Kinolin Bazlı İyonik Sıvının Yeşil Sentezi

Özet

Bu çalışmada, kinolin bazlı İyonik Sıvının (IL), yani 1-Heksadesilkinolin-1-ium bromür {[C₁₆quin]Br}'nin yeşil sentezini, kinolini fazla miktarda 1-Bromoheksadekan ile karıştırarak ve Nükleer Manyetik Rezonans ve Kızılötesi spektroskopik ölçümler kullanılarak ayrıntılı karakterizasyonunu açıklıyoruz.

Özet

Giderek büyüyen Antimikrobiyal Direnç (AMR) tehdidi, bakteri, virüs, parazit ve mantarların neden olduğu durmaksızın filizlenen enfeksiyonlara karşı mevcut antibiyotiklerin gücünü tehlikeye atarak insan sağlığı ve refahı için büyük bir tehdit oluşturmaktadır. Bu bağlamda, İyonik Sıvılar (IL'ler) mevcut antimikrobiyallere göre en çevre dostu, uçucu olmayan ve termal olarak kararlı alternatiflerden biri olan, yüksek çözünme potansiyeline ve düşük buhar basıncına sahip olan birkaç yeni molekül cesaretlerini kanıtlamıştır. Ayrıca, bu varlıkların protein yapılarını hem stabilize etmede hem de kararsızlaştırmada ve enzimatik aktiviteyi arttırmada kullanılması, biyomedikal endüstrisindeki potansiyellerini daha da artırmıştır. Bunu göz önünde bulundurarak, düşük sitotoksisite ve mükemmel yapay şaperon aktivitesi ile muazzam antimikrobiyal gücü sayesinde kinolin bazlı IL'nin yeşil sentezini ve karakterizasyonunu sunuyoruz. Burada, tek hazneli sentez yaklaşımını solventsiz, daha yeşil reaksiyon koşullarında manevra yapmak, yalnızca reaksiyon verimliliğini iyileştirmekle kalmadı, aynı zamanda kimyasal verimi de artırdı. Sentezlenen IL'nin saflığı, 1H Nükleer Manyetik Rezonans (NMR), 13C NMR ve Kızılötesi (IR) spektroskopisi kullanılarak doğrulandı. Sentezlenen bileşiğin biyolojik potansiyeli, Absorpsiyon, Dağılım, Metabolizma, Atılım ve Toksisite (ADMET) özelliklerinin analiz edilmesiyle daha da doğrulanır ve disk difüzyon testi kullanılarak doğrulanır.

Giriş

Dünya nüfusundaki muazzam artış, son birkaç yılda gıda, ilaçlar ve ölümlü organizmaların beslenmesi için diğer önemli ürünler de dahil olmak üzere çok çeşitli emtiaların tüketiminde muazzam bir artışa neden oluyor. Bu, dünya çapında son derece özelleşmiş, ekolojik olarak sağlam ve faydalı özelliklere sahip yeni kimyasal bileşikler arayışını canlandırdı. İyonik Sıvılar (IL'ler) bu konuda başarılı olduklarını kanıtlamıştır. Bu bileşiklerin bilimsel alandaki etkileri, çağdaş kimyasal teknolojilerdeki araştırmalarda yeni girişimleri desteklemiştir¹. Konvansiyonel yaklaşımların aksine, IL'lerin kullanımı sadece ilerleyici reaksiyon koşullarını kolaylaştırmakla kalmaz, aynı zamanda deneysel araştırma ve geliştirme ile ilgili çeşitli biyokimyasal zorluklarla başa çıkmak için özelleştirilmiş bir stratejiyi de teşvik eder².

Tipik olarak IL'ler, 100 °C'nin altında bir erime noktasına sahip katyonlar (organik) ve anyonlar (inorganik) içeren kararlı tuzlardır³. Yeşil kimyanın 12 ilkesine bağlı kalarak, ampirik olarak, bunlar geleneksel organik çözücülerin ikna edici ikameleridir⁴. Bu bileşiklerin kullanımıyla ilişkili şaşırtıcı özellikler, büyük içsel iletkenlik, polarite, çözünme eğilimi, termal kararlılık, uçuculuk, asitlik/bazlık, hidrofiliklik/hidrofobiklik ve ayarlanabilirliği kapsar ve IL'leri deneysel araştırmalar için en uygun hale getirir⁵.

Modern organik sentez 6, kataliz⁷ ve sensörler⁸,^{aktüatörler 9}, piller 10 ve yakıt hücreleri^11'i içeren çeşitli elektrokimyasal işlemlerde çeşitli IL sınıflarının geniş uygulamalarının yanı sıra, son birkaç yılda, bu bileşik sınıfı, AMR ışığında biyotıp alanında önemli bir tanınırlık kazanmıştır. Mevcut deneme süreleri, imidazolium, piridin, kolin ve pirol bazlı IL'lerin yüksek yükleri ve hidrofobiklikleri nedeniyle terapötik ajanlar olarak son derece etkili olduğunu ortaya koymaktadır¹². Bununla birlikte, kinolin bazlı muadilleri hala patojenik mikroplara karşı en güçlü olarak kabul edilmektedir¹². Bu IL sınıfına eşlik eden ek biyomedikal uygulamalar arasında yapay şaperon aktivitesi¹³, kanserli hücrelere karşı sitotoksisite¹⁴ ve mükemmel bir ilaç taşıma kapasitesi¹⁵ bulunur.

Geleneksel olarak, IL'lerin üretimi, diklorometan, benzen, karbon tetraklorür, dikloroetilen vb. gibi oldukça toksik çözücü ortamların kullanılmasını ^içerir.16, biyouyumluluğu engeller ve bileşiğin toksisitesini yükseltir, bu da onları biyolojik kullanım için istenmeyen hale getirir. Ek olarak, reaksiyon ortamında zararlı çözücülerin kullanılması sadece reaksiyon süresini yavaşlatmakla kalmaz, aynı zamanda çevreye salınan atık yan ürünlerin kasıtsız üretimini de artırır¹⁷. Ayrıca, reaksiyon ortamında kullanılan çözücü, nihai ürünün pH'ını da etkiler; Bu nedenle, reaksiyonun sonunda uzaklaştırılması, özellikle istenen bileşiğin proteinle ilgili biyolojik sistemler için kullanılması amaçlandığında hayati önem taşır. Bu nedenle, bu tür çözücülerin kullanımından uzak durmak yeşil kimya alanında olumludur.

Bu çalışmada, biyouyumlu ve toksik olmayan bir¹³ IL'nin, yani 1-Hekzadesilkinolin-1-ium bromürün daha yeşil bir yol kullanılarak tek kap sentezini rapor ediyoruz. Mevcut strateji, reaksiyon karışımı içinde oluşan IL'nin kendi kendine çözme yeteneğinden yararlanan, yüksek reaksiyon verimliliğini ve kimyasal verimi teşvik eden moleküler bir çözücünün kullanımını ihmal eder. Menschutkin reaksiyonu¹⁸, mevcut sentez metodolojisinin temelini oluşturur. Sentezlenen bileşiğin saflığı, NMR ve IR spektroskopisi kullanılarak incelenir. Bileşiğin farmakokinetik profili ve toksisitesi ADMET çalışmaları ile araştırılmıştır. Ayrıca, sentezlenen IL'nin patojenik Candida albicans suşuna karşı antimikrobiyal potansiyeli de çalışmada gösterilmiştir.

Protokol

NOT: 1-Heksadesilkinolin-1-ium bromür {[C₁₆quin]Br}, daha önce Sharma ve ^ark.13 tarafından tarif edildiği gibi sentezlenmiştir.

1. Cam aparatların hazırlanması ve sterilizasyonu

NOT: Bu, istenen bileşiğin sentezi için reaksiyonun kurulmasından en az 1 gün önce yapılmalıdır.

1. 24/29, 250 mL, iki boyunlu yuvarlak tabanlı bir şişeyi (RB), ölçüm silindirleri vb. gibi diğer cam aparatlarla birlikte iyice yıkayın ve damıtılmış su ve ardından aseton ile durulayın.
2. Yıkanmış cihazı, daha sonra kullanmak üzere tamamen kuruyana kadar 60 °C'de sıcak hava fırınında kurutun.
   NOT: Genellikle, yıkanmış cihaz, su filmini tamamen çıkarmak ve reaksiyon sisteminin yabancı maddelerden arınmış olduğundan emin olmak için gece boyunca bir kurutma fırınına yerleştirilmelidir.

2. Cihazın kurulması

NOT: Cihaz, reaktanların eşit şekilde ısınmasını sağlamak için uygun şekilde sıkıştırılmalıdır. Reaksiyon kurulumunun şematik diyagramı Şekil 1'de gösterilmiştir.

1. Manyetik karıştırıcılı sıcak bir plakaya bir yağ banyosu yerleştirin. Reaksiyon başlamadan önce yağ banyosunu 80 °C'ye ısıtın.
2. RB'nin, manyetik karıştırıcılı sıcak bir plaka üzerine yerleştirilmiş yağ banyosuna yarı daldırılmış olacak şekilde bir tüp imbik standı kullanarak bir yağ banyosunda durmasına izin verin.
3. RB'nin üst ağzını, kendisine bağlı bir N₂ balonu olan bir şırıngaya daha fazla bağlanan bir temizleme iğnesi oluşturan bir mantarla kapatın.
4. Reaksiyon ortamından_N2 sızıntısını önlemek için RB'nin diğer boynunu başka bir kauçuk mantar kullanarak sıkıca kapatın.
5. Reaktanları RB'ye eklemeden önce tüm ortamı N₂ temizleme yoluyla korunan inert bir atmosferde 80 ° C'ye önceden ısıtın.
6. Reaksiyon sisteminin eylemsizliğini sağlamak ve sıcaklığı baştan sona korumak için N₂ balonunu tekrar tekrar doldurun (bu nedenle yağ banyosu ısıtması tercih edilir).

3. Reaktanların reaksiyon sistemine eklenmesi

1. 0.1 M Kinolin ve 0.105 M 1-bromohekzadekanı önceden ayarlanmış reaksiyon ortamını bozmadan reaksiyon sistemine dökün.
2. İçeriği inert bir ortamda ve sabit sıcaklıkta 3 gün boyunca 2500-3000 rpm'de sürekli olarak karıştırın.

4. Bileşiğin saflaştırılması / yeniden kristalleştirilmesi

NOT: Ürünün tamamı yeniden kristalizasyona tabi tutulmamalıdır. Bunun yerine, ürün kaybını önlemek için toplu yeniden kristalizasyon seçilmelidir.

1. Elde edilen katıyı 1:2 toluen/etil etanoat karışımı içinde çözün. Bu karışımı bir derin dondurucuda (sıcaklık -15 °C'ye ayarlanmış) -15 °C'ye soğutun ve bir vakum pompasına bağlı bir Buchner hunisi ve bir borudan bir filtre şişesi kullanarak vakum altında süzün. 0,45 μm'lik bir gözenek boyutu oluşturan bir polipropilen filtre membranını, filtrenin tüm tabanını kaplayacak şekilde Buchner hunisine yerleştirin. Düzgün bir sızdırmazlık oluşturmak için az miktarda solvent karışımını filtreden dökün ve kurulumdan her türlü hava sızıntısını önleyin.
2. Filtrelenmiş ürünü, çözücüyü huniden kademeli olarak dökerek soğuk toluen ile yıkayın ve ardından vakumlu fırında 70 °C'de kurutun. İstenen bileşiğin yüksek saflığını sağlamak için bu prosedürü 2 kez tekrarlayın.

5. NMR spektroskopisi kullanılarak bileşiğin doğrulanması

1. Bileşiği ¹H NMR ve ¹³C NMR'ye tabi tutmadan önce, bileşiğin 1-10 mg'ını ölçerek ve yaklaşık 1 mL CDCl₃ içinde çözerek döteryumlu kloroform (CDCl₃) içinde çözün.
2. Numunenin bir NMR spektrometresi altında analizi için 1 mL'lik bir şırınga kullanarak bu karışımı bir NMR tüpüne enjekte edin. Numune hazırlama hem ¹H NMR hem de ¹³C NMR için aynıdır.

6. Sentezlenen IL'nin IR karakterizasyonu

1. Bileşiğin IR spektrumlarını elde etmek için numune hazırlığına gerek yoktur.
2. Sentezlenen bileşikte bulunan farklı fonksiyonel gruplar hakkında bir fikir edinmek için birkaç mg katı numuneyi bir IR spektrometresine tabi tutun. Okumalar daha önce gösterildiği gibi elde edildi¹⁹.

7. ADMET özelliklerinin tahmini

1. İstenen IL'nin kanonik SMILES'ını ücretsiz çevrimiçi yazılım ADMETLAB 2.0'a girin ve çeşitli parametreler elde etmek için programı çalıştırın, bu da aynı biyolojik potansiyeli doğrular.

8. Sentezlenen IL'nin biyomedikal uygulamasını gösteren disk difüzyon testi

1. Candida albicans'ın (ATCC 90028) mantar suşunu maya pepton dekstroz (YPD) suyunda 37 ° C'de bir BOD çalkalayıcı inkübatöründe yaklaşık 16 saat ön kültürleyin.
2. %1 maya özütü, %2 pepton, %2 dekstroz ve %1,5 agarı 1 L çift damıtılmış suda karıştırarak YPD agar ortamını hazırlayın. 121 ° C'de 15 dakika otoklavladıktan sonra 25 mL taze şekillendirilmiş YPD agar ortamını 90 mm'lik bir Petri plakasına dökün. Ortamın düzgün bir şekilde katılaşmasını sağlamak için plakaları rahatsız etmeden bırakın.
3. Plaka tamamen katılaştıktan sonra, bir cam yayıcı kullanarak, taze hazırlanmış mantar aşısının yaklaşık 100 μL'sini homojen bir şekilde ortamın bulunduğu plakanın üzerine yayın. Plakaları laminer akış başlığında 5-7 dakika boyunca rahatsız edilmeden bırakın.
4. Forseps kullanarak aynı plakanın ortasına 5-6 mm çapında steril dairesel bir kağıt disk yerleştirin.
5. Sentezlenen IL'nin 50 μL 0.1 mM sulu çözeltisini 20-200 μL'lik bir pipet yardımıyla yavaş yavaş disk üzerine ekleyin.
6. IL'nin agar'a düzgün bir şekilde yayılmasını sağlamak için plakayı yaklaşık 30 dakika soğutun. Plakayı 24 saat boyunca 37 ° C'de önceden ayarlanmış BOD inkübatörüne yerleştirin.
7. Bir ölçüm ölçeği kullanarak inhibisyon bölgesini (disk çapı dahil) ölçün ve bu bölgenin altındaki alanı denklem 1'e göre hesaplayın.
   Alan = πr² (1)

Sonuçlar

Şekil 2, sentez işleminin meydana getirilmesinde yer alan Menschutkin reaksiyonunun reaksiyon şemasını temsil etmektedir. Bu şekilde sentezlenen 1-Hekzadesilkinolin-1-yum bromür, NMR ve IR spektroskopisi kullanılarak karakterize edildi. Bu şekilde elde edilen yağlı ürünün, Şekil 3'te ^{gösterildiği}gibi 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) δ 1 H NMR (400 MHz, CDCl₃) göstermesi beklenmektedir. Bileşik, 143, 141, 131, 130.27, 130, 127.5, 126.3, 126, 60, 31, 29, 29, 28.5, 27, 23 ve 14 δ 13 ^CNMR (Şekil 4; 100 MHz, CDCl₃) göstermelidir. Her tepe noktası, bileşiğin yapısında belirtilen ve bu sinyali getirmekten sorumlu olan karşılık gelen proton sayısı ile etiketlenir.

CDCl₃ , bu bölgede belirgin sinyaller veren H-atomlarının bulunmaması nedeniyle elektromanyetik spektrumların NMR bölgesine (yani radyo frekansı bölgesi) karşı şeffaftır ve bu nedenle döteryumlu formunda numune hazırlama için bir çözücü olarak kullanılır. Uygulanan manyetik alana müdahale etmez ve doğası gereği tamamen etkisizdir. Bununla birlikte, NMR çözücülerinin döterizasyonu tam olarak 0'e ulaşamadığından, bu çözücüye karşılık gelen zirveyi (1H NMR spektrumları için yaklaşık 7.26 ppm'de görünür) ortadan kaldırmak mümkün değildir. Bununla birlikte, ortaya çıkan tepe genellikle önemli değildir ve boş bir CDCl₃ spektrumu çalıştırılarak ve gerekli tepe noktaları buna göre entegre edilerek tamamen çıkarılabilir. Bu ayarlar doğrudan cihaz içinde veya belirli yazılımların (NMRium vb.) kullanılmasıyla yapılabilir. Numunenin mükemmel bir şekilde kurutulmaması durumunda, suyun tepe özelliği spektrumlarda belirgin bir şekilde görünebilir. Ek olarak, CDCl₃ ve diğer döteryumlanmış çözücüler de bir miktar su içerebilir ve böylece suyun varlığına atfedilen tepe noktalarını verebilir. Buradaki bu sorun, numunenin düzgün bir şekilde kurutulması ve NMR çözücüsünün oda sıcaklığında tutularak şeffaf bir film ile kaplanmasıyla çözüldü. Bazı durumlarda, potasyum karbonat veya sodyum sülfat gibi bazı inert kurutma maddeleri, CDCl₃ şişesinde bulunan su içeriğinden kurtulmak için de kullanılır.

IL'nin FTIR spektrumlarının (Şekil 5) 3051 ^cm-1, 2917 ^cm-1 ve 2853 ^cm-1'de, aromatik halkada ve ayrıca alkil karbonlarda bulunan CH germe titreşimlerine karşılık gelen maksimum yoğunlukta titreşim bantları göstermesi beklenmektedir. 3440 ^cm-1'de geniş bir omuz, NH germe titreşimlerine karşılık gelir. 1357 ^cm-1'de gözlenen bir başka omuz bandı, C-N bağı nedeniyle ortaya çıkan gerilme titreşimlerinin karakteristiğidir. 820 ^{cm-1.770 cm-1} ve 710 ^cm-1'deki dikkate değer bantlar, düzlem dışı CH eğilme titreşimleri ile ilişkilidir. 1155 ^cm-1'dekitepe noktası, düzlem içi CH eğilme titreşimlerine özgüdür. Aromatik halkada hakim olan CC germe titreşimleri, 1468 ^cm-1, 1520 ^cm-1 ve 1585 ^cm-1'de görülebilen tepe noktaları ile doğrulanır. Bu şekilde elde edilen sonuçlar, Sharma ve ^ark.13 tarafından daha önce bildirilen verilerle karşılaştırılabilir ve bu nedenle istenen bileşiğin oluşumunu doğrular.

ADMET analizi ile elde edilen sonuçlar Tablo 1'de tablo halinde verilmiştir. [C₁₆quin] Br'nin biyomedikal potansiyeli, C. albicans suşuna karşı bir kuyu difüzyon testi kullanılarak araştırıldı (Şekil 6). Bu teknik, bileşiğin uygulama alanı etrafındaki büyümenin inhibisyon bölgesini ölçerek IL'nin antimikrobiyal gücünü değerlendirir. [C₁₆quin] Br'nin C. albicans'a karşı istatistiksel olarak belirgin bir antimikrobiyal etki (p < 0.05) gösterdiği ve bu IL sınıfını biyotıp alanında oldukça güçlü ve etkili hale getirdiği gözlenmiştir.

Reaksiyonun yüzde verimi
Reaksiyonun teorik verimi, kabul edilen reaksiyon şemasına göre aşağıdaki gibi hesaplanabilir (Şekil 2).

Şemadan, 1 M kinolin, 1 M 1-Hekzadesilkinolin-1-ium bromür oluşumuna yol açar, yani 129.16 g/mol kinolin = 434 g/mol [C₁₆quin]Br.

12.916 g (0.1 mol) kinolin ×12.916= 43.4 g

Bu nedenle, reaksiyonun teorik verimi 43.4 g'dır.

Fakat

% verim= ×100

Bu çalışmada, elde edilen ürünün tamamen kurutulmasından sonra reaksiyonun gerçek verimi 37.84 g olarak bulunmuştur.

Bu yüzden

% verim=

Tartışma

Son zamanlarda, IL'ler, protein yeniden katlanması / şaperon aktivitesi, ilaç dağıtım araçları ve / veya çeşitli organik reaksiyonlarda katalizörler dahil olmak üzere biyokimyasal bilimler alanında çeşitli umut verici uygulamaları ortaya koymuştur. Ayarlanabilirlik, biyouyumluluk, çözünürlük, sürdürülebilirlik, stabilite vb. gibi ilgi çekici fizikokimyasal özellikleri, onları yeni terapötik ajanların geliştirilmesi için potansiyel adaylar haline getirmiştir²⁰. Önerilen araştırma, AMR'yi ciddi bir endişe konusu ve günümüzde küresel sağlık, gıda güvenliği ve kalkınmaya yönelik en büyük tehditlerden biri olarak görselleştiriyor ve biyomedikal bilim alanında yeni farmasötik bileşiklerin araştırılması ve geliştirilmesi arayışına öncelik veriyor. Biyomedikal endüstrisinde uygulama için kinolin bazlı IL'yi seçerken, patojenik mikropların yok edilmesindeki yüksek potansiyelinin farkındayız. Bu bileşik sınıfının antimikrobiyal etkisinin yanı sıra, yapay şaperon aktivitesi, bilim dünyasının biyofiziksel yönündeki değerini artırmaktadır.

Bu çalışmada, daha yeşil bir reaksiyon yolu kullanarak istenen IL'yi başarıyla sentezledik. Toksik çözücülerin kullanımına dayanan geleneksel metodolojilerin aksine, zararlı gaz halindeki yan ürünleri²¹ geliştirirken, burada, bunların sentezi için daha ekonomik, çevre dostu, çözücü içermeyen bir yaklaşım bildiriyoruz. Protokol, istenen bileşiğin sağlam laboratuvar sentezini kolaylaştıran basit bir reaksiyon kurulumunun ve basit bir aparatın kullanılmasını içerir. Buradan temin edilen ürün, basit bir filtreleme tekniği ile zahmetsizce izole edilebilir. Reaksiyon boyunca önemli bir yan ürünün oluşmaması, sentezin daha yeşil yönlerini daha da teşvik eder. Bu çalışmada kullanılan tekniğin hem kimyasal verim hem de istenen bileşiğin saflığı açısından verimli olduğu kanıtlanmıştır. Aksi takdirde çok adımlı reaksiyon, zaman ve kaynakları azaltmak amacıyla tek bir potada gerçekleştirildi. Bu teknik, genel organik sentezde yer alan uzun süreli ayırma ve saflaştırma aşamalarından kurtulmak için benimsenmiştir.

Bununla birlikte, yukarıda belirtilen protokole eşlik eden sınırlamalar, reaksiyon koşullarının (özellikle sıcaklık) uyumluluğunun kapsamlı bir şekilde yönetilmesini ve inert bir çalışma ortamını manuel olarak sürdürmek için N2 gazının uygun şekilde temizlenmesini içerir. Her bir adımın uygun şekilde yürütülmesi için reaksiyon ortamını zamanında kontrol etmek ve izlemek hayati önem taşır. Ölçeklenebilirlik, önerilen protokol için başka bir olası engel olabilir, çünkü endüstriyel amaçlar için tek hazneli bir sentezin ölçeklendirilmesi, homojen karıştırma ve her bir reaksiyon parametresi üzerindeki kontrol ile ilgili endişeler nedeniyle son derece zorlu olabilir.

Sonuç olarak, rapor edilen metodoloji, reaksiyon rotalarını tasarlarken, yürütürken ve optimize ederken titizlikle ele alınması ve üzerinde düşünülmesi gereken kendi zorluklarıyla birlikte, yeşil kimyada çeşitli faydalar sunan zorlu bir stratejidir.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi

Ad	Şirket	Katalog numarası	Yorumlar
1-bromohekzadekan	Merck	CAS no.112-82-3	%95 saf (HPLC analizi ile belirlendiği gibi)
Etil asetat	Merck	CAS no. 205-500-4	%95 saf (HPLC analizi ile belirlendiği gibi
) Nükleer Manyetik Rezonans (NMR) spektrometresi	Jeol, Model: JNM-ECZ 400S	Nil	Nil
Kinolin	Merck	CAS no.91-22-5	%95 saf (HPLC ile belirlendiği gibi analiz)
Toluen	Merck	CAS no. 108-88-3	%95 saf (HPLC analizi ile belirlendiği gibi)