Summary
פרוטוקול זה נועד לתקנן את הכנת מערכות תערובת אוטקטית עמוק ברחבי הקהילה המדעית, כך שניתן יהיה לשכפל את המערכות הללו.
Abstract
הכנת מערכות תערובת אוטקטית עמוק (DES) הוא פריורי הליך פשוט. לפי ההגדרה, שני רכיבים או יותר מעורבבים יחד ביחס מסוג טוחנת נתון כדי ליצור DES. עם זאת, מהניסיון שלנו במעבדה, יש צורך לתקנן את ההליך להכין, לאפיין ולדווח על המתודולוגיות שאחריהן חוקרים שונים, כך שהתוצאות שפורסמו ניתן לשכפל. בעבודה זו, נבחן גישות שונות שדווחו בספרות להכנת מערכות תערובת אוטקטית והעריכו את חשיבות המים בהכנה מוצלחת של מערכות הנוזלים בטמפרטורת החדר. מערכות תערובת אוטקטית אלה שפורסמו היו מורכבים מחומצת לימון, גלוקוז, סוכרוז, חומצה מאלאית, β-אלצין, חומצה טרטרית ובטטין ולא כל שיטות ההכנה המתוארות ניתן לשכפל. עם זאת, במקרים מסוימים, ניתן היה לשכפל את המערכות המתוארות, עם הכללת המים כמרכיב שלישי בתערובת האאוטכטית.
Introduction
ממיסים העמוק תערובת אוטקטית נקראו ממיסים עבור המאה ה -21, נחשבים דור חדש של ממיסים. הם מוגדרים כתערובת של שני תרכובות כימיות או יותר ביחס טוחנת מסוימת כדי לגרום לירידה משמעותית בטמפרטורת ההיתוך של הרכיבים הבודדים, להיות נוזלי בטמפרטורת החדר1,2, 3. במובן זה, הכנת ממיסים אינו דורש כל תגובה כימית ומכאן תשואה הייצור הוא 100%. בשנת 2011, צ'וי ו עמיתים לעבודה דיווחו על האפשרות של טבעי להתרחש וקרא להם, טבעי ממיסים תערובת אוטקטית עמוק (nades)3,4,5. NADES יכול להיות מוכן מצירופים שונים של סוכרים, חומצות אמינו, חומצות אורגניות נגזרים כולין; ומערכות אלו המוכנות מרכיבים טבעיים הן ביותואמות ומתכלות באופן משמעותי, המציגות פחות רעילות לעומת ממיסים חלופיים אחרים (למשל, נוזלים יוניים)5,6, 7,8. מאז 2015, מספר הפרסומים בתחום עלה באופן אקספוננציאלי והיישומים האפשריים של NADES הם מאוד רחבים3. למרות כתבי-יד רבים וביקורות שפורסמו, ישנן שאלות עקרוניות שנמשכות, ומדענים עדיין לא מצאו את התשובה לשאלות מעניינות כגון המנגנונים העומדים בבסיס DES. הבנת מנגנון היווצרות ה-DES תוביל לגישה מאוחדת כלפי פיתוח מערכות חדשות, במקום המשפט הנוכחי וגישת השגיאה. יתר על כן, ההזדמנויות בתחום גדלים כל יום, כמו הצרכנים להיות מודעים יותר הקיימות של המוצרים שלהם, לא רק במונחים של החיים הסוף שלהם, אלא גם במונחים של עיבוד עצמו8,9, . בסדר, עשר כדי לנהוג בחידושים העיקריים בתחום של ממיסים תערובת אוטקטית עמוק, התקינה של שיטות הייצור והאפיון נדרש הראשון. חוסר ההתמרה של חלק מהמערכות שדווחו בספרות היה המניע לפתח את העבודה הזאת כאשר התמודדנו עם הנושא הזה מספר פעמים. להלן, אנו מדגימים את הצורך ואת החשיבות הקריטית כדי לתאר במדויק את החומרים והשיטות ולהראות כי למרות הכנת DES הוא הליך פשוט וישיר, יש כמה היבטים מרכזיים (למשל, הנוכחות/כמות של מים) כי חייבים תמיד לדון.
Protocol
הערה: ה-NADES למד היו: L-(+)-חומצה טרטרית (2:1), β-אלטין: DL-malic חומצה (3:2), גלוקוז: סוכרוז (1:1) ו חומצת לימון: גלוקוז (2:1). מערכות אלה הוכנו על ידי שיטות שונות: הקפאת ייבוש (FD), אידוי ואקום (VE), וחום וערבוב (HS) עם ובלי מים. כדוגמה, ניתן לקבל את הפרוטוקול לחומצת לימון של המערכת: גלוקוז (2:1). NADES היו מאופיין על ידי סריקה דיפרנציאלית הקלורימטר (DSC), מיקרוסקופ אופטי מקוטב (פום), תוכן מים, תהודה מגנטית גרעינית (NADES) ספקטרוסקופיית.
1. הכנה NADES
- ייבוש הקפאה
- במכולות נפרדות, להוסיף 2 גרם של חומצת לימון ונוהידראט ידרוגרם ו 0.9530 g של גלוקוז מונוהידראל. הוסף 10 מ ל של מים מוהים על כל ומערבבים עד תרכובות הם התפרקה לחלוטין.
- מערבבים יחד את שני הפתרונות ומבטיחים את ההעצמה של הפתרון הסופי. מניחים את הפתרון בבקבוקון התחתון עגול.
- . תקפיא את זה בעזרת חנקן נוזלי מניחים את הבקבוקון ב הקפאה-מייבש עבור 48 h כדי להבטיח כי כל המים מוסרים מן המדגם.
- אידוי בואקום
- שוקלים 2 גרם של חומצת לימון ונוהידראט ידרוגרם ו 0.9530 g של גלוקוז מונומיים במכולות נפרדות. הוסף 10 מ ל של מים מוהים על כל ומערבבים עד תרכובות הם התפרקה לחלוטין.
- מערבבים יחד את שני הפתרונות ומבטיחים את ההעצמה של הפתרון. מניחים את הפתרון בבקבוקון התחתון עגול.
- לייבש את הדגימה עד. שייווצר נוזל ברור וצמיגי
- חימום וערבוב
- שוקלים 2 גרם של חומצת לימון ונוהידראט ידרומיים ו 0.9530 גרם של גלוקוז ונוהידראט ונמיים לתוך בקבוקון אותו. הוסף 278 μL של מים.
- מניחים את המבחנה עם בר ערבוב מגנטי באמבט מים 50 ° c.
- השאירו את הדגימה עד שייווצר נוזל ברור וצמיגי.
2. אפיון NADES
- מיקרוסקופ אופטי מקוטב (פום)
- מניחים droplet של NADES על שקופית זכוכית מיקרוסקופ להתבוננות.
- באמצעות מצב השידור של מיקרוסקופ, לבצע את האפיון האופטי של המדגם בטמפרטורת החדר.
- טיטור קרל-פישר
- לאסוף 100 μL של NADES במזרק, ולאחר מכן לנקות את עודפי נוזל מבחוץ.
- הניחו את המזרק בקנה מידה והציבו אותו באריזה.
- לחץ על התחל בציוד ה-KF והוסף טיפה קטנה של הדגימה לכלי.
- שקול את המזרק, הזן את המסה בציוד ה-KF והקש enter. התוצאה תופיע על המסך בעמודים לדקה של המים.
- קלורימטר סריקה דיפרנציאלית (DSC)
- מניחים 3-10 מ"ג של כל מדגם במחבת אלומיניום ההרמטית עם מכסה כיסוי. סגור את המחבת עם מכבש לדוגמה.
- לנתח את הדגימות באמצעות DSC עם מגוון טמפרטורה של-90 ° c עד לטמפרטורה השפלה, עם שיעור חימום של 10 ° צ'/מינימום. בצע שני מחזורים עם איזותרמי להחזיק 2 דקות ולנתח תחת אווירת חנקן (50 mL/min).
- תהודה מגנטית גרעינית (NMR)
- להכין צינור 5 מ"מ NMR על ידי המסת 250 μL של NMR עם 250 μL של diמתיל סולפוקסיד-d6 (DMSO-d6).
- השיגו את ה- 1H ו-"נויזי ספקטרום" ב -25 ° c בספקטרומטר 400 MHz.
- השתמש בתוכנה מתאימה לניתוח ספקטרום, והשתמש במעבר הכימי של DMSO-d6 (δ 2.50 ppm) כדי להקצות את כל האותות של כל רכיב.
Representative Results
מתוך הכנת NADES, התוצאות שאנו מצפים להשיג מוצגות באיור 1. תיאור של כל מערכת מורכב למטה. באמצעות שיטת ההקפאה-ייבוש, התוצאה צריכה להיות מוצק או משחה צפופה מאוד מאז כל המים מוסרים מהמערכת. באמצעות שיטת האידוי, התוצאה צריכה להיות נוזל ברור וצמיגי. באמצעות החימום והערבוב עם הוספת כמויות קטנות של מים, התוצאה צריכה להיות נוזל בהיר וצמיגי מאוד.
התוצאות שהתקבלו מ-פום ניתן לראות באיור 1. כאשר NADES הוא בנוי לחלוטין, אנו מצפים לראות תמונה שחורה, המציינת כי המדגם הוא אמורפיים לחלוטין וכי אין גבישים נותרים במערכת. התוצאות שהתקבלו מ-KF טיטור מתוארות בטבלה 2. מלבד כמות המים הנוספת למערכות, אחוז המים של התערובת הסופית תלוי גם בתכולת המים של הריאגנטים.
לגבי DSC, המטרה של טכניקה זו היא גם לאשר כי המערכת היא נוזלית בטווח הטמפרטורה כי הוא יוחל, כך התוצאה הצפויה היא לקבל תרמוגרם שלא מראה אירועים תרמיים על מגוון הטמפרטורה של הריבית (שולחן 2 ). טכניקת NMR משמש כדי לאשר את קיומו של היווצרות קשר מימן, שהוא המאפיין העיקרי של מערכות NMR. ניתן לאשר זאת על-ידי התבוננות בשינוי במשמרות הכימיות של כל אות, ועל-ידי ניתוח של הספקטרום של ה-NOESY המציג יחסים מרחביים ומולקולריים (איור 2).
| מרכיב 1 | מרכיב 2 | שיטת ההכנה | פניה |
| בטאצין (בית) | L-(+)-חומצה טרטרית (LTA) | ואקום מתאדות (VE) | דאי ואח ' (2013)5 ו-espino et al (2016)6 |
| β-אלצין (β-A) | החומצה המאלמית (אם אי) | ואקום מתאדות (VE) | דאי ואח ' (2013)5 ו-espino et al (2016)6 |
| גלוקוז (גלוק) | סוכרוז (Suc) | הקפאה מיובשת (FD) | צ'וי ואח ' (2011)4 ו-espino et al (2016)6 |
| חומצת לימון (סי אי) | גלוקוז (גלוק) | הקפאה מיובשת (FD) | צ'וי ואח ' (2011)4 ו-espino et al (2016)6 |
טבלה 1: מערכות שדווחו בספרות ובשיטת ההכנה שלהם.
| מיכל הנאדס | שיטת ההכנה | תוכן מים (%) |
| קרל פישר מדד | ||
| הימור: LTA (2:1 + 20% מים) | חימום וערבוב, הוספת מים | 19.94 ± 1.28 |
| הימור: לאטה (2:1) | אוואדות ואקום | 11.36 ± 0.78 |
| β-A:MA (3:2 + 11% מים) | חימום וערבוב, הוספת מים | 11.45 ± 0.25 |
| β-A:MA (3:2) | אוואדות ואקום | 18.84 ± 1.78 |
| גלוג: Suc (1:1 + 21% מים) | חימום וערבוב, הוספת מים | 20.88 ± 0.13 |
| גלוג: Suc (1:1) | אוואדות ואקום | 22.56 ± 0.48 |
| CA: Gluc (2:1 + 17% מים) | חימום וערבוב, הוספת מים | 17.33 ± 0.68 |
| CA: Gluc (2:1) | אוואדות ואקום | 20.04 ± 0.26 |
טבלה 2: תוכן מים (%) של המערכות שהוכנו על ידי שיטות שונות.
איור 1: התוצאות הייצוגיות של NADES כאשר הוכנו על ידי הקפאת ייבוש, b) אידוי ואקום c) חימום וערבוב עם תוספת של מים. התמונה מראה כי כאשר המערכת היא להקפיא מיובש, התוצאה המתקבלת היא גביש מאז כל המים מוסרים מן התערובת ואילו כאשר שיטות VE ו-HS משמשים, כמות המים הדרושים עבור NADES לטופס הוא נוכח, התוצאה המתקבלת היא הום הנוזל האוסוגני בטמפרטורת החדר. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 2: מיקרוסקופ אופטי מקוטב של CA: לגלו (2:1) שהוכנו על ידי שיטות שונות, עם מקטני צלב (תמונה שמאלית) ומקטפי מקביליות (התמונה הימנית) – 100 יקרומטר (10x הגברה). התמונות השחורות מראות כי המדגם הוא נוזל בטמפרטורת החדר. דגימת ה-FD מcrystalized לחלוטין מאחר והתוצאה המתקבלת מטכניקה זו לא היתה נוזל. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 3: א) כיסוי של 1H nmr ספקטרום של (א) מערכת nmr חומצה לימון: גלוקוז: מים (2:1:4), (ב) גלוקוז, ו (ג) חומצת לימון; ב) מגוון של חומצת לימון מערכת NADES: גלוקוז: מים (2:1:4). הספקטרום השכבות מראה את ההבדל במשמרות הכימיות של כל רכיב במערך ה-DES, שמקורו בהקמת קשרי מימן ביניהם. הספקטרום של הנויזי מראה את האינטראקציה בין ה-OH פרוטון מחומצת לימון עם הפרוטונים הנותרים משני המרכיבים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
Discussion
המתודולוגיות השונות שדווחו בספרות להכנת NADES הן שיטת חימום וערבוב (HS), אידוי ואקום (VE), וייבוש הקפאה (FD). המערכות שהכנו בעבודה זו מתוארות על ידי סופרים שונים בספרות4,5,6,10,11. טבלה 1 מפרטת את הרכיבים של כל תערובת, כפי שדווחו בכתב היד המקורי וכן בשיטת ההכנה שלהם.
עם החקירות שלנו לשכפל את המערכות שתוארו, הבנו כי במקרים מסוימים לא ניתן היה להשיג NADES דומה, כמדגם ברור, צמיגי נוזלי בטמפרטורת החדר. הכנת NADES מסתמכת על גורמים רבים. ניתן לשלוט בקלות, אך לאחרים קשה יותר לתקנן. הדבר החשוב ביותר לשקול הוא שהמוצר הסופי אינו יכול להסתמך על גורמים חיצוניים כגון הציוד המשמש.
המערכות שהוכנו על ידי שיטות שונות האופיינים לאחר מכן. עם מיקרוסקופ אופטי מקוטב (פום), זה נצפה כי עם שיטת HS ללא מים, אפילו בטמפרטורות שונות, NADES לא היוצרים נוזל בהיר וצמיגי. עם זאת, נוזל הומוגנית וברור, שנצפתה כמוצג באיור 1 בעת החלת שיטת ה-HS עם כמויות קטנות של מים ושיטת ה-VE להכנת nades.
DSC שימש כדי לקבוע את האירועים התרמיים של התערובת. התוצאות הראו כי המערכת נוזלית בטמפרטורת החדר ועד 130 ° c, כיוון שהתרמוגרם לא מראה אירועים תרמיים. תכולת המים של כל דוגמא נמדדה על ידי קרל פישר טיטור, והתוצאות מיוצגות בשולחן 2. יש לדווח על תכולת המים של המערכות, שכן היא הפרמטר המשפיע ביותר על תכונות הנוזל המתקבל, כגון צמיגות וקוטביות. לשינויים אלה יש השפעה רבה על תוצאת היישום שעבורו מתוכנן ה-NADES.
NMR שימש גם כדי לאשר את היווצרות מערכות NMR שהוזכרו, באמצעות היווצרות איגרות חוב מימן בין המולקולות של כל מערכת. דוגמה אחת ניתנת באיור 2 עבור חומצת לימון של מערכת nades: גלוקוז (2:1) עם 17% מים שהושגו על ידי HS שבו ספקטרום הפרוטונים של nades זה וחומרי ההתחלה (חומצת לימון וגלוקוז) מצופים (איור 2א). מכאן, ניתן להבחין בשינויים במשמרות הכימיות של פרוטונים כלשהו מכל מולקולה. השינוי העיקרי הוא הסטת הפרוטון מחומצת לימון. במקור, האות הזה מופיע ב 5.16 ppm, אבל האות הזה משתנה ל 6.22 ppm בגלל היווצרות של איגרות חוב מימן. הדבר מאומת על-ידי הספקטרום של הנויזי (איור 2ב'), שבו ניתן לראות את האינטראקציה החזקה בין חומצת הלימון לבין הפרוטונים הנותרים. אינטראקציה דומה נצפתה עבור מערכות NADES האחרות.
במחקר זה הבחנו כי תיאור שיטת ההכנה עבור מערכות תערובת אוטקטית שדווחו בספרות לעיתים אינן מושלמות, עקב חוסר מידע בנוגע לתוכן המים של רוב המערכות. בשיטה VE, המים מתווספים על ידי הכנת פתרונות של רכיבים שונים ערבוב בטמפרטורה המובילה היווצרות של מערכות תערובת אוטקטית; עם זאת, איננו יכולים להיות בטוחים בתכולת המים הנדרשת המינימלית. הידע של אחוז המים הדרוש כדי ליצור את המערכות נחשב מכאן, נקודה קריטית שצריך תמיד לדווח, כדי שאחרים יוכלו לשכפל את הכנת תערובות תערובת אוטקטית שונים.
השיטה הטובה ביותר לשימוש היא שיטת HS עם מים נוספים כפי שנדרש פחות זמן כדי להתכונן, עבור מקרים שבהם תוכן המים כבר מתואר. עם זאת, אם מידע זה אינו זמין, השיטה הקלה ביותר היא שיטת ה-VE, שבה כל המים הזמינים מוסרים ורק האינטראקציה של המים עם רכיבי NADES נותרת במערכת. בכל מקרה, על החוקרים לאפשר למערכות להתאדות במשך זמן מספיק כדי להבטיח שמים בחינם יוסרו מהמערכת. עיתוי זה תלוי בציוד ולכן לא מספיק לתאר בסעיף החומרים את משך שיטת ה-VE, אך יש לדווח תמיד על תוכן המים.
Disclosures
. למחברים אין מה לגלות
Acknowledgments
פרויקט זה קיבל מימון ממועצת המחקר האירופית (ERC) תחת אופק 2020 האיחוד האירופי תוכנית מחקר וחדשנות, תחת הסכם מענק לא ERC-2016-הקוג 725034. עבודה זו נתמכת גם על ידי המעבדה עמית לכימיה ירוקה-LAQV אשר ממומן על ידי כספים לאומיים מ FCT/MCTES (UID/50006/2019) ועל ידי FCT/MCTES באמצעות הפרויקט קריודס (לפטין/צינו-צינו/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).
