Preparación de sistemas eutécticos profundos binarios y ternarios
Summary
Este protocolo tiene como objetivo estandarizar la preparación de sistemas eutécticos profundos en toda la comunidad científica para que estos sistemas puedan ser reproducidos.
Abstract
La preparación de sistemas eutécticos profundos (DES) es a priori un procedimiento simple. Por definición, dos o más componentes se mezclan en una relación molar dada para formar un DES. Sin embargo, a partir de nuestra experiencia en el laboratorio, es necesario estandarizar el procedimiento para preparar, caracterizar e informar las metodologías seguidas por diferentes investigadores, para que los resultados publicados puedan ser reproducidos. En este trabajo, probamos diferentes enfoques reportados en la literatura para preparar sistemas eutécticos y evaluamos la importancia del agua en la preparación exitosa de sistemas líquidos a temperatura ambiente. Estos sistemas eutécticos publicados estaban compuestos de ácido cítrico, glucosa, sacarosa, ácido málico, alanina, ácido L-tartárico y betaína y no todos los métodos de preparación descritos podrían reproducirse. Sin embargo, en algunos casos, fue posible reproducir los sistemas descritos, con la inclusión del agua como tercer componente de la mezcla eutéctica.
Introduction
Los disolventes eutécticos profundos han sido nombrados disolventes para el siglo XXI y se consideran una nueva generación de disolventes. Se definen como una mezcla de dos o más compuestos químicos a una proporción molar particular para dar lugar a una disminución significativa en la temperatura de fusión de los componentes individuales, convirtiéndose en líquido a temperatura ambiente1,2, 3. En este sentido, la preparación de los disolventes no requiere ninguna reacción química y por lo tanto el rendimiento de producción es del 100%. En 2011, Choi y sus compañeros de trabajo informaron de la posibilidad de DES de origen natural y los nombraron, disolventes eutécticos profundos naturales (NADES)3,4,5. NADES se puede preparar a partir de diferentes combinaciones de azúcares, aminoácidos, ácidos orgánicos y derivados de la colina; y estos sistemas preparados a partir de componentes naturales son intrínsecamente biocompatibles y biodegradables, presentando una toxicidad considerablemente menor en comparación con otros disolventes alternativos (por ejemplo, líquidos iónicos)5,6, 7,8. Desde 2015, el número de publicaciones en el campo ha aumentado exponencialmente y las posibles aplicaciones de NADES son muy amplias3. A pesar de que se han publicado muchos manuscritos y reseñas, hay preguntas fundamentales que persisten, y los científicos aún no han encontrado la respuesta a preguntas intrigantes como los mecanismos subyacentes a la formación DES. Comprender el mecanismo de formación de DES conduciría a un enfoque consolidado hacia el desarrollo de nuevos sistemas, en lugar del enfoque actual de ensayo y error. Además, las oportunidades en el campo están creciendo cada día, a medida que los consumidores se vuelven más conscientes de la sostenibilidad de sus productos, no sólo en términos de su vida útil final, sino también en términos de procesamiento en sí8,9, 10. Para impulsar grandes innovaciones en el campo de los disolventes eutécticos profundos, primero se requiere la estandarización de los métodos de producción y caracterización. La falta de reproducibilidad de algunos de los sistemas reportados en la literatura fue la motivación para desarrollar este trabajo a medida que nos enfrentamos a este problema varias veces. En este documento, demostramos la necesidad y la importancia crucial para describir con precisión los materiales y métodos y demostramos que aunque la preparación de DES es un procedimiento simple y directo, hay algunos aspectos clave (por ejemplo, la presencia / cantidad de agua) que siempre debe ser discutido.
Protocol
Representative Results
Discussion
Las diferentes metodologías reportadas en la literatura para la preparación de NADES son un método de calentamiento y agitación (HS), evaporación al vacío (VE) y liofilización (FD). Los sistemas que hemos preparado en esta obra son descritos por diferentes autores en la literatura4,5,6,10,11. La Tabla 1 enumera los componentes de cada mezcla, como se indica en el manuscrito original, así como su método de preparación.
Tras nuestras investigaciones para reproducir los sistemas descritos, nos dimos cuenta de que en algunos casos no era posible lograr un NADES similar, como una muestra líquida clara, viscosa, a temperatura ambiente. La preparación de un NADES se basa en muchos factores. Algunos se pueden controlar fácilmente, pero otros son más difíciles de estandarizar. Lo más importante a tener en cuenta es que el producto final no puede depender de factores externos como el equipo utilizado.
Los sistemas preparados por diferentes métodos se caracterizaron entonces. Con la microscopía óptica polarizada (POM), se observó que con el método HS sin agua, incluso a diferentes temperaturas, el NADES no formaba un líquido claro y viscoso. Sin embargo, se observó un líquido homogéneo y claro y viscoso representado en la Figura 1 al aplicar el método del SA con pequeñas cantidades de agua y el método VE para la preparación del NADES.
DSC se utilizó para determinar los eventos térmicos de la mezcla. Los resultados mostraron que el sistema es líquido a temperatura ambiente y de hasta 130 oC, ya que el termograma no muestra eventos térmicos. El contenido de agua de cada muestra se midió mediante la valoración karl-Fischer, y los resultados se representan en el Cuadro 2. Deberá indicarse el contenido de agua de los sistemas, ya que es el parámetro que más influye en las propiedades del líquido obtenido, como la viscosidad y la polaridad. Estos cambios tienen un gran impacto en el resultado de la aplicación para la que está diseñado el NADES.
La RMN también se utilizó para confirmar la formación de los sistemas NADES mencionados, a través de la formación de enlaces de hidrógeno entre las moléculas de cada sistema. Un ejemplo se da en la Figura 2 para el sistema NADES ácido cítrico:glucosa (2:1) con 17% de agua obtenida por el SA donde el espectro de protones de este NADES y los materiales de partida (ácido cítrico y glucosa) están superpuestos(Figura 2a). A partir de esto, es posible observar cambios en los cambios químicos de algunos protones de cada molécula. El cambio principal es el cambio del protón OH del ácido cítrico. Originalmente, esta señal aparece a 5,16 ppm, pero esta señal se desplaza a 6,22 ppm debido a la formación de enlaces de hidrógeno. Esto es confirmado por el espectro NOESY(Figura 2b),donde la fuerte interacción entre el OH del ácido cítrico y los protones restantes es visible. Se observó una interacción similar para los otros sistemas NADES.
En este estudio observamos que la descripción del método de preparación para los sistemas eutécticos reportados en la literatura a veces son incompletas, debido a la falta de información sobre el contenido de agua de la mayoría de los sistemas. En el método VE, el agua se añade mediante la preparación de soluciones de diferentes componentes y la mezcla a una temperatura que conduce a la formación de sistemas eutécticos; sin embargo, no podemos estar seguros del contenido mínimo de agua requerido. Por lo tanto, se considera el conocimiento del porcentaje de agua necesaria para formar los sistemas, un punto crucial que siempre debe notificarse, para que otros puedan reproducir la preparación de las diferentes mezclas eutécticas.
El mejor método a utilizar es el método HS con agua añadida, ya que se tarda menos tiempo en prepararse, para los casos en los que el contenido de agua ya está descrito. Sin embargo, si esta información no está disponible, el método más fácil es el método VE, donde se elimina toda el agua disponible y sólo el agua que interactúa con los componentes NADES permanece en el sistema. En cualquier caso, los investigadores deben dejar que los sistemas se evaporen durante el tiempo suficiente para garantizar que el agua libre se elimina del sistema. Este tiempo depende del equipo y por lo tanto no es suficiente describir en la sección de materiales la duración del método VE, pero el contenido de agua siempre tiene que ser reportado.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este proyecto ha recibido financiación del Consejo Europeo de Investigación (ERC) en el marco del programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea, en virtud del acuerdo de subvención no ERC-2016-CoG 725034. Este trabajo también fue apoyado por el Laboratorio Asociado de Química Verde-LAQV, que es financiado por fondos nacionales de FCT/MCTES (UID/QUI/50006/2019) y por FCT/MCTES a través del proyecto 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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