Summary
Denne protokollen har som mål å standardisere utarbeidelsen av dype eutectic systemer i hele det vitenskapelige samfunnet, slik at disse systemene kan reproduseres.
Abstract
Utarbeidelse av dype eutectic systemer (DES) er a priori en enkel prosedyre. Per definisjon, to eller flere komponenter er blandet sammen på en gitt molar ratio å danne en DES. Men fra vår erfaring i laboratoriet, er det behov for å standardisere prosedyren for å forberede, karakterisere og rapportere metoder etterfulgt av ulike forskere, slik at resultatene publisert kan gjengis. I dette arbeidet, tester vi ulike tilnærminger rapportert i litteraturen for å forberede eutectic systemer og vurdert viktigheten av vann i vellykket utarbeidelse av flytende systemer ved romtemperatur. Disse publiserte eutectic systemer var sammensatt av sitronsyre, glukose, sukrose, malic syre, β-alanin, L-vinsyre syre og Betaine og ikke alle forberedelser metoder beskrevet kunne gjengis. Men i noen tilfeller var det mulig å reprodusere systemene som er beskrevet, med inkluderingen av vann som en tredjedel av den eutectic blandingen.
Introduction
Dype eutectic løsemidler har fått navnet løsnings midlene for det 21. århundret og betraktes som en ny generasjon løsningsmidler. De er definert som en blanding av to eller flere kjemiske forbindelser på et bestemt molar forhold for å resultere i en betydelig reduksjon i Smeltetemperaturen til de enkelte komponentene, blir flytende ved romtemperatur1,2, 3. i denne forstand, er utarbeidelse av løsemidler ikke krever noen kjemisk reaksjon og dermed produksjonen yield er 100%. I 2011, Choi og co-arbeidere rapporterte muligheten for naturlig forekommende des og kalte dem, naturlig dype eutectic løsemidler (NADES)3,4,5. NADES kan tilberedes fra ulike kombinasjoner av sukker, aminosyrer, organiske syrer og kolin derivater; og disse systemene fremstilt av naturlige komponenter er iboende biokompatible og biologisk nedbrytbare, og presenterer betydelig mindre toksisitet sammenlignet med andre alternative løsemidler (f. eks, joniske væsker)5,6, 7,8. Siden 2015, antall publikasjoner i feltet har steget eksponentielt og mulige anvendelser av NADES er svært bred3. Selv om mange manuskripter og anmeldelser har blitt publisert, er det grunnleggende spørsmål som vedvarer, og forskerne har ennå ikke funnet svaret på spennende spørsmål som mekanismene underliggende DES formasjon. Forstå DES formasjon mekanismen ville føre til en konsolidert tilnærming mot utvikling av nye systemer, snarere enn dagens prøving og feiling tilnærming. Videre er mulighetene i feltet vokser hver dag, som forbrukerne blir mer oppmerksomme på bærekraft av sine produkter, ikke bare i form av deres ende-liv, men også i form av å behandle seg selv8,9, 10i. Å drive store innovasjoner innen dyp eutectic løsemidler, standardisering av produksjon og karakterisering metoder er først nødvendig. Mangelen på reproduserbarhet for noen av systemene som ble rapportert i litteraturen, var motivasjonen for å utvikle dette arbeidet etter hvert som vi opplevde dette problemet flere ganger. Heri, viser vi behovet og avgjørende betydning for nøyaktig beskrive materialer og metoder, og viser at selv om utarbeidelse av DES er en enkel og grei prosedyre, er det noen viktige aspekter (for eksempel tilstedeværelse/mengde vann) som må alltid diskuteres.
Protocol
Merk: NADES studerte var Betaine: L-(+)-vinsyre acid (2:1), β-alanin: DL-malic acid (3:2), glukose: sukrose (1:1) og sitronsyre: glukose (2:1). Disse systemene ble utarbeidet av ulike metoder: fryse-tørking (FD), vakuum fordampning (VE), og varme og røring (HS) med og uten vann. Som et eksempel, protokollen for systemet sitronsyre: glukose (2:1) er gitt. NADES var karakterisert ved differensial skanning reaksjonskalorimetri (DSC), polarisert optisk mikroskopi (POM), vanninnhold og kjernefysisk magnetisk resonans (NMR) spektroskopi.
1. NADES forberedelse
- Frysetørking
- I separate beholdere, tilsett 2 g sitronsyre monohydrat og 0,9530 g glukose monohydrat. Tilsett 10 mL deionisert vann til hver og rør til forbindelsene er helt oppløst.
- Bland de to løsningene sammen og sikre homogenisering av den endelige løsningen. Plasser løsningen i en rund bunn kolbe.
- Frys den ved hjelp av flytende nitrogen. Plasser flasken i en fryse-tørketrommel for 48 h for å sikre at alt vannet er fjernet fra prøven.
- Vakuum fordampning
- Veie 2 g sitronsyre monohydrat og 0,9530 g glukose monohydrat i separate beholdere. Tilsett 10 mL deionisert vann til hver og rør til forbindelsene er helt oppløst.
- Bland de to løsningene sammen og sikre homogenisering av løsningen. Plasser løsningen i en rund bunn kolbe.
- Bruk en roterende fordamper og tørk prøven til det dannes en klar, viskøs væske.
- Oppvarming og omrøring
- Veie 2 g sitronsyre monohydrat og 0,9530 g glukose monohydrat i samme hetteglass. Tilsett 278 μL vann.
- Plasser hetteglasset med en magnetisk røring bar i et vannbad på 50 ° c.
- La prøven stå inntil det dannes en klar, viskøs væske.
2. NADES karakterisering
- Polarisert optisk mikroskopi (POM)
- Plasser en dråpe NADES på et mikroskop glass lysbilde for observasjon.
- Bruk overføringsmodusen til et mikroskop, og Utfør den optiske karakterisering av prøven ved romtemperatur.
- Karl-Fisher-titrering
- Samle 100 μL av NADES i en sprøyte, og rengjør deretter overflødig væske på utsiden.
- Plasser sprøyten på en skala og tare den.
- Trykk på Start på KF-utstyret og Legg en liten dråpe av prøven til fartøyet.
- Veie sprøyten, angi massen på KF utstyret og trykk Enter. Resultatet vil vises på skjermen i ppm av vann.
- Differensial skanning reaksjonskalorimetri (DSC)
- Plasser 3-10 mg av hver prøve i en hermetisk aluminium panne med et deksel lokk. Lukk pannen med et prøve trykk.
- Analyser prøvene ved hjelp av en DSC med et temperaturområde på-90 ° c opp til nedbrytningstemperatur, med en oppvarmings hastighet på 10 ° c/min. Utfør to sykluser med et isotermiske tak på 2 min og analyser under en nitrogen atmosfære (50 mL/min).
- Kjernefysisk magnetisk resonans (NMR)
- Klargjør en 5 mm NMR-slange ved å oppløse 250 μL av NADES med 250 μL av dimethyl sulfoxide-D6 (DMSO-d6).
- Skaff deg 1H og NOESY Spectra ved 25 ° c på en 400 MHz spektrometer.
- Bruk en passende programvare for å analysere Spectra, og bruk kjemisk forskyvning av DMSO-D6 (δ 2,50 ppm) for å tildele alle signalene fra hver komponent.
Representative Results
Fra utarbeidelse av NADES, resultatene vi forventer å få er vist på figur 1. Nedenfor finner du en beskrivelse av hvert system. Ved hjelp av fryse-tørking metoden, bør resultatet være en solid eller en svært tett lim siden alt vannet er fjernet fra systemet. Ved hjelp av fordampning metoden, bør resultatet være en klar og viskøs væske. Ved hjelp av oppvarmings-og røring metoden med tilsetning av små mengder vann, bør resultatet være en klar og svært viskøs væske.
Resultatene fra POM kan ses på figur 1. Når en NADES er helt dannet, forventer vi å se et svart bilde, noe som indikerer at prøven er helt amorfe og at det ikke er noen krystaller igjen i systemet. Resultatene fra KF-titrering er beskrevet i tabell 2. I tillegg til mengden vann som legges til systemene, avhenger prosentandelen av vann i den endelige blandingen også av vanninnholdet i reagensene.
Når det gjelder DSC, er målet med denne teknikken også å bekrefte at systemet er flytende i temperaturområdet som det vil bli brukt, så det forventede resultatet er å ha en Thermogram som ikke viser noen termiske hendelser på temperaturområdet av interesse (tabell 2 ). Den NMR teknikken brukes til å bekrefte eksistensen av hydrogen binding formasjon, som er den viktigste karakteristisk for NADES systemer. Dette kan bekreftes ved observasjon av endringen i kjemiske Skift av hvert signal, og ved analyse av NOESY Spectra, som viser romlige og Intermoleylære sammenhenger (figur 2).
| Komponent 1 | Komponent 2 | Forberedelse metode | Referanse |
| Betaine (Bet) | L-(+)-vinsyre acid (LTA) | Vakuum fordamper (VE) | Dai et al. (2013)5 og Espino et al. (2016)6 |
| β-alanin (β-A) | DL-malic syre (MA) | Vakuum fordamper (VE) | Dai et al. (2013)5 og Espino et al. (2016)6 |
| Glukose (Gluc) | Sukrose (suc) | Fryse-tørket (FD) | Choi et al. (2011)4 og Espino et al. (2016)6 |
| Sitronsyre (CA) | Glukose (Gluc) | Fryse-tørket (FD) | Choi et al. (2011)4 og Espino et al. (2016)6 |
Tabell 1: Systemer rapportert i litteraturen og deres forberedelse metode.
| Nades | Forberedelse metode | Vanninnhold (%) |
| Karl Fischer-tiltaket | ||
| Innsats: LTA (2:1 + 20% vann) | Oppvarming og omrøring, tilsette vann | 19,94 ± 1,28 |
| Spill: LTA (2:1) | Vakuum-fordamper | 11,36 ± 0,78 |
| β-A:MA (3:2 + 11% vann) | Oppvarming og omrøring, tilsette vann | 11,45 ± 0,25 |
| β-A:MA (3:2) | Vakuum-fordamper | 18,84 ± 1,78 |
| Gluc: suc (1:1 + 21% vann) | Oppvarming og omrøring, tilsette vann | 20,88 ± 0,13 |
| Gluc: suc (1:1) | Vakuum-fordamper | 22,56 ± 0,48 |
| CA: Gluc (2:1 + 17% vann) | Oppvarming og omrøring, tilsette vann | 17,33 ± 0,68 |
| CA: Gluc (2:1) | Vakuum-fordamper | 20,04 ± 0,26 |
Tabell 2: Vanninnhold (%) av systemene utarbeidet av ulike metoder.
Figur 1: representative resultater av NADES når utarbeidet av a) fryse-tørking, b) vakuum fordampning og c) oppvarming og omrøring med tilsetning av vann. Bildet viser at når systemet er fryse-tørket, oppnådde resultatet er en krystall siden alt vannet er fjernet fra blandingen mens når ve og HS metoder brukes, mengden vann som trengs for NADES å danne er til stede og det oppnådde resultatet er en Hom ogenous væske ved romtemperatur. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 2: polarisert optisk mikroskopi av ca: Glu (2:1) fremstilt ved forskjellige metoder, med kryss polarisatorer (venstre bilde) og parallell polarisatorer (høyre bilde) – 100 μm (10x forsterkning). De svarte bildene viser at prøven er en væske ved romtemperatur. FD prøven er helt krystallisert siden resultatet innhentet fra denne teknikken var ikke en væske. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3: a) Overlegg av 1H NMR Spectra av (A) NADES system sitronsyre: glukose: vann (2:1:4), (B) glukose, og (C) sitronsyre; b) NOESY spektrum av NADES systemet sitronsyre: glukose: vann (2:1:4). Den kledde Spectra viser forskjellen i kjemiske Skift av hver komponent ved des formasjon, oppsto ved etablering av hydrogen obligasjoner mellom dem. Den NOESY spekteret viser samspillet mellom OH Proton fra sitronsyre med de resterende protoner fra begge komponentene. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Discussion
De ulike metoder rapportert i litteraturen for utarbeidelse av NADES er en oppvarming og røring metode (HS), vakuum fordampning (VE), og fryse-tørking (FD). Systemene vi har utarbeidet i dette arbeidet er beskrevet av ulike forfattere i litteraturen4,5,6,10,11. Tabell 1 lister opp komponentene i hver blanding, som rapportert i det opprinnelige manuskriptet, så vel som deres Forberedelses metode.
Ved våre undersøkelser for å reprodusere systemene som er beskrevet, innså vi at det i noen tilfeller ikke var mulig å oppnå en lignende NADES, som en klar, viskøs, flytende prøve ved romtemperatur. Klargjøre en NADES er avhengig av mange faktorer. Noen kan lett kontrolleres, men andre er vanskeligere å standardisere. Det viktigste å vurdere er at det endelige produktet ikke kan stole på eksterne faktorer som utstyr som brukes.
Systemene utarbeidet av ulike metoder ble deretter karakterisert. Med polarisert optisk mikroskopi (POM), ble det observert at med HS metoden uten vann, selv ved forskjellige temperaturer, gjorde NADES ikke danne en klar og viskøs væske. Imidlertid ble en homogen og klar, viskøs væske observert som representert i figur 1 ved bruk av HS-metoden med små mengder vann og ve-metoden for UTARBEIDELSE av NADES.
DSC ble brukt til å bestemme de termiske hendelsene i blandingen. Resultatene viste at systemet er flytende ved romtemperatur og opp til 130 ° c, siden Thermogram ikke viser noen termiske hendelser. Vanninnholdet i hver prøve ble målt av Karl-Fischer-titrering, og resultatene er representert i tabell 2. Vanninnholdet i systemene må rapporteres, siden det er den parameteren som de fleste påvirker egenskapene til den oppnådde væsken, slik som viskositet og polaritet. Disse endringene har stor innvirkning på utfallet av programmet som NADES er utformet for.
NMR ble også brukt til å bekrefte dannelsen av de nevnte NADES-systemene, gjennom dannelsen av hydrogen obligasjoner mellom molekylene i hvert system. Et eksempel er gitt i figur 2 for NADES systemet sitronsyre: glukose (2:1) med 17% vann innhentet av HS der Proton spekteret av denne NADES og start materialer (sitronsyre og glukose) er kledde (figur 2a). Fra dette, er det mulig å observere endringer i kjemiske Skift av noen protoner fra hvert molekyl. Den store endringen er skiftende av OH Proton fra sitronsyre. Opprinnelig, dette signalet vises på 5,16 ppm, men dette signalet skifter til 6,22 ppm på grunn av dannelsen av hydrogen obligasjoner. Dette bekreftes av NOESY spektrum (figur 2b), hvor den sterke samspillet mellom oh fra sitronsyre og de resterende protoner er synlig. En lignende interaksjon ble observert for de andre NADES systemer.
I denne studien observerte vi at beskrivelsen av Forberedelses metoden for eutectic systemer rapportert i litteraturen noen ganger er ufullstendige, på grunn av mangel på informasjon om vanninnholdet i de fleste systemer. I VE-metoden tilsettes vannet ved å utarbeide løsninger av forskjellige komponenter og blande ved en temperatur som fører til dannelsen av eutectic systemer; men vi kan ikke være sikker på minimum nødvendig vanninnhold. Kunnskapen om prosentandelen av vann som trengs for å danne systemene anses derfor, et avgjørende punkt som alltid skal rapporteres, for andre å være i stand til å reprodusere utarbeidelsen av de forskjellige eutectic blandinger.
Den beste metoden å bruke er HS metoden med vann lagt til som det tar mindre tid å forberede, for tilfeller der vanninnholdet er allerede beskrevet. Imidlertid, hvis denne beskjed er ikke anvendelig, det letteste metoden er det VE metoden, der hvor alle anvendelig vann er fjernet og bare vannet påvirker med det NADES komponentene restene inne systemet. I alle fall bør forskerne la systemene fordampe for nok tid til å sikre at fritt vann fjernes fra systemet. Denne timingen er avhengig av utstyr og derfor er det ikke nok å beskrive i materialene delen varigheten av VE-metoden, men vanninnholdet har alltid å bli rapportert.
Disclosures
Forfatterne har ingenting å avsløre.
Acknowledgments
Dette prosjektet har fått støtte fra European Research Council (ERC) under EUs Horizon 2020 forsknings-og innovasjonsprogram, under tilskudds avtale ingen ERC-2016-CoG 725034. Dette arbeidet ble også støttet av førsteamanuensis laboratorium for grønn kjemi-LAQV som er finansiert av nasjonale midler fra FCT/MCTES (UID/QUI/50006/2019) og av FCT/MCTES gjennom prosjektet 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).
