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

Kimya

Preparação de sistemas eutectic profundos binários e ternary

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

Este protocolo visa padronizar a preparação de sistemas eutecóticos profundos em toda a comunidade científica para que esses sistemas possam ser reproduzidos.

Abstract

A preparação de sistemas eutectic profundos (DES) é a priori um procedimento simples. Por definição, dois ou mais componentes são misturados em uma determinada proporção molar para formar um DES. No entanto, a partir de nossa experiência em laboratório, há a necessidade de padronizar o procedimento para preparar, caracterizar e relatar as metodologias seguidas por diferentes pesquisadores, para que os resultados publicados possam ser reproduzidos. Neste trabalho, testamos diferentes abordagens relatadas na literatura para preparar sistemas eutecóticos e avaliamos a importância da água na preparação bem-sucedida de sistemas líquidos à temperatura ambiente. Estes sistemas eutectic publicados foram compostos do ácido cítrico, da glicose, da sacarose, do ácido malic, do β-alanine, do ácido L-tartaric e do betaine e não todos dos métodos de preparação descritos poderiam ser reproduzidos. No entanto, em alguns casos, foi possível reproduzir os sistemas descritos, com a inclusão da água como um terceiro componente da mistura eutectica.

Introduction

Solventes eutectic profundos foram nomeados os solventes para o século XXI e são considerados uma geração nova de solventes. Eles são definidos como uma mistura de dois ou mais compostos químicos em uma determinada relação molar para resultar em uma diminuição significativa na temperatura de fusão dos componentes individuais, tornando-se líquido à temperatura ambiente^1,²^, ^3.Neste sentido, a preparação dos solventes não requer qualquer reação química e, portanto, o rendimento da produção é de 100%. Em 2011, Choi e colegas de trabalho relataram a possibilidade de ocorrer naturalmente DES e nomeou-os, solventes eutectic profundos naturais (NADES)^3,^4,⁵. Nades pode ser preparado a partir de diferentes combinações de açúcares, aminoácidos, ácidos orgânicos e derivados colina; e estes sistemas preparados a partir de componentes naturais são inerentemente biocompatíveis e biodegradáveis, apresentando consideravelmente menos toxicidade em comparação com outros solventes alternativos (por exemplo, líquidos iônicos)^5,⁶^, ^7,^8. Desde 2015, o número de publicações no campo aumentou exponencialmente eas possíveis aplicações do NADES são 3 muito amplas. Embora muitos manuscritos e revisões tenham sido publicados, há questões fundamentais que persistem, e os cientistas ainda não encontraram a resposta para perguntas intrigantes, como os mecanismos subjacentes à formação do DES. Compreender o mecanismo de formação do DES conduziria a uma abordagem consolidada para o desenvolvimento de novos sistemas, em vez da actual abordagem de tentativa e erro. Além disso, as oportunidades no campo estão crescendo a cada dia, à medida que os consumidores se tornam mais conscientes da sustentabilidade de seus produtos, não só em termos de fim de vida, mas também em termos de processamento em^{si 8}^,⁹^, ^10. Para impulsionar grandes inovações no campo dos solventes eutectic profundos, a padronização dos métodos de produção e caracterização é necessária em primeiro lugar. A falta de reprodutibilidade de alguns dos sistemas relatados na literatura foi a motivação para desenvolver esse trabalho, pois enfrentamos esse problema várias vezes. Neste contexto, demonstramos a necessidade e a importância crucial para descrever com precisão os materiais e métodos e mostrar que, embora a preparação do DES seja um procedimento simples e direto, existem alguns aspectos-chave (por exemplo, a presença/quantidade de água) que deve ser sempre discutido.

Protocol

NOTA: O NADES estudado foi betaína: L-(+)-ácido tartárico (2:1), β-alanina:DL-ácido mal-mallic (3:2), glicose:sacarose (1:1) e ácido cítrico: glicose (2:1). Estes sistemas foram preparados por diferentes métodos: liofilagem (FD), evaporação do vácuo (VE), e calor e agitação (HS) com e sem água. Como exemplo, o protocolo para o sistema ácido cítrico:glicose (2:1) é dado. O NADES foi caracterizado pela calorimetria diferencial da exploração (DSC), pela microscopia ótica polarizada (POM), pelo índice de água e pela espectroscopia da ressonância magnética nuclear (NMR). 1. Preparação NADES Congele a secagem Em recipientes separados, adicione 2 g de ácido cítrico monohidrato e 0,9530 g de monohidrato de glicose. Adicione 10 mL de água desionizada para cada um e mexa até que os compostos estejam completamente dissolvidos. Misture as duas soluções e garanta a homogeneização da solução final. Coloque a solução em um frasco de fundo redondo. Congelá-lo usando nitrogênio líquido. Coloque o frasco em um secador de congelamento por 48 h para garantir que toda a água seja removida da amostra. Evaporação do vácuo Pese 2 g de ácido cítrico monohidrato e 0,9530 g de glicose monohidrato em recipientes separados. Adicione 10 mL de água desionizada para cada um e mexa até que os compostos estejam completamente dissolvidos. Misture as duas soluções e garanta a homogeneização da solução. Coloque a solução em um frasco de fundo redondo. Usando um evaporador rotativo, seque a amostra até que um líquido claro e viscoso seja formado. Aquecimento e agitação Pese 2 g de ácido cítrico monohidrato e 0,9530 g de glicose monohidrato no mesmo frasco. Adicione 278 μL de água. Coloque o frasco com uma barra de agitação magnética em um banho de água de 50 °C. Deixe a amostra até que um líquido claro e viscoso seja formado. 2. Caracterização NADES Microscopia óptica polarizada (POM) Coloque uma gota de NADES em um slide de vidro do microscópio para observação. Usando o modo de transmissão de um microscópio, execute a caracterização óptica da amostra à temperatura ambiente. Titration de Karl-Fisher Colete 100 μL de NADES em uma seringa e, em seguida, limpe o excesso de líquido do lado de fora. Coloque a seringa em uma escala e tara-lo. Comece a pressionar o equipamento KF e adicione uma pequena gota da amostra ao navio. Pese a seringa, digite a massa no equipamento KF e pressione ENTER. O resultado aparecerá na tela em ppm de água. Calorimetria diferencial de digitalização (DSC) Coloque 3-10 mg de cada amostra em uma panela de alumínio hermético com uma tampa de cobertura. Feche a panela com uma amostra de imprensa. Analise as amostras usando um DSC com uma faixa de temperatura de -90 °C até a temperatura de degradação, com uma taxa de aquecimento de 10 °C/min. Realize dois ciclos com um porão isotérmico de 2 min e analise uma atmosfera de nitrogênio (50 mL/min). Ressonância magnética nuclear (RMN) Prepare um tubo NMR de 5 mm dissolvendo 250 μL de NADES com 250 μL de dimetil sulfoxide-d6 (DMSO-d6). Adquirir os espectros 1H e NOESY a 25 °C em um espectrômetro de 400 MHz. Use um software apropriado para analisar os espectros e use a mudança química do DMSO-d6 (δ 2.50 ppm) para atribuir todos os sinais de cada componente.

Representative Results

A partir da preparação do NADES, os resultados que esperamos obter são mostrados na Figura 1. Uma descrição de cada sistema é feita abaixo. Usando o método de congelamento de secagem, o resultado deve ser uma pasta sólida ou muito densa, uma vez que toda a água é removida do sistema. Usando o método de evaporação, o resultado deve ser um líquido claro e viscoso. Usando o método de aquecimento e agitação com a adição de pequenas quantidades de água, o resultado deve ser um líquido claro e muito viscoso. Os resultados obtidos da POM podem ser vistos na Figura 1. Quando um NADES é completamente formado, esperamos ver uma imagem preta, indicando que a amostra é completamente amorfa e que não há cristais restantes no sistema. Os resultados obtidos a partir da titration KF são descritos na Tabela 2. Além da quantidade de água que é adicionada aos sistemas, o percentual de água da mistura final também depende do teor de água dos reagentes. Em relação ao DSC, o objetivo desta técnica também é confirmar que o sistema é líquido na faixa de temperatura que será aplicado, de modo que o resultado esperado é ter um termograma que não mostra eventos térmicos na faixa de temperatura de interesse (Tabela 2 ). A técnica nmr é usada para confirmar a existência de formação de ligação de hidrogênio, que é a principal característica dos sistemas NADES. Isso pode ser confirmado pela observação da mudança nas mudanças químicas de cada sinal e pela análise dos espectros DOESY, que mostra correlações espaciais e intermoleculares (Figura 2). Componente 1 Componente 2 Método de preparação Referência Betaína (Aposta) L-(+)-Ácido tartárico (LTA) Evaporação do vácuo (VE) Dai et al. (2013)5 e Espino et al. (2016)6 β-Alanina (β-A) DL-Ácido Malic (MA) Evaporação do vácuo (VE) Dai et al. (2013)5 e Espino et al. (2016)6 Glicose (Gluc) Sacarose (Suc) Liofilizado (FD) Choi et al. (2011)4 e Espino et al. (2016)6 Ácido cítrico (CA) Glicose (Gluc) Liofilizado (FD) Choi et al. (2011)4 e Espino et al. (2016)6 Tabela 1: Sistemas relatados na literatura e seu método de preparação. Nades Método de preparação Teor de água (%) Medida de Karl Fischer Bet:LTA (2:1 + 20% água) Aquecimento e agitação, adicionando água 19,94 ± 1,28 Aposta:LTA (2:1) Vácuo evaporando 11,36 ± 0,78 β-A:MA (3:2 + 11% de água) Aquecimento e agitação, adicionando água 11,45 ± 0,25 β-A:MA (3:2) Vácuo evaporando 18,84 ± 1,78 Gluc:Suc (1:1 + 21% de água) Aquecimento e agitação, adicionando água 20,88 ± 0,13 Gluc:Suc (1:1) Vácuo evaporando 22,56 ± 0,48 CA:Gluc (2:1 + 17% de água) Aquecimento e agitação, adicionando água 17,33 ± 0,68 CA:Gluc (02:1) Vácuo evaporando 20,04 ± 0,26 Tabela 2: Teor de água (%) dos sistemas preparados por diferentes métodos. Figura 1: Resultados representativos do NADES quando preparados por a) evaporação do vácuo do gelo-secando, b) e c) que aquecem e que agitam com adição da água. A imagem mostra que quando o sistema está liofilizado, o resultado obtido é um cristal, uma vez que toda a água é removida da mistura, enquanto que quando os métodos VE e HS são usados, a quantidade de água necessária para o NADES se formar está presente e o resultado obtido é um hom líquido ogenoso à temperatura ambiente. Clique aqui para ver uma versão maior deste número. Figura 2: Microscopia óptica polarizada de CA:Glu (2:1) preparada por diferentes métodos, com polarizadores cruzados (imagem esquerda) e polarizadores paralelos (imagem à direita) – 100 μm (amplificação de 10x). As imagens pretas mostram que a amostra é um líquido à temperatura ambiente. A amostra de FD é cristalizada completamente, uma vez que o resultado obtido a partir desta técnica não foi líquido. Clique aqui para ver uma versão maior deste número. Figura 3: a) Sobreposição de espectros 1H NMR do (A) ácido cítrico do sistema NADES: glicose: água (2:1:4), glicose (B) e (C) ácido cítrico; b) Espectro NOESY do sistema NADES ácido cítrico: glicose:água (2:1:4). Os espectros sobrepostos mostram a diferença nas mudanças químicas de cada componente após a formação de DES, originada pelo estabelecimento de ligações de hidrogênio entre eles. O espectro NOESY mostra a interação entre o próton OH de ácido cítrico com os prótons restantes de ambos os componentes. Clique aqui para ver uma versão maior deste número.

Discussion

As diferentes metodologias relatadas na literatura para a preparação do NADES são um método de aquecimento e agitação (HS), evaporação do vácuo (VE) e liofilagem (FD). Os sistemas que preparamos neste trabalho são descritos por diferentes autores na literatura^4,^5,^6,^10,^11. A tabela 1 lista os componentes de cada mistura, conforme relatado no manuscrito original, bem como seu método de preparação.

Após nossas investigações para reproduzir os sistemas descritos, percebemos que, em alguns casos, não era possível alcançar um NADES semelhante, como uma amostra clara, viscosa e líquida à temperatura ambiente. A preparação de um NADES depende de muitos fatores. Alguns podem ser facilmente controlados, mas outros são mais difíceis de padronizar. A coisa mais importante a considerar é que o produto final não pode confiar em fatores externos, como o equipamento utilizado.

Os sistemas preparados por diferentes métodos foram então caracterizados. Com microscopia óptica polarizada (POM), observou-se que com o método HS sem água, mesmo em diferentes temperaturas, o NADES não formou um líquido claro e viscoso. No entanto, observou-se um líquido homogêneo e claro e viscoso como representado na Figura 1 ao aplicar o método HS com pequenas quantidades de água e o método VE para a preparação do NADES.

DSC foi usado para determinar os eventos térmicos da mistura. Os resultados mostraram que o sistema é líquido à temperatura ambiente e até 130 °C, uma vez que o termograma não mostra eventos térmicos. O teor de água de cada amostra foi medido pela titration Karl-Fischer, e os resultados são representados na Tabela 2. O teor de água dos sistemas deve ser relatado, pois é o parâmetro que mais influencia as propriedades do líquido obtido, como viscosidade e polaridade. Essas mudanças têm grande impacto no resultado do aplicativo para o qual o NADES é projetado.

NMR também foi usado para confirmar a formação dos sistemas NADES mencionados, através da formação de ligações de hidrogênio entre as moléculas de cada sistema. Um exemplo é dado na Figura 2 para o ácido cítrico do sistema NADES: glicose (2:1) com 17% de água obtida por HS, onde o espectro de prótons deste NADES e os materiais de partida (ácido cítrico e glicose) são sobrepostos(Figura 2a). A partir disso, é possível observar mudanças nas mudanças químicas de alguns prótons de cada molécula. A grande mudança é a mudança do próton OH de ácido cítrico. Originalmente, este sinal aparece em 5,16 ppm, mas este sinal muda para 6,22 ppm por causa da formação de ligações de hidrogênio. Isto é confirmado pelo espectro NOESY (Figura 2b),onde a forte interação entre o OH de ácido cítrico e os prótons restantes é visível. Uma interação semelhante foi observada para os outros sistemas NADES.

Neste estudo, observamos que a descrição do método de preparação para sistemas eutecóticos relatados na literatura às vezes está incompleta, devido à falta de informações sobre o teor de água da maioria dos sistemas. No método VE, a água é adicionada apartir da preparação de soluções de diferentes componentes e mistura a uma temperatura que leva à formação de sistemas eutectic; no entanto, não podemos ter certeza do conteúdo mínimo de água exigido. O conhecimento da porcentagem de água necessária para formar os sistemas é considerado, portanto, um ponto crucial que deve ser sempre relatado, para que outros sejam capazes de reproduzir a preparação das diferentes misturas eutecticas.

O melhor método a usar é o método de HS com água adicionada porque toma menos tempo preparar-se, para os casos onde o índice de água é descrito já. No entanto, se essas informações não estiverem disponíveis, o método mais fácil é o método VE, onde toda a água disponível é removida e apenas a água interagindo com os componentes do NADES permanece no sistema. Em qualquer caso, os pesquisadores devem deixar os sistemas evaporar por tempo suficiente para garantir que a água livre é removido do sistema. Este momento depende do equipamento e, portanto, não é suficiente para descrever na seção de materiais a duração do método VE, mas o conteúdo de água sempre foi relatado.

Açıklamalar

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Este projeto recebeu financiamento do Conselho Europeu de Investigação (ERC) ao abrigo do programa de investigação e inovação Horizonte 2020 da União Europeia, ao abrigo do acordo de subvenção No ERC-2016-CoG 725034. Este trabalho também contou com o apoio do Laboratório Associado de Química Verde-LAQV, que é financiado por fundos nacionais da FCT/MCTES (UID/QUI/50006/2019) e pela FCT/MCTES através do projeto CryoDES (PTDC/-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).