Préparation des systèmes eutectiques profonds binaires et ternaires
Summary
Ce protocole vise à normaliser la préparation des systèmes eutectiques profonds dans toute la communauté scientifique afin que ces systèmes puissent être reproduits.
Abstract
La préparation des systèmes eutectiques profonds (DES) est a priori une procédure simple. Par définition, deux composants ou plus sont mélangés à un rapport de molaire donné pour former un DES. Cependant, d’après notre expérience en laboratoire, il est nécessaire de normaliser la procédure de préparation, de caractérisation et de rapport des méthodologies suivies par différents chercheurs, afin que les résultats publiés puissent être reproduits. Dans ce travail, nous testons différentes approches rapportées dans la littérature pour préparer des systèmes eutectiques et avons évalué l’importance de l’eau dans la préparation réussie des systèmes liquides à température ambiante. Ces systèmes eutectiques édités étaient composés de l’acide citrique, du glucose, du saccharose, de l’acide malique, de l’alanine, de l’acide l-tartarique et de la bétaïne et pas toutes des méthodes de préparation décrites n’ont pas pu être reproduites. Cependant, dans certains cas, il a été possible de reproduire les systèmes décrits, avec l’inclusion de l’eau comme un troisième composant du mélange eutectique.
Introduction
Les solvants eutectiques profonds ont été nommés solvants pour le 21ème siècle et sont considérés comme une nouvelle génération de solvants. Ils sont définis comme un mélange de deux composés chimiques ou plus à un rapport de molaire particulier pour entraîner une diminution significative de la température de fusion des composants individuels, devenant liquide à température ambiante1,2, 3. En ce sens, la préparation des solvants ne nécessite aucune réaction chimique et, par conséquent, le rendement de production est de 100%. En 2011, Choi et ses collègues ont signalé la possibilité de DES naturels et les ont nommés, solvants eutectiques profonds naturels (NADES)3,4,5. NADES peut être préparé à partir de différentes combinaisons de sucres, d’acides aminés, d’acides organiques et de dérivés de la choline; et ces systèmes préparés à partir de composants naturels sont intrinsèquement biocompatibles et biodégradables, présentant beaucoup moins de toxicité par rapport à d’autres solvants alternatifs (p. ex., liquides ioniques)5,6, 7,8. Depuis 2015, le nombre de publications dans le domaine a augmenté de façon exponentielle et les applications possibles de NADES sont très larges3. Même si de nombreux manuscrits et revues ont été publiés, il existe des questions fondamentales qui persistent, et les scientifiques n’ont pas encore trouvé la réponse à des questions intrigantes telles que les mécanismes sous-jacents à la formation des DES. Comprendre le mécanisme de formation des DES conduirait à une approche consolidée vers le développement de nouveaux systèmes, plutôt que l’approche actuelle d’essais et d’erreurs. En outre, les opportunités dans le domaine se multiplient chaque jour, à mesure que les consommateurs prennent conscience de la durabilité de leurs produits, non seulement en termes de fin de vie, mais aussi en termes de traitement lui-même8,9, 10. Pour stimuler les innovations majeures dans le domaine des solvants eutectiques profonds, la normalisation des méthodes de production et de caractérisation est d’abord nécessaire. Le manque de reproductibilité de certains des systèmes rapportés dans la littérature a été la motivation pour développer ce travail que nous avons fait face à cette question à plusieurs reprises. Dans ce domaine, nous démontrons la nécessité et l’importance cruciale de décrire avec précision les matériaux et les méthodes et montrons que, bien que la préparation du DES soit une procédure simple et simple, il y a certains aspects clés (p. ex., la présence ou la quantité d’eau) qui doit toujours être discuté.
Protocol
Representative Results
Discussion
Les différentes méthodologies rapportées dans la littérature pour la préparation de NADES sont une méthode de chauffage et d’agitation (HS), d’évaporation sous vide (VE) et de lyophilisation (FD). Les systèmes que nous avons préparés dans ce travail sont décrits par différents auteurs dans la littérature4,5,6,10,11. Le tableau 1 énumère les composantes de chaque mélange, tel que rapporté dans le manuscrit original, ainsi que leur méthode de préparation.
Lors de nos recherches pour reproduire les systèmes décrits, nous nous sommes rendu compte que dans certains cas, il n’était pas possible d’obtenir un NADES similaire, comme un échantillon liquide clair, visqueux à température ambiante. La préparation d’un NADES repose sur de nombreux facteurs. Certains peuvent être facilement contrôlés, mais d’autres sont plus difficiles à normaliser. La chose la plus importante à considérer est que le produit final ne peut pas compter sur des facteurs externes tels que l’équipement utilisé.
Les systèmes préparés par différentes méthodes ont ensuite été caractérisés. Avec la microscopie optique polarisée (POM), on a observé qu’avec la méthode HS sans eau, même à des températures différentes, le NADES n’a pas formé un liquide clair et visqueux. Cependant, un liquide visqueux homogène et clair a été observé tel qu’il est représenté à la figure 1 lors de l’application de la méthode HS avec de petites quantités d’eau et de la méthode VE pour la préparation du NADES.
DSC a été utilisé pour déterminer les événements thermiques du mélange. Les résultats ont montré que le système est liquide à température ambiante et jusqu’à 130 oC, puisque le thermogramme ne montre aucun événement thermique. La teneur en eau de chaque échantillon a été mesurée par karl-Fischer titration, et les résultats sont représentés dans le tableau 2. La teneur en eau des systèmes doit être signalée, car c’est le paramètre qui influence le plus les propriétés du liquide obtenu, comme la viscosité et la polarité. Ces changements ont une grande incidence sur le résultat de la demande pour laquelle le NADES est conçu.
La RMN a également été utilisée pour confirmer la formation des systèmes NADES mentionnés, par la formation de liaisons d’hydrogène entre les molécules de chaque système. Un exemple est donné dans la figure 2 pour l’acide citrique du système NADES:glucose (2:1) avec 17% d’eau obtenue par HS où le spectre de protons de ce NADES et les matériaux de départ (acide citrique et glucose) sont superposés ( Figure2a). De là, il est possible d’observer des changements dans les changements chimiques de certains protons de chaque molécule. Le changement majeur est le déplacement du proton OH de l’acide citrique. À l’origine, ce signal apparaît à 5,16 ppm, mais ce signal passe à 6,22 ppm en raison de la formation de liaisons d’hydrogène. Ceci est confirmé par le spectre NOESY (Figure 2b), où la forte interaction entre l’OH de l’acide citrique et les protons restants est visible. Une interaction similaire a été observée pour les autres systèmes NADES.
Dans cette étude, nous avons observé que la description de la méthode de préparation pour les systèmes eutectiques rapportés dans la littérature sont parfois incomplètes, en raison du manque d’information concernant la teneur en eau de la plupart des systèmes. Dans la méthode VE, l’eau est ajoutée en préparant des solutions de différents composants et en mélangeant à une température qui conduit à la formation de systèmes eutectiques; cependant, nous ne pouvons pas être sûrs de la teneur minimale en eau requise. La connaissance du pourcentage d’eau nécessaire pour former les systèmes est donc considérée comme un point crucial qui devrait toujours être signalé, pour que d’autres puissent reproduire la préparation des différents mélanges eutectiques.
La meilleure méthode à utiliser est la méthode HS avec de l’eau ajoutée car il faut moins de temps pour se préparer, pour les cas où la teneur en eau est déjà décrite. Toutefois, si cette information n’est pas disponible, la méthode la plus facile est la méthode VE, où toute l’eau disponible est enlevée et seule l’eau interagissant avec les composants NADES reste dans le système. Dans tous les cas, les chercheurs devraient laisser les systèmes s’évaporer pendant suffisamment de temps pour s’assurer que l’eau libre est retirée du système. Ce calendrier dépend de l’équipement et il ne suffit donc pas de décrire dans la section des matériaux la durée de la méthode VE, mais la teneur en eau doit toujours être déclarée.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce projet a reçu un financement du Conseil européen de la recherche (CER) dans le cadre du programme de recherche et d’innovation Horizon 2020 de l’Union européenne, dans le cadre de l’accord de subvention No ERC-2016-CoG 725034. Ces travaux ont également été soutenus par le Laboratoire associé de chimie verte-LAQV, financé par des fonds nationaux de FCT/MCTES (UID/QUI/QUI/50006/2019) et par FCT/MCTES dans le cadre du projet CryoDES (PTDC/EQU-EQU/29851/2017).
Materials
| 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 |
References
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