Зеленый синтез ионной жидкости на основе хинолина

Резюме

В настоящей работе мы проливаем свет на зеленый синтез ионной жидкости (ИЛ) на основе хинолина, а именно 1-гексадецилхинолхинолина-1-иумия бромида {[C₁₆quin]Br} путем смешивания хинолина с избытком 1-бромогексадекана, а также его детальную характеристику с помощью ядерного магнитного резонанса и инфракрасных спектроскопических измерений.

Аннотация

Постоянно растущая угроза устойчивости к противомикробным препаратам (УПП) ставит под угрозу эффективность преобладающих антибиотиков в борьбе с неумолимо прорастающими инфекциями, порожденными бактериями, вирусами, паразитами, а также грибками, что представляет серьезную угрозу для здоровья и благополучия человека. В этом отношении несколько новых молекул доказали свою эффективность, при этом ионные жидкости (ИЛ) являются одной из самых экологически чистых, нелетучих и термически стабильных альтернатив существующим противомикробным препаратам, обладая высоким сольватирующим потенциалом, а также низким давлением пара. Более того, использование этих соединений как для стабилизации, так и для дестабилизации белковых структур и повышения ферментативной активности еще больше повысило их потенциал в биомедицинской промышленности. В связи с этим мы представляем «зеленый» синтез и характеристику ИЛ на основе хинолина, благодаря его огромной антимикробной активности, низкой цитотоксичности и большой искусственной шапероновой активности. В этом случае маневрирование методом однокамерного синтеза в более экологичных условиях реакции без растворителей не только повысило эффективность реакции, но и увеличило выход химических веществ. Чистота синтезированного ИЛ была подтверждена с помощью ядерного магнитного резонанса (ЯМР) 1H, ЯМР 13C и инфракрасной (ИК) спектроскопии. Биологический потенциал синтезированного соединения дополнительно подтверждается путем анализа его свойств абсорбции, распределения, метаболизма, экскреции и токсичности (ADMET) и аутентифицируется с помощью дискового диффузионного анализа.

Введение

Монументальный рост населения мира объясняет огромный рост потребления огромного количества товаров за последние несколько лет, включая продукты питания, лекарства, а также другие важнейшие продукты для поддержания жизнедеятельности смертных организмов. Это дало толчок поиску новых химических соединений с исключительно специализированными, экологически чистыми и полезными свойствами во всем мире. Ионные жидкости (ИЛ) доказали свою эффективность в этом отношении. Использование этих соединений в научной сфере дало толчок новым начинаниям в области исследований в области современных химических технологий¹. В отличие от традиционных подходов, использование ИЛ не только облегчает условия прогрессивных реакций, но и способствует разработке индивидуальной стратегии для решения различных биохимических проблем, связанных с экспериментальными исследованиями^{и разработками}.

Как правило, ИЛ представляют собой стабильные соли, составляющие катионы (органические) и анионы (неорганические), обладающие температурой плавления ниже 100 °^С3. Следуя 12 принципам зеленой химии, эмпирически они являются убедительными заменителями привычных органических растворителей⁴. Поразительные свойства, связанные с использованием этих соединений, включают в себя большую внутреннюю проводимость, полярность, склонность к сольватации, термическую стабильность, нелетучесть, кислотность/основность, гидрофильность/гидрофобность и настраиваемость, что делает ИЛ наиболее подходящими для экспериментальных исследований⁵.

Помимо широкого применения различных классов ИЛ в современном органическом синтезе⁶, катализе⁷ и различных электрохимических процессах с участием датчиков⁸, приводов⁹, батарей¹⁰ и топливных элементов¹¹, за последние несколько лет этот класс соединений получил важное признание в области биомедицины в свете УПП. Текущие испытания показывают, что ИЛы на основе имидазолия, пиридина, холина и пиррола чрезвычайно эффективны в качестве терапевтических агентов благодаря своему высокому заряду и гидрофобности^. Тем не менее, аналоги на основе хинолина по-прежнему считаются наиболее эффективными против патогенных микробов¹². Дополнительные биомедицинские применения, сопровождающие этот класс ИЛ, включают активность искусственного шаперона¹³, цитотоксичность в отношении раковых клеток¹⁴ , а также отличную способность к переносу лекарств¹⁵.

Как правило, изготовление ИЛ связано с использованием высокотоксичных растворителей, таких как дихлорметан, бензол, тетрахлорметан, дихлорэтилен и т.д.16, что препятствует биосовместимости и повышает токсичность соединения, что делает их нежелательными для биологического использования. Кроме того, использование вредных растворителей в реакционных средах не только замедляет время реакции, но и увеличивает непреднамеренное образование отходов побочных продуктов, выбрасываемых в окружающую среду¹⁷. Кроме того, растворитель, используемый в реакционной среде, также влияет на pH конечного продукта; Следовательно, его удаление в конце реакции имеет жизненно важное значение, особенно когда желаемое соединение предназначено для использования в биологических системах, связанных с белками. Следовательно, отказ от использования такого растворителя является выгодным в области зеленой химии.

В этом исследовании мы сообщаем о синтезе биосовместимого и нетоксичного¹³ IL, а именно 1-гексадецилхинолхинолина-1-ium бромида, с использованием более экологичного способа. В настоящей стратегии не используется молекулярный растворитель, а также используется способность к саморастворению ИЛ, образующегося в реакционной смеси, что способствует высокой эффективности реакции и выходу химических веществ. Реакция Меншуткина¹⁸лежит в основе современной методологии синтеза. Чистоту синтезированного соединения исследуют с помощью ЯМР и ИК-спектроскопии. Фармакокинетический профиль соединения и токсичность были изучены в рамках исследований ADMET. Кроме того, в исследовании также был продемонстрирован антимикробный потенциал синтезированного ИЛ в отношении патогенного штамма Candida albicans .

протокол

ПРИМЕЧАНИЕ: 1-гексадецилхинолин-1-бромид алюминия{[C₁₆quin]Br} был синтезирован, как описано ранее в Sharma et ^al.13.

1. Подготовка и стерилизация стеклянных аппаратов

ПРИМЕЧАНИЕ: Это следует сделать не менее чем за 1 день до начала реакции для синтеза нужного соединения.

1. Тщательно вымойте колбу с круглым дном объемом 24/29, 250 мл с двумя горлышками вместе с другими стеклянными приборами, такими как измерительные цилиндры и т. д., и промойте дистиллированной водой, а затем ацетоном.
2. Вымытый аппарат высушите в духовке с горячим воздухом при температуре 60 °C до полного высыхания аппарата для дальнейшего использования.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Обычно вымытый аппарат следует поместить на ночь в сушильную печь, чтобы полностью удалить водную пленку и убедиться, что реакционная система свободна от примесей.

2. Настройка аппарата

ПРИМЕЧАНИЕ: Аппарат должен быть правильно зажат для обеспечения равномерного нагрева реагентов. Принципиальная схема реакции показана на рисунке 1.

1. Поставьте масляную баню на горячую плиту с магнитной мешалкой. Перед началом реакции разогрейте масляную баню до 80 °C.
2. Дайте RB постоять в масляной бане с помощью трубчатой ретортной подставки таким образом, чтобы она была наполовину погружена в масляную ванну, помещенную на горячую плиту с магнитной мешалкой.
3. Запечатайте верхнюю горловину РБ пробкой, представляющей собой продувающую иглу, дополнительно соединенную со шприцем с прикрепленным к нему баллоном N₂ .
4. Плотно запечатайте другую горловину RB с помощью другой резиновой пробки, чтобы избежать утечки N₂ из реакционной среды.
5. Предварительно нагрейте всю среду до 80 °C в инертной атмосфере, поддерживаемой за счет продувки N₂ перед добавлением реагентов в RB.
6. Многократно доливайте баллон N₂ , чтобы обеспечить инертность реакционной системы и поддерживать температуру на всем протяжении (следовательно, предпочтительнее нагревание в масляной бане).

3. Добавление реагентов в реакционную систему

1. Влить в реакционную систему 0,1 М хинолина и 0,105 М 1-бромгексадекана, не нарушая заданной реакционной среды.
2. Непрерывно перемешивайте содержимое при 2500-3000 об/мин в течение 3 дней в инертной среде и при постоянной температуре.

4. Очистка/рекристаллизация соединения

ПРИМЕЧАНИЕ: Весь продукт не должен подвергаться повторной кристаллизации. Вместо этого следует выбирать периодическую рекристаллизацию, чтобы избежать потерь продукта.

1. Полученное твердое вещество растворить в смеси толуол/этилэтаноат соотношением 1:2. Охладите эту смесь до -15 °C в морозильной камере (температура установлена на уровне -15 °C) и отфильтруйте под вакуумом с помощью воронки Бюхнера, прикрепленной к вакуумному насосу и фильтрующей колбе через трубку. Поместите полипропиленовую фильтрующую мембрану, составляющую размер пор 0,45 мкм, в воронку Бюхнера, охватывающую все дно фильтра. Вылейте небольшое количество смеси растворителей через фильтр, чтобы создать надлежащее уплотнение, предотвращающее любую утечку воздуха через установку.
2. Процеженное изделие промыть холодным толуолом, постепенно вливая растворитель через воронку, с последующей сушкой при 70 °С в вакуумной печи. Повторите эту процедуру 2 раза, чтобы убедиться в высокой чистоте нужного состава.

5. Валидация соединения с помощью ЯМР-спектроскопии

1. Перед тем, как подвергнуть соединение ¹Н ЯМР и ¹³С ЯМР, растворите его в дейтерированном хлороформе (CDCl₃), отмерив 1-10 мг соединения и растворив его примерно в 1 мл CDCl_3.
2. Введите эту смесь в ЯМР-пробирку с помощью шприца объемом 1 мл для анализа образца под ЯМР-спектрометром. Подготовка образцов идентична как для ¹Н ЯМР, так и для ¹³С ЯМР.

6. Определение ИК-характеристик синтезированного ИЛ

1. Для получения ИК-спектров соединения не требуется подготовка образца.
2. Подвергните несколько мг твердого образца воздействию ИК-спектрометра, чтобы получить представление о различных функциональных группах, присутствующих в синтезированном соединении. Показания были получены, как показано ранее¹⁹.

7. Прогнозирование свойств ADMET

1. Введите канонические СМАЙЛИКИ нужного ИЛ в бесплатную онлайн-программу ADMETLAB 2.0 и выполните программу для получения различных параметров, подтверждающих их биологический потенциал.

8. Дискодиффузионный анализ, демонстрирующий биомедицинское применение синтезированного ИЛ

1. Предварительно культивируйте грибковый штамм Candida albicans (ATCC 90028) в дрожжевом пептона декстрозе (YPD) в течение почти 16 часов в шейкер-инкубаторе БПК при 37 °C.
2. Приготовьте агаровую среду YPD, смешав 1% дрожжевой экстракт, 2% пептон, 2% декстрозу и 1,5% агар в 1 л дважды дистиллированной воды. Налейте 25 мл свежесформированного агарового материала YPD в пластину Петри диаметром 90 мм после автоклавирования в течение 15 минут при 121 °C. Оставьте пластины в покое, чтобы обеспечить надлежащее затвердевание среды.
3. Когда пластина полностью застынет, равномерно распределите около 100 μл свежеприготовленного грибкового инокулюма по пластине, содержащей среду, с помощью разбрасывателя стекла. Оставьте пластины в покое на 5-7 минут в колпаке с ламинарным потоком.
4. Поместите стерильный круглый бумажный диск диаметром 5-6 мм в середину той же пластины, используя щипцы.
5. Добавьте 50 мкл 0,1 мМ водного раствора синтезированного ИЛ на диск, постепенно, с помощью пипетки объемом 20-200 мкл.
6. Охладите пластину примерно на 30 минут, чтобы обеспечить надлежащую диффузию IL в агар. Поместите планшет в инкубатор БПК при температуре 37 °C на 24 часа.
7. Измерьте зону торможения (включая диаметр диска) с помощью измерительной шкалы и рассчитайте площадь под этой зоной по уравнению 1.
   Площадь = πr² (1)

Результаты

На рисунке 2 представлена схема реакции Меншуткина, участвующей в протекании процесса синтеза. Синтезированный таким образом 1-гексадецилхинолин-1-бромид был охарактеризован с помощью ЯМР и ИК-спектроскопии. Ожидается, что полученный таким образом ма?...

Обсуждение

В последнее время ИЛ обнародовали различные многообещающие реализации в области биохимических наук, включая рефолдинг/шапероновую активность белка, средства доставки лекарств и/или катализаторы в нескольких органических реакциях. Их интригующие физико-химические ...

Материалы

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)