Anställa trycksatt varmvatten utvinning (PHWE) att utforska naturprodukter kemi i grundutbildningsprogram laboratoriet
Summary
Här, anställer vi en trycksatt varmvatten utvinning (PHWE) metod, som använder en omodifierad hushållens espressomaskin för att introducera studenterna till naturprodukter kemi i laboratoriet. Två experiment presenteras: PHWE av eugenol och acetyleugenol från kryddnejlika och PHWE av seselin och (+)-epoxysuberosin från australiska växten Correa reflexa.
Abstract
En nyligen utvecklad trycksatt varmvatten utvinning (PHWE) metod som utnyttjar en omodifierad hushållens espressomaskin för att underlätta naturprodukter forskning finns också program som ett verktyg för effektiv undervisning. Specifikt, har denna teknik använts för att introducera andra och tredje år studenter till aspekter av naturprodukter kemi i laboratoriet. I denna rapport presenteras två experiment: PHWE av eugenol och acetyleugenol från kryddnejlika och PHWE seselin och (+)-epoxysuberosin från de endemiska australiska växtarterna Correa reflexa. Genom att anställa PHWE i dessa experiment, den rå nejlika extrakt, berikad med eugenol och acetyleugenol, erhölls i 4-9% w/w från kryddnejlika av andra året grundutbildningsstudenter och seselin och (+)-epoxysuberosin isolerades i avkastning upp till 1,1% w/w och 0,9% w/w från C. reflexa av tredje årets studerande. Före detta utövande utvecklades som en ersättning för traditionella ånga destillation experimentet som ger en introduktion till utvinning och separation tekniker, medan den sistnämnda verksamheten med guidad-förfrågan undervisningsmetoder i ett försök att simulera naturliga produkter Bioprospektering. Detta härrör främst från den snabba typ av denna PHWE teknik i förhållande till traditionella extraktionsmetoder som ofta är oförenligt med de tidsbrist som är associerad med grundutbildning laboratorieexperiment. Denna snabba och praktiska PHWE metod kan användas för att effektivt isolera olika klasser av organiska molekyler från olika växtarter. Den kompletterande karaktären av denna teknik i förhållande till mer traditionella metoder har också visats tidigare.
Introduction
Isolering och identifiering av naturliga produkter är av grundläggande betydelse för forskarvärlden och samhället generellt. 1 Bioprospektering, sökandet efter värdefulla organiska molekyler som finns i naturen, förblir en nödvändig process i upptäckten av nya drug leads och potentiella terapeutiska medel. Det uppskattas att från 1981-2014 ~ 75% av alla godkända småmolekylära läkemedel var naturliga produkter, naturliga produkt-härledda eller naturlig produkt-inspirerade. 1 dessutom naturprodukter besitter enorma strukturella och kemiska mångfald. Av denna anledning representerar de också värdefulla kemiska ställningar som kan användas direkt i organisk syntes eller i utvecklingen av kirala ligander och katalysatorer. 2 , 3
Traditionellt, har relativt tidskrävande förfaranden såsom maceration, Soxhlet utvinning och ånga destillation varit stöttepelaren i forskning inriktad på isoleringen av sekundära metaboliter från växter. 4 mer moderna utvinning tekniker, inklusive accelererad vätskeextraktion, har fokuserat på att minska utvinning gånger och inrättande av grönare protokoll. 4 , 5 under 2015 rapporterades en originell metod för trycksatt varmvatten-utvinning (PHWE). 6 denna teknik anställd espressomaskin med omodifierade hushåll att underlätta snabb och särskilt effektiv utvinning av shikimic syra från star anis. Espressomaskiner har specifikt utformad och konstruerad för att extrahera organiska molekyler från lämpligt marken kaffebönor. För att uppnå detta, dessa instrument värma vatten vid temperaturer upp till 96 ° C och vid tryck på typiskt 9 bar. 7 med detta i åtanke, det är kanske inte förvånande att espressomaskiner kan utnyttjas effektivt extrahera naturliga produkter från en rad olika växtmaterial.
Senare studier som involverar en mängd terrestrial växtarter har visat kapacitet av denna PHWE teknik effektivt extrahera naturprodukter över ett relativt brett polaritet utbud. 6 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15 vidare föreningar innehållande något känsliga funktionella grupper, såsom aldehyder, epoxider, glykosider och potentiellt epimerizable stereogenic centrerar var vanligen opåverkad av extraheringen. Den kompletterande karaktären av denna teknik i förhållande till mer traditionella metoder har också påvisats. 12 , 16 detta PHWE metod har också varit anställd att isolera flera gram kvantiteter av naturliga produkter som har använts för att förbereda nya naturprodukt derivat och komplex molekyl syntes mer generellt. 8 , 11 , 17
Det identifierades att detta nya PHWE-metoden skulle kunna fungera som ett användbart läromedel som kunde ingå i grundutbildning laboratorium. Detta härrör främst från den snabba typ av denna teknik i förhållande till de traditionella extraktionsmetoder som ofta är oförenligt med de tidsbrist som är associerad med grundutbildning laboratorieexperiment. Följaktligen, denna teknik ersatt det traditionella grundutbildningsprogram kemi laboratorie experiment fokuserade på utvinning av eugenol från kryddnejlika anställa steam-destillering vid University of Tasmania. 9 , 18 sedan den tiden, variationer av detta experiment har antagits av andra universitet och en modifierad experiment med fokus på PHWE av kryddnejlika nu funktioner i programmet grundutbildningsprogram kemi laboratorium vid University of Sydney (vide infra ).
För att demonstrera de praktiska och genomförbarhet sysselsätter denna nya PHWE strategi för undervisningsändamål, presenteras två protokoll som en del av denna studie. Den första delen av detta betänkande belyser ett experiment på PHWE av eugenol och acetyleugenol från kryddnejlika som är del av det andra års grundutbildningsprogram laboratorium programmet vid University of Sydney (figur 1). Detta experiment serverar att introducera studenterna till naturprodukter kemi samtidigt utveckla grundläggande praktiska färdigheter. Den andra delen har ett experiment på PHWE av det endemiska australiska växtart Correa reflexa som ingår i programmet tredje år grundutbildningsprogram laboratorium vid University of Tasmania (figur 2). Detta experiment är utformad för att simulera naturliga produkter Bioprospektering och stärka core laboratorietekniker. 11
Protocol
Representative Results
Discussion
Det klassiska förfarandet för att isolera eugenol från kryddnejlika ångdestillation har varit en del av det mellanliggande kemi laboratorie programmet vid University of Sydney i decennier men moderniserades för att anställa PHWE metodik under 2016 (figur 1). 9 , 18 detta gett ett antal förmåner. För det första, utnyttja hushållens espressomaskiner i laboratoriemiljö omedelbart fascinerad och engagerade studenter genom att…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna erkänner skola av naturvetenskap – kemi, University of Tasmania och skolan för kemi, The University of Sydney för ekonomiskt stöd. B.J.D. och J.J. tackar den australiska regeringen för forskarstipendier Utbildning Program.
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).
