Summary

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在本工作中,我们通过将喹啉与过量的 1-溴十六烷混合,阐明了基于喹啉的离子液体 (IL) 的绿色合成,即 1-十六烷基喹啉-1-溴化铵 {[C16quin]Br},以及使用核磁共振和红外光谱测量的详细表征。

Abstract

抗菌素耐药性 (AMR) 的威胁日益严重,危及主流抗生素对细菌、病毒、寄生虫和真菌产生的无情发芽感染的效力,对人类健康和福祉构成巨大威胁。在这方面,几种新型分子已经证明了它们的勇气,离子液体 (ILs) 是现有抗菌剂最环保、不挥发且热稳定的替代品之一,具有高溶解潜力和低蒸气压。此外,这些实体在稳定和不稳定蛋白质结构以及增强酶活性方面的利用进一步提高了它们在生物医学行业中的潜力。有鉴于此,我们提出了基于喹啉的 IL 的绿色合成和表征,由于其巨大的抗菌效力、低细胞毒性和强大的人工伴侣活性。在这里,在无溶剂、更环保的反应条件下采用一锅法合成方法,不仅可以提高反应效率,还可以提高化学产量。使用 1H 核磁共振 (NMR)、13C NMR 和红外 (IR) 光谱证实合成 IL 的纯度。通过分析其吸收、分布、代谢、排泄和毒性 (ADMET) 特性,进一步验证合成化合物的生物学潜力,并使用纸片扩散测定法进行验证。

Introduction

世界人口的巨大增长导致过去几年大量商品的消费量大幅增加,包括食品、药物以及维持凡人生物体的其他重要产品。这激发了全球对具有异常专业、生态无害和有益特性的新型化合物的追求。离子液体 (IL) 已被证明在这方面是有益的。这些化合物在科学领域的意义推动了当代化学技术研究的新冒险1。与传统方法相比,IL 的利用不仅促进了渐进式反应条件,而且还促进了一种定制的策略,以应对与实验研究和开发相关的各种生化挑战2

通常,IL 是构成阳离子(有机)和阴离子(无机)的稳定盐,熔点低于 100 °C3。根据绿色化学的 12 项原则,从经验上讲,这些是令人信服的常用有机溶剂替代品4。与使用这些化合物相关的惊人特性包括出色的本征电导率、极性、溶解倾向、热稳定性、非挥发性、酸性/碱性、亲水性/疏水性和可调性,使 IL 最适合实验研究5

除了各类 IL 在现代有机合成6、催化7 以及涉及传感器8、致动器9、电池10 和燃料电池11 的各种电化学过程中的广泛应用外,在过去几年中,这类化合物在 AMR 的背景下在生物医学领域得到了重要认可。目前的研究表明,基于咪唑鎓、吡啶、胆碱和吡咯的 IL 由于其高电荷和疏水性,作为治疗剂非常有效12。然而,基于喹啉的对应物仍然被认为对病原微生物最有效12。伴随这类 IL 的其他生物医学应用包括人工伴侣活性13、对癌细胞的细胞毒性14 以及出色的载药能力15

传统上,IL 的制造涉及使用剧毒溶剂介质,如二氯甲烷、苯、四氯化碳、二氯乙烯等16,阻碍了化合物的生物相容性并提高了化合物的毒性,使其不适合生物用途。此外,在反应介质中使用有害溶剂不仅会减慢反应时间,还会增加释放到环境中的废物副产物的无意产生17。此外,反应介质中使用的溶剂也会影响最终产物的 pH 值;因此,在反应结束时将其去除至关重要,尤其是当所需化合物打算用于蛋白质相关生物系统时。因此,在绿色化学领域,避免使用此类溶剂是有利的。

在这项研究中,我们报道了使用更环保的路线单锅法合成生物相容性且无毒的13 IL,即 1-十六烷基喹啉-1-溴化铵。目前的策略省略了分子溶剂的使用,利用了反应混合物中形成的 IL 的自溶解能力,提高了反应效率和化学产率。Menschutkin 反应18构成了当前合成方法的基础。使用 NMR 和 IR 光谱探测合成化合物的纯度。通过 ADMET 研究研究了化合物的药代动力学特征和毒性。此外,该研究还证明了合成的 IL 对致病性 白色念珠菌 菌株的抗菌潜力。

Protocol

注:1-十六烷基喹啉-1-溴化铵{[C16quin]Br}的合成如前所述,由 Sharma 等人 13 所述。 1. 玻璃器具的制备和灭菌 注:这应在设置合成所需化合物的反应前至少 1 天完成。 彻底清洗 24/29 mL、250 mL 双口圆底烧瓶 (RB) 以及其他玻璃仪器(如量筒等),然后用蒸馏水冲洗,然后用丙酮冲洗。 将清洗后的仪器放入 60 °C 的热风箱中干燥,直至仪器完全干燥以备进一步使用。注:通常,应将清洗后的仪器放入干燥箱中过夜,以完全去除水膜并确保反应系统无杂质。 2. 设置设备 注意:应正确夹紧装置,以确保反应物均匀加热。反应设置的示意图如图 1 所示。 将油浴放在带有磁力搅拌器的热板上。反应开始前,将油浴预热至 80 °C。 使用管式蒸馏器支架将 RB 置于油浴中,使其半浸入放置在带磁力搅拌器的热板上的油浴中。 用构成吹扫针的软木塞密封 RB 的上口,进一步连接到附有 N2 球囊的注射器。 使用另一个橡胶软木塞将 RB 的另一个颈部密封,以避免 N2 从反应介质中泄漏。 在将反应物添加到 RB 中之前,在惰性气氛中通过 N2 吹扫保持整个介质预热至 80 °C。 反复重新填充 N2 球囊,以确保反应系统的惰性并始终保持温度(因此,首选油浴加热)。 3. 将反应物添加到反应体系中 将 0.1 M 喹啉和 0.105 M 1-溴十六烷倒入反应体系中,不得干扰预设的反应环境。 在惰性和恒温下以 2500-3000 rpm 的速度连续搅拌内容物 3 天。 4. 化合物的纯化/再结晶 注:整个产品不应再结晶。相反,应选择批量再结晶以避免产品损失。 将获得的固体溶解在 1:2 甲苯/乙酸乙酯混合物中。在深冰箱中将混合物冷却至 -15 °C(温度设置为 -15 °C),并使用 Buchner 漏斗在真空下过滤,该漏斗通过管道连接到真空泵和过滤瓶。将孔径为 0.45 μm 的聚丙烯滤膜放入 Buchner 漏斗中,覆盖过滤器的整个底部。将少量溶剂混合物倒入过滤器中,以形成适当的密封,防止任何形式的空气通过设置泄漏。 将溶剂逐渐倒入漏斗中,然后在真空烘箱中于 70 °C 干燥,用冷甲苯洗涤过滤后的产品。重复此过程 2 次以确保所需化合物的高纯度。 5. 使用 NMR 波谱验证化合物 在将化合物进行 1H NMR 和 13C NMR 之前,通过测量 1-10 mg 化合物并将其溶解在约 1 mLCDCl 3 中,将其溶解在氘代氯仿 (CDCl3) 中。 使用 1 mL 注射器将此混合物注入 NMR 管中,以便在 NMR 波谱仪下分析样品。 1H NMR 和 13C NMR 的样品制备相同。 6. 合成 IL 的 IR 表征 无需样品制备即可获得化合物的红外光谱。 将几毫克固体样品置于红外光谱仪中,以深入了解合成化合物中存在的不同官能团。读数如前所述19. 7. ADMET 特性的预测 将所需 IL 的规范 SMILES 输入免费的在线软件 ADMETLAB 2.0 并执行程序以获得各种参数,证明其生物学潜力。 8. 圆盘扩散测定证明合成 IL 的生物医学应用 在 37 °C 的 BOD 摇床培养箱中,将 白色念珠 菌 (ATCC 90028) 的真菌菌株在酵母蛋白胨葡萄糖 (YPD) 肉汤中预培养近 16 小时。 通过在 1 L 双蒸水中混合 1% 酵母提取物、2% 蛋白胨、2% 葡萄糖和 1.5% 琼脂来制备 YPD 琼脂培养基。在 121 °C 下高压灭菌 15 分钟后,将 25 mL 新鲜形成的 YPD 琼脂培养基倒入 90 mm 培养皿中。 保持板不受干扰,以便培养基适当凝固。 板完全凝固后,使用玻璃涂抹器将约 100 μL 新鲜制备的真菌接种物均匀地撒在含有培养基的板上。将板在层流罩中不受干扰 5-7 分钟。 使用镊子将直径为 5-6 毫米的无菌圆纸盘放在同一板的中间。 在 20-200 μL 移液器的帮助下,在圆盘上逐渐加入 50 μL 0.1 mM 合成 IL 的水溶液。 将板冷藏约 30 分钟,以确保 IL 正确扩散到琼脂中。将板放入预设在 37 °C 的 BOD 培养箱中 24 小时。 使用测量刻度测量抑制区(包括椎间盘直径),并根据公式 1 计算该区域下的面积。面积 = πr2 (1)

Representative Results

图 2 表示参与合成过程的 Menschutkin 反应的反应方案。这样合成的 1-十六烷基喹啉-1-溴化铵使用 NMR 和 IR 光谱进行表征。如此收购的油性产品预计将在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) 时表现出 1H NMR(400 MHz,CDCl3),如?…

Discussion

最近,IL 在生化科学领域揭示了各种有前途的实施,包括蛋白质重折叠/伴侣活性、药物递送载体和/或几种有机反应中的催化剂。它们有趣的物理化学性质,如可调性、生物相容性、溶解性、可持续性、稳定性等,使它们成为开发新型治疗剂的潜在候选者20。拟议的研究将 AMR 视为一个严重关注的问题,也是当今全球健康、食品安全和发展的最大威胁之一…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

作者衷心感谢印度政府 ICMR(德里 110029 [编号/ICMR/52/06/2022-BIO/BMS])提供的赠款的财政支持。作者也要感谢德里大学科学与仪器设施(USIC)提供的分析帮助。Kajal Sharma 感谢科学技术部通过 INSPIRE 计划 (IF200397) 获得的财政支持。

Materials

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)

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Cite This Article
Sharma, K., Sharma, M. Green Synthesis of Quinoline-Based Ionic Liquid. J. Vis. Exp. (211), e67345, doi:10.3791/67345 (2024).

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