Detta protokoll syftar till att standardisera utarbetandet av djupa eutektiska system i hela forskarvärlden så att dessa system kan återges.
Förberedelsen av djupa Eutectic system (DES) är a priori ett enkelt tillvägagångssätt. Definitionsmässiga, två eller flera komponenter blandas tillsammans med en given molar förhållande att bilda en DES. Men från vår erfarenhet i laboratoriet, det finns ett behov av att standardisera förfarandet för att förbereda, karakterisera och rapportera de metoder som följs av olika forskare, så att de resultat som publiceras kan återges. I detta arbete testar vi olika tillvägagångssätt som rapporteras i litteraturen för att förbereda Eutectic system och utvärderade vikten av vatten i en lyckad beredning av vätskesystem vid rumstemperatur. Dessa publicerade eutektiska system bestod av citronsyra, glukos, sackaros, äppelsyra, β-alanin, L-vinsyra och betain och inte alla beskrivna beredningsmetoder kunde återges. I vissa fall var det dock möjligt att återge de beskrivna systemen, med införandet av vatten som en tredje komponent i den eutektiska blandningen.
Djupa eutektiska lösningsmedel har utsetts till lösningsmedel för det tjugoförsta århundradet och anses vara en ny generation lösningsmedel. De definieras som en blandning av två eller flera kemiska föreningar vid en viss molar förhållande för att resultera i en betydande minskning av smälttemperaturen hos de enskilda komponenterna, blir flytande vid rumstemperatur1,2, 3. i denna mening kräver beredning av lösningsmedel inte någon kemisk reaktion och därmed produktionen avkastningen är 100%. I 2011, Choi och medarbetare rapporterade möjligheten av naturligt förekommande des och döpte dem, naturliga djupa Eutectic lösningsmedel (NADES)3,4,5. NADES kan framställas från olika kombinationer av socker, aminosyror, organiska syror och kolin derivat; och dessa system som framställs av naturliga komponenter är till sin natur biokompatibla och biologiskt nedbrytbara och uppvisar betydligt mindre toxicitet jämfört med andra alternativa lösningsmedel (t. ex. Joniska vätskor)5,6, 7,8. Sedan 2015 har antalet publikationer inom området stigit exponentiellt och de möjliga tillämpningarna av NADES är mycket breda3. Även om många manuskript och recensioner har publicerats, det finns grundläggande frågor som kvarstår, och forskarna har ännu inte hittat svaret på spännande frågor som mekanismerna bakom DES formation. Förståelsen av mekanismen för DES-bildning skulle leda till en konsoliderad strategi för utveckling av nya system, snarare än den nuvarande prövningen och fel metoden. Dessutom växer möjligheterna på området varje dag, eftersom konsumenterna blir mer medvetna om hållbarheten i sina produkter, inte bara när det gäller deras livslängd utan även när det gäller själva bearbetningen8,9, 10. För att driva stora innovationer inom området för djupa eutektiska lösningsmedel krävs först standardisering av produktions-och karakteriseringsmetoderna. Avsaknaden av reproducerbarhet av några av de system som rapporterades i litteraturen var motivationen att utveckla detta arbete när vi ställdes inför denna fråga flera gånger. Häri visar vi behovet av och avgörande betydelse för att korrekt beskriva material och metoder och visar att även om utarbetandet av DES är ett enkelt och okomplicerat förfarande, finns det några viktiga aspekter (t. ex. förekomst/mängd vatten) som måste alltid diskuteras.
De olika metoder som rapporteras i litteraturen för beredning av NADES är en uppvärmnings-och omrörnings metod (HS), vakuum avdunstning (VE) och frystorkning (FD). De system vi har utarbetat i detta arbete beskrivs av olika författare i litteraturen4,5,6,10,11. I tabell 1 förtecknas komponenterna i varje blandning, såsom de rapporteras i originalmanuskriptet, samt deras beredningsmetod.
Vid våra utredningar att reproducera de beskrivna systemen, insåg vi att det i vissa fall inte var möjligt att uppnå en liknande NADES, som en klar, trögflytande, flytande prov vid rumstemperatur. Förbereda en NADES förlitar sig på många faktorer. Vissa kan lätt kontrolleras, men andra är svårare att standardisera. Det viktigaste att tänka på är att slutprodukten inte kan förlita sig på externa faktorer som den utrustning som används.
De system som utarbetats av olika metoder karakteriserades sedan. Med polariserad optisk mikroskopi (POM), det observerades att med HS metod utan vatten, även vid olika temperaturer, NADES inte en klar och trögflytande vätska. Emellertid observerades en homogen och klar, trögflytande vätska som representeras i figur 1 vid tillämpning av HS-metoden med små mängder vatten och ve-metoden för beredning av nades.
DSC användes för att bestämma de termiska händelserna i blandningen. Resultaten visade att systemet är flytande vid rumstemperatur och upp till 130 ° c, eftersom termogrammet inte visar några termiska händelser. Vatteninnehållet i varje prov mättes med Karl-Fischer-titrering, och resultaten representeras i tabell 2. Vatteninnehållet i systemen måste rapporteras, eftersom det är den parameter som mest påverkar egenskaperna hos den erhållna vätskan, såsom viskositet och polaritet. Dessa förändringar har stor inverkan på resultatet av den ansökan som NADES är utformad.
NMR användes också för att bekräfta bildandet av nämnda NADES system, genom bildandet av vätebindningar mellan molekylerna i varje system. Ett exempel ges i figur 2 för nades-systemet citronsyra: glukos (2:1) med 17% vatten som erhålls genom HS där protonspektrat av denna nades och utgångsmaterialen (citronsyra och glukos) är överlagda (figur 2a). Från detta är det möjligt att observera förändringar i de kemiska förskjutningarna av vissa protoner från varje molekyl. Den stora förändringen är förskjutningen av OH-Proton från citronsyra. Ursprungligen, denna signal visas på 5,16 ppm, men denna signal övergår till 6,22 ppm på grund av bildandet av vätebindningar. Detta bekräftas av NOESY spektrum (figur 2b), där den starka interaktionen mellan OH från citronsyra och de återstående protoner är synlig. En liknande interaktion observerades för de andra NADES-systemen.
I denna studie konstaterade vi att beskrivningen av berednings metoden för eutektiska system som rapporteras i litteraturen ibland är ofullständig, på grund av bristen på information om vattenhalten i de flesta system. I VE-metoden tillsätts vattnet genom att bereda lösningar av olika komponenter och blandas vid en temperatur som leder till bildandet av Eutectic system; Vi kan dock inte vara säkra på den lägsta vattenhalt som krävs. Den kunskap om procentandel vatten som behövs för att forma systemen anses därför vara en avgörande punkt som alltid bör rapporteras, för att andra skall kunna reproducera utarbetandet av de olika eutektiska blandningarna.
Den bästa metoden att använda är HS-metoden med vatten som läggs till eftersom det tar mindre tid att förbereda, för fall där vatteninnehållet redan beskrivits. Men om denna information inte är tillgänglig, är den enklaste metoden den VE metod, där alla tillgängliga vatten avlägsnas och endast vattnet interagerar med NADES komponenterna kvar i systemet. I vilket fall som helst bör forskarna låta systemen avdunta tillräckligt länge för att se till att fritt vatten avlägsnas från systemet. Denna timing är beroende av utrustningen och därför är det inte tillräckligt att beskriva i material avsnittet varaktigheten av VE-metoden, men vatteninnehållet har alltid att rapporteras.
The authors have nothing to disclose.
Projektet har fått bidrag från Europeiska forskningsrådet (ERC) inom ramen för Europeiska unionens Horisont 2020 forsknings-och innovationsprogram, enligt bidragsöverenskommelsen nr ERC-2016-CoG 725034. Detta arbete stöddes också av det biträdande laboratoriet för grön kemi-LAQV som finansieras av nationella fonder från FCT/MCTES (UID/QUI/50006/2019) och av FCT/MCTES genom projektet CryoDES (PTDC/EQU-EQU/29851/2017).
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 |