Sintesi verde di liquido ionico a base di chinolina

Riepilogo

Nel presente lavoro, chiariamo la sintesi verde del liquido ionico (IL) a base di chinolina , vale a dire 1-esadecilchinolina-1-io bromuro {[C₁₆quin]Br} mescolando la chinolina con un eccesso di 1-bromoesadecano, insieme alla sua caratterizzazione dettagliata utilizzando la risonanza magnetica nucleare e le misure spettroscopiche all'infrarosso.

Abstract

La minaccia sempre crescente della resistenza antimicrobica (AMR) mette a repentaglio la potenza degli antibiotici prevalenti contro le infezioni che crescono inesorabilmente generate da batteri, virus, parassiti e funghi, che rappresentano una grande minaccia per la salute e il benessere umano. A questo proposito, diverse nuove molecole hanno dimostrato il loro valore, con i liquidi ionici (IL) che sono una delle alternative più ecologiche, non volatili e termicamente stabili agli antimicrobici esistenti, possedendo un alto potenziale di solvatazione e una bassa pressione di vapore. Inoltre, l'utilizzo di queste entità sia nella stabilizzazione che nella destabilizzazione delle strutture proteiche e nel miglioramento dell'attività enzimatica ha ulteriormente aumentato il loro potenziale nell'industria biomedica. In quest'ottica, presentiamo la sintesi e la caratterizzazione green dell'IL a base di chinolina, grazie alla sua immensa potenza antimicrobica, con bassa citotossicità e grande attività di chaperone artificiale. In questo caso, manovrare l'approccio di sintesi one-pot in condizioni di reazione più ecologiche e prive di solventi non solo ha migliorato l'efficienza della reazione, ma ha anche aumentato la resa chimica. La purezza dell'IL sintetizzato è stata corroborata utilizzando la risonanza magnetica nucleare (NMR) 1H, la risonanza magnetica nucleare 13C e la spettroscopia infrarossa (IR). Il potenziale biologico del composto sintetizzato viene ulteriormente convalidato analizzando le sue proprietà di assorbimento, distribuzione, metabolismo, escrezione e tossicità (ADMET) e autenticato utilizzando il saggio di diffusione su disco.

Introduzione

La crescita monumentale della popolazione mondiale rappresenta un enorme aumento del consumo di una vasta gamma di prodotti negli ultimi anni, tra cui cibo, medicinali e altri prodotti cruciali per il sostentamento degli organismi mortali. Ciò ha rinvigorito la ricerca di nuovi composti chimici con proprietà eccezionalmente specializzate, ecologicamente valide e benefiche in tutto il mondo. I liquidi ionici (IL) si sono dimostrati felici in questo senso. L'implicazione di questi composti nel dominio scientifico ha rafforzato nuove iniziative nella ricerca nelle tecnologie chimiche contemporanee¹. A differenza degli approcci convenzionali, l'utilizzo di IL non solo facilita le condizioni di reazione progressive, ma promuove anche una strategia personalizzata per affrontare le varie sfide biochimiche legate alla ricerca e allo sviluppo sperimentale².

Tipicamente, le IL sono sali stabili costituenti cationi (organici) e anioni (inorganici), con un punto di fusione inferiore a 100 °C³. Rispettando i 12 principi della chimica verde, empiricamente, questi sono sostituti convincenti dei consueti solventi organici⁴. Le sorprendenti proprietà associate all'utilizzo di questi composti comprendono una grande conduttività intrinseca, polarità, tendenza alla solvatazione, stabilità termica, non volatilità, acidità/basicità, idrofilia/idrofobicità e sintonizzabilità, rendendo gli IL più adatti per la ricerca sperimentale⁵.

Oltre alle ampie applicazioni di varie classi di IL nella moderna sintesi organica⁶, catalisi⁷ e vari processi elettrochimici che coinvolgono sensori⁸, attuatori⁹, batterie¹⁰ e celle a combustibile¹¹, negli ultimi anni questa classe di composti ha ricevuto un riconoscimento epocale nel campo della biomedicina alla luce della resistenza antimicrobica. Gli studi attuali rivelano che le IL a base di imidazolio, piridina, colina e pirrolo sono estremamente efficaci come agenti terapeutici grazie alla loro elevata carica e idrofobicit๲. Tuttavia, le controparti a base di chinolina sono ancora considerate le più potenti contro i microbi patogeni¹². Ulteriori applicazioni biomediche che accompagnano questa classe di IL includono l'attività degli chaperoni artificiali¹³, la citotossicità contro le cellule cancerose¹⁴ e un'eccellente capacità di trasporto dei farmaci¹⁵.

Convenzionalmente, la fabbricazione di IL comporta l'utilizzo di mezzi solventi altamente tossici come diclorometano, benzene, tetracloruro di carbonio, dicloroetilene, ^ecc.16, ostacolando la biocompatibilità ed elevando la tossicità del composto, rendendoli indesiderabili per l'uso biologico. Inoltre, l'uso di solventi nocivi nei mezzi di reazione non solo rallenta il tempo di reazione, ma aumenta anche la produzione involontaria di sottoprodotti di scarto rilasciati nell'ambiente¹⁷. Inoltre, il solvente utilizzato nei mezzi di reazione influenza anche il pH del prodotto finale; Pertanto, la sua rimozione alla fine della reazione è vitale, soprattutto quando il composto desiderato è destinato ad essere utilizzato per sistemi biologici correlati alle proteine. Quindi, tenersi lontani dall'uso di tale solvente è favorevole nel regno della chimica verde.

In questo studio, riportiamo la sintesi one-pot di un¹³ IL biocompatibile e non tossico, vale a dire 1-Esadecilchinolina-1-io bromuro, utilizzando una via più verde. La presente strategia omette l'utilizzo di un solvente molecolare, sfruttando la capacità di autosolvatazione dell'IL formato all'interno della miscela di reazione, promuovendo un'elevata efficienza di reazione e resa chimica. La reazione di Menschutkin¹⁸costituisce la base dell'attuale metodologia di sintesi. La purezza del composto sintetizzato viene sondata utilizzando la spettroscopia NMR e IR. Il profilo farmacocinetico del composto e la tossicità sono stati esaminati attraverso gli studi ADMET. Inoltre, nello studio è stato dimostrato anche il potenziale antimicrobico dell'IL sintetizzato contro il ceppo patogeno di Candida albicans .

Protocollo

NOTA: L'1-esadecilchinolina-1-io bromuro{[C₁₆quin]Br} è stato sintetizzato come descritto in precedenza da Sharma et ^al.13.

1. Preparazione e sterilizzazione di apparecchi in vetro

NOTA: Questo dovrebbe essere fatto almeno 1 giorno prima di impostare la reazione per la sintesi del composto desiderato.

1. Lavare accuratamente un pallone a fondo tondo (RB) 24/29, 250 mL, a due colli, insieme ad altri apparecchi in vetro come cilindri dosatori, ecc., e risciacquare con acqua distillata seguita da acetone.
2. Asciugare l'apparecchio lavato in un forno ad aria calda a 60 °C fino a quando l'apparecchio non è completamente asciutto per un ulteriore utilizzo.
   NOTA: Di solito, l'apparecchio lavato deve essere posto per una notte in un forno di essiccazione per rimuovere completamente il film d'acqua e garantire che il sistema di reazione sia privo di impurità.

2. Installazione dell'apparecchio

NOTA: L'apparecchio deve essere bloccato correttamente per garantire un riscaldamento uniforme dei reagenti. Il diagramma schematico dell'impostazione della reazione è illustrato nella Figura 1.

1. Posizionare un bagno d'olio su una piastra calda con un agitatore magnetico. Preriscaldare il bagno d'olio a 80 °C prima dell'inizio della reazione.
2. Lasciare riposare l'RB in un bagno d'olio utilizzando un supporto per storta a tubo in modo che sia immerso per metà nel bagno d'olio posto su una piastra calda con agitatore magnetico.
3. Sigillare la bocca superiore del RB con un tappo di sughero che costituisce un ago di spurgo, ulteriormente collegato a una siringa con un palloncino N₂ attaccato ad essa.
4. Sigillare ermeticamente l'altro collo dell'RB utilizzando un altro tappo di gomma per evitare la fuoriuscita di N₂ dal mezzo di reazione.
5. Preriscaldare l'intero mezzo a 80 °C in un'atmosfera inerte mantenuta attraverso lo spurgo N₂ prima di aggiungere i reagenti all'RB.
6. Riempire ripetutamente il palloncino N₂ per garantire l'inerzia del sistema di reazione e mantenere la temperatura per tutto il tempo (quindi è preferibile il riscaldamento a bagno d'olio).

3. Aggiunta dei reagenti al sistema di reazione

1. Versare 0,1 M di chinolina e 0,105 M di 1-bromoesadecano nel sistema di reazione senza disturbare l'ambiente di reazione preimpostato.
2. Mescolare continuamente il contenuto a 2500-3000 giri/min per 3 giorni in ambiente inerte e temperatura costante.

4. Purificazione/Ricristallizzazione del composto

NOTA: L'intero prodotto non deve essere sottoposto a ricristallizzazione. Invece, la ricristallizzazione in batch dovrebbe essere scelta per evitare la perdita del prodotto.

1. Sciogliere il solido ottenuto in una miscela 1:2 di toluene/etanoato di etile. Raffreddare questa miscela a -15 °C in un congelatore (temperatura impostata a -15 °C) e filtrare sotto vuoto utilizzando un imbuto Buchner, collegato a una pompa a vuoto e a un pallone filtrante attraverso un tubo. Posizionare una membrana filtrante in polipropilene, con una dimensione dei pori di 0,45 μm, nell'imbuto Buchner, coprendo l'intero fondo del filtro. Versare una piccola quantità della miscela di solvente attraverso il filtro per creare una tenuta adeguata, evitando qualsiasi tipo di perdita d'aria attraverso l'installazione.
2. Lavare il prodotto filtrato con toluene freddo versando gradualmente il solvente attraverso l'imbuto, quindi essiccare a 70 °C in forno sottovuoto. Ripetere questa procedura 2 volte per garantire l'elevata purezza del composto desiderato.

5. Validazione del composto mediante spettroscopia NMR

1. Prima di sottoporre il composto a ¹H NMR e ¹³C NMR, scioglierlo in cloroformio deuterato (CDCl₃) misurando 1-10 mg del composto e sciogliendolo in circa 1 mL di CDCl_3.
2. Iniettare questa miscela in una provetta NMR utilizzando una siringa da 1 ml per l'analisi del campione con uno spettrometro NMR. La preparazione del campione è identica sia per la NMR ¹H che per la NMR ¹³C.

6. Caratterizzazione IR dell'IL sintetizzato

1. Non è richiesta alcuna preparazione del campione per ottenere gli spettri IR del composto.
2. Sottoporre alcuni mg del campione solido a uno spettrometro IR per ottenere una visione dei diversi gruppi funzionali presenti nel composto sintetizzato. Le letture sono state ottenute come dimostrato in precedenza¹⁹.

7. Previsione delle proprietà ADMET

1. Inserisci i SORRISI canonici dell'IL desiderato nel software online gratuito ADMETLAB 2.0 ed esegui il programma per ottenere vari parametri, rivendicando il potenziale biologico dello stesso.

8. Saggio di diffusione su disco che dimostri l'applicazione biomedica dell'IL sintetizzato

1. Pre-coltura del ceppo fungino di Candida albicans (ATCC 90028) in brodo di peptone destrosio di lievito (YPD) per quasi 16 ore in un incubatore con agitatore BOD a 37 °C.
2. Preparare il terreno di coltura in agar YPD mescolando l'1% di estratto di lievito, il 2% di peptone, il 2% di destrosio e l'1,5% di agar in 1 litro di acqua distillata doppia. Versare 25 mL di terreno di coltura per agar YPD appena formato in una piastra Petri da 90 mm dopo averla sterilizzata in autoclave per 15 minuti a 121 °C. Lasciare le piastre indisturbate per consentire una corretta solidificazione del supporto.
3. Una volta che la piastra è completamente solidificata, distribuire circa 100 μl dell'inoculo fungino appena preparato in modo omogeneo sulla piastra contenente il terreno, utilizzando uno spalmatore di vetro. Lasciare le piastre indisturbate per 5-7 minuti nella cappa a flusso laminare.
4. Posizionare un disco circolare sterile di carta del diametro di 5-6 mm al centro della stessa piastra, utilizzando una pinza.
5. Aggiungere 50 μl di soluzione acquosa 0,1 mM dell'IL sintetizzato sul disco, gradualmente, con l'aiuto di una pipetta da 20-200 μl.
6. Conservare in frigorifero la piastra per circa 30 minuti per garantire una corretta diffusione dell'IL nell'agar. Posizionare la piastra nell'incubatore BOD preimpostato a 37 °C per 24 ore.
7. Misurare la zona di inibizione (comprensiva del diametro del disco) utilizzando una scala di misurazione e calcolare l'area sotto questa zona secondo l'equazione 1.
   Area = πr² (1)

Risultati

La Figura 2 rappresenta lo schema di reazione della reazione di Menschutkin coinvolta nel determinare il processo di sintesi. Il bromuro di 1-esadecilchinolina-1-io, così sintetizzato, è stato caratterizzato utilizzando la spettroscopia NMR e IR. Si prevede che il prodotto oleoso così acquisito mostri ¹H NMR (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), 1,3...

Discussione

Recentemente, gli IL hanno divulgato varie implementazioni promettenti nel campo delle scienze biochimiche, tra cui il ripiegamento delle proteine/attività chaperone, veicoli di somministrazione di farmaci e/o catalizzatori in diverse reazioni organiche. Le loro intriganti proprietà fisico-chimiche, come la sintonizzabilità, la biocompatibilità, la solubilità, la sostenibilità, la stabilità, ecc., li hanno resi potenziali candidati per lo sviluppo di nuovi agenti terapeutici

Materiali

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)