Vorbereitung von binären und ternären tiefen eutektischen Systemen

Zusammenfassung

Dieses Protokoll zielt darauf ab, die Herstellung von tiefen eutektischen Systemen in der gesamten wissenschaftlichen Gemeinschaft zu standardisieren, damit diese Systeme reproduziert werden können.

Zusammenfassung

Die Herstellung von tiefen eutektischen Systemen (DES) ist a priori ein einfaches Verfahren. Definitionsgemäß werden zwei oder mehr Komponenten in einem gegebenen Molverhältnis zu einem DES gemischt. Aufgrund unserer Erfahrung im Labor ist es jedoch notwendig, das Verfahren zur Vorbereitung, Charakterisierung und Begenutzung der Methoden, die von verschiedenen Forschern verfolgt werden, zu standardisieren, damit die veröffentlichten Ergebnisse reproduziert werden können. In dieser Arbeit testen wir verschiedene in der Literatur berichtete Ansätze zur Vorbereitung eutektischer Systeme und bewerten die Bedeutung von Wasser bei der erfolgreichen Aufbereitung von Flüssigkeitssystemen bei Raumtemperatur. Diese veröffentlichten eutektischen Systeme setzten sich aus Zitronensäure, Glucose, Saccharose, Apfelsäure, A-Alanin, L-Tartarsäure und Betain zusammen, und nicht alle beschriebenen Zubereitungsmethoden konnten reproduziert werden. In einigen Fällen war es jedoch möglich, die beschriebenen Systeme zu reproduzieren, wobei Wasser als dritte Komponente des eutektischen Gemischs aufgenommen wurde.

Einleitung

Tiefe eutektische Lösungsmittel wurden als Lösungsmittel für das 21. Jahrhundert bezeichnet und gelten als eine neue Generation von Lösungsmitteln. Sie sind definiert als ein Gemisch aus zwei oder mehr chemischen Verbindungen mit einem bestimmten Molverhältnis, was zu einer signifikanten Abnahme der Schmelztemperatur der einzelnen Komponenten führt und bei Raumtemperatur^{1,2, 3}. In diesem Sinne erfordert die Herstellung der Lösungsmittel keine chemische Reaktion und somit beträgt die Produktionsausbeute 100%. Im Jahr 2011 berichteten Choi und Mitarbeiter über die Möglichkeit natürlich vorkommender DES und nannten sie natürliche tiefe eutektische Lösungsmittel (NADES)^3,4,5. NADES kann aus verschiedenen Kombinationen von Zuckern, Aminosäuren, organischen Säuren und Cholinderivaten hergestellt werden; und diese aus natürlichen Komponenten hergestellten Systeme sind von Natur aus biokompatibel und biologisch abbaubar und mit deutlich geringerer Toxizität im Vergleich zu anderen alternativen Lösungsmitteln (z. B. ionischen Flüssigkeiten)^{5,6, 7,8}. Seit 2015 ist die Zahl der Veröffentlichungen in diesem Bereich exponentiell gestiegen und die Einsatzmöglichkeiten von NADES sind sehr breit³. Obwohl viele Manuskripte und Rezensionen veröffentlicht wurden, gibt es grundlegende Fragen, die bestehen bleiben, und Wissenschaftler haben noch keine Antwort auf faszinierende Fragen wie die Mechanismen gefunden, die der DES-Bildung zugrunde liegen. Das Verständnis des DES-Bildungsmechanismus würde zu einem konsolidierten Ansatz bei der Entwicklung neuer Systeme führen und nicht zu einem aktuellen Versuchs- und Fehleransatz. Darüber hinaus wachsen die Chancen in diesem Bereich von Tag zu Tag, da die Verbraucher sich der Nachhaltigkeit ihrer Produkte stärker bewusst werden, nicht nur in Bezug auf ihre Endlebensdauer, sondern auch in Bezug auf die Verarbeitung selbst^{8,9, 10}. Um wichtige Innovationen im Bereich der tiefen eutektischen Lösungsmittel voranzutreiben, ist zunächst die Standardisierung der Produktions- und Charakterisierungsmethoden erforderlich. Die mangelnde Reproduzierbarkeit einiger der in der Literatur berichteten Systeme war die Motivation, diese Arbeit zu entwickeln, da wir uns mehrmals mit diesem Problem konfrontiert sahen. Hierin zeigen wir die Notwendigkeit und entscheidende Bedeutung, die Materialien und Methoden genau zu beschreiben und zeigen, dass die Herstellung von DES zwar ein einfaches und einfaches Verfahren ist, es jedoch einige Schlüsselaspekte (z. B. das Vorhandensein/die Menge an Wasser) gibt, die immer diskutiert werden muss.

Protokoll

ANMERKUNG: Die untersuchten NADES waren Betain:L-(+)-Weinsäure (2:1), '-Alanin:DL-Malic acid (3:2), Glucose:Sucrose (1:1) und Zitronensäure:Glucose (2:1). Diese Systeme wurden mit verschiedenen Methoden hergestellt: Gefriertrocknung (FD), Vakuumverdampfung (VE) sowie Wärme und Rühren (HS) mit und ohne Wasser. Als Beispiel wird das Protokoll für das System citric acid:glucose (2:1) gegeben. Die NADES zeichneten sich durch Differentialscanning Calorimetrie (DSC), polarisierte optische Mikroskopie (POM), Wassergehalt und Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) aus.

1. NADES-Vorbereitung

1. Gefriertrocknung
   1. In separaten Behältnissen 2 g Zitronensäure-Monohydrat und 0,9530 g Glukose-Monohydrat hinzufügen. Fügen Sie jeweils 10 ml entionisiertes Wasser hinzu und rühren Sie, bis die Verbindungen vollständig gelöst sind.
   2. Mischen Sie die beiden Lösungen miteinander und sorgen Sie für die Homogenisierung der. Legen Sie die Lösung in einen runden Bodenkolben.
   3. Einfrieren Sie es mit flüssigem Stickstoff. Legen Sie den Kolben 48 h lang in einen Gefriertrockner, um sicherzustellen, dass das gesamte Wasser aus der Probe entfernt wird.
2. Vakuumverdampfung
   1. Wiegen Sie 2 g Zitronensäure-Monohydrat und 0,9530 g Glukose-Monohydrat in separaten Behältern. Fügen Sie jeweils 10 ml entionisiertes Wasser hinzu und rühren Sie, bis die Verbindungen vollständig gelöst sind.
   2. Mischen Sie die beiden Lösungen miteinander und sorgen Sie für die Homogenisierung der Lösung. Legen Sie die Lösung in einen runden Bodenkolben.
   3. Trocknen Sie die Probe mit einem Rotationsverdampfer, bis sich eine klare, zähflüssige Flüssigkeit bildet.
3. Heizen und Rühren
   1. Wiegen Sie 2 g Zitronensäure-Monohydrat und 0,9530 g Glukose-Monohydrat in dieselbe Durchstechflasche. Fügen Sie 278 L Wasser hinzu.
   2. Legen Sie die Durchstechflasche mit einem magnetischen Rührstab in ein 50 °C Wasserbad.
   3. Lassen Sie die Probe, bis eine klare, zähflüssige Flüssigkeit gebildet wird.

2. NADES-Charakterisierung

1. Polarisierte optische Mikroskopie (POM)
   1. Legen Sie ein Tröpfchen NADES zur Beobachtung auf ein Mikroskopglasschlitten.
   2. Führen Sie mit dem Übertragungsmodus eines Mikroskops die optische Charakterisierung der Probe bei Raumtemperatur durch.
2. Karl-Fisher Titration
   1. Sammeln Sie 100 L NADES in einer Spritze, und reinigen Sie dann die überschüssige Flüssigkeit auf der Außenseite.
   2. Legen Sie die Spritze auf eine Waage und belaufen Sie sie.
   3. Drücken Sie START auf die KF-Ausrüstung und fügen Sie dem Behälter einen kleinen Tropfen der Probe hinzu.
   4. Wiegen Sie die Spritze, geben Sie die Masse auf dem KF-Gerät ein und drücken Sie ENTER. Das Ergebnis wird auf dem Bildschirm in ppm Wasser angezeigt.
3. Differential-Scanning-Kalorimetrie (DSC)
   1. Legen Sie 3-10 mg jeder Probe in eine hermetische Aluminiumpfanne mit einem Deckdeckel. Schließen Sie die Pfanne mit einer Probepresse.
   2. Analysieren Sie die Proben mit einem DSC mit einem Temperaturbereich von -90 °C bis zur Abbautemperatur, mit einer Heizrate von 10 °C/min. Führen Sie zwei Zyklen mit einem isothermen Halt von 2 min durch und analysieren Sie unter einer Stickstoffatmosphäre (50 ml/min).
4. Kernspinresonanz (NMR)
   1. Bereiten Sie ein 5 mm NMR-Rohr vor, indem Sie 250 l NADES mit 250 l Dimethylsulfoxid-d6 (DMSO-d₆₎auflösen.
   2. Erwerben Sie die ¹H- und NOESY-Spektren bei 25 °C auf einem 400 MHz Spektrometer.
   3. Verwenden Sie eine geeignete Software, um die Spektren zu analysieren, und verwenden Sie die chemische Verschiebung von DMSO-d6 (2,50 ppm), um alle Signale jeder Komponente zuzuweisen.

Ergebnisse

Aus der Vorbereitung von NADES sind die Ergebnisse, die wir erwarten, in Abbildung 1dargestellt. Eine Beschreibung der einzelnen System ist unten gemacht. Bei der Gefriertrocknung sollte das Ergebnis ein festes oder eine sehr dichte Paste sein, da das gesamte Wasser aus dem System entfernt wird. Bei Verwendung der Verdampfungsmethode sollte das Ergebnis eine klare und viskose Flüssigkeit sein. Mit der Heiz- und Rührmethode mit der Zugabe von kleinen Wassermengen sollte das Ergebnis eine klare und sehr zähflüssige Flüssigkeit sein.

Die Ergebnisse von POM sind in Abbildung 1zu sehen. Wenn ein NADES vollständig gebildet ist, erwarten wir ein schwarzes Bild, was darauf hinweist, dass die Probe vollständig amorph ist und dass keine Kristalle im System verbleiben. Die Ergebnisse der KF-Titration sind in Tabelle 2beschrieben. Neben der Wassermenge, die den Systemen zugesetzt wird, hängt der Wasseranteil der Endmischung auch vom Wassergehalt der Reagenzien ab.

In Bezug auf den DSC besteht das Ziel dieser Technik auch darin, zu bestätigen, dass das System im Temperaturbereich flüssig ist, so dass es angewendet wird, so dass das erwartete Ergebnis ein Thermogramm ist, das keine thermischen Ereignisse auf dem Temperaturbereich von Interesse zeigt(Tabelle 2 ). Die NMR-Technik wird verwendet, um die Existenz von Wasserstoffbindungsbildung zu bestätigen, die das Hauptmerkmal von NADES-Systemen ist. Dies kann durch die Beobachtung der Veränderung der chemischen Verschiebungen jedes Signals und durch die Analyse der NOESY-Spektren bestätigt werden, die räumliche und intermolekulare Korrelationen zeigen (Abbildung 2).

Komponente 1	Komponente 2	Vorbereitungsmethode	verweis
Betain (Wette)	L-(+)-Tartarsäure (LTA)	Vakuumverdampfung (VE)	Dai et al. (2013)5 und Espino et al. (2016)6
Alanin (A)	DL-Malsäure (MA)	Vakuumverdampfung (VE)	Dai et al. (2013)5 und Espino et al. (2016)6
Glukose (Gluc)	Saccharose (Suc)	Gefriergetrocknet (FD)	Choi et al. (2011)4 und Espino et al. (2016)6
Zitronensäure (CA)	Glukose (Gluc)	Gefriergetrocknet (FD)	Choi et al. (2011)4 und Espino et al. (2016)6

Tabelle 1: Systeme, die in der Literatur und deren Vorbereitungsmethode berichtet werden.

Nades	Vorbereitungsmethode	Wassergehalt (%)
		Karl Fischer Maßnahme
Wette:LTA (2:1 + 20% Wasser)	Heizen und Rühren, Zugabe von Wasser	19,94 € 1,28
Wetten:LTA (2:1)	Vakuumverdampfen	11,36 € 0,78
A-A:MA (3:2 + 11% Wasser)	Heizen und Rühren, Zugabe von Wasser	11,45 € 0,25
A-A:MA (3:2)	Vakuumverdampfen	18,84 € 1,78
Gluc:Suc (1:1 + 21% Wasser)	Heizen und Rühren, Zugabe von Wasser	20,88 € 0,13
Gluc:Suc (1:1)	Vakuumverdampfen	22,56 € 0,48
CA:Gluc (2:1 + 17% Wasser)	Heizen und Rühren, Zugabe von Wasser	17,33 € 0,68
CA:Gluc (2:1)	Vakuumverdampfen	20,04 € 0,26

Tabelle 2: Wassergehalt (%) der Systeme, die mit verschiedenen Methoden hergestellt werden.

Abbildung 1: Repräsentative Ergebnisse des NADES bei Herstellung durch a) Gefriertrocknung, b) Vakuumverdampfung und c) Erhitzen und Rühren unter Zugabe von Wasser. Das Bild zeigt, dass beim Einfrieren des Systems ein Kristall erzielt wird, da das gesamte Wasser aus dem Gemisch entfernt wird, während bei Verwendung von VE- und HS-Methoden die Wassermenge vorhanden ist, die der NADES zu bilden benötigt wird, und das erhaltene Ergebnis ein hom ogenen Flüssigkeit bei Raumtemperatur. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 2: Polarisierte optische Mikroskopie von CA:Glu (2:1), hergestellt mit verschiedenen Methoden, mit Kreuzpolarisatoren (linkes Bild) und parallelen Polarisatoren (rechtes Bild) – 100 m (10x Amplifikation). Die schwarzen Bilder zeigen, dass es sich bei der Probe um eine Flüssigkeit bei Raumtemperatur handelt. Die FD-Probe ist vollständig kristallisiert, da das Ergebnis dieser Technik keine Flüssigkeit war. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 3: a) Überlagerung von ¹H NMR-Spektren des (A) NADES-Systems Zitronensäure:Glucose:Wasser (2:1:4), (B) Glukose und (C) Zitronensäure; b) NOESY-Spektrum des NADES-Systems Zitronensäure:Glucose:Wasser (2:1:4). Die überlagerten Spektren zeigen den Unterschied in den chemischen Verschiebungen der einzelnen Komponenten bei der DES-Bildung, die durch die Herstellung von Wasserstoffbindungen zwischen ihnen entstanden sind. Das NOESY-Spektrum zeigt die Wechselwirkung zwischen dem OH-Proton aus Zitronensäure mit den verbleibenden Protonen beider Komponenten. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Diskussion

Die verschiedenen Methoden, die in der Literatur zur Herstellung von NADES beschrieben werden, sind ein Heiz- und Rührverfahren (HS), Vakuumverdampfung (VE) und Gefriertrocknung (FD). Die Systeme, die wir in dieser Arbeit vorbereitet haben, werden von verschiedenen Autoren in der Literatur^4,5,6,10,11beschrieben. Tabelle 1 listet die Bestandteile der einzelnen Mischungen, wie im Originalmanuskript berichtet, sowie deren Herstellungsmethode auf.

Bei unseren Untersuchungen zur Reproduktion der beschriebenen Systeme stellten wir fest, dass es in einigen Fällen nicht möglich war, eine ähnliche NADES als klare, zähflüssige, flüssige Probe bei Raumtemperatur zu erreichen. Die Vorbereitung eines NADES beruht auf vielen Faktoren. Einige können leicht gesteuert werden, andere sind jedoch schwieriger zu standardisieren. Das Wichtigste ist zu beachten, dass sich das Endprodukt nicht auf externe Faktoren wie die verwendete Ausrüstung verlassen kann.

Die mit unterschiedlichen Methoden hergestellten Systeme wurden dann charakterisiert. Bei der polarisierten optischen Mikroskopie (POM) wurde beobachtet, dass die NADES bei der HS-Methode ohne Wasser auch bei unterschiedlichen Temperaturen keine klare und zähflüssige Flüssigkeit bildeten. Bei Anwendung der HS-Methode mit geringen Wassermengen und der VE-Methode zur Herstellung des NADES wurde jedoch eine homogene und klare, viskose Flüssigkeit beobachtet, wie sie in Abbildung 1 dargestellt ist.

DSC wurde verwendet, um die thermischen Ereignisse des Gemischs zu bestimmen. Die Ergebnisse zeigten, dass das System bei Raumtemperatur und bis zu 130 °C flüssig ist, da das Thermogramm keine thermischen Ereignisse anzeigt. Der Wassergehalt jeder Probe wurde durch Karl-Fischer-Titration gemessen, und die Ergebnisse sind in Tabelle 2dargestellt. Der Wassergehalt der Systeme muss gemeldet werden, da er der Parameter ist, der die Eigenschaften der erhaltenen Flüssigkeit, wie Viskosität und Polarität, am meisten beeinflusst. Diese Änderungen haben große Auswirkungen auf das Ergebnis der Anwendung, für die die NADES konzipiert ist.

NMR wurde auch verwendet, um die Bildung der genannten NADES-Systeme zu bestätigen, durch die Bildung von Wasserstoffbindungen zwischen den Molekülen jedes Systems. Ein Beispiel ist in Abbildung 2 für das NADES-System Zitronensäure: Glucose (2:1) mit 17% Wasser, das durch HS gewonnen wird, wo das Protonenspektrum dieses NADES und die Ausgangsmaterialien (Zitronensäure und Glukose) überlagert werden (Abbildung 2a). Daraus lässt sich die Veränderung der chemischen Verschiebungen einiger Protonen aus jedem Molekül beobachten. Die größte Veränderung ist die Verschiebung des OH-Protons aus Zitronensäure. Ursprünglich erscheint dieses Signal bei 5,16 ppm, aber dieses Signal verschiebt sich auf 6,22 ppm wegen der Bildung von Wasserstoffbindungen. Dies wird durch das NOESY-Spektrum bestätigt (Abbildung 2b), wo die starke Wechselwirkung zwischen dem OH aus Zitronensäure und den verbleibenden Protonen sichtbar ist. Eine ähnliche Wechselwirkung wurde bei den anderen NADES-Systemen beobachtet.

In dieser Studie haben wir beobachtet, dass die Beschreibung der In der Literatur berichteten Aufbereitungsmethode für eutektische Systeme manchmal unvollständig ist, da es an Informationen über den Wassergehalt der meisten Systeme fehlt. Bei der VE-Methode wird das Wasser durch die Vorbereitung von Lösungen verschiedener Komponenten und das Mischen bei einer Temperatur, die zur Bildung von eutektischen Systemen führt, zugesetzt; Wir können uns jedoch nicht sicher sein, ob der erforderliche Mindestwassergehalt erforderlich ist. Die Kenntnis des Prozentsatzes des Wassers, das zur Bildung der Systeme benötigt wird, wird daher als ein entscheidender Punkt betrachtet, der immer gemeldet werden sollte, damit andere in der Lage sind, die Herstellung der verschiedenen eutektischen Gemische zu reproduzieren.

Die beste Methode ist die HS-Methode mit Wasser zusatz, da es weniger Zeit braucht, um sich auf Fälle vorzubereiten, in denen der Wassergehalt bereits beschrieben ist. Wenn diese Informationen jedoch nicht verfügbar sind, ist die einfachste Methode die VE-Methode, bei der das gesamte verfügbare Wasser entfernt wird und nur das Wasser, das mit den NADES-Komponenten interagiert, im System verbleibt. In jedem Fall sollten die Forscher die Systeme so lange verdampfen lassen, dass freies Wasser aus dem System entfernt wird. Dieser Zeitpunkt hängt von der Ausrüstung ab und daher reicht es nicht aus, im Materialabschnitt die Dauer der VE-Methode zu beschreiben, aber der Wassergehalt muss immer gemeldet werden.

Materialien

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