сорастворитель
В химии сорастворители — это вещества, добавляемые к основному растворителю в небольших количествах для повышения растворимости плохорастворимого соединения . Их использование наиболее распространено в химических и биологических исследованиях, связанных с фармацевтикой и пищевой наукой, где спирты часто используются в качестве сорастворителей в воде (часто менее 5% по объему). [ 1 ] ) для растворения гидрофобных молекул во время экстракции, скрининга и приготовления препарата. Сорастворители находят применение также в химии окружающей среды и известны как эффективные средства борьбы с загрязняющими жидкостями неводной фазы. [ 2 ] а также в производстве функциональных энергетических материалов [ 3 ] [ 4 ] и синтез биодизеля. [ 5 ] [ 6 ]
Тема совместной растворимости привлекла внимание многих теоретиков и исследователей-практиков, которые стремятся предсказать растворимость соединений с использованием систем сорастворителей, и является предметом значительных исследований в научной литературе. Существуют исследования, предлагающие и рассматривающие методы моделирования совместной платежеспособности с использованием расчета, [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] описать эмпирические корреляции сорастворителей и наблюдаемых явлений сольватации, [ 10 ] [ 11 ] и сообщить о полезности систем сорастворителей в различных областях. [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 12 ]
В фармацевтике
[ редактировать ]Давние задачи фармацевтической химии включают преодоление присущей определенным молекулам гидрофобности/липофильности для лечения и поиск эффективных процедур синтеза сложных молекул. Сорастворители могут помочь исследователям как в разработке, так и в синтезе.
Формулировка
[ редактировать ]В фармацевтической химии существует множество методов, помогающих солюбилизировать плохо растворимые в воде лекарства для использования в лечении. Эти методы включают сорастворяемость, гидротропизм, комплексообразование, ионизацию и использование поверхностно-активных веществ. Наиболее распространенным является применение нетоксичных сорастворителей с водой для получения составов, способных растворять гидрофобные молекулы, сохраняя при этом сцепление с биологическими системами. Обычными сорастворителями для этой цели являются этанол, пропиленгликоль, глицерин, гликофурол и полиэтиленгликоли. [ 7 ] Влияние совместной растворимости на солюбилизацию лекарств может быть значительным, о чем свидетельствует исследование 2009 года, в котором исследователи из Пенджабского университета показали, что растворимость различных противодиабетических препаратов увеличивается более чем в 500 раз при использовании сорастворителя. [ 13 ]
Синтез
[ редактировать ]Сорастворители оказываются полезными как в синтетических приложениях, так и в рецептурах. Системы сорастворителей обычно специфичны для изучаемой синтетической мишени, поэтому здесь рассматриваются обобщенные результаты нескольких публикаций, которые иллюстрируют важные моменты по этому вопросу:
В рамках проекта 2017 года исследователи из Корнельского университета изучили эффект совместной растворимости при енолизации оксазолидинона, опосредованной гексаметилдисилазидом лития (LiHMDS). Этот путь реакции был проиллюстрирован группой по синтезу филибувира, препарата, используемого для лечения гепатита С, который производится в заводских масштабах компанией Pfizer. [ 14 ] Исследователи сосредоточены в первую очередь на образовании полимеров в системах тетрагидрофурана с углеводородными сорастворителями и обнаруживают, что скорость сильно зависит от используемого сорастворителя. Среди других результатов исследование приходит к выводу, что выбор сорастворителя имеет острую важность в фармацевтической промышленности, где процентный выход, следовые примеси и методы обработки имеют химическое, финансовое и токсикологическое значение. Однако исследователи отмечают, что механизмы, вызывающие эти эмпирические различия в системах сорастворителей, еще недостаточно изучены.
В статье исследователей из Университета Хоккайдо, опубликованной в 2016 году, описывается механизм бензилирования гидроксильных групп при использовании сорастворителя при синтезе производных сахарозы. [ 15 ] Группа сообщает о методе, с помощью которого реакция бензилирования, эмпирически с низким выходом и со значительным образованием побочных продуктов из-за, как правило, низкой реакционной способности целевой 1'-гидроксильной группы в сахарозе, проводилась с выходами до 95% с превосходной селективностью в отношении синтетическая молекула. Они достигли такого результата, используя систему сорастворителей, состоящую из гексанов и метиленхлорида, и экстраполировали метод, включив в него ряд субстратов бензилгалогенида, а также спирты, глюкозу и производные рибозы. Это исследование является одним из многих, где выходы реакций в органическом синтезе могут быть оптимизированы путем применения систем полярных/неполярных сорастворителей.
Сорастворители также играют роль в биохимической дисциплине: исследование, проведенное в 2012 году исследователями Южно-Китайского технологического университета, показывает, как можно оптимизировать параметры сорастворителей для получения более высоких выходов в реакциях, катализируемых ферментами. [ 16 ] В частности, группа изучила катализируемый мукой из семян чернослива синтез биоактивного антидепрессанта салидрозида и обнаружила, что использование диацетата этиленгликоля в сочетании с ионным жидким сорастворителем обеспечивает увеличение выхода продукта до 50%. Использование ионных жидкостей в качестве сорастворителей в этом и многих подобных исследованиях демонстрирует изменчивость этой методологии, где системы сорастворителей могут выходить за рамки стандартных соглашений о полярных и неполярных растворителях, влияя на изменения на механистическом уровне.
В экологической химии
[ редактировать ]Уже давно сообщается, что сорастворители являются эффективными инструментами в химии окружающей среды, как мощным средством устранения загрязнения, так и важными добавками при синтезе зеленых технологий, таких как солнечные элементы, биотопливо и сорбенты. В некоторых случаях использование сорастворителей также позволяет достичь широкой цели в области зеленой химии: сократить использование нерациональных растворителей за счет повышения растворимости субстрата или предоставления более экологически чистых альтернатив.
Исправление
[ редактировать ]
В контексте очистки водных загрязнителей сорастворители могут использоваться для выполнения различных функций, в том числе для улучшения характеристик поверхностно-активных веществ, увеличения растворимости жидкости неводной фазы (NAPL) и физической мобилизации NAPL за счет уменьшения межфазного натяжения между водная и органическая фазы. [ 17 ] Из-за токсикологических проблем основными средствами, используемыми для очистки, являются водные растворы спиртов с концентрацией 1-5% по объему, которые можно промыть через загрязненный участок, а затем извлечь из основного объема воды. Это «затопление сорастворителем» (называемое затоплением спиртом при использовании> 5% по объему) часто сочетается с изменением солености, химическим окислением на месте и изменением температуры, чтобы обеспечить наиболее эффективные методы удаления NAPL из источника воды. [ 18 ] Промывка на месте — это процесс, посредством которого почва обеззараживается аналогично водной среде. [ 19 ]
Осложнения, возникающие при использовании спиртовых сорастворителей при водной очистке, включают образование макроэмульсий, десорбцию органических загрязнителей из твердых веществ водоносного горизонта, а также появление токсичности, воспламеняемости и взрывоопасности при более высоких концентрациях. [ 17 ]
Зеленые технологии
[ редактировать ]Универсальная и изменчивая природа сорастворителей позволила использовать их во многих приложениях, касающихся экологически чистых технологий. Одним из таких применений является обработка полимерных солнечных элементов, где сорастворители признаны важными добавками для уменьшения фазового разделения основного растворителя на капли, что нарушает непрерывность образца и приводит к менее благоприятной морфологии. [ 20 ] В большинстве случаев сорастворитель используется в концентрации 1–10% по объему и действует, стимулируя агрегацию полимера либо на стадии литья, либо на стадии испарения раствора. Хотя использование сорастворителей в этом контексте практически повсеместно в исследованиях органических солнечных элементов, по-прежнему отсутствует понимание динамических процессов, с помощью которых совместная растворимость достигает такого эффекта. [ 3 ] [ 4 ] [ 20 ]
Сорастворители также играют важную роль в производстве биотоплива из разнообразной биомассы. Например, было обнаружено, что при попытках превратить отработанное подсолнечное масло в биодизельное топливо посредством переэтерификации использование сорастворителя в метаноле привело к повышению конверсии продукта с 78% до почти полного завершения в короткие сроки. [ 21 ] В другом примере было обнаружено, что смесь тетрагидрофурана и воды невероятно эффективна при экстракции лигнина из биомассы с получением сбраживаемых сахаров, несмотря на то, что и ТГФ, и вода являются плохими растворителями для этой цели. [ 22 ] Упрощая процедуры синтеза и обработки для этих и других развивающихся экологически чистых технологий, сорастворители сокращают отходы из-за потери урожая, плохой растворимости субстратов и избыточной обработки. С течением времени разрабатываются еще более совершенные системы и изучаются целенаправленные исследования более экологичных сорастворителей. [ 23 ]
Аппроксимация эффектов сорастворителя
[ редактировать ]Существует множество моделей для описания и прогнозирования воздействия сорастворителей. В значительной степени опираясь на применение математических моделей и химической теории, эти модели варьируются от простых до относительно сложных. Первая модель, к тому же самая простая, используется до сих пор: модель Ялковского. [ 7 ] Модель Ялковского использует правило алгебраического смешивания или лог-линейную модель:
- logX m = ƒ 1 logX 1 + ƒ 2 logX 2
Где X m представляет собой растворимость мольной доли растворенного вещества, X 1 и X 2 обозначают растворимость мольной фракции в чистом сорастворителе и воде.
Хотя эта модель носит лишь корреляционный характер, дальнейший анализ позволяет создать прогнозирующий элемент. Упрощая приведенное выше уравнение до:
- logX m = logX 2 + σ • ƒ 1
Где σ представляет собой солюбилизирующую способность сорастворителя и теоретически равна log(X 1 /X 2 ).
Можно включить работу Валвани и др., которая показывает:
Где M и N — константы сорастворителя, которые не зависят от природы растворенного вещества и приведены в таблицах для многих широко используемых сорастворителей. Эти преобразования эффективно превращают лог-линейную модель Ялковского в прогностическую модель, в которой исследователь может с достаточной точностью предсказать концентрацию сорастворителя для солюбилизации соединения, используя только данные о растворимости в воде. [ 7 ] Для более глубокого обсуждения систем моделирования сорастворителей читателю рекомендуется обратиться к обзорам Жуибана (2008): [ 7 ] Смит и Мазо (2008), [ 8 ] а в биохимическом контексте — Канчи и Гарсия (2013). [ 9 ]
Более простой подход к выбору сорастворителей предполагает рассмотрение измеримых свойств различных систем сорастворителей и принятие решения на основе эмпирических данных. Исследователи из Университета Аризоны и Университета Висконсин-Мэдисон рассматривают ряд параметров в статье по экологической токсикологии и химии. [ 24 ] среди них коэффициент распределения, поверхностное натяжение, диэлектрическая проницаемость, межфазное натяжение и другие. Используя нафталин в качестве типичного случая солюбилизации гидрофобных органических соединений (HOC), авторы сообщают, что большинство наиболее часто используемых параметров не могут точно описать растворимость, включая диэлектрическую проницаемость, коэффициент распределения и поверхностное натяжение. Вместо этого они обнаружили, что параметр растворимости Хильдебранда E t (30) и межфазное натяжение более благоприятно коррелируют с эмпирическими тенденциями. Практикующему химику следует учитывать эти результаты при разработке системы сорастворителей для заданной цели.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Ши, Джон. Функциональные пищевые ингредиенты и нутрицевтики: технологии переработки , 1-е изд. CRC Press: Бока-Ратон, 2007 г.
- ^ Jump up to: а б Уорд, Ч.Х., Убре, К.Л., Лоу, Д.Ф. Поверхностно-активные вещества и сорастворители для устранения NAPL. Руководство по технологической практике, 1-е изд. CRC Press: Бока-Ратон, 1999 .
- ^ Jump up to: а б с Халим, Удаябагья; Чжэн, Чу Ран; Чен, Ю; Линь, Чжаоян; Цзян, Шан; Ченг, Руи; Хуан, Ю; Дуань, Сянфэн (30 июля 2013 г.). «Рациональный дизайн расслаивания слоистых материалов сорастворителем путем непосредственного исследования взаимодействия жидкость-твердое тело» . Природные коммуникации . 4 : 2213. Бибкод : 2013NatCo...4.2213H . дои : 10.1038/ncomms3213 . ПМК 4249658 . ПМИД 23896793 .
- ^ Jump up to: а б с Паскуаль, Хорхе; Коста, Ивет; Паласиос-Лидон, Элиза; Чувилин Андрей; Гранчини, Джулия; Назируддин, Мохаммад Хаджа; Гранде, Ханс Дж.; Дельгадо, Хуан Луис; Тена-Заэра, Рамон (08 февраля 2018 г.). «Эффект сорастворителя при обработке пленок смеси перовскит:фуллерен для солнечных элементов без слоев транспорта электронов» . Журнал физической химии C. 122 (5): 2512–2520. дои : 10.1021/acs.jpcc.7b11141 . ISSN 1932-7447 .
- ^ Чуэлуеча, Нут; Каевчада, Амарапорн; Джари, Аттасак (2017). «Улучшение синтеза биодизеля с использованием сорастворителя в насадочном микроканале». Журнал промышленной и инженерной химии . 51 : 162–171. дои : 10.1016/j.jiec.2017.02.028 .
- ^ Литтелл, М.Дж. Влияние исходного сорастворителя на синтез биодизеля посредством гетерогенного катализа. доктор философии Диссертация, Университет Теннесси. 2015 .
- ^ Jump up to: а б с д и Джуйбан, Аболгасем (20 февраля 2008 г.). «Обзор моделей сорастворимости для прогнозирования растворимости лекарственных средств в водно-сорастворительных смесях» . Журнал фармации и фармацевтических наук . 11 (1): 32–58. дои : 10.18433/j3pp4k . ISSN 1482-1826 . ПМИД 18445363 .
- ^ Jump up to: а б Смит, Пол Э.; Мазо, Роберт М. (1 июля 2008 г.). «К теории растворимости растворимых веществ в смешанных растворителях» . Журнал физической химии Б. 112 (26): 7875–7884. дои : 10.1021/jp712179w . ISSN 1520-6106 . ПМК 2525813 . ПМИД 18529024 .
- ^ Jump up to: а б Канчи, Дипак Р.; Гарсия, Анхель Э. (01 апреля 2013 г.). «Влияние сорастворителя на стабильность белка». Ежегодный обзор физической химии . 64 (1): 273–293. Бибкод : 2013ARPC...64..273C . doi : 10.1146/annurev-physchem-040412-110156 . ISSN 0066-426X . ПМИД 23298246 .
- ^ Хо, Фэн; Лю, Чжипин; Ван, Вэньчуань (3 октября 2013 г.). «Сорастворитель или антирастворитель? Молекулярный взгляд на границу раздела между ионными жидкостями и целлюлозой при добавлении другого молекулярного растворителя». Журнал физической химии Б. 117 (39): 11780–11792. дои : 10.1021/jp407480b . ISSN 1520-6106 . ПМИД 24010550 .
- ^ ван дер Вегт, Нико Ф.А.; Наяр, Дивья (2 ноября 2017 г.). «Гидрофобный эффект и роль сорастворителей» . Журнал физической химии Б. 121 (43): 9986–9998. doi : 10.1021/acs.jpcb.7b06453 . ISSN 1520-6106 . ПМИД 28921974 .
- ^ Бреслоу, Рональд; Гроувс, Кевин; Майер, М. Ульяна (1 июля 1999 г.). «Антигидрофобные эффекты сорастворителя в реакциях органического замещения». Органические письма . 1 (1): 117–120. дои : 10.1021/ol990037s . ISSN 1523-7060 . ПМИД 10822546 .
- ^ Сидхер, Н., Каноджиа, М. Солюбилизация некоторых плохо растворимых противодиабетических препаратов в растворителях. Фарм. Дев. Технол. 2009 , 14(2), 185-192. DOI: 10.1080/10837450802498894.
- ^ Рейес-Родригес, Габриэль Х.; Алжир, Рассел Ф.; Коллум, Дэвид Б. (25 января 2017 г.). «Енолизация ацилированных оксазолидинонов, опосредованная гексаметилдисилазидом лития: влияние растворителя, сорастворителя и изотопа на конкурирующие пути на основе мономеров и димеров» . Журнал Американского химического общества . 139 (3): 1233–1244. дои : 10.1021/jacs.6b11354 . ISSN 0002-7863 . ПМК 6059651 . ПМИД 28080036 .
- ^ Ван, Л., Хашидоко, Ю., Хашимото, М. О-бензилирование с помощью совместного растворителя с оксидом серебра (I): синтез 1'-бензилированных производных сахарозы, механистические исследования и исследование объема. Дж. Орг. хим. 2016 , 81(11), 4464-4474. DOI: 10.1021/acs.joc.6b00144.
- ^ Ян, Р.Л., Ли, Н., Зонг, М.Х. Использование ионных жидких сорастворителей для улучшения ферментативного синтеза арилалкил-β-D-глюкопиранозидов. Дж. Мол. Кот. Б. 2012 , 74, 24-28. DOI: 10.1016/j.molcatb.2011.08.009.
- ^ Jump up to: а б Купер Б., Вятт К., Питтс М., Сейл Т., Симпкин Т. Руководство по технологической практике поверхностно-активных веществ и сорастворителей, 2-е изд. CH2M HILL: Хьюстон, 1997 г.
- ^ Дуган, Памела Дж.; Зигрист, Роберт Л.; Крими, Мишель Л. (01 июня 2010 г.). «Сочетание поверхностно-активных веществ/сорастворителей с окислителями для усиленного удаления ДНКПЛ: обзор». Журнал исправлений . 20 (3): 27–49. дои : 10.1002/rem.20249 . ISSN 1520-6831 .
- ^ КЛУ-ИН. Промывка на месте. Агентство по охране окружающей среды США, 2017 г.
- ^ Jump up to: а б Франекер, Якобус Дж. ван; Тюрбье, Матье; Ли, Вэйвэй; Венк, Мартин М.; Янссен, Рене А.Дж. (6 февраля 2015 г.). «Исследование в режиме реального времени преимуществ сорастворителей при обработке полимерных солнечных элементов» (PDF) . Природные коммуникации . 6 : 6229. Бибкод : 2015NatCo...6.6229V . дои : 10.1038/ncomms7229 . ПМИД 25656313 .
- ^ Гуань, Гоцин; Сакураи, Нозоми; Кусакабе, Кацуки (2009). «Синтез биодизеля из подсолнечного масла при комнатной температуре в присутствии различных сорастворителей». Химико-технологический журнал . 146 (2): 302–306. дои : 10.1016/j.cej.2008.10.009 .
- ^ Смит, Миколас Дин; Мостофян, Бармак; Ченг, Сяолинь; Петридис, Лукас; Кай, Чарльз М.; Вайман, Чарльз Э.; Смит, Джереми К. (29 февраля 2016 г.). «Предварительная обработка сорастворителем при производстве целлюлозного биотоплива: влияние тетрагидрофурана-воды на структуру и динамику лигнина» . Зеленая химия . 18 (5): 1268–1277. дои : 10.1039/c5gc01952d . ISSN 1463-9270 . S2CID 14042376 .
- ^ Гейл, Элла; Вираван, Ремигиус Х.; Сильвейра, Родриго Л.; Перейра, Кэролайн С.; Джонс, Маркус А.; Скаф, Мунир С.; Скотт, Джанет Л. (07 ноября 2016 г.). «Направленное открытие более экологичных сорастворителей: новые сорастворители для использования в растворах органических электролитов на основе ионных жидкостей для растворения целлюлозы» . ACS Устойчивая химия и инженерия . 4 (11): 6200–6207. doi : 10.1021/acssuschemeng.6b02020 . hdl : 1983/a3721e56-521e-48e7-995a-250c0e89d1cb . S2CID 99082596 .
- ^ Ли, А., Андрен, А.В., Ялковский, С.Х. Выбор сорастворителя: солюбилизация нафталина и свойства сорастворителя. Окружающая среда. Токсикол. Хим . 1996 , 15, 2233-2239.