퀴놀린 기반 이온 액체의 녹색 합성

요약

본 연구에서는 퀴놀린을 과량의 1-브로모헥사데칸과 혼합하여 퀴놀린계 이온 액체(IL), 즉 1-헥사데실퀴놀린-1-이움 브로마이드{[C₁₆quin]Br}의 녹색 합성을 규명하고, 핵 자기 공명 및 적외선 분광 측정을 사용하여 그 상세한 특성을 규명합니다.

초록

계속 증가하는 항생제 내성(AMR)의 위협은 박테리아, 바이러스, 기생충 및 곰팡이에 의해 끊임없이 싹트는 감염에 대한 일반적인 항생제의 효능을 위태롭게 하여 인간의 건강과 복지에 큰 위협이 되고 있습니다. 이와 관련하여 여러 새로운 분자가 그 기량을 입증했으며, 이온 액체(IL)는 기존 항균제에 대한 가장 친환경적이고 비휘발성이며 열적으로 안정적인 대안 중 하나이며 높은 용제 잠재력과 낮은 증기압을 가지고 있습니다. 또한, 단백질 구조를 안정화 및 불안정화하고 효소 활성을 향상시키는 데 이러한 엔티티를 활용하면 생물 의학 산업에서 잠재력을 더욱 높일 수 있습니다. 이를 염두에 두고, 우리는 엄청난 항균 효과, 낮은 세포 독성 및 뛰어난 인공 샤페론 활성으로 인한 퀴놀린 기반 IL의 녹색 합성 및 특성 분석을 제시합니다. 여기에서 무용제, 더 친환경적인 반응 조건에서 원팟 합성 접근 방식을 조작하면 반응 효율이 향상될 뿐만 아니라 화학적 수율도 증가했습니다. 합성된 IL의 순도는 1H 핵 자기 공명(NMR), 13C NMR 및 적외선(IR) 분광법을 사용하여 확증되었습니다. 합성된 화합물의 생물학적 잠재력은 ADMET(Absorption, Distribution, Metabolism, Excretion, and Toxicity) 특성을 분석하여 추가로 검증되고 디스크 확산 분석을 사용하여 인증됩니다.

서문

세계 인구의 기념비적인 증가는 지난 몇 년 동안 식품, 의약품 및 필멸 유기체의 유지를 위한 기타 중요한 제품을 포함한 광범위한 상품의 소비가 엄청나게 증가한 원인입니다. 이로 인해 전 세계적으로 매우 전문화되고 생태학적으로 건전하며 유익한 특성을 가진 새로운 화합물에 대한 탐구가 활력을 얻었습니다. 이온 액체(IL)는 이와 관련하여 유용한 것으로 입증되었습니다. 과학 영역에서 이러한 화합물의 의미는 현대 화학 기술 연구의 새로운 벤처를 강화했습니다¹. 기존 접근법과 달리 IL의 활용은 점진적인 반응 조건을 촉진할 뿐만 아니라 실험 연구 및 개발과 관련된 다양한 생화학적 문제를 파악하기 위한 맞춤형 전략을 촉진합니다².

일반적으로 IL은 양이온(유기)과 음이온(무기)을 구성하는 안정적인 염으로, 녹는점이 100°C^{미만인 3} 입니다. 녹색 화학의 12가지 원칙을 준수하면서 경험적으로 이들은 관습적인 유기 용매에 대한 설득력 있는 대체품입니다⁴. 이러한 화합물의 활용과 관련된 놀라운 특성은 뛰어난 고유 전도성, 극성, 용매 경향, 열 안정성, 비휘발성, 산성/염기도, 친수성/소수성 및 조정성을 포함하므로 IL은 실험 연구에 가장 적합합니다⁵.

현대의 유기 합성⁶, 촉매7 및 센서⁽⁸), 액추에이터⁽⁹), 배터리(10) 및 연료 전지⁽¹¹)를 포함하는 다양한 전기화학 공정에서 다양한 종류의 IL이 광범위하게 응용되는 것 외에도, 지난 몇 년 동안 이 종류의 화합물은 AMR에 비추어 생물의학 분야에서 중대한 인식을 갖게 되었다. 현재 연구 결과에 따르면 이미다졸리움(imidazolium), 피리딘(pyridine), 콜린(choline) 및 피롤(pyrrole)을 기반으로 하는 IL은 높은 전하와 소수성으로 인해 치료제로서 매우 효과적이다¹². 그러나 퀴놀린 기반 대응물은 여전히 병원성 미생물에 대해 가장 강력한 것으로 간주됩니다¹². 이 종류의 IL에 수반되는 추가적인 생물 의학 응용 분야에는 인공 샤페론 활성⁽¹³), 암세포(¹⁴)에 대한 세포 독성 및 우수한 약물 운반 능력⁽¹⁵)이 포함된다.

일반적으로 IL의 제조에는 디클로로메탄, 벤젠, 사염화탄소, 디클로로에틸렌 등과 같은 고독성 용매 매체의 사용이 포함되며,¹⁶ 이는 생체 적합성을 저해하고 화합물의 독성을 높여 생물학적 사용에 적합하지 않게 만듭니다. 또한, 반응 매체에 유해한 용매를 사용하면 반응 시간이 느려질 뿐만 아니라 환경으로 방출되는 폐기물 부산물의 의도하지 않은 생성이 증가합니다¹⁷. 또한, 반응 매질에 사용되는 용매는 최종 생성물의 pH에도 영향을 미칩니다. 따라서, 반응 종료 시 이의 제거가 매우 중요하며, 특히 원하는 화합물이 단백질 관련 생물학적 시스템에 사용되도록 의도된 경우 더욱 그러하다. 따라서 이러한 용매의 사용을 피하는 것이 녹색 화학 영역에서 유리합니다.

이 연구에서는 생체 적합성 및 무독성¹³ IL, 즉 1-Hexadecylquinolin-1-ium bromide의 원팟 합성을 보다 친환경적인 경로를 사용하여 보고합니다. 본 전략은 분자 용매의 활용을 생략하고 반응 혼합물 내에 형성된 IL의 자체 용매 능력을 활용하여 높은 반응 효율과 화학적 수율을 촉진합니다. Menschutkin 반응¹⁸은 현재 합성 방법론의 기초를 형성합니다. 합성된 화합물의 순도는 NMR 및 IR 분광법을 사용하여 조사됩니다. 화합물의 약동학 프로필과 독성은 ADMET 연구를 통해 조사되었습니다. 또한, 병원성 칸디다 알비칸 스 균주에 대한 합성된 IL의 항균 가능성도 연구에서 입증되었습니다.

프로토콜

참고 : 1- 헥사 데실 퀴놀린 -1- 이움 브로마이드 {[C₁₆quin] Br}은 이전에 Sharma et ^al.13에 의해 설명 된대로 합성되었습니다.

1. 유리 기구의 준비 및 살균

참고: 이것은 원하는 화합물의 합성을 위한 반응을 설정하기 최소 1일 전에 수행해야 합니다.

1. 24/29, 250mL, 두 목 둥근 바닥 플라스크(RB)를 측정 실린더 등과 같은 다른 유리 장치와 함께 철저히 세척하고 증류수로 헹구고 아세톤으로 헹굽니다.
2. 세척된 기기를 60°C의 열풍 오븐에서 기기가 추가 사용을 위해 완전히 건조될 때까지 건조시킵니다.
   알림: 일반적으로 세척된 장치는 건조 오븐에 밤새 넣어 수막을 완전히 제거하고 반응 시스템에 불순물이 없는지 확인해야 합니다.

2. 장치 설정

알림: 장치는 cl이어야 합니다.amp반응물의 균일한 가열을 보장하기 위해 적절하게 ed. 반응 설정의 개략도는 그림 1에 나와 있습니다.

1. 자석 교반기가 있는 핫플레이트에 오일 배스를 놓습니다. 반응이 시작되기 전에 오일 배스를 80°C로 예열합니다.
2. 튜브 레토르트 스탠드를 사용하여 RB가 마그네틱 교반기가 있는 핫 플레이트에 놓인 오일 배스에 반쯤 잠기도록 오일 배스에 서게 합니다.
3. RB의 상부 입구를 퍼지 니들을 구성하는 코르크로 밀봉하고,_N2 풍선이 부착된 주사기에 더 연결합니다.
4. 반응 매체에서 N₂ 의 누출을 방지하기 위해 다른 고무 코르크를 사용하여 RB의 다른 쪽 목을 단단히 밀봉하십시오.
5. 반응물을 RB에 첨가하기 전에_N2 퍼지를 통해 유지되는 불활성 분위기에서 전체 매체를 80°C로 예열합니다.
6. 반응 시스템의 불활성을 보장하고 전체적으로 온도를 유지하기 위해 N₂ 풍선을 반복적으로 보충하십시오(따라서 오일 배스 가열이 선호됨).

3. 반응 시스템에 반응물의 첨가

1. 사전 설정된 반응 환경을 방해하지 않고 0.1M 퀴놀린과 0.105M 1-브로모헥사데칸을 반응 시스템에 붓습니다.
2. 불활성 환경과 일정한 온도에서 2500-3000rpm에서 3일 동안 내용물을 계속 저어줍니다.

4. 화합물의 정제/재결정화

알림: 전체 제품을 재결정화해서는 안 됩니다. 대신, 제품의 손실을 방지하기 위해 배치 재결정화를 선택해야 합니다.

1. 얻어진 고체를 1:2 톨루엔/에틸 에타노에이트 혼합물에 용해시킨다. 이 혼합물을 급속 냉동고(온도는 -15°C로 설정)에서 -15°C로 냉각하고 진공 펌프와 튜브를 통한 필터 플라스크에 부착된 Buchner 깔때기를 사용하여 진공 상태에서 여과합니다. 0.45μm의 기공 크기를 구성하는 폴리프로필렌 필터 멤브레인을 Buchner 깔때기에 배치하여 필터 바닥 전체를 덮습니다. 적절한 밀봉을 만들기 위해 필터를 통해 소량의 용매 혼합물을 붓고 설정을 통한 모든 종류의 공기 누출을 방지합니다.
2. 여과된 제품을 깔때기를 통해 용매를 서서히 부어 콜드 톨루엔으로 세척한 후 진공 오븐에서 70°C에서 건조합니다. 원하는 화합물의 고순도를 보장하기 위해 이 절차를 2번 반복합니다.

5. NMR 분광법을 사용하여 화합물 검증

1. 화합물을 ^1HNMR 및 ^13CNMR에 적용하기 전에, 화합물 1-10mg을 측정하고 약 1mL의 CDCl 3 에 용해시켜 중수소화 클로로포름 (CDCl₃)에 용해시킨다_.
2. NMR 분광계에서 샘플을 분석하기 위해 1mL 주사기를 사용하여 이 혼합물을 NMR 튜브에 주입합니다. 샘플 준비는 ^1HNMR 및 ^13CNMR 모두에 대해 동일합니다.

6. 합성된 IL의 IR 특성 분석

1. 화합물의 IR 스펙트럼을 얻기 위해 시료 전처리가 필요하지 않습니다.
2. 몇 mg의 고체 샘플을 IR 분광계에 주입하여 합성된 화합물에 존재하는 다양한 작용기에 대한 통찰력을 얻습니다. 판독 값은 이전에 입증 된 바와 같이 얻어졌습니다¹⁹.

7. ADMET 특성 예측

1. 원하는 IL의 표준 SMILES를 무료 온라인 소프트웨어 ADMETLAB 2.0에 입력하고 프로그램을 실행하여 다양한 매개 변수를 얻음으로써 동일한 매개 변수의 생물학적 잠재력을 입증합니다.

8. 합성된 IL의 생의학적 응용을 보여주는 디스크 확산 분석

1. 37°C의 BOD 셰이커 인큐베이터에서 효모 펩톤 덱스트로오스(YPD) 육수에 포함된 Candida albicans (ATCC 90028)의 곰팡이 균주를 거의 16시간 동안 사전 배양합니다.
2. 이중 증류수 1L에 1% 효모 추출물, 2% 펩톤, 2% 덱스트로오스 및 1.5% 한천을 혼합하여 YPD 한천 매체를 준비합니다. 121°C에서 15분 동안 고압멸균한 후 갓 형성된 YPD 한천 배지 25mL를 90mm 페트리 플레이트에 붓습니다. 매체가 적절하게 응고될 수 있도록 플레이트를 방해하지 않고 그대로 두십시오.
3. 플레이트가 완전히 굳어지면 유리 스프레더를 사용하여 갓 준비한 곰팡이 접종물 약 100μL를 배지가 들어 있는 플레이트 위에 균질하게 펴 바릅니다. 플레이트를 층류 후드에서 5-7분 동안 방해받지 않고 그대로 두십시오.
4. 집게를 사용하여 직경 5-6mm의 멸균 원형 종이 디스크를 동일한 플레이트 중앙에 놓습니다.
5. 20-200 μL 피펫을 사용하여 합성 된 IL의 0.1 mM 수용액 50 μL를 디스크에 점차적으로 첨가하십시오.
6. IL이 한천으로 적절하게 확산되도록 플레이트를 약 30분 동안 냉장 보관합니다. 37°C에서 24시간 동안 사전 설정된 BOD 인큐베이터에 플레이트를 놓습니다.
7. 측정 눈금을 사용하여 금지 영역(디스크 직경 포함)을 측정하고 방정식 1에 따라 이 영역 아래의 영역을 계산합니다.
   면적 = πr² (1)

결과

그림 2는 합성 공정을 일으키는 데 관여하는 Menschutkin 반응의 반응 계획을 나타냅니다. 이렇게 합성된 1-Hexadecylquinolin-1-ium bromide는 NMR 및 IR 분광법을 사용하여 특성화되었습니다. 이렇게 수득된 유성 생성물은 도 3에 예시된 바와 같이 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(t, 3H...

토론

최근 IL은 단백질 재접힘/샤페론 활성, 약물 전달 수단 및/또는 여러 유기 반응에서의 촉매를 포함하여 생화학 과학 분야에서 다양한 유망한 구현을 공개했습니다. 조정 가능성, 생체 적합성, 용해성, 지속 가능성, 안정성 등과 같은 흥미로운 물리화학적 특성으로 인해 새로운 치료제 개발을 위한 잠재적인 후보가 되었습니다²⁰. 제안된 연구는 항생제 내?...

자료

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)