Summary
Detta protokoll syftar till att standardisera utarbetandet av djupa eutektiska system i hela forskarvärlden så att dessa system kan återges.
Abstract
Förberedelsen av djupa Eutectic system (DES) är a priori ett enkelt tillvägagångssätt. Definitionsmässiga, två eller flera komponenter blandas tillsammans med en given molar förhållande att bilda en DES. Men från vår erfarenhet i laboratoriet, det finns ett behov av att standardisera förfarandet för att förbereda, karakterisera och rapportera de metoder som följs av olika forskare, så att de resultat som publiceras kan återges. I detta arbete testar vi olika tillvägagångssätt som rapporteras i litteraturen för att förbereda Eutectic system och utvärderade vikten av vatten i en lyckad beredning av vätskesystem vid rumstemperatur. Dessa publicerade eutektiska system bestod av citronsyra, glukos, sackaros, äppelsyra, β-alanin, L-vinsyra och betain och inte alla beskrivna beredningsmetoder kunde återges. I vissa fall var det dock möjligt att återge de beskrivna systemen, med införandet av vatten som en tredje komponent i den eutektiska blandningen.
Introduction
Djupa eutektiska lösningsmedel har utsetts till lösningsmedel för det tjugoförsta århundradet och anses vara en ny generation lösningsmedel. De definieras som en blandning av två eller flera kemiska föreningar vid en viss molar förhållande för att resultera i en betydande minskning av smälttemperaturen hos de enskilda komponenterna, blir flytande vid rumstemperatur1,2, 3. i denna mening kräver beredning av lösningsmedel inte någon kemisk reaktion och därmed produktionen avkastningen är 100%. I 2011, Choi och medarbetare rapporterade möjligheten av naturligt förekommande des och döpte dem, naturliga djupa Eutectic lösningsmedel (NADES)3,4,5. NADES kan framställas från olika kombinationer av socker, aminosyror, organiska syror och kolin derivat; och dessa system som framställs av naturliga komponenter är till sin natur biokompatibla och biologiskt nedbrytbara och uppvisar betydligt mindre toxicitet jämfört med andra alternativa lösningsmedel (t. ex. Joniska vätskor)5,6, 7,8. Sedan 2015 har antalet publikationer inom området stigit exponentiellt och de möjliga tillämpningarna av NADES är mycket breda3. Även om många manuskript och recensioner har publicerats, det finns grundläggande frågor som kvarstår, och forskarna har ännu inte hittat svaret på spännande frågor som mekanismerna bakom DES formation. Förståelsen av mekanismen för DES-bildning skulle leda till en konsoliderad strategi för utveckling av nya system, snarare än den nuvarande prövningen och fel metoden. Dessutom växer möjligheterna på området varje dag, eftersom konsumenterna blir mer medvetna om hållbarheten i sina produkter, inte bara när det gäller deras livslängd utan även när det gäller själva bearbetningen8,9, 10. För att driva stora innovationer inom området för djupa eutektiska lösningsmedel krävs först standardisering av produktions-och karakteriseringsmetoderna. Avsaknaden av reproducerbarhet av några av de system som rapporterades i litteraturen var motivationen att utveckla detta arbete när vi ställdes inför denna fråga flera gånger. Häri visar vi behovet av och avgörande betydelse för att korrekt beskriva material och metoder och visar att även om utarbetandet av DES är ett enkelt och okomplicerat förfarande, finns det några viktiga aspekter (t. ex. förekomst/mängd vatten) som måste alltid diskuteras.
Protocol
Obs: de NADES studerade var Betaine: L-(+)-vinsyra (2:1), β-alanin: DL-äppelsyra (3:2), glukos: sackaros (1:1) och citronsyra: glukos (2:1). Dessa system har utarbetats med olika metoder: frystorkning (FD), vakuum avdunstning (VE), och värme och omrörning (HS) med och utan vatten. Som ett exempel ges protokollet för systemet citronsyra: glukos (2:1). NADES präglades av differential skanning calorimetri (DSC), polariserad optisk mikroskopi (POM), vattenhalt och kärnmagnetisk resonans (NMR) spektroskopi.
1. NADES förberedelser
- Frystorkning
- Tillsätt 2 g citronsyramonohydrat i separata behållare och 0,9530 g glukos monohydrat. Tillsätt 10 mL avjoniserat vatten till varje och rör om tills föreningarna är helt upplöst.
- Blanda ihop de två lösningarna och säkerställ homogeniseringen av den slutliga lösningen. Placera lösningen i en rund botten kolv.
- Frys den med flytande kväve. Placera kolven i en frys tork för 48 h för att säkerställa att allt vatten avlägsnas från provet.
- Vakuum avdunstning
- Väg upp 2 g citronsyramonohydrat och 0,9530 g glukos monohydrat i separata behållare. Tillsätt 10 mL avjoniserat vatten till varje och rör om tills föreningarna är helt upplöst.
- Blanda ihop de två lösningarna och säkerställ homogeniseringen av lösningen. Placera lösningen i en rund botten kolv.
- Torka provet med hjälp av en roterande indunstare tills en klar, trögflytande vätska bildas.
- Upphettning och omrörning
- Väg upp 2 g citronsyramonohydrat och 0,9530 g glukos monohydrat i samma injektionsflaska. Tillsätt 278 μL vatten.
- Placera injektionsflaskan med en magnetisk omrörnings stång i ett 50 ° c vattenbad.
- Lämna provet tills en klar, trögflytande vätska bildas.
2. NADES karaktärisering
- Polariserad optisk mikroskopi (POM)
- Placera en droppe av NADES på ett Mikroskop glas glida för observation.
- Använd transmissions läget i Mikroskop för att utföra den optiska karakteriseringen av provet i rumstemperatur.
- Karl-Fisher titrering
- Samla 100 μL av NADES i en spruta, och sedan rengöra överflödig vätska på utsidan.
- Placera sprutan på en skala och Tara den.
- Tryck på Start på KF-utrustningen och tillsätt en liten droppe av provet till kärlet.
- Väg in sprutan, ange massan på KF-utrustningen och tryck på Enter. Resultatet kommer att visas på skärmen i ppm vatten.
- Differential skanning calorimetri (DSC)
- Placera 3-10 mg av varje prov i en hermetisk aluminium panna med ett täcklock. Stäng pannan med en provtryckning.
- Analysera proverna med hjälp av en DSC med ett temperaturintervall på-90 ° c upp till nedbrytnings temperaturen, med en uppvärmnings hastighet på 10 ° c/min. utför två cykler med en isotermisk stadga på 2 min och analysera under en kväveatmosfär (50 mL/min).
- Kärnmagnetisk resonans (NMR)
- Bered en 5 mm NMR-tub genom att lösa upp 250 μL av NADES med 250 μL dimetylsulfoxid-D6 (DMSO-d6).
- Förvärva 1H och NOESY Spectra vid 25 ° c på en 400 MHz spektrometer.
- Använd en lämplig programvara för att analysera spektra, och använda den kemiska förskjutningen av DMSO-D6 (δ 2,50 ppm) för att tilldela alla signaler för varje komponent.
Representative Results
Från utarbetandet av NADES, de resultat vi förväntar oss att få visas på bild 1. En beskrivning av varje system görs nedan. Med hjälp av frystorkning metoden bör resultatet vara en solid eller en mycket tät pasta eftersom allt vatten tas bort från systemet. Genom att använda avdunstnings metoden bör resultatet vara en klar och trögflytande vätska. Med hjälp av värme och omrörning metod med tillsats av små mängder vatten, bör resultatet vara en klar och mycket trögflytande vätska.
De resultat som erhålls från POM kan ses på figur 1. När en NADES är helt bildas, förväntar vi oss att se en svart bild, vilket indikerar att provet är helt amorf och att det inte finns några kristaller kvar i systemet. De resultat som erhålls från KF-titrering beskrivs i tabell 2. Förutom den mängd vatten som läggs till systemen, beror den procentuella andelen vatten i den slutliga blandningen också på vatteninnehållet i reagenser.
När det gäller DSC, är målet med denna teknik också att bekräfta att systemet är flytande i det temperaturområde som det kommer att tillämpas, så det förväntade resultatet är att ha ett TERMOGRAM som inte visar några termiska händelser på temperaturområdet av intresse (tabell 2 ). NMR-tekniken används för att bekräfta förekomsten av vätebindningar, som är det viktigaste kännetecknet för NADES-system. Detta kan bekräftas genom observation av förändringen i kemiska Skift av varje signal, och genom analys av NOESY Spectra, som visar rumsliga och intermolekylära korrelationer (figur 2).
| Komponent 1 | Komponent 2 | Beredningsmetod | Referens |
| Betaine (satsning) | L-(+)-vinsyra (LTA) | Vakuum avdunsta (VE) | Dai et al. (2013)5 och Espino et al. (2016)6 |
| β-alanin (β-A) | DL-äppelsyra (MA) | Vakuum avdunsta (VE) | Dai et al. (2013)5 och Espino et al. (2016)6 |
| Glukos (Gluc) | Sackaros (SUC) | Frystorkad (FD) | Choi et al. (2011)4 och Espino et al. (2016)6 |
| Citronsyra (CA) | Glukos (Gluc) | Frystorkad (FD) | Choi et al. (2011)4 och Espino et al. (2016)6 |
Tabell 1: Som rapporterats i litteraturen och deras beredningsmetod.
| Nades | Beredningsmetod | Vattenhalt (%) |
| Karl Fischer mäter | ||
| Satsning: LTA (2:1 + 20% vatten) | Värme och omrörning, tillsats av vatten | 19,94 ± 1,28 |
| Satsning: LTA (2:1) | Vakuum avdunkande | 11,36 ± 0,78 |
| β-A:MA (3:2 + 11% vatten) | Värme och omrörning, tillsats av vatten | 11,45 ± 0,25 |
| β-A:MA (3:2) | Vakuum avdunkande | 18,84 ± 1,78 |
| Gluc: SUC (1:1 + 21% vatten) | Värme och omrörning, tillsats av vatten | 20,88 ± 0,13 |
| Gluc: SUC (1:1) | Vakuum avdunkande | 22,56 ± 0,48 |
| CA: Gluc (2:1 + 17% vatten) | Värme och omrörning, tillsats av vatten | 17,33 ± 0,68 |
| CA: Gluc (2:1) | Vakuum avdunkande | 20,04 ± 0,26 |
Tabell 2: Vattenhalt (%) av de system som utarbetats med olika metoder.
Figur 1: representativa resultat av nades när de bereds av a) frystorkning, b) vakuum avdunstning och c) upphettning och omrörning med tillsats av vatten. Bilden visar att när systemet frystorkad, det erhållna resultatet är en kristall eftersom allt vatten avlägsnas från blandningen medan ve och HS metoder används, är den mängd vatten som behövs för nades att bilda närvarande och det erhållna resultatet är en Hom vätska i rumstemperatur. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2: polariserad optisk mikroskopi av ca: GLU (2:1) beredd av olika metoder, med Cross polarisatorer (vänster bild) och parallella polarisatorer (höger bild) – 100 μm (10X amplifiering). De svarta bilderna visar att provet är en vätska i rumstemperatur. FD provet är helt kristalliserad eftersom resultatet från denna teknik var inte en vätska. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3: a) Överlagring av 1H NMR Spectra av (a) nades systemet citronsyra: glukos: vatten (2:1:4), (B) glukos, och (C) citronsyra; b) NOESY spektrum av NADES systemet citronsyra: glukos: vatten (2:1:4). De överlagda spektra visar skillnaden i kemiska skiftningar av varje komponent på des formation, som härrör från etableringen av vätebindningar mellan dem. Den NOESY spektrum visar samspelet mellan OH Proton från citronsyra med de återstående protoner från båda komponenterna. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Discussion
De olika metoder som rapporteras i litteraturen för beredning av NADES är en uppvärmnings-och omrörnings metod (HS), vakuum avdunstning (VE) och frystorkning (FD). De system vi har utarbetat i detta arbete beskrivs av olika författare i litteraturen4,5,6,10,11. I tabell 1 förtecknas komponenterna i varje blandning, såsom de rapporteras i originalmanuskriptet, samt deras beredningsmetod.
Vid våra utredningar att reproducera de beskrivna systemen, insåg vi att det i vissa fall inte var möjligt att uppnå en liknande NADES, som en klar, trögflytande, flytande prov vid rumstemperatur. Förbereda en NADES förlitar sig på många faktorer. Vissa kan lätt kontrolleras, men andra är svårare att standardisera. Det viktigaste att tänka på är att slutprodukten inte kan förlita sig på externa faktorer som den utrustning som används.
De system som utarbetats av olika metoder karakteriserades sedan. Med polariserad optisk mikroskopi (POM), det observerades att med HS metod utan vatten, även vid olika temperaturer, NADES inte en klar och trögflytande vätska. Emellertid observerades en homogen och klar, trögflytande vätska som representeras i figur 1 vid tillämpning av HS-metoden med små mängder vatten och ve-metoden för beredning av nades.
DSC användes för att bestämma de termiska händelserna i blandningen. Resultaten visade att systemet är flytande vid rumstemperatur och upp till 130 ° c, eftersom termogrammet inte visar några termiska händelser. Vatteninnehållet i varje prov mättes med Karl-Fischer-titrering, och resultaten representeras i tabell 2. Vatteninnehållet i systemen måste rapporteras, eftersom det är den parameter som mest påverkar egenskaperna hos den erhållna vätskan, såsom viskositet och polaritet. Dessa förändringar har stor inverkan på resultatet av den ansökan som NADES är utformad.
NMR användes också för att bekräfta bildandet av nämnda NADES system, genom bildandet av vätebindningar mellan molekylerna i varje system. Ett exempel ges i figur 2 för nades-systemet citronsyra: glukos (2:1) med 17% vatten som erhålls genom HS där protonspektrat av denna nades och utgångsmaterialen (citronsyra och glukos) är överlagda (figur 2a). Från detta är det möjligt att observera förändringar i de kemiska förskjutningarna av vissa protoner från varje molekyl. Den stora förändringen är förskjutningen av OH-Proton från citronsyra. Ursprungligen, denna signal visas på 5,16 ppm, men denna signal övergår till 6,22 ppm på grund av bildandet av vätebindningar. Detta bekräftas av NOESY spektrum (figur 2b), där den starka interaktionen mellan OH från citronsyra och de återstående protoner är synlig. En liknande interaktion observerades för de andra NADES-systemen.
I denna studie konstaterade vi att beskrivningen av berednings metoden för eutektiska system som rapporteras i litteraturen ibland är ofullständig, på grund av bristen på information om vattenhalten i de flesta system. I VE-metoden tillsätts vattnet genom att bereda lösningar av olika komponenter och blandas vid en temperatur som leder till bildandet av Eutectic system; Vi kan dock inte vara säkra på den lägsta vattenhalt som krävs. Den kunskap om procentandel vatten som behövs för att forma systemen anses därför vara en avgörande punkt som alltid bör rapporteras, för att andra skall kunna reproducera utarbetandet av de olika eutektiska blandningarna.
Den bästa metoden att använda är HS-metoden med vatten som läggs till eftersom det tar mindre tid att förbereda, för fall där vatteninnehållet redan beskrivits. Men om denna information inte är tillgänglig, är den enklaste metoden den VE metod, där alla tillgängliga vatten avlägsnas och endast vattnet interagerar med NADES komponenterna kvar i systemet. I vilket fall som helst bör forskarna låta systemen avdunta tillräckligt länge för att se till att fritt vatten avlägsnas från systemet. Denna timing är beroende av utrustningen och därför är det inte tillräckligt att beskriva i material avsnittet varaktigheten av VE-metoden, men vatteninnehållet har alltid att rapporteras.
Disclosures
Författarna har inget att avslöja.
Acknowledgments
Projektet har fått bidrag från Europeiska forskningsrådet (ERC) inom ramen för Europeiska unionens Horisont 2020 forsknings-och innovationsprogram, enligt bidragsöverenskommelsen nr ERC-2016-CoG 725034. Detta arbete stöddes också av det biträdande laboratoriet för grön kemi-LAQV som finansieras av nationella fonder från FCT/MCTES (UID/QUI/50006/2019) och av FCT/MCTES genom projektet 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).
