Σύνθεση και εφαρμογές βιοαποικοδομήσιμων ιοντικών υγρών

Abstract

The aim of the present thesis is the design, the synthesis and characterization ofProtic Ionic Liquids (PILs), in order to create a small "chemical library" of PILs. Selected PILs were successfully applied (a) as solvents and catalysts in organic synthesis of heterocyclic compounds and (b) as reducing and stabilizing agents in the silver nanoparticles (AgNPs) production. In this work 35 PILs were synthesized, of which 17 are presented for the first time in the literature. The selected anions are aliphatic, alicyclic and phenolic carboxylic acids while the cations are 2-hydroxy and 2-methoxy ethylamine derivatives. The selected acids and bases possess similar Δpka(aq) in order to behave in ananalogous way regarding the proton transfer. Taking advantage of the ability of PILs to obtain desirable properties by choosing the appropriate anion and cation, in this study ions with different structural characteristics have been selected, in order to enable the study of their effect on their biodegradability, toxicity and physicochemical properties. The structure characterization of the synthesized PILs was performed using 1H and 13C NMR as well as FT-IR (ATR) spectroscopy. Through NMR spectroscopy, the effectiveness of the proton transfer was also assessed, based on the correlation between the chemical shift of the labile proton in the NMR spectra and the Δpka(aq) values of the PILs as well as the effect of temperature on the shift of the labile proton signal. Moreover, the influence of the polarity of deuterated solvents on the conformation of the PIL in solution was studied through NMR spectroscopy, and the solvation effect of the polar solvent DMSO-d6 was observed. In order to confidently label the produced PILs as potential green solvents, their biodegradability and toxicity were assessed. The biodegradability was evaluated by measuring the biological oxygen demand by microorganisms in order to degrade PILs via bio-oxidation in five days (BOD5). The biodegradation rates of the organic load of PILs were really satisfactory since many of them reach and exceed 60% biodegradability even in the first 5 days and could, therefore, be considered as readily biodegradable. The effect of anions and cations on the PILs biodegradability was also assessed based on their structural modifications and it was found that both anion and cation play an important role. The toxicity of the synthesized PILs, was evaluated using the brine shrimp Artemia salina lethality assay. The lethality exerted on the nauplii of the brine shrimp A.salina has been widely used in laboratory bioassays to determine toxicity through the estimation of the medium lethal concentration (LC50). Most of the synthesized PILs, found to be non-toxic (in some cases they possessed LC50 values >1000 mM). Additionally, some of the most important physicochemical properties of the synthesized PILs were determined and the impact of the structure modifications of the ions on them was assessed. More specifically, their thermal behavior was studied using differential scanning calorimetry (DSC) and their viscosity was measured in a broad temperature range (20°C – 100°C). Τhe structure-properties relationship study revealed that the glass transition temperature (Tg) of the PILs is mainly governed by the anion, while viscosity is mainly affected by the cation. The fragility of the PILs was estimated from the correlation of the logarithm of viscosity versus the Tg/T ratio. Certain PILs from the constructed chemical library were successfully used in the development of two cutting-edge applications, namely organic synthesis and silver nanoparticles (AgNPs) production. Selected PILs were used as solvents and catalysts in domino Knoevenagel-Michael reactions for the synthesis of heterocyclic bioactive compounds. Moreover, task-specific PILs were designed and synthesized to be used as reducing and stabilizing agents for the production of AgNPs. Two different methods were developed for the synthesis of bis-(β-dicarbonyl)-methane products (biscoumarins and bisquinolinones) via domino Knoevenagel-Michael reaction. According to Method A, PILs were used as solvents and catalysts in domino Knoevenagel-Michael reactions, while in Method B, the alternative use of the choline chloride -urea deep eutectic solvent (DES) as solvent and catalyst was investigated. After optimization studies, 17 products bearing a variety of substituents at different positions of their aromatic ring were successfully synthesized. The reaction yields for Method A range from 43% to 82% while for Method B from 25% to 70%. The proposed methods, possess certain advantages over the conventional ones, namely (a) the simultaneous use of both PILs and DES as solvents and catalysts which can be successfully recycled and reused up to three times, (b) the mild reactions conditions, (c) the short reaction time and (d) the simple work-up procedure in order to receive high purity products in satisfactory yields. A plausible mechanism of the catalytic activity of both solvents and catalysts was developed and the effect of the solvent and catalyst on the reaction as well as the influence of theposition and the electron nature of the substituents on the desired products were also investigated. All the products were characterized via spectroscopic methods such as NMR, ESI-MS and HRMS. Moreover, conformational analysis was also performed using 1D 1H NMR, 2D 1H-1H COSY and 2D 1H-1H NOESY spectra. The synthesized biscoumarins and bisquinolinones, were tested for their antifungal activity against four Candida albicans strains, a fungus responsible for candidiasis, a common infection that frequently affects humans and is the most common nosocomial infection in the world. Comparing to Ketoconazole (reference drug) (ΜΙC 0.583∙10^-2 μmol/ml for strains 7/15, 8/15 and 527/14 and MFC 9.408∙10^-2 μmol/ml for the strain 7/15, 1.167∙10^-2 μmol/ml for the strains 7/15 & 8/15 and 0.583∙10^-2 μmol/ml for the strain 1/6/15), the best results were given from biscoumarin 6 (X=O, R1=R2=OCH3), ΜΙC 0.794∙10^-2 and MFC 0.159∙10^-2 μmol/ml and bisquinolinone 17 (Χ=CH3, R2=OCH3, R3=OH), MIC 0.774∙10^-2 μmol/ml και MFC 1.549∙10^-2 μmol/ml for all the fungal strains.A new methodology for the synthesis of silver nanoparticle was also developed, using task-specific PIIs. Specifically, PILs were designed and synthesized using the anion of a phenolic acid (gallic, caffeic and p-coumaric acid) and a 2-hydroxyethylammonium as the cation. The choice of the reactants was based on their reducing activity, which, in the case of phenolic acids, is directly related to their strong antioxidant activity. The silver nanoparticles (AgNPs) characterization was succeeded using spectroscopic techniques such as UV–visible spectroscopy, Fourier Transform Infrared spectroscopy (FTIR) and Raman spectroscopy. The particle size, polydispersity index and method provides AgNPs with narrow size range (from 63 to 108 nm) and polydispersity indices ranging from 0.22 to 0.40 respectively, depending on the used PIL. The negative zeta-potential values (from -27.3 to -40.6 mV) indicate long term stability, stable colloidal dispersion and low aggregation tendency of the prepared nanoparticles. The spectrometric analysis of the produced nanoparticles, revealed that the phenolic acids are oxidized to the corresponding quinones which are adsorbed on the surface of the AgNPs.The developed method can be regarded as transcendent to other chemical reduction methods proposed in the literature because of the dual character of the PILs (reducing and stabilizing agents), the neutral pH conditions and the absence of toxic byproducts.

Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής αποτέλεσε ο σχεδιασμός, σύνθεση και ο χαρακτηρισμός Πρωτικών Ιοντικών Υγρών (ΠΙΥ), με στόχο τη δημιουργία μιας μικρής «χημικής βιβλιοθήκης» ΠΙΥ, τα οποία στη συνέχεια βρήκαν εφαρμογές (α) ως διαλύτες και καταλύτες σε αντιδράσεις οργανικής σύνθεσης και (β) στην παραγωγή νανοσωματιδίων αργύρου (AgNPs) ως αναγωγικοί και σταθεροποιητικοί παράγοντες.Αρχικά, συντέθηκαν 35 ΠΙΥ εκ των οποίων 17 νέα στη βιβλιογραφία. Τα ανιόντα που επιλέχθηκαν είναι αλειφατικά, αλεικυκλικά και φαινολικά καρβοξυλικά οξέα, ενώ τα κατιόντα είναι παράγωγα της 2-υδροξυ και της 2-μεθοξυ αιθανολαμίνης. Τα οξέα και οι βάσεις που επελέχθησαν έχουν παραπλήσιες τιμές Δpka(aq), ώστε να υπάρχει παρόμοια τάση, όσον αφορά στη μεταφορά πρωτονίου. Εκμεταλλευόμενοι την ιδιότητα των ΙΥ να αποκτούν επιθυμητές ιδιότητες με την κατάλληλη επιλογή ιόντων, επελέχθησαν ιόντα με διαφορετικά δομικά χαρακτηριστικά, ώστε να είναι δυνατή η μελέτη της επίδρασης αυτών στη βιοαποικοδομησιμότητα, την τοξικότητα αλλά και τις φυσικοχημικές τους ιδιότητες. Ο χαρακτηρισμός των ΠΙΥ πραγματοποιήθηκε με φασματοσκοπικές μεθόδους, όπως NMR (1H & 13C) και FT-IR (ATR). Μέσω της φασματοσκοπίας 1H NMR επετεύχθη επίσης εκτίμηση της αποτελεσματικότητας της μεταφοράς πρωτονίου, η οποία προέκυψε από τη συσχέτιση των χημικών μετατοπίσεων του ευκίνητου πρωτονίου από τα φάσματα NMR με τις τιμές Δpka(aq) των ΙΥ αλλά και από τη μελέτη της επίδρασης της θερμοκρασίας στη μετατόπιση του σήματος προς υψηλότερα πεδία. Επίσης, μέσω της φασματοσκοπίας NMR μελετήθηκε η επίδραση της πολικότητας του χρησιμοποιούμενου δευτεριωμένου διαλύτη στη διαμόρφωση του ΙΥ σε διάλυμα όπου παρατηρήθηκε το φαινόμενο της επιδιαλύτωσης των ιόντων στον πιο πολικό διαλύτη DMSO-d6. Στη συνέχεια, διενεργήθηκαν πειράματα αξιολόγησης της βιοαποικοδομησιμότητας αλλά και της τοξικότητας των ΠΙΥ σε υδρόβιους οργανισμούς. Η βιοαποικοδομησιμότητα μελετήθηκε προσδιορίζοντας την παράμετρο του βιοχημικά απαιτούμενου οξυγόνου από τους μικροοργανισμούς για την βιο-οξείδωση του ΙΥ σε διάστημα 5 ημερών (BOD5). Τα ποσοστά βιοαποικοδόμησης του οργανικού φορτίου των ΙΥ, ήταν πολύ ικανοποιητικά καθώς πολλά από αυτά φτάνουν και ξεπερνούν το 60% ακόμα και στις 5 πρώτες μέρες και συνεπώς θα μπορούσαν να θεωρηθούν άμεσα βιοαποικοδομησιμα. Πραγματοποιήθηκε, επίσης, μελέτη εκτίμησης της επίδρασης των ανιόντων και των κατιόντων στη βιοαποικοδομησιμότητα των ΙΥ βάση των δομικών τους τροποποιήσεων και διαπιστώθηκε πως τόσο το ανιόν όσο και το κατιόν διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο. Η τοξικότητα μελετήθηκε μέσω μιας ευρέως χρησιμοποιούμενης μεθόδου για βιολογικές δοκιμές, προσδιορίζοντας τη μέση θανατηφόρο συγκέντρωση (LC50) του θαλάσσιου οργανισμού Artemia salina. Στην πλειονότητα τους, τα ΙΥ που μελετήθηκαν δεν είναι τοξικά (κάποια μάλιστα εμφανίζουν τιμές LC50>1000 mM). Σκόπιμος, επίσης, κρίθηκε ο προσδιορισμός ορισμένων φυσικοχημικών ιδιοτήτων των ΠΙΥ, κύριων για ποικίλες εφαρμογές, καθώς και η μελέτη της επίδρασης της δομής τους σε αυτές. Προσδιορίστηκε η θερμική συμπεριφορά μέσω της μεθόδου διαφορικής θερμιδομετρίας σάρωσης (DSC), από όπου προέκυψε και η θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης (Tg), καθώς και το ιξώδες τους σε θερμοκρασιακό εύρος από 20°C –100°C. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η Tg η επηρεάζεται κυρίως από το ανιόν, ενώ το ιξώδες επηρεάζεται κυρίως από το κατιόν. Στοιχεία για την ευθραυστότητα των ΠΙΥ προέκυψαν από τη συσχέτιση του λογάριθμου του ιξώδους συναρτήσει του λόγου Tg/T.Εν συνεχεία, ορισμένα από τα ΠΙΥ χρησιμοποιήθηκαν για την ανάπτυξη δύο εφαρμογών με ιδιαίτερο ενδιαφέρον σε αντικείμενα αιχμής όπως η οργανική σύνθεση και η παραγωγή νανοσωματιδίων αργύρου (AgNPs). Επιλεγμένα ΠΙΥ αξιοποιήθηκαν με επιτυχία ως διαλύτες και καταλύτες σε αντιδράσεις domino Knoevenagel-Michael για τη σύνθεση ετεροκυκλικών βιοδραστικών ενώσεων ενώ σχεδιάστηκαν και συντέθηκαν ΠΙΥ «ειδικής αποστολής» τα οποία χρησιμοποιήθηκαν ως αναγωγικοί και σταθεροποιητικοί παράγοντες για την παραγωγή AgNPs. Για τη σύνθεση των βιοδραστικών ενώσεων του δις-β-δικαρβονυλομεθανίου (δικουμαρίνες και δικινολινόνες) αναπτύχθηκαν δύο μέθοδοι. Στην Μέθοδο Α, χρησιμοποιήθηκαν ΠΙΥ ως διαλύτες σε αντίδρασεις domino Knoevenagel-Michael ενώ στη Μέθοδο Β διερευνήθηκε η εναλλακτική χρήση του βαθέως ευτηκτικού διαλύτη (DES) χλωριούχου χολίνης-ουρίας. Έπειτα από τη βελτιστοποίηση των συνθηκών, συντέθηκαν συνολικά 17 προϊόντα που διαθέτουν ποικιλία υποκαταστατών σε διάφορες θέσεις του αρωματικού δακτυλίου. Οι αποδόσεις των αντιδράσεων στη Μέθοδο Α κυμαίνονται από 43% έως 82%, ενώ στη Μέθοδο Β από 25% έως 70%. Οι προτεινόμενες μέθοδοι πλεονεκτούν των συμβατικών καθώς τα ΙΥ και ο DES χρησιμοποιούνται ταυτόχρονα ως διαλύτες και καταλύτες, οι οποίοι μπορούν να ανακυκλωθούν και επαναχρησιμοποιηθούν επιτυχώς έως τρεις φορές, οι ήπιες συνθήκες αντίδρασης, οι μικροί χρόνοι αντίδρασης καθώς και η ευκολία παραλαβής των προϊόντων σε υψηλή καθαρότητα και ικανοποιητικές αποδόσεις. Διερευνήθηκαν ο μηχανισμός δράσης αλλά και η επίδραση του διαλύτη/ καταλύτη στην αντίδραση καθώς και η επίδραση της θέσης και της ηλεκτρονιακής φύσης των υποκαταστατών των αντιδρώντων στη σύνθεση των επιθυμητών προϊόντων. O χαρακτηρισμός των προϊόντων επετεύχθη μέσω φασματοσκοπίας NMR, ESI-MS και HRMS, ενώ για τον προσδιορισμό της διαμόρφωσης των παραγώγων σε διάλυμα, πραγματοποιήθηκε διαμορφωτική ανάλυση με 2D COSY και NOESY NMR. Οι δικουμαρίνες και οι δικινολινόνες, που συντέθηκαν με τις παραπάνω μεθόδους ελέγχθηκαν ως προς την αντιμυκητιασική τους δράση έναντι τεσσάρων στελέχων του μύκητα Candida albicans, ο οποίος είναι υπεύθυνος για την καντιντίαση, μια κοινή λοίμωξη που προσβάλει συχνά τους ανθρώπους και αποτελεί τη συχνότερη νοσοκομειακή λοίμωξη παγκοσμίως. Συγκριτικά με την ένωση αναφοράς Ketoconazole (ΜΙC 0.583∙10^-2 μmol/ml για τα στελέχη 7/15, 8/15 και 527/14 και MFC 9.408∙10^-2 μmol/ml για το στέλεχος 7/15, 1.167∙10^-2 μmol/ml για τα στελέχη 7/15 & 8/15 και 0.583∙10^-2 μmol/ml για το στέλεχος 1/6/15) τα καλύτερα αποτελέσματα έδωσαν η δικουμαρίνη 6 (X=O, R1=R2=OCH3) με ΜΙC 0.794∙10^-2 και MFC 0.159∙10^-2 μmol/ml και η δικινολινόνη 17 (Χ=CH3, R2=OCH3, R3=OH) με τιμή MIC 0.774∙10^-2 μmol/ml και MFC 1.549∙10^-2 μmol/ml και για τα τέσσερα στελέχη του μύκητα. Αναπτύχθηκε επίσης μια νέα μεθοδολογία σύνθεσης νανοσωματιδίων αργύρου με χρήση ειδικά σχεδιασμένων ΠΙΥ. Πιο συγκεκριμένα, σχεδιάστηκαν και συντέθηκαν ΠΙΥ που διαθέτουν ανιόν φαινολικού οξέος (γαλλικό, καφεϊκό και p-κουμαρικό οξύ) και κατιόν 2-υδροξυαιθυλαμμωνίου (ΙΥ−27, ΙΥ−33 και ΙΥ−34). Η επιλογή των αντιδρώντων έγινε με βάση την αναγωγική τους δράση, η οποία, στην περίπτωση των φαινολικών οξέων, σχετίζεται άμεσα με την ισχυρή αντιοξειδωτική τους δράση. Ο χαρακτηρισμός των παραγόμενων AgNPs επετεύχθη με φασματοσκοπικές μεθόδους όπως υπεριώδους ορατού (UV-Vis), υπερύθρου μετασχηματισμού Fourier (FT-IR) και Raman, ενώ στοιχεία για το μέγεθος και τη μορφολογία τους ελήφθησαν από μετρήσεις δυναμικής σκέδασης φωτός (DLS) και της μικροσκοπίας TEM. Τα AgNPs που παρήχθησαν από αυτή τη μέθοδο, είναι σφαιρικά με μέγεθος που κυμαίνεται από 63 έως 108 nm ανάλογα με το χρησιμοποιούμενο αναγωγικό μέσο, με πολύ ικανοποιητικό δείκτη πολυδιασποράς (από 0.22 έως 0.40) και υψηλές τιμές ζ-δυναμικού (-27.3 έως -40.6 mV) ενδεικτικές της υψηλής σταθερότητας της διασποράς. Από τα φασματοσκοπικά δεδομένα, προέκυψε ο προτεινόμενος μηχανισμός δράσης των ΙΥ στην αναγωγή του αργύρου και στη σταθεροποίηση των AgNPs. Σύμφωνα με το μηχανισμό αυτό, τα φαινολικά οξέα μετατρέπονται στις αντίστοιχες κινόνες, οι οποίες στη συνέχεια προσροφώνται στην επιφάνεια των AgNPs δημιουργώντας ένα προστατευτικό φιλμ που αποτρέπει τη συσσωμάτωσή τους. Η μέθοδος που αναπτύχθηκε εμφανίζει σημαντικά πλεονεκτήματα όπως επαναληψιμότητα, ουδέτερες συνθήκες, ταυτόχρονη δράση των ΠΙΥ ως αναγωγικών και σταθεροποιητικών παραγόντων και σταθερότητα της διασποράς των AgNPs.