Drukkend warm Water extractie (PHWE) om te verkennen van natuurproducten chemie in het Undergraduate laboratorium in dienst
Summary
Hier, hanteren wij een drukkend warm water (PHWE) extractiemethode, die gebruik maakt van een ongewijzigde huishoudelijke espressomachine om studenten kennismaken met natuurproducten chemie in het laboratorium. Twee experimenten worden gepresenteerd: PHWE van eugenol en acetyleugenol van kruidnagel en PHWE van seselin en (+)-epoxysuberosin van de Australische plant Correa reflexa.
Abstract
Een onlangs ontwikkelde drukkend warm water (PHWE) extractiemethode die gebruik maakt van een ongewijzigde huishoudelijke espressomachine om natuurproducten onderzoek gebleken ook toepassingen als een effectieve pedagogisch instrument. Deze techniek is in het bijzonder gebruikt om tweede – en derdejaars studenten kennismaken met aspecten van de chemie van natuurproducten in het laboratorium. In dit verslag twee experimenten worden gepresenteerd: de PHWE van eugenol en acetyleugenol van kruidnagel en de PHWE van seselin en (+)-epoxysuberosin van de endemische Australische plantensoorten Correa reflexa. Deze experimenten door PHWE, het ruwe teentje extract, verrijkt met eugenol en acetyleugenol, op 4-9% w/w van kruidnagel is verkregen door tweedejaars studenten, seselin en (+)-epoxysuberosin werden geïsoleerd in opbrengsten van maximaal 1,1% w/w en 0,9% w/w van C. reflexa door derdejaars studenten. De voormalige oefening werd ontwikkeld als een vervanging voor het traditionele stoom distillatie experiment dat het verstrekken van een inleiding tot de extractie en afscheiding technieken, terwijl de laatstgenoemde activiteit geleid-onderzoek onderwijsmethoden featured in een poging om te simuleren natuurproducten bioprospecting. Dit is primair afgeleid van de snelle aard van deze techniek PHWE ten opzichte van traditionele extractiemethoden die vaak onverenigbaar met de tijdsdruk undergraduate laboratoriumexperimenten is gekoppeld zijn. Deze snelle en praktische PHWE-methode kan worden gebruikt om efficiënt isoleren van verschillende klassen van organische moleculen uit een aantal plantensoorten. Het complementaire karakter van deze techniek ten opzichte van meer traditionele methoden is ook eerder aangetoond.
Introduction
De isolatie en identificatie van natuurlijke producten zijn van fundamenteel belang voor de wetenschappelijke gemeenschap en de samenleving meer in het algemeen. 1 Bioprospecting, het zoeken naar waardevolle organische moleculen in de natuur, blijft een onmisbaar proces in de ontdekking van nieuwe drug leads en potentiële therapeutische agenten. Geschat wordt dat vanaf 1981-2014 ~ 75% van alle goedgekeurde klein molecuul farmaceutische drugs werden natuurproducten, natuurlijke product afkomstige of natuurlijke product-geïnspireerd. 1 voorts natuurproducten beschikken over enorme structurele en chemische diversiteit. Om deze reden vertegenwoordigen zij ook waardevolle chemische steigers die direct kunnen worden gebruikt in de organische synthese of in de ontwikkeling van chirale ligand en katalysatoren. 2 , 3
Relatief tijdrovende procedures zoals maceratie Soxhlet extractie en stoomdestillatie hebben van oudsher de steunpilaar van onderzoek gericht op het isolement van secundaire metabolieten van planten. 4 modernere technieken van de extractie, met inbegrip van versnelde solvent extractie, hebben gericht op de vermindering van de winning keer en tot oprichting van groenere protocollen. 4 , 5 in 2015, een originele drukkend warm water-extractiemethode (PHWE) werd gemeld. 6 deze techniek gebruikt een ongewijzigde huishoudelijke espressomachine ter vergemakkelijking van de snelle en vooral efficiënte winning van shikiminezuur zuur van steranijs. Espressomachines zijn specifiek ontworpen en gebouwd om uittreksel van organische moleculen uit adequaat grond koffiebonen. Om dit, deze instrumenten warmte water bij temperaturen tot 96 ° C en druk van meestal 9 bar. 7 met dit in gedachten, het is misschien niet verrassend dat espressomachines kunnen worden gebruikt om natuurproducten efficiënt te extraheren uit een scala van plantaardig materiaal.
Latere studies waarbij allerlei soorten terrestrische planten hebben aangetoond dat de capaciteit van deze techniek PHWE efficiënt uitpakken van natuurlijke producten in een relatief brede polariteit scala. 6 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15 voorts verbindingen met enigszins gevoelig functionele groepen, zoals aldehyden, epoxiden, glycosiden en potentieel epimerizable stereogenic centra werden meestal niet beïnvloed door het extractieproces. Het complementaire karakter van deze techniek ten opzichte van meer traditionele methoden is ook aangetoond. 12 , 16 deze PHWE methode heeft ook tewerkgesteld te isoleren multi gram hoeveelheden van natuurlijke producten, die zijn gebruikt voor het bereiden van roman natuurproduct derivaten en in ingewikkelde molecuul synthese meer in het algemeen. 8 , 11 , 17
Het was vastgesteld dat deze nieuwe PHWE methode zou kunnen dienen als een nuttig leermiddel die kan worden opgenomen in het undergraduate laboratorium. Dit is primair afgeleid van de snelle aard van deze techniek ten opzichte van de traditionele extractiemethoden die vaak onverenigbaar met de tijdsdruk undergraduate laboratoriumexperimenten is gekoppeld zijn. Bijgevolg is deze techniek verdrongen de traditionele undergraduate chemie laboratorium experiment, gericht op de winning van eugenol uit teentjes dienst stoomdestillatie op de Universiteit van Tasmanië. 9 , 18 sinds die tijd, variaties van dit experiment zijn overgenomen door andere universiteiten en een gemodificeerde experiment, gericht op de PHWE van kruidnagel nu functies in het programma van de laboratorium undergraduate scheikunde aan de Universiteit van Sydney (vide infra ).
Om aan te tonen de uitvoerbaarheid en de haalbaarheid van het gebruik van deze nieuwe benadering van de PHWE voor onderwijsdoeleinden, zijn twee protocollen ingediend als onderdeel van deze studie. Het eerste deel van dit verslag wijst op een experiment op de PHWE van eugenol en acetyleugenol van kruidnagel die deel van het programma van het tweede jaar undergraduate laboratorium aan de Universiteit van Sydney (Figuur 1 uitmaakt). Dit experiment dient om studenten kennismaken met chemie van natuurproducten terwijl de ontwikkeling van fundamentele praktische vaardigheden. Het tweede deel beschikt over een experiment op de PHWE van de endemische Australische plantensoorten Correa reflexa dat deel van het programma van de derdejaars undergraduate laboratorium aan de Universiteit van Tasmanië (Figuur 2 uitmaakt). Dit experiment is ontworpen om te simuleren van natuurproducten bioprospecting en versterking van de kern laboratoriumtechnieken. 11
Protocol
Representative Results
Discussion
De klassieke procedure voor het isoleren van eugenol van kruidnagel door stoomdestillatie is onderdeel van het programma laboratorium tussenliggende scheikunde aan de Universiteit van Sydney geweest voor decennia maar werd gemoderniseerd om PHWE methodologie in 2016 (Figuur 1) tewerk te stellen. 9 , 18 dit leverde een aantal voordelen. In de eerste plaats met behulp van huishoudelijke espressomachines in de labo-omgeving onmiddellijk…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs erkennen de School of Natural Sciences – chemie, Universiteit van Tasmanië en de School in de chemie, de Universiteit van Sydney voor financiële steun. B.J.D. en J.J. bedanken de Australische regering voor onderzoek Training programma beurzen.
Materials
| espresso machines | Breville/Sunbeam | Breville espresso machine model 800ES / Sunbeam EM3820 Café Espresso II | |
| rotary evporators | Buchi and Heidolph | ||
| cloves (plant material) | Dijon Food Pty Ltd | Cloves must be ground in a food processor for students. | |
| Correa reflexa (plant material) | sample obtained in Tasmania | Sample collected from mature shrubs in the Thomas Crawford Reserve at the University of Tasmania | |
| sand | Ajax | 1199 | |
| ethanol | Redoc Chemicals | E95 F3 | |
| hexanes | Ajax | 251 | |
| magnesium sulfate | Ajax | 1548 | |
| diethyl ether | Merck | 1009215000 | |
| silica on aluminium TLC plates | Merck | 1055540001 | |
| eugenol | Merck | 1069620100 | |
| eugenyl acetate | Aldrich | W246905 | |
| acetone | Redox Chemicals | Aceton13 | |
| cyclohexane | ChemSupply | CA019 | |
| silica gel 60 | Trajan | 5134312 | 40 – 63um (230-400mesh) |
| Congo red paper | ChemSupply | IS070-100S | |
| 32% hydrochloric acid | Ajax | 256 |
References
- Newman, D. J., Cragg, G. M. Natural Products as Sources of New Drugs from 1981 to 2014. Journal of Natural Products. 79, 629-661 (2016).
- Barnes, E. C., Kumar, R., Davis, R. A. The use of isolated natural products as scaffolds for the generation of chemically diverse screening libraries for drug discovery. Natural Product Reports. 33, 372-381 (2016).
- DeCorte, B. L. Underexplored Opportunities for Natural Products in Drug Discovery. Journal of Medicinal Chemistry. 59, 9295-9304 (2016).
- Bucar, F., Wube, A., Schmid, M. Natural product isolation – how to get from biological material to pure compounds. Natural Product Reports. 30, 525-545 (2013).
- Sticher, O. Natural product isolation. Natural Product Reports. 25, 517-554 (2008).
- Just, J., Deans, B. J., Olivier, W. J., Paull, B., Bissember, A. C., Smith, J. A. New Method for the Rapid Extraction of Natural Products: Efficient Isolation of Shikimic Acid from Star Anise. Organic Letters. 17, 2428-2430 (2015).
- Caprioli, G., Cortese, M., Cristalli, G., Maggi, F., Odello, L., Ricciutelli, M., Sagratini, G., Sirocchi, V., Tomassoni, G., Vittori, S. Optimization of espresso machine parameters through the analysis of coffee odorants by HS-SPME-GC/MS. Food Chemistry. 135, 1127-1133 (2012).
- Just, J., Jordan, T. B., Paull, B., Bissember, A. C., Smith, J. A. Practical isolation of polygodial from Tasmannia lanceolata: a viable scaffold for synthesis. Organic Biomolecular Chemistry. 13, 11200-11207 (2015).
- Just, J., Bunton, G. L., Deans, B. J., Murray, N. L., Bissember, A. C., Smith, J. A. Extraction of Eugenol from Cloves Using an Unmodified Household Espresso Machine: An Alternative to Traditional Steam Distillation. Journal of Chemical Education. 93, 213-216 (2016).
- Deans, B. J., Bissember, A. C., Smith, J. A. Practical Isolation of Asperuloside from Coprosma quadrifida via Rapid Pressurised Hot Water Extraction. Australian Journal of Chemistry. 69, 1219-1222 (2016).
- Deans, B. J., Just, J., Chetri, J., Burt, L. K., Smith, J. N., Kilah, N. L., de Salas, M., Gueven, N., Bissember, A. C., Smith, J. A. Pressurized Hot Water Extraction as a Viable Bioprospecting Tool: Isolation of Coumarin Natural Products from Previously Unexamined Correa (Rutaceae). ChemistrySelect. 2, 2439-2443 (2017).
- Deans, B. J., Olivier, W. J., Girbino, D., Bissember, A. C., Smith, J. A. Extraction of carboxylic acid-containing diterpenoids from Dodonaea viscosa via pressurised hot water extraction. Fitoterapia. 126, 65-68 (2018).
- Deans, B. J., Kilah, N. L., Jordan, G. J., Bissember, A. C., Smith, J. A. Arbutin Derivatives Isolated from Ancient Proteaceae: Potential Phytochemical Markers Present in Bellendena, Cenarrhenes and Persoonia Genera. Journal of Natural Products. 81, 1241-1251 (2018).
- Deans, B. J., Tedone, L., Bissember, A. C., Smith, J. A. Phytochemical profile of the rare, ancient clone Lomatia tasmanica and comparison to other endemic Tasmanian species L. tinctoria and L. polymorpha. Phytochemistry. 153, 74-78 (2018).
- Deans, B. J., Skierka, B., Karagiannakis, B. W., Vuong, D., Lacey, E., Smith, J. A., Bissember, A. C. Siliquapyranone: a Tannic Acid Tetrahydropyran-2-one Isolated from the Leaves of Carob (Ceratonia siliqua) by Pressurised Hot Water Extraction. Australian Journal of Chemistry. 71, (2018).
- Olivier, W. J., Kilah, N. L., Horne, J., Bissember, A. C., Smith, J. A. ent-Labdane Diterpenoids from Dodonaea viscosa. Journal of Natural Products. 79, 3117-3126 (2016).
- Rihak, K. J., Bissember, A. C., Smith, J. A. Polygodial: A viable natural product scaffold for the rapid synthesis of novel polycyclic pyrrole and pyrrolidine derivatives. Tetrahedron. 74, 1167-1174 (2018).
- Ntamila, M. S., Hassanali, A. Isolation of Oil of Clove and Separation of Eugenol and Acetyl Eugenol. Journal of Chemical Education. 53, 263 (1976).
- Still, W. C., Kahn, M., Mitra, A. Rapid chromatographic technique for preparative separations with moderate resolution. Journal of Organic Chemistry. , 2923-2925 (1978).
