Preparation of Binary and Ternary Deep Eutectic Systems

Liane Meneses; Filipa Santos; Ana  Rita Gameiro; Alexandre Paiva; Ana Rita C. Duarte

doi:10.3791/60326

JoVE Journal > Chemistry

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Kimya

Préparation des systèmes eutectiques profonds binaires et ternaires

Published: October 31, 2019

doi:

10.3791/60326

Liane Meneses¹, Filipa Santos¹, Ana Rita Gameiro¹, Alexandre Paiva¹, Ana Rita C. Duarte¹

¹LAQV, REQUIMTE, Departamento de Química da Faculdade de Ciências e Tecnologia,Universidade Nova de Lisboa

Özet

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

REMARQUE : Les NADES étudiés étaient l’acide bétain :L-()-tartaric (2:1), l’acide d’Alanine:DL-malic (3:2), le glucose :sucrose (1:1) et l’acide citrique :glucose (2:1). Ces systèmes ont été préparés par différentes méthodes : le séchage par congélation (FD), l’évaporation sous vide (VE) et la chaleur et l’agitation (HS) avec et sans eau. Par exemple, le protocole pour l’acide citrique du système:glucose (2:1) est donné. Les NADES ont été caractérisés par la calorimétrie différentielle de balayage (DSC), la microscopie optique polarisée (POM), la teneur en eau et la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (NMR). 1. Préparation NADES Congeler le séchage Dans des contenants séparés, ajouter 2 g de monohydrate d’acide citrique et 0,9530 g de glucose monohydrate. Ajouter 10 ml d’eau déionisée à chacun et remuer jusqu’à ce que les composés soient complètement dissous. Mélanger les deux solutions ensemble et assurer l’homogénéisation de la solution finale. Placez la solution dans un flacon de fond rond. Congelez-le à l’aide d’azote liquide. Placer le flacon dans un séchoir à congélation pendant 48 h pour s’assurer que toute l’eau est retirée de l’échantillon. Évaporation sous vide Peser 2 g de monohydrate d’acide citrique et 0,9530 g de glucose monohydrate dans des contenants séparés. Ajouter 10 ml d’eau déionisée à chacun et remuer jusqu’à ce que les composés soient complètement dissous. Mélanger les deux solutions ensemble et assurer l’homogénéisation de la solution. Placez la solution dans un flacon de fond rond. À l’aide d’un évaporateur rotatif, sécher l’échantillon jusqu’à ce qu’un liquide clair et visqueux se forme. Chauffage et agitation Peser 2 g de monohydrate d’acide citrique et 0,9530 g de glucose monohydrate dans le même flacon. Ajouter 278 l’eau. Placer le flacon à l’aide d’une barre magnétique dans un bain d’eau à 50 oC. Laisser l’échantillon jusqu’à formation d’un liquide clair et visqueux. 2. Caractérisation NADES Microscopie optique polarisée (POM) Placez une gouttelette de NADES sur une lame de verre au microscope pour observation. À l’aide du mode de transmission d’un microscope, effectuer la caractérisation optique de l’échantillon à température ambiante. Karl-Fisher titration Recueillir 100 L de NADES dans une seringue, puis nettoyer l’excès de liquide à l’extérieur. Placez la seringue sur une balance et tare il. Appuyez sur START sur l’équipement KF et ajoutez une petite goutte de l’échantillon au navire. Peser la seringue, entrer dans la masse sur l’équipement KF et appuyez sur ENTER. Le résultat apparaîtra à l’écran en ppm d’eau. Calorimétrie différentielle de balayage (DSC) Placer 3-10 mg de chaque échantillon dans une casserole en aluminium hermétique avec un couvercle de revêtement. Fermer la casserole avec un échantillon de presse. Analyser les échantillons à l’aide d’un DSC avec une plage de température de -90 oC jusqu’à la température de dégradation, avec un taux de chauffage de 10 oC/min. Effectuer deux cycles avec une prise isothermique de 2 min et analyser sous une atmosphère d’azote (50 ml/min). Résonance magnétique nucléaire (RMN) Préparer un tube RmN de 5 mm en dissolvant 250 ‘L de NADES avec 250 ‘L de diméthyle sulfoxide-d6 (DMSO-d6). Acquérir les spectres 1H et NOESY à 25 oC sur un spectromètre de 400 MHz. Utilisez un logiciel approprié pour analyser les spectres, et utilisez le changement chimique de DMSO-d6 (2,50 ppm) pour attribuer tous les signaux de chaque composant.

Representative Results

De la préparation de NADES, les résultats que nous nous attendons à obtenir sont affichés sur la figure 1. Une description de chaque système est faite ci-dessous. En utilisant la méthode de lyophilisation, le résultat doit être une pâte solide ou très dense puisque toute l’eau est retirée du système. En utilisant la méthode d’évaporation, le résultat doit être un liquide clair et visqueux. En utilisant la méthode de chauffage et d’agitation avec l’ajout de petites quantités d’eau, le résultat devrait être un liquide clair et très visqueux. Les résultats obtenus à partir de POM peuvent être vus sur la figure 1. Quand un NADES est complètement formé, nous nous attendons à voir une image noire, indiquant que l’échantillon est complètement amorphe et qu’il n’y a plus de cristaux dans le système. Les résultats obtenus à partir de la titration KF sont décrits dans le tableau 2. Outre la quantité d’eau qui est ajoutée aux systèmes, le pourcentage d’eau du mélange final dépend également de la teneur en eau des réactifs. En ce qui concerne le DSC, l’objectif de cette technique est également de confirmer que le système est liquide dans la plage de température qu’il sera appliqué, de sorte que le résultat attendu est d’avoir un thermogramme qui ne montre aucun événement thermique sur la plage de température d’intérêt (tableau 2 ). La technique NMR est utilisée pour confirmer l’existence de la formation de liaisons d’hydrogène, qui est la principale caractéristique des systèmes NADES. Cela peut être confirmé par l’observation de l’évolution des changements chimiques de chaque signal, et par l’analyse des spectres NOESY, qui montre des corrélations spatiales et intermoléculaires (Figure 2). Composant 1 Composant 2 Méthode de préparation référence Betaine (Bet) Acide l-(ALT) Évaporation sous vide (VE) Dai et coll. (2013)5 et Espino et coll. (2016)6 Alanine (A-A) Acide DL-Malique (MA) Évaporation sous vide (VE) Dai et coll. (2013)5 et Espino et coll. (2016)6 Glucose (Gluc) Sucrose (Suc) Lysé-congélateur (FD) Choi et coll. (2011)4 et Espino et coll. (2016)6 Acide citrique (CA) Glucose (Gluc) Lysé-congélateur (FD) Choi et coll. (2011)4 et Espino et coll. (2016)6 Tableau 1 : Systèmes rapportés dans la littérature et leur méthode de préparation. Nades Méthode de préparation Contenu de l’eau (%) Karl Fischer mesure Pari: LTA (2:1 et 20% d’eau) Chauffage et remuement, ajout d’eau 19,94 à 1,28 Pari:LTA (2:1) Évaporation sous vide 11,36 à 0,78 A:MA (3:2 ‘ 11% d’eau) Chauffage et remuement, ajout d’eau 11h45 à 0,25 A:MA (3:2) Évaporation sous vide 18,84 à 1,78 Gluc:Suc (1:1 – 21% d’eau) Chauffage et remuement, ajout d’eau 20,88 à 0,13 Gluc:Suc (1:1) Évaporation sous vide 22,56 à 0,48 CA:Gluc (2:1 – 17% d’eau) Chauffage et remuement, ajout d’eau 17,33 à 0,68 CA:Gluc (2:1) Évaporation sous vide 20,04 à 0,26 Tableau 2 : Teneur en eau (%) des systèmes préparés par différentes méthodes. Figure 1 : Résultats représentatifs du NADES lorsqu’ils sont préparés par a) le séchage par congélation, b) l’évaporation du vide et c) le chauffage et l’agitation avec l’ajout d’eau. L’image montre que lorsque le système est lyophilisé, le résultat obtenu est un cristal puisque toute l’eau est retirée du mélange alors que lorsque les méthodes VE et HS sont utilisées, la quantité d’eau nécessaire à la forme NADES est présente et le résultat obtenu est un hom liquide ogène à température ambiante. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre. Figure 2 : Microscopie optique polarisée de CA:Glu (2:1) préparée par différentes méthodes, avec polariseurs croisés (image gauche) et polariseurs parallèles (image de droite) à 100 m (amplification 10x). Les images noires montrent que l’échantillon est un liquide à température ambiante. L’échantillon de FD est complètement cristallisé puisque le résultat obtenu de cette technique n’était pas un liquide. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre. Figure 3 : a) La pari de 1spectre DeRM H de l’acide citrique du système NADES (A) :glucose:water (2:1:4), (B) glucose, et (C) acide citrique; b) Spectre NOESY de l’acide citrique du système NADES:glucose:water (2:1:4). Les spectres superposés montrent la différence dans les changements chimiques de chaque composant sur la formation des DES, provenant de l’établissement de liaisons d’hydrogène entre eux. Le spectre NOESY montre l’interaction entre le proton OH de l’acide citrique avec les protons restants des deux composants. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

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.

Açıklamalar

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

Referanslar

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Meneses, L., Santos, F., Gameiro, A. R., Paiva, A., Duarte, A. R. C. Preparation of Binary and Ternary Deep Eutectic Systems. J. Vis. Exp. (152), e60326, doi:10.3791/60326 (2019).