniseerd water toe aan elk en roer totdat de verbindingen volledig zijn opgelost.
- Meng de twee oplossingen samen en zorg voor de homogenisatie van de oplossing. Plaats de oplossing in een ronde bodem kolf.
- Met behulp van een roterende verdamper, droog het monster tot een heldere, viskeuze vloeistof wordt gevormd.
- Verwarming en roeren
- Weeg 2 g citroenzuur monohydraat en 0,9530 g glucose monohydraat in dezelfde injectieflacon. Voeg 278 μL water toe.
- Plaats de injectieflacon met een magneet roer stang in een waterbad van 50 °C.
- Laat het monster totdat er een heldere, viskeuze vloeistof wordt gevormd.
2. NADES karakterisering
- Gepolariseerde optische microscopie (POM)
- Plaats een druppel van NADES op een Microscoop glazen schuif voor observatie.
- Gebruik de transmissie modus van een microscoop en voer de optische karakterisering van het monster bij kamertemperatuur uit.
- Karl-Fisher-titratie
- Verzamel 100 μL NADES in een injectiespuit en reinig de overtollige vloeistof aan de buitenkant.
- Plaats de spuit op een schaal en tarra het.
- Druk op Start op de KF-apparatuur en voeg een kleine druppel van het monster toe aan het vat.
- Weeg de spuit, voer de massa van de KF-apparatuur in en druk op Enter. Het resultaat wordt weergegeven op het scherm in ppm van water.
- Differentiële scanning calorimetrie (DSC)
- Plaats 3-10 mg van elk monster in een hermetische aluminium pan met een afdek deksel. Sluit de pan met een sample pers.
- Analyseer de monsters met behulp van een DSC met een temperatuurbereik van-90 °C tot de afbraak temperatuur, met een verwarmingssnelheid van 10 °C/min. Voer twee cycli uit met een isothermische Hold van 2 min en analyseer onder een stikstof atmosfeer (50 mL/min).
- Nucleaire magnetische resonantie (NMR)
- Bereid een 5 mm NMR-buis voor door 250 μL NADES op te lossen met 250 μL dimethylsulfoxide-D6 (DMSO-d6).
- Verkrijg de 1H en NOESY Spectra bij 25 °c op een 400 MHz spectrometer.
- Gebruik een geschikte software om de spectra te analyseren en gebruik de chemische verschuiving van DMSO-D6 (δ 2,50 ppm) om alle signalen van elk onderdeel toe te wijzen.
Representative Results
Uit de voorbereiding van NADES worden de resultaten die we verwachten te verkrijgen weergegeven op Figuur 1. Hieronder wordt een beschrijving van elk systeem gemaakt. Met behulp van de vriesdroog methode moet het resultaat een vaste of zeer dichte pasta zijn, omdat al het water uit het systeem wordt verwijderd. Met behulp van de verdampings methode moet het resultaat een heldere en visceuze vloeistof zijn. Met behulp van de verwarmings-en roer methode met toevoeging van kleine hoeveelheden water, moet het resultaat een duidelijke en zeer viskeuze vloeistof zijn.
De resultaten van POM zijn te zien op Figuur 1. Wanneer een NADES volledig is gevormd, verwachten we een zwart beeld te zien, wat aangeeft dat het monster volledig amorf is en dat er geen kristallen in het systeem blijven. De resultaten verkregen bij KF-titratie worden beschreven in tabel 2. Naast de hoeveelheid water die aan de systemen wordt toegevoegd, hangt het percentage water van het uiteindelijke mengsel ook af van het watergehalte van de reagentia.
Wat de DSC betreft, is het doel van deze techniek ook om te bevestigen dat het systeem vloeibaar is in het temperatuurbereik dat het zal worden toegepast, dus het verwachte resultaat is om een thermo gram te hebben dat geen thermische gebeurtenissen vertoont op het temperatuurbereik van de rente (tabel 2 ). De NMR-techniek wordt gebruikt om het bestaan van waterstof obligatie vorming te bevestigen, wat het belangrijkste kenmerk is van NADES systemen. Dit kan worden bevestigd door observatie van de verandering in chemische verschuivingen van elk signaal en door analyse van de NOESY spectra, die ruimtelijke en intermoleculaire correlaties vertoont (Figuur 2).
| Onderdeel 1 | Component 2 | Bereidingswijze | Verwijzing |
| Betaïne (bet) | L-(+)-wijnsteenzuur (LTA) | Vacuüm verdampende (VE) | Dai et al. (2013)5 en Espino et al. (2016)6 |
| β-alanine (β-A) | DL-appelzuur (MA) | Vacuüm verdampende (VE) | Dai et al. (2013)5 en Espino et al. (2016)6 |
| Glucose (gluc) | Sacharose (SUC) | Gevriesdroogd (FD) | Choi et al. (2011)4 en Espino et al. (2016)6 |
| Citroenzuur (CA) | Glucose (gluc) | Gevriesdroogd (FD) | Choi et al. (2011)4 en Espino et al. (2016)6 |
Tabel 1: Systemen gerapporteerd in de literatuur en hun bereidingswijze.
| NADES | Bereidingswijze | Water gehalte (%) |
| Karl Fischer-maat | ||
| Weddenschap: LTA (2:1 + 20% water) | Verwarmen en roeren, water toevoegen | 19,94 ± 1,28 |
| Weddenschap: LTA (2:1) | Vacuüm verdampende | 11,36 ± 0,78 |
| β-A:MA (3:2 + 11% water) | Verwarmen en roeren, water toevoegen | 11,45 ± 0,25 |
| β-A:MA (3:2) | Vacuüm verdampende | 18,84 ± 1,78 |
| Gluc: suc (1:1 + 21% water) | Verwarmen en roeren, water toevoegen | 20,88 ± 0,13 |
| Gluc: suc (1:1) | Vacuüm verdampende | 22,56 ± 0,48 |
| CA: gluc (2:1 + 17% water) | Verwarmen en roeren, water toevoegen | 17,33 ± 0,68 |
| CA: gluc (2:1) | Vacuüm verdampende | 20,04 ± 0,26 |
Tabel 2: Water gehalte (%) van de systemen die op verschillende manieren worden voorbereid.
Figuur 1: representatieve resultaten van de NADES bij bereiding door a) vriesdrogen, b) vacuümverdamping en c) verwarmen en roeren met toevoeging van water. Het beeld laat zien dat wanneer het systeem gevriesdroogd is, het verkregen resultaat een kristal is, omdat al het water uit het mengsel wordt verwijderd terwijl de ve-en HS-methoden worden gebruikt, de hoeveelheid water die nodig is voor de NADES om te vormen aanwezig is en het verkregen resultaat een hom is ogene vloeistof bij kamertemperatuur. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 2: gepolariseerde optische microscopie van ca: glu (2:1), bereid door verschillende methodes, met dwars polarisatoren (linker beeld) en parallelle polarisatoren (rechter beeld) – 100 μm (10x versterking). De zwarte beelden tonen aan dat het monster een vloeistof bij kamertemperatuur is. Het FD-monster is volledig Crystalized omdat het resultaat van deze techniek geen vloeistof was. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 3: a) Overlay van 1H NMR spectra van het (A) Nades systeem citroenzuur: glucose: water (2:1:4), (B) glucose, en (C) citroenzuur; b) NOESY spectrum van het NADES systeem citroenzuur: glucose: water (2:1:4). De overlegde Spectra tonen het verschil in chemische verschuivingen van elke component op des Formation, ontstaan door de oprichting van waterstofbindingen tussen hen. Het NOESY spectrum toont de interactie tussen de OH Proton van citroenzuur met de overgebleven protonen van beide componenten. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Discussion
De verschillende methodologieën die in de literatuur voor de bereiding van NADES worden gerapporteerd, zijn een verwarmings-en roer methode (HS), vacuümverdamping (VE) en vriesdrogen (FD). De systemen die we in dit werk hebben voorbereid, worden beschreven door verschillende auteurs in de literatuur4,5,6,10,11. Tabel 1 vermeldt de componenten van elk mengsel, zoals gerapporteerd in het originele manuscript en hun bereidingswijze.
Bij onze onderzoeken om de beschreven systemen te reproduceren, realiseerden we ons dat het in sommige gevallen niet mogelijk was om een soortgelijke NADES te bereiken, als een helder, visceus, vloeibaar monster bij kamertemperatuur. Het voorbereiden van een NADES berust op vele factoren. Sommige kunnen gemakkelijk worden gecontroleerd, maar anderen zijn moeilijker te standaardiseren. Het belangrijkste om te overwegen is dat het eindproduct niet kan vertrouwen op externe factoren zoals de gebruikte apparatuur.
De door verschillende methodes voorbereide systemen werden dan gekarakteriseerd. Met gepolariseerde optische microscopie (POM) werd waargenomen dat met de HS-methode zonder water, zelfs bij verschillende temperaturen, de NADES geen heldere en viskeuze vloeistof vormen. Er werd echter een homogene en heldere, visceuze vloeistof waargenomen zoals afgebeeld in Figuur 1 bij de toepassing van de HS-methode met kleine hoeveelheden water en de ve-methode voor de bereiding van de Nades.
DSC werd gebruikt om de thermische gebeurtenissen van het mengsel te bepalen. De resultaten toonden aan dat het systeem vloeibaar is bij kamertemperatuur en tot 130 °C, omdat het Thermo gram geen thermische gebeurtenissen vertoont. Het watergehalte van elk monster werd gemeten met Karl-Fischer-titratie en de resultaten zijn weergegeven in tabel 2. Het watergehalte van de systemen moet worden gerapporteerd, omdat het de parameter is die het meest invloed heeft op de eigenschappen van de verkregen vloeistof, zoals viscositeit en polariteit. Deze veranderingen hebben grote invloed op de uitkomst van de toepassing waarvoor de NADES is ontworpen.
NMR werd ook gebruikt om de vorming van de genoemde NADES systemen te bevestigen, door de vorming van waterstofbindingen tussen de moleculen van elk systeem. Een voorbeeld is gegeven in Figuur 2 voor het Nades-systeem citroenzuur: glucose (2:1) met 17% water verkregen door HS waar het proton spectrum van deze Nades en de uitgangsmaterialen (citroenzuur en glucose) worden overgelegd (Figuur 2a). Hieruit is het mogelijk om veranderingen in de chemische verschuivingen van sommige protonen van elk molecuul te observeren. De grote verandering is de verschuiving van de OH Proton uit citroenzuur. Oorspronkelijk wordt dit signaal weergegeven op 5,16 ppm, maar dit signaal verschuift naar 6,22 ppm vanwege de vorming van waterstofbindingen. Dit wordt bevestigd door het NOESY-spectrum (Figuur 2b), waar de sterke interactie tussen de Oh van citroenzuur en de overgebleven protonen zichtbaar is. Een soortgelijke interactie werd waargenomen voor de andere NADES systemen.
In deze studie hebben we geconstateerd dat de beschrijving van de bereidingsmethode voor eutectische systemen die in de literatuur zijn gerapporteerd, soms onvolledig is, vanwege het gebrek aan informatie over het watergehalte van de meeste systemen. In de VE-methode wordt het water toegevoegd door oplossingen van verschillende componenten te bereiden en te mengen bij een temperatuur die leidt tot de vorming van eutectische systemen; We kunnen echter niet zeker zijn van het minimaal vereiste watergehalte. De kennis van het percentage water dat nodig is om de systemen te vormen, wordt daarom beschouwd als een cruciaal punt dat altijd moet worden gerapporteerd, zodat anderen de voorbereiding van de verschillende eutectische mengsels kunnen reproduceren.
De beste methode om te gebruiken is de HS-methode met water toegevoegd omdat het minder tijd kost om voor te bereiden, voor gevallen waarin het watergehalte al wordt beschreven. Echter, als deze informatie niet beschikbaar is, de eenvoudigste methode is de VE methode, waarbij alle beschikbare water wordt verwijderd en alleen het water interactie met de NADES componenten blijft in het systeem. In ieder geval moeten onderzoekers de systemen voor voldoende tijd laten verdampen om ervoor te zorgen dat vrij water uit het systeem wordt verwijderd. Deze timing is afhankelijk van de apparatuur en daarom is het niet voldoende om in de sectie materialen de duur van de VE-methode te beschrijven, maar het watergehalte moet altijd worden gerapporteerd.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
Dit project heeft financiering ontvangen van de Europese Onderzoeksraad (ERC) in het kader van het Horizon 2020 onderzoeks-en innovatieprogramma van de Europese Unie, onder subsidieovereenkomst no ERC-2016-CoG 725034. Dit werk werd ook gesteund door het Associate Laboratory for Green Chemistry-LAQV, dat wordt gefinancierd door nationale fondsen van FCT/MCTES (UID/QUI/50006/2019) en door FCT/MCTES via het project CryoDES (PTDC/EQU-EQU/29851/2017).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 5 mm NMR tube | Norell | ||
| Acid citric monohydrate | Sigma-Aldrich | ||
| Advance III spectrometer | Bruker | ||
| Deionized water | |||
| dimethyl sulfoxide-d6 | Sigma-Aldrich | ||
| DSC Q200 | TA Instruments, USA | ||
| Freeze-dryer CHRIST ALPHA 1-4 | Braun Biotec International | ||
| Glucose monohydrate | Cmd chemicals | ||
| Karl Fisher Coulometer | Metrohm | ||
| Olympus BX-51 polarized optical microscope | Olympus |
References
- Paiva, A., et al. Natural deep eutectic solvents - solvents for the 21st century. ACS Sustainable Chemistry & Engineering. 2, 1063-1071 (2014).
- Abbott, A. P., Capper, G., Davies, D. L., Rasheed, R. K., Tambyrajah, V. Novel solvent properties of choline chloride/urea mixtures. Chemical Communications. , 70-71 (2003).
- Liu, Y., et al. Natural deep eutectic solvents: properties, applications, and perspectives. Journal of Natural Products. 81, 679-690 (2018).
- Choi, Y. H., et al. Are natural deep eutectic solvents the missing link in understanding cellular metabolism and physiology. Plant Physiology. 156, 1701-1705 (2011).
- Dai, Y., Spromsen, J. V., Witkamp, G. -J., Verpoorte, R., Choi, Y. H. Natural deep eutectic solvents as new potential media for green technology. Analytica Chimica Acta. 766, 61-68 (2013).
- Espino, M., Fernández, M. A., Gomez, F. J. V., Silva, M. F. Natural designer solvents for greening analytical chemistry. Trends in Analytical Chemistry. 76, 126-136 (2016).
- Hayyan, M., et al. Natural deep eutectic solvents: cytotoxic profile. Springer Plus. 5, 913 (2016).
- Dai, Y., Witkamp, G. -J., Verpoorte, R., Choi, Y. H. Tailoring properties of natural deep eutectic solvents with water to facilitate their applications. Food Chemistry. 187, 14-19 (2015).
- Choi, Y. H., Verpoorte, R. Green solvents for the extraction of bioactive compounds from natural products using ionic liquids and deep eutectic solvents. Current Opinion in Food Science. 26, 87-93 (2019).
- Guitérrez, M. C., Ferrer, M. L., Mateo, C. R., Del Monte, F. Freeze-drying of aqueous solutions of deep eutectic solvents: a suitable approach to deep eutectic suspensions of self-assembled structures. Langmuir. 25, 5509-5515 (2009).
- Gomez, F. J. V., Espino, M., Fernández, M. A., Silva, M. F. A greener approach to prepare natural deep eutectic solvents. Chemistry Select. 3, 6122-6125 (2018).
