Ansætte trykisoleret varmt vand udvinding (PHWE) til at udforske naturprodukter kemi på bachelor laboratorium
Summary
Her, anvender vi en trykisoleret varmt vand udvinding (PHWE) metode, der udnytter en umodificeret husstand espressomaskine for at indføre bachelorstuderende til naturprodukter kemi i laboratoriet. Præsenteres to eksperimenter: PHWE af eugenol og acetyleugenol fra nelliker og PHWE af seselin og (+)-epoxysuberosin fra den australske plante Correa reflexa.
Abstract
En nyligt udviklede trykisoleret varmt vand udvinding (PHWE) metode, der udnytter en umodificeret husstand espressomaskine for at lette naturlige produkter forskning har også fundet programmer som en effektiv undervisningsredskab. Specifikt, er denne teknik blevet brugt til at introducere andet og tredje år universitetsstuderende til aspekter af naturprodukter kemi i laboratoriet. I denne rapport præsenteres to eksperimenter: PHWE af eugenol og acetyleugenol fra nelliker og PHWE af seselin og (+)-epoxysuberosin fra de endemiske australske plantearter Correa reflexa. Ved at ansætte PHWE i disse eksperimenter, rå fed ekstrakt, beriget med eugenol og acetyleugenol, blev fremstillet i 4-9% w/w fra nelliker ved andet år bachelorstuderende og seselin og (+)-epoxysuberosin blev isoleret i udbyttet af op til 1,1% w/w og 0,9% w/w fra C. reflexa af tredje års studerende. Den tidligere øvelse blev udviklet som en erstatning for den traditionelle damp destillation eksperiment giver en introduktion til ekstraktion og fraseparering teknikker, mens den sidstnævnte aktivitet featured guidede undersøgelse undervisningsmetoder i et forsøg på at simulere naturlige produkter bioprospecting. Dette stammer primært fra hurtige arten af denne PHWE teknik i forhold til traditionelle udvindingsmetoder, der er ofte uforenelige med den tidsbegrænsninger forbundet med bachelor laboratorieforsøg. Denne hurtige og praktiske PHWE metode kan bruges til at effektivt isolere forskellige klasser af organiske molekyler fra en række plantearter. Komplementariteten mellem denne teknik i forhold til mere traditionelle metoder er også blevet påvist tidligere.
Introduction
At isolering og identifikation af naturlige produkter er af grundlæggende betydning for det videnskabelige samfund og samfund mere generelt. 1 Bioprospecting, søge efter værdifulde organiske molekyler findes i naturen, stadig et uundværligt proces i opdagelsen af nyt stof kundeemner og potentielle terapeutiske agenter. Det anslås, at fra 1981-2014, ~ 75% af alle godkendte lille molekyle lægemidler var naturlige produkter, naturlige produkt, der stammer eller naturlige produkt-inspireret. 1 øvrigt naturprodukter besidder enorme strukturelle og kemiske mangfoldighed. Af denne grund repræsenterer de også værdifulde kemiske stilladser, der kan bruges direkte i organisk syntese eller i udviklingen af chiral ligander og katalysatorer. 2 , 3
Traditionelt, har relativt tidskrævende procedurer såsom maceration, Soxhlet udvinding og dampdestillation været grundlaget for forskning fokuseret på isolering af sekundære metabolitter fra planter. 4 mere moderne udvinding teknikker, herunder accelererede opløsningsmiddelekstraktion, har fokuseret på at reducere udvinding gange og oprettelse af grønnere protokoller. 4 , 5 i 2015, en original trykisoleret varmt vand udvinding (PHWE) metode blev rapporteret. 6 denne teknik ansat en umodificeret husstand espressomaskine til at lette hurtig og særdeles effektiv udvinding af shikimic syre fra stjerneanis. Espressomaskiner har været specielt designet og udviklet til at udtrække organiske molekyler fra passende jorden kaffebønner. At opnå dette, disse instrumenter varme vand ved temperaturer op til 96 ° C og ved tryk på typisk 9 bar. 7 med dette i tankerne, det er måske ikke overraskende at espressomaskiner kan udnyttes til at effektivt uddrag naturprodukter fra en vifte af plantemateriale.
Efterfølgende undersøgelser der involverer en lang række jordbaserede plantearter har vist denne PHWE teknik kapacitet til effektivt uddrag naturlige produkter over en relativt bred polaritet vifte. 6 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15 endvidere forbindelser, der indeholder lidt følsomme funktionelle grupper, såsom aldehyder, Epoxider, glycosider og potentielt epimerizable stereogenic Centre var typisk upåvirket af udpakningsprocessen. Komplementariteten mellem denne teknik i forhold til mere traditionelle metoder er også blevet påvist. 12 , 16 dette PHWE metode har også været ansat til at isolere flere gram mængder af naturprodukter, som har været brugt til at forberede roman naturprodukt derivater og i komplekse molekyle syntese mere generelt. 8 , 11 , 17
Det blev identificeret denne nye PHWE metode kunne tjene som et nyttigt undervisningsredskab, som kunne indarbejdes i undergraduate laboratoriet. Dette stammer primært fra hurtige arten af denne teknik i forhold til de traditionelle udvindingsmetoder, som ofte er uforeneligt med de tidsmæssige begrænsninger forbundet med bachelor laboratorieforsøg. Derfor, denne teknik fortrængt den traditionelle bachelor kemi laboratorium eksperiment fokuseret på udvinding af eugenol fra nelliker beskæftiger dampdestillation på University of Tasmania. 9 , 18 siden dengang, variationer af dette eksperiment er blevet vedtaget af andre universiteter og en modificeret eksperiment med fokus på PHWE af nelliker nu funktioner i programmet bachelor kemi laboratorium på University of Sydney (vide infra ).
For at demonstrere det praktisk og gennemførligt beskæftiger denne nye PHWE tilgang til undervisningsformål, er to protokoller præsenteret som en del af denne undersøgelse. Den første del af denne betænkning fremhæver et eksperiment på PHWE af eugenol og acetyleugenol fra nelliker, som er en del af andet år bachelor laboratorium programmet på University of Sydney (figur 1). Dette eksperiment tjener til at introducere de studerende til naturprodukter kemi samtidig udvikle grundlæggende praktiske færdigheder. Den anden del er udstyret med et eksperiment på PHWE af de endemiske australske plantearter Correa reflexa som en del af det tredje år bachelor laboratorium program på University of Tasmania (figur 2). Dette eksperiment er designet til at simulere naturlig produkter bioprospecting og styrke core laboratoriemetoder. 11
Protocol
Representative Results
Discussion
Den klassiske procedure for isolere eugenol fra nelliker ved dampdestillation har været en del af de mellemliggende kemi laboratorium program på University of Sydney i årtier, men blev moderniseret for at ansætte PHWE metodologi i 2016 (figur 1). 9 , 18 det givet et antal fordele. For det første, udnytte husstand espressomaskiner i laboratoriemiljø straks fascineret og engageret studerende af illustrerer anvendelsen af en ikke-…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne anerkender skole Natural Sciences – kemi, University of Tasmania og School of Chemistry, University of Sydney for finansiel støtte. B.J.D. og J.J. takke den australske regering for forskerstipendier uddannelse 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).
