バイナリおよび三項ディープユーテクシステムの調製

要約

このプロトコルは、これらのシステムを再現できるように、科学界全体で深いユーテクシステムの準備を標準化することを目的としています。

要約

深い二次システム(DES)の調製は、事前に簡単な手順です。定義上、2つ以上の成分が所定のモル比で混合され、DESを形成する。しかし、研究室での経験から、公表された結果を再現できるように、異なる研究者が続く方法論を準備、特徴付け、報告する手順を標準化する必要があります。本研究では、文献で報告された異なるアプローチをテストして、ユーテクシスシステムを調製し、室温での液体システムの調製における水の重要性を評価した。これらの公表された二テク系は、クエン酸、グルコース、スクロース、リンゴ酸、β-アラニン、L-酒石酸およびベタインで構成され、記載された調製方法の全てを再現できなかった。しかし、場合によっては、共晶混合物の第3成分として水を含む、記載されたシステムを再現することができた。

概要

深い二晶溶剤は、21世紀の溶媒と呼ばれており、新世代の溶媒と考えられています。これらは、個々の成分の溶融温度の有意な低下をもたらす特定のモル比で2つ以上の化学化合物の混合物として定義され、^室温1、2で液体^{になる、3.}この意味で、溶媒の調製は化学反応を必要としないため、生産収率は100%です。2011年、チェと同僚は、自然発生DESの可能性を報告し、それらを命名しました, 天然深い共晶溶剤 (NADES)^3,4,5.NADESは、糖、アミノ酸、有機酸およびコリン誘導体の異なる組み合わせから調製することができる。天然成分から調製されたこれらのシステムは、本質的に生体適合性および生分解性であり、他の代替溶媒(例えば、イオン^{液体)5、6に}比べてかなり毒性が低い。^7、8.2015年以来、この分野の出版物の数は指数関数的に増加しており、NADESの可能なアプリケーションは非常に広^い3です。多くの原稿やレビューが出版されているにもかかわらず、根本的な疑問が残っており、科学者たちはDES形成のメカニズムなどの興味深い質問に対する答えをまだ見つけていない。DES形成メカニズムを理解することは、現在の試行錯誤のアプローチではなく、新しいシステムの開発に向けた統合的なアプローチにつながります。さらに、消費者が自社製品の持続可能性に対する意識を高めるにつれ、最終寿命だけでなく、処理自体^の観点からも、この分野の機会は日々高^{まっています。 10}.深い二元的な溶剤の分野で大きな革新を推進するためには、まず生産と特性評価の方法の標準化が必要です。文献で報告されたシステムの一部の再現性の欠如は、我々が何度もこの問題に直面したように、この仕事を開発する動機でした。本明細書では、材料と方法を正確に記述することの必要性と重要性を実証し、DESの調製は簡単で簡単な手順ですが、いくつかの重要な側面(例えば、水の有無/量)があることを示します。常に議論する必要があります。

プロトコル

注:研究したNADESは、ベタイン:L-(+)-酒石酸(2:1)、β-アラニン:DLリンゴ酸(3:2)、グルコース:スクロース(1:1)およびクエン酸:グルコース(2:1)であった。これらのシステムは、凍結乾燥(FD)、真空蒸発(VE)、および水の有無にかかわらず熱攪拌(HS)の異なる方法で調製されました。一例として、システムクエン酸のためのプロトコル:グルコース(2:1)が与えられる。NADESは、微分走査熱量測定(DSC)、偏光光学顕微鏡(POM)、水分含有量および核磁気共鳴(NMR)分光法によって特徴づけられた。

1. NADESの準備

1. 凍結乾燥
   1. 別々の容器にクエン酸一水和物2g、グルコース一水和物0.9530gを加えます。それぞれに10mLの脱イオン水を加え、化合物が完全に溶解するまで攪拌します。
   2. 2つの溶液を混ぜ合わせ、最終的な溶液の均質化を確認します。溶液を丸い底フラスコに入れなさい。
   3. 液体窒素を使用して凍結します。フラスコを48時間の凍結乾燥機に入れ、すべての水がサンプルから取り除かれるようにします。
2. 真空蒸発
   1. クエン酸一水和物の2gとグルコース一水和物の0.9530 gを別々の容器に入れた重量を量る。それぞれに10mLの脱イオン水を加え、化合物が完全に溶解するまで攪拌します。
   2. 2つの溶液を混ぜ合わせ、溶液の均質化を確認します。溶液を丸い底フラスコに入れなさい。
   3. ロータリーエバポレーターを使用して、透明で粘性のある液体が形成されるまで試料を乾燥させます。
3. 加熱と攪拌
   1. クエン酸一水和物の2gと同じバイアルにグルコース一水和物の0.9530 gの重量を量る。278°Lの水を加えます。
   2. 50°水浴中に磁気攪拌バーでバイアルを置きます。
   3. 透明で粘性のある液体が形成されるまでサンプルを残します。

2. NADES 特性評価

1. 偏光光学顕微鏡(POM)
   1. 観察のために顕微鏡ガラススライドの上にNADESの液滴を置きます。
   2. 顕微鏡の透過モードを用いて、試料の光学特性評価を室温で行う。
2. カール・フィッシャーの滴定
   1. 注射器に100μLのNADESを集め、外側の余分な液体をきれいにします。
   2. シリンジをスケールに置き、それをたたきます。
   3. KF装置のSTARTを押し、容器にサンプルの小さな滴を加えます。
   4. シリンジの重みを量り、KF 機器の質量を入力し、Enter キーを押します。結果は、水のppmで画面に表示されます。
3. 差動走査熱量測定(DSC)
   1. 覆いの蓋が付いている気内アルミニウム鍋に各サンプルの3-10 mgを置きます。サンプルプレスでフライパンを閉じます。
   2. 温度範囲が-90°Cで、加熱速度が10°C/分までのDSCを使用してサンプルを分析し、2分の等温ホールドで2サイクルを実行し、窒素雰囲気下で分析します(50 mL/分)。
4. 核磁気共鳴(NMR)
   1. 250°LのNADESをジメチルスルホキシド-d6(DMSO-d₆₎で溶解して5mm NMRチューブを調製します。
   2. 400 MHz分光計で25°C^で1HおよびNOESYスペクトルを取得します。
   3. 適切なソフトウェアを使用してスペクトルを分析し、DMSO-d6(δ 2.50 ppm)の化学シフトを使用して各コンポーネントのすべての信号を割り当てます。

結果

NADES の準備から、得られると予想される結果を図1に示します。各システムの説明を以下に示します。凍結乾燥法を使用すると、すべての水がシステムから除去されるため、結果は固体または非常に密なペーストでなければなりません。蒸発法を使用して、結果は透明で粘性のある液体でなければなりません。少量の水を加えた加熱攪拌方法を使用して、結果は、明確かつ非常に粘性の液体でなければなりません。

POMから得られた結果を図1に示します。NADES が完全に形成されると、サンプルが完全に非晶質であり、システムに結晶が残っていないことを示す黒い画像が表示されます。KF滴定から得られた結果を表2に記載する。システムに添加される水の量に加えて、最終混合物の水の割合はまた試薬の水分含有量に依存する。

DSCに関しては、この技術の目標は、システムが適用される温度範囲内の液体であることを確認することでもあるので、期待される結果は、対象となる温度範囲に熱事象を示さないサーモグラムを有することである(表2)).NMR技術は、NADESシステムの主な特徴である水素結合形成の存在を確認するために用いられる。これは、各信号の化学シフトの変化を観察し、空間的および分子間相関を示すNOESYスペクトルの分析によって確認することができる(図2)。

コンポーネント 1	コンポーネント 2	準備方法	参照
ベタイン (ベット)	L-(+)-酒石酸(LTA)	真空蒸発(VE)	Dai et al. (2013)5とエスピノら (2016)6
β-アラニン (β-A)	DL-リンゴ酸(MA)	真空蒸発(VE)	Dai et al. (2013)5とエスピノら (2016)6
グルコース (グルク)	スクロース (スク)	凍結乾燥(FD)	Choi et al. (2011)4とエスピノら (2016)6
クエン酸 (CA)	グルコース (グルク)	凍結乾燥(FD)	Choi et al. (2011)4とエスピノら (2016)6

表 1:文献とその調製方法で報告されたシステム。

Nades	準備方法	含水率(%)
		カール・フィッシャー測度
ベット:LTA (2:1 + 20% 水)	加熱と攪拌、水の追加	19.94 ± 1.28
ベット:LTA (2:1)	真空蒸発	11.36 ± 0.78
β-A:MA (3:2 + 11% 水)	加熱と攪拌、水の追加	11.45 ± 0.25
β-A:MA (3:2)	真空蒸発	18.84 ± 1.78
Gluc:Suc (1:1 + 21% 水)	加熱と攪拌、水の追加	20.88 ± 0.13
グルック:サック (1:1)	真空蒸発	22.56 ± 0.48
CA:グルック(2:1 + 17%の水)	加熱と攪拌、水の追加	17.33 ± 0.68
CA:グルック (2:1)	真空蒸発	20.04 ± 0.26

表 2:含水率(%)異なる方法で準備されたシステムの。

図1:a)凍結乾燥、b)真空蒸発及びc)加熱及び水を加えて攪拌した場合のNADESの代表的な結果。図は、システムが凍結乾燥されるとき、得られた結果は、VEおよびHS法が使用される場合、NADESが形成するために必要な水の量が存在し、得られた結果がホムであるのに対し、混合物からすべての水が除去されるので結晶であることを示しています室温での合体液体。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図2:CA:Glu(2:1)の偏光光学顕微鏡を、クロス偏光子(左画像)と並列偏光子(右画像)~100μm(10倍増幅)で異なる方法で調製した。黒い画像は、サンプルが室温で液体であることを示しています。この技術から得られた結果は液体ではなかったのでFD試料は完全に結晶化する。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図 3: a)(A)NADES系クエン酸^の1H NMRスペクトルのオーバーレイ:グルコース:水(2:1:4)、(B)グルコース、および(C)クエン酸;b) NADESシステムクエン酸のNOESYスペクトル:グルコース:水(2:1:4)。オーバーレイされたスペクトルは、DES形成時の各成分の化学シフトの違いを示し、それらの間に水素結合が確立された。NOESYスペクトルは、クエン酸からのOH陽子と両方の成分からの残りのプロトンとの相互作用を示す。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

ディスカッション

NADESの調製のための文献で報告される異なる方法論は、加熱攪拌法(HS)、真空蒸発(VE)、および凍結乾燥(FD)である。この作品で作成したシステムは、文献4、5、6、10、11の異なる著者によって記述されています。表1に、原稿に記載されている各混合物の成分とその調製方法を示す。

記載されたシステムを再現するための調査の結果、室温で明確で粘性のある液体サンプルとして、同様のNADESを達成できない場合があることに気付きました。NADES の準備は、多くの要因に依存しています。簡単に制御できるものもあれば、標準化が難しいものもあります。考慮すべき最も重要なことは、最終製品は使用する機器などの外部要因に依存できないことです。

その後、異なる方法で調製されたシステムが特徴付けられた。偏光光学顕微鏡(POM)では、水のないHS法では、異なる温度でもNADESが透明で粘性のある液体を形成しないことが観察された。しかしながら、均質で透明な粘性液体は、少量の水でHS法を適用した場合に図1に示すように観察され、NADESの調製のためのVE法。

DSCは、混合物の熱事象を決定するために使用された。その結果、サーモグラムには熱事象が見られないので、システムは室温で最大130°Cの液体である。各試料の含水率をカールフィッシャー滴定で測定し、その結果を表2に示す。粘度や極性など、得られた液体の特性に最も影響を与えるパラメータであるため、システムの水分含有量を報告する必要があります。これらの変更は、NADES が設計されているアプリケーションの結果に大きな影響を与えます。

NMRはまた、各系の分子間の水素結合の形成を通じて、言及されたNADESシステムの形成を確認するために使用された。1つの例は、このNADESと出発物質(クエン酸およびグルコース)のプロトンスペクトルが重なっているHSによって得られた17%の水を有するNADES系クエン酸:グルコース(2:1)に対して図2に示されている(図2a)。このことから、各分子からいくつかのプロトンの化学シフトの変化を観察することができる。大きな変化は、クエン酸からのOH陽子のシフトです。もともと、この信号は5.16ppmで現れますが、水素結合の形成により6.22ppmにシフトします。これは、クエン酸からのOHと残りの陽子との間の強い相互作用が見えるNOESYスペクトル(図2b)によって確認される。他の NADES システムでも同様の相互作用が観察された。

本研究では、文献で報告された二テク系の調製方法の記述は、ほとんどのシステムの水分含有量に関する情報の欠如のために不完全である場合がある。VE法では、水は異なる成分の溶液を調製し、二テカ系の形成につながる温度で混合することによって追加されます。ただし、最低限必要な水分量を確認することはできません。したがって、システムを形成するために必要な水の割合の知識は、他の人が異なる共晶混合物の調製を再現できるようにするために、常に報告されるべき重要なポイントであると考えられています。

使用する最良の方法は、水分含有量が既に記載されている場合に備えて、準備にかかる時間が短く、水を加えたHS法です。ただし、この情報が利用できない場合、最も簡単な方法は VE メソッドで、使用可能なすべての水が除去され、NADES コンポーネントと相互作用する水のみがシステムに残ります。いずれにせよ、研究者は、システムから無料の水が除去されることを確実にするために、システムを十分な時間蒸発させる必要があります。このタイミングは機器に依存するため、材料セクションでVE法の持続時間を記述するだけでは不十分ですが、水分量は常に報告される必要があります。

資料

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