Síntesis verde de líquido iónico a base de quinolina

Resumen

En el presente trabajo, dilucidamos la síntesis verde de líquido iónico (IL) a base de quinoleína, a saber, bromuro de 1-hexadecilquinolina-1-io {[C₁₆quin]Br} mediante la mezcla de quinolina con un exceso de 1-bromohexadecano, junto con su caracterización detallada mediante resonancia magnética nuclear y mediciones espectroscópicas infrarrojas.

Resumen

La amenaza cada vez mayor de la resistencia a los antimicrobianos (RAM) pone en peligro la potencia de los antibióticos predominantes contra las infecciones que brotan incesantemente y que son generadas por bacterias, virus, parásitos y hongos, lo que representa una gran amenaza para la salud y el bienestar humanos. En este sentido, varias moléculas novedosas han demostrado su valía, siendo los líquidos iónicos (IL) una de las alternativas más ecológicas, no volátiles y térmicamente estables a los antimicrobianos existentes, con un alto potencial de solvatación y una baja presión de vapor. Además, la utilización de estas entidades tanto para estabilizar como para desestabilizar las estructuras de proteínas y mejorar la actividad enzimática ha aumentado aún más su potencial en la industria biomédica. Con esto en mente, presentamos la síntesis y caracterización verde de IL a base de quinoleína, debido a su inmensa potencia antimicrobiana, con baja citotoxicidad y gran actividad de chaperonas artificiales. En este caso, la maniobra del enfoque de síntesis de un solo recipiente en condiciones de reacción más ecológicas y sin disolventes no solo mejoró la eficiencia de la reacción, sino que también aumentó el rendimiento químico. La pureza de la IL sintetizada se corroboró mediante resonancia magnética nuclear (RMN) 1H, RMN 13C y espectroscopía infrarroja (IR). El potencial biológico del compuesto sintetizado se valida aún más mediante el análisis de sus propiedades de absorción, distribución, metabolismo, excreción y toxicidad (ADMET) y se autentifica mediante un ensayo de difusión en disco.

Introducción

El crecimiento monumental de la población mundial explica un tremendo incremento en el consumo de una amplia gama de productos básicos en los últimos años, incluidos alimentos, medicamentos y otros productos cruciales para el sustento de los organismos mortales. Esto ha vigorizado la búsqueda de nuevos compuestos químicos con propiedades excepcionalmente especializadas, ecológicamente racionales y beneficiosas en todo el mundo. Los líquidos iónicos (IL) han demostrado ser felices en este sentido. La implicación de estos compuestos en el ámbito científico ha impulsado nuevas iniciativas en la investigación de tecnologías químicas contemporáneas¹. A diferencia de los enfoques convencionales, la utilización de IL no solo facilita condiciones de reacción progresivas, sino que también promueve una estrategia personalizada para abordar diversos desafíos bioquímicos relacionados con la investigación y el desarrollo experimentales².

Típicamente, las IL son sales estables constituidas por cationes (orgánicos) y aniones (inorgánicos), que poseen un punto de fusión inferior a 100 °C³. Siguiendo los 12 principios de la química verde, empíricamente, estos son sustitutos convincentes de los disolventes orgánicos habituales⁴. Las asombrosas propiedades asociadas con la utilización de estos compuestos abarcan una gran conductividad intrínseca, polaridad, tendencia a la solvatación, estabilidad térmica, no volatilidad, acidez/basicidad, hidrofilicidad/hidrofobicidad y sintonización, lo que hace que los IL sean los más adecuados para la investigación experimental⁵.

Aparte de las aplicaciones expansivas de varias clases de IL en la síntesis orgánica moderna⁶, la catálisis⁷ y varios procesos electroquímicos que involucran sensores⁸, actuadores⁹, baterías¹⁰ y celdas de combustible¹¹, en los últimos años, esta clase de compuestos ha recibido un reconocimiento trascendental en el campo de la biomedicina a la luz de la RAM. Las pruebas actuales revelan que las IL a base de imidazolio, piridina, colina y pirrol son extremadamente efectivas como agentes terapéuticos debido a su alta carga e hidrofobicidad¹². Sin embargo, los homólogos a base de quinolina todavía se consideran los más potentes contra los microbios patógenos¹². Las aplicaciones biomédicas adicionales que acompañan a esta clase de IL incluyen la actividad de chaperona artificial¹³, la citotoxicidad contra las células cancerosas¹⁴ , así como una excelente capacidad de transporte de fármacos¹⁵.

Convencionalmente, la fabricación de IL implica la utilización de medios solventes altamente tóxicos como el diclorometano, el benceno, el tetracloruro de carbono, el dicloroetileno, ^etc.16, lo que dificulta la biocompatibilidad y eleva la toxicidad del compuesto, haciéndolos indeseables para el uso biológico. Además, el uso de disolventes nocivos en los medios de reacción no solo ralentiza el tiempo de reacción, sino que también aumenta la producción no intencionada de subproductos de desecho liberados al medio ambiente¹⁷. Además, el disolvente utilizado en los medios de reacción también influye en el pH del producto final; Por lo tanto, su eliminación al final de la reacción es vital, especialmente cuando el compuesto deseado está destinado a ser utilizado para sistemas biológicos relacionados con proteínas. Por lo tanto, mantenerse alejado del uso de dicho solvente es favorable en el ámbito de la química verde.

En este estudio, reportamos la síntesis en un solo recipiente de un¹³ IL biocompatible y no tóxico, a saber, bromuro de 1-hexadecilquinolina-1-io, utilizando una ruta más verde. La estrategia actual omite la utilización de un solvente molecular, aprovechando la capacidad de auto-resolución del IL formado dentro de la mezcla de reacción, promoviendo una alta eficiencia de reacción y rendimiento químico. La reacción de Menschutkin¹⁸constituye la base de la metodología de síntesis actual. La pureza del compuesto sintetizado se sondea mediante RMN y espectroscopía IR. El perfil farmacocinético del compuesto y la toxicidad se investigaron a través de los estudios ADMET. Además, en el estudio también se ha demostrado el potencial antimicrobiano de la IL sintetizada contra la cepa patógena de Candida albicans .

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Protocolo

NOTA: El bromuro de 1-hexadecilquinolina-1-io se sintetizócomo lo describieron anteriormente Sharma et ^al.13.

1. Preparación y esterilización de aparatos de vidrio

NOTA: Esto debe hacerse al menos 1 día antes de configurar la reacción para la síntesis del compuesto deseado.

1. Lave a fondo un matraz de fondo redondo (RB) de 250 mL, 24/29, de dos cuellos, junto con otros aparatos de vidrio como cilindros de medición, etc., y enjuague con agua destilada seguida de acetona.
2. Seque el aparato lavado en un horno de aire caliente a 60 °C hasta que el aparato esté completamente seco para su uso posterior.
   NOTA: Por lo general, el aparato lavado debe colocarse durante la noche en un horno de secado para eliminar completamente la película de agua y garantizar que el sistema de reacción esté libre de impurezas.

2. Configuración del aparato

NOTA: El aparato debe sujetarse correctamente para garantizar un calentamiento uniforme de los reactivos. El diagrama esquemático de la configuración de la reacción se muestra en la Figura 1.

1. Coloque un baño de aceite en una placa caliente con un agitador magnético. Precalentar el baño de aceite a 80 °C antes del inicio de la reacción.
2. Deje que el RB permanezca en un baño de aceite usando un soporte de retorta de tubo de tal manera que esté medio sumergido en el baño de aceite colocado sobre una placa caliente con agitador magnético.
3. Selle la boca superior del RB con un corcho que constituya una aguja de purga, conectada a su vez a una jeringa con un globo N₂ adherido a ella.
4. Selle herméticamente el otro cuello del RB con otro corcho de goma para evitar la fuga de N₂ del medio de reacción.
5. Precalentar todo el medio a 80 °C en una atmósfera inerte mantenida a través de la purga N₂ antes de añadir los reactivos al RB.
6. Rellene el globo N₂ repetidamente para garantizar la inercia del sistema de reacción y mantener la temperatura en todo momento (por lo tanto, se prefiere el calentamiento en baño de aceite).

3. Adición de los reactivos al sistema de reacción

1. Vierta 0,1 M de quinolina y 0,105 M de 1-bromohexadecano en el sistema de reacción sin alterar el entorno de reacción preestablecido.
2. Agitar el contenido continuamente a 2500-3000 rpm durante 3 días en un ambiente inerte y temperatura constante.

4. Purificación/Recristalización del compuesto

NOTA: Todo el producto no debe someterse a una recristalización. En su lugar, se debe optar por la recristalización por lotes para evitar la pérdida del producto.

1. Disuelva el sólido obtenido en una mezcla 1:2 de tolueno/etanoato de etilo. Enfriar esta mezcla a -15 °C en un congelador (temperatura ajustada a -15 °C) y filtrar al vacío utilizando un embudo Buchner, conectado a una bomba de vacío y un matraz filtrante a través de un tubo. Coloque una membrana filtrante de polipropileno, que constituya un tamaño de poro de 0,45 μm, en el embudo de Buchner, cubriendo toda la parte inferior del filtro. Vierta una pequeña cantidad de la mezcla de solvente a través del filtro para crear un sello adecuado, evitando cualquier tipo de fuga de aire a través de la configuración.
2. Lavar el producto filtrado con tolueno frío vertiendo el disolvente a través del embudo de forma gradual, seguido de un secado a 70 °C en un horno de vacío. Repita este procedimiento 2 veces para garantizar la alta pureza del compuesto deseado.

5. Validación del compuesto mediante espectroscopía de RMN

1. Antes de someter el compuesto a ¹H de RMN y ¹³C de RMN, disuélvalo en cloroformo deuterado (CDCl₃) midiendo 1-10 mg del compuesto y disolviéndolo en aproximadamente 1 mL de CDCl_3.
2. Inyecte esta mezcla en un tubo de RMN utilizando una jeringa de 1 mL para el análisis de la muestra bajo un espectrómetro de RMN. La preparación de la muestra es idéntica tanto para la RMN ^{de 1}H como para la RMN ^{de 13}C.

6. Caracterización IR del IL sintetizado

1. No se requiere preparación de la muestra para obtener los espectros IR del compuesto.
2. Someta unos pocos mg de la muestra sólida a un espectrómetro IR para obtener una visión de los diferentes grupos funcionales presentes en el compuesto sintetizado. Las lecturas se obtuvieron como se demostró anteriormente¹⁹.

7. Predicción de las propiedades de ADMET

1. Introduzca las SONRISAS canónicas del IL deseado en el software online gratuito ADMETLAB 2.0 y ejecute el programa para obtener diversos parámetros, reivindicando el potencial biológico del mismo.

8. Ensayo de difusión en disco que demuestra la aplicación biomédica de la IL sintetizada

1. Precultivo de la cepa fúngica de Candida albicans (ATCC 90028) en caldo de levadura peptona dextrosa (YPD) durante casi 16 h en una incubadora agitadora de DBO a 37 °C.
2. Prepare los medios de agar YPD mezclando un 1% de extracto de levadura, un 2% de peptona, un 2% de dextrosa y un 1,5% de agar en 1 L de agua bidestilada. Vierta 25 mL de los medios de agar YPD recién formados en una placa de Petri de 90 mm después de esterilizarla en autoclave durante 15 minutos a 121 °C. Deje las placas intactas para permitir una solidificación adecuada de los medios.
3. Una vez que la placa esté completamente solidificada, extienda alrededor de 100 μL del inóculo fúngico recién preparado de manera homogénea sobre la placa que contiene el medio, utilizando un esparcidor de vidrio. Deje las placas intactas durante 5-7 minutos en la campana de flujo laminar.
4. Coloque un disco de papel circular estéril de 5-6 mm de diámetro en el centro de la misma placa, utilizando pinzas.
5. Añadir 50 μL de solución acuosa de 0,1 mM del IL sintetizado en el disco, gradualmente, con la ayuda de una pipeta de 20-200 μL.
6. Refrigere la placa durante unos 30 minutos para asegurar una difusión adecuada del IL en el agar. Coloque la placa en la incubadora de DBO preestablecida a 37 °C durante 24 h.
7. Mida la zona de inhibición (incluido el diámetro del disco) utilizando una escala de medición y calcule el área debajo de esta zona según la ecuación 1.
   Área = πr² (1)

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Resultados

La figura 2 representa el esquema de reacción de la reacción de Menschutkin involucrada en el proceso de síntesis. El bromuro de 1-hexadecilquinolina-1-io, así sintetizado, se caracterizó mediante RMN y espectroscopia IR. Se espera que el producto aceitoso así adquirido exhiba ^{RMN de 1}H (400 MHz, CDCl₃) a δ 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 ...

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Discusión

Últimamente, los IL han divulgado varias implementaciones prometedoras en el campo de las ciencias bioquímicas, incluida la actividad de repliegue de proteínas/chaperonas, vehículos de administración de fármacos y/o catalizadores en varias reacciones orgánicas. Sus interesantes propiedades fisicoquímicas, como la sintonización, la biocompatibilidad, la solubilidad, la sostenibilidad, la estabilidad, etc., los han convertido en candidatos potenciales para el desarrollo de nuevos ...

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Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
1-bromohexadecane	Merck	CAS no.112-82-3	95% pure (as determined by HPLC analysis)
Ethyl acetate	Merck	CAS no. 205-500-4	95% pure (as determined by HPLC analysis)
Nuclear Magnetic Resonance (NMR) spectrometer	Jeol, Model: JNM-ECZ 400S	Nil	Nil
Quinoline	Merck	CAS no.91-22-5	95% pure (as determined by HPLC analysis)
Toluene	Merck	CAS no. 108-88-3	95% pure (as determined by HPLC analysis)