הכנת מערכות בינאריות וטרארי עמוקות
Summary
פרוטוקול זה נועד לתקנן את הכנת מערכות תערובת אוטקטית עמוק ברחבי הקהילה המדעית, כך שניתן יהיה לשכפל את המערכות הללו.
Abstract
הכנת מערכות תערובת אוטקטית עמוק (DES) הוא פריורי הליך פשוט. לפי ההגדרה, שני רכיבים או יותר מעורבבים יחד ביחס מסוג טוחנת נתון כדי ליצור DES. עם זאת, מהניסיון שלנו במעבדה, יש צורך לתקנן את ההליך להכין, לאפיין ולדווח על המתודולוגיות שאחריהן חוקרים שונים, כך שהתוצאות שפורסמו ניתן לשכפל. בעבודה זו, נבחן גישות שונות שדווחו בספרות להכנת מערכות תערובת אוטקטית והעריכו את חשיבות המים בהכנה מוצלחת של מערכות הנוזלים בטמפרטורת החדר. מערכות תערובת אוטקטית אלה שפורסמו היו מורכבים מחומצת לימון, גלוקוז, סוכרוז, חומצה מאלאית, β-אלצין, חומצה טרטרית ובטטין ולא כל שיטות ההכנה המתוארות ניתן לשכפל. עם זאת, במקרים מסוימים, ניתן היה לשכפל את המערכות המתוארות, עם הכללת המים כמרכיב שלישי בתערובת האאוטכטית.
Introduction
ממיסים העמוק תערובת אוטקטית נקראו ממיסים עבור המאה ה -21, נחשבים דור חדש של ממיסים. הם מוגדרים כתערובת של שני תרכובות כימיות או יותר ביחס טוחנת מסוימת כדי לגרום לירידה משמעותית בטמפרטורת ההיתוך של הרכיבים הבודדים, להיות נוזלי בטמפרטורת החדר1,2, 3. במובן זה, הכנת ממיסים אינו דורש כל תגובה כימית ומכאן תשואה הייצור הוא 100%. בשנת 2011, צ’וי ו עמיתים לעבודה דיווחו על האפשרות של טבעי להתרחש וקרא להם, טבעי ממיסים תערובת אוטקטית עמוק (nades)3,4,5. NADES יכול להיות מוכן מצירופים שונים של סוכרים, חומצות אמינו, חומצות אורגניות נגזרים כולין; ומערכות אלו המוכנות מרכיבים טבעיים הן ביותואמות ומתכלות באופן משמעותי, המציגות פחות רעילות לעומת ממיסים חלופיים אחרים (למשל, נוזלים יוניים)5,6, 7,8. מאז 2015, מספר הפרסומים בתחום עלה באופן אקספוננציאלי והיישומים האפשריים של NADES הם מאוד רחבים3. למרות כתבי-יד רבים וביקורות שפורסמו, ישנן שאלות עקרוניות שנמשכות, ומדענים עדיין לא מצאו את התשובה לשאלות מעניינות כגון המנגנונים העומדים בבסיס DES. הבנת מנגנון היווצרות ה-DES תוביל לגישה מאוחדת כלפי פיתוח מערכות חדשות, במקום המשפט הנוכחי וגישת השגיאה. יתר על כן, ההזדמנויות בתחום גדלים כל יום, כמו הצרכנים להיות מודעים יותר הקיימות של המוצרים שלהם, לא רק במונחים של החיים הסוף שלהם, אלא גם במונחים של עיבוד עצמו8,9, . בסדר, עשר כדי לנהוג בחידושים העיקריים בתחום של ממיסים תערובת אוטקטית עמוק, התקינה של שיטות הייצור והאפיון נדרש הראשון. חוסר ההתמרה של חלק מהמערכות שדווחו בספרות היה המניע לפתח את העבודה הזאת כאשר התמודדנו עם הנושא הזה מספר פעמים. להלן, אנו מדגימים את הצורך ואת החשיבות הקריטית כדי לתאר במדויק את החומרים והשיטות ולהראות כי למרות הכנת DES הוא הליך פשוט וישיר, יש כמה היבטים מרכזיים (למשל, הנוכחות/כמות של מים) כי חייבים תמיד לדון.
Protocol
Representative Results
Discussion
המתודולוגיות השונות שדווחו בספרות להכנת NADES הן שיטת חימום וערבוב (HS), אידוי ואקום (VE), וייבוש הקפאה (FD). המערכות שהכנו בעבודה זו מתוארות על ידי סופרים שונים בספרות4,5,6,10,11. טבלה 1 מפרטת את הרכיבים של כל תערובת, כפי שדווחו בכתב היד המקורי וכן בשיטת ההכנה שלהם.
עם החקירות שלנו לשכפל את המערכות שתוארו, הבנו כי במקרים מסוימים לא ניתן היה להשיג NADES דומה, כמדגם ברור, צמיגי נוזלי בטמפרטורת החדר. הכנת NADES מסתמכת על גורמים רבים. ניתן לשלוט בקלות, אך לאחרים קשה יותר לתקנן. הדבר החשוב ביותר לשקול הוא שהמוצר הסופי אינו יכול להסתמך על גורמים חיצוניים כגון הציוד המשמש.
המערכות שהוכנו על ידי שיטות שונות האופיינים לאחר מכן. עם מיקרוסקופ אופטי מקוטב (פום), זה נצפה כי עם שיטת HS ללא מים, אפילו בטמפרטורות שונות, NADES לא היוצרים נוזל בהיר וצמיגי. עם זאת, נוזל הומוגנית וברור, שנצפתה כמוצג באיור 1 בעת החלת שיטת ה-HS עם כמויות קטנות של מים ושיטת ה-VE להכנת nades.
DSC שימש כדי לקבוע את האירועים התרמיים של התערובת. התוצאות הראו כי המערכת נוזלית בטמפרטורת החדר ועד 130 ° c, כיוון שהתרמוגרם לא מראה אירועים תרמיים. תכולת המים של כל דוגמא נמדדה על ידי קרל פישר טיטור, והתוצאות מיוצגות בשולחן 2. יש לדווח על תכולת המים של המערכות, שכן היא הפרמטר המשפיע ביותר על תכונות הנוזל המתקבל, כגון צמיגות וקוטביות. לשינויים אלה יש השפעה רבה על תוצאת היישום שעבורו מתוכנן ה-NADES.
NMR שימש גם כדי לאשר את היווצרות מערכות NMR שהוזכרו, באמצעות היווצרות איגרות חוב מימן בין המולקולות של כל מערכת. דוגמה אחת ניתנת באיור 2 עבור חומצת לימון של מערכת nades: גלוקוז (2:1) עם 17% מים שהושגו על ידי HS שבו ספקטרום הפרוטונים של nades זה וחומרי ההתחלה (חומצת לימון וגלוקוז) מצופים (איור 2א). מכאן, ניתן להבחין בשינויים במשמרות הכימיות של פרוטונים כלשהו מכל מולקולה. השינוי העיקרי הוא הסטת הפרוטון מחומצת לימון. במקור, האות הזה מופיע ב 5.16 ppm, אבל האות הזה משתנה ל 6.22 ppm בגלל היווצרות של איגרות חוב מימן. הדבר מאומת על-ידי הספקטרום של הנויזי (איור 2ב’), שבו ניתן לראות את האינטראקציה החזקה בין חומצת הלימון לבין הפרוטונים הנותרים. אינטראקציה דומה נצפתה עבור מערכות NADES האחרות.
במחקר זה הבחנו כי תיאור שיטת ההכנה עבור מערכות תערובת אוטקטית שדווחו בספרות לעיתים אינן מושלמות, עקב חוסר מידע בנוגע לתוכן המים של רוב המערכות. בשיטה VE, המים מתווספים על ידי הכנת פתרונות של רכיבים שונים ערבוב בטמפרטורה המובילה היווצרות של מערכות תערובת אוטקטית; עם זאת, איננו יכולים להיות בטוחים בתכולת המים הנדרשת המינימלית. הידע של אחוז המים הדרוש כדי ליצור את המערכות נחשב מכאן, נקודה קריטית שצריך תמיד לדווח, כדי שאחרים יוכלו לשכפל את הכנת תערובות תערובת אוטקטית שונים.
השיטה הטובה ביותר לשימוש היא שיטת HS עם מים נוספים כפי שנדרש פחות זמן כדי להתכונן, עבור מקרים שבהם תוכן המים כבר מתואר. עם זאת, אם מידע זה אינו זמין, השיטה הקלה ביותר היא שיטת ה-VE, שבה כל המים הזמינים מוסרים ורק האינטראקציה של המים עם רכיבי NADES נותרת במערכת. בכל מקרה, על החוקרים לאפשר למערכות להתאדות במשך זמן מספיק כדי להבטיח שמים בחינם יוסרו מהמערכת. עיתוי זה תלוי בציוד ולכן לא מספיק לתאר בסעיף החומרים את משך שיטת ה-VE, אך יש לדווח תמיד על תוכן המים.
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
פרויקט זה קיבל מימון ממועצת המחקר האירופית (ERC) תחת אופק 2020 האיחוד האירופי תוכנית מחקר וחדשנות, תחת הסכם מענק לא ERC-2016-הקוג 725034. עבודה זו נתמכת גם על ידי המעבדה עמית לכימיה ירוקה-LAQV אשר ממומן על ידי כספים לאומיים מ FCT/MCTES (UID/50006/2019) ועל ידי FCT/MCTES באמצעות הפרויקט קריודס (לפטין/צינו-צינו/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 |
Referenzen
- Paiva, A., et al. Natural deep eutectic solvents – solvents for the 21st century. ACS Sustainable Chemistry & Engineering. 2, 1063-1071 (2014).
- Abbott, A. P., Capper, G., Davies, D. L., Rasheed, R. K., Tambyrajah, V. Novel solvent properties of choline chloride/urea mixtures. Chemical Communications. , 70-71 (2003).
- Liu, Y., et al. Natural deep eutectic solvents: properties, applications, and perspectives. Journal of Natural Products. 81, 679-690 (2018).
- Choi, Y. H., et al. Are natural deep eutectic solvents the missing link in understanding cellular metabolism and physiology. Plant Physiology. 156, 1701-1705 (2011).
- Dai, Y., Spromsen, J. V., Witkamp, G. -. J., Verpoorte, R., Choi, Y. H. Natural deep eutectic solvents as new potential media for green technology. Analytica Chimica Acta. 766, 61-68 (2013).
- Espino, M., Fernández, M. A., Gomez, F. J. V., Silva, M. F. Natural designer solvents for greening analytical chemistry. Trends in Analytical Chemistry. 76, 126-136 (2016).
- Hayyan, M., et al. Natural deep eutectic solvents: cytotoxic profile. Springer Plus. 5, 913 (2016).
- Dai, Y., Witkamp, G. -. J., Verpoorte, R., Choi, Y. H. Tailoring properties of natural deep eutectic solvents with water to facilitate their applications. Food Chemistry. 187, 14-19 (2015).
- Choi, Y. H., Verpoorte, R. Green solvents for the extraction of bioactive compounds from natural products using ionic liquids and deep eutectic solvents. Current Opinion in Food Science. 26, 87-93 (2019).
- Guitérrez, M. C., Ferrer, M. L., Mateo, C. R., Del Monte, F. Freeze-drying of aqueous solutions of deep eutectic solvents: a suitable approach to deep eutectic suspensions of self-assembled structures. Langmuir. 25, 5509-5515 (2009).
- Gomez, F. J. V., Espino, M., Fernández, M. A., Silva, M. F. A greener approach to prepare natural deep eutectic solvents. Chemistry Select. 3, 6122-6125 (2018).
