DOI: https://doi.org/10.1016/j.molliq.2024.125599
تاريخ النشر: 2024-07-23
المؤلف: Miriana Kfoury وآخرون
الموضوع الرئيسي: خصائص السوائل الأيونية وتطبيقاتها
نظرة عامة
تقدم هذه القسم نظرة شاملة على التحديات والاستراتيجيات المرتبطة بتحسين الذوبانية المائية للسيكلودكسترين (CDs)، وخاصة β-CD، الذي لديه ذوبانية محدودة تبلغ 18.5 جرام/لتر عند 25 درجة مئوية. على الرغم من خصائصها المفيدة كعوامل معقدة، فإن الذوبانية المنخفضة تحد من تطبيقاتها الأوسع. تم استكشاف طرق متنوعة لتحسين الذوبانية، بما في ذلك استخدام الأملاح غير العضوية، والهيدروتروبيات العضوية، والأحماض، والقواعد، والسوائل الأيونية (ILs)، والمذيبات العميقة eutectic (DESs). ومن الجدير بالذكر أن DESs أظهرت إمكانات كبيرة، حيث حققت مستويات ذوبانية لـ β-CD تصل إلى 1000 جرام/لتر عند 20 درجة مئوية، بينما تعالج أيضًا المخاوف البيئية المرتبطة بالمذيبات التقليدية.
تسلط المراجعة الضوء على الفجوات الحرجة في الأدبيات الحالية، وخاصة الحاجة إلى دراسات محدثة تستخدم تقنيات متقدمة وCDs نقية، حيث أن معظم البيانات تعود إلى ما قبل عام 2000. تؤكد على أهمية دراسة الذوبانية المعتمدة على درجة الحرارة والمعلمات الديناميكية الحرارية (ΔG، ΔH، وΔS) للتنبؤ بالسلوك تحت ظروف التطبيق. بالإضافة إلى ذلك، فإن شيخوخة الخلطات وسعة الاحتواء لـ CDs عند مستويات ذوبانية مرتفعة لا تزال غير مستكشفة. تشير النتائج إلى أنه على الرغم من أن استراتيجيات متنوعة كانت فعالة، إلا أن هناك حاجة إلى نهج أكثر منهجية لتحسين عملية الذوبان، خاصة في سياق DESs، التي قد تقدم طريقًا واعدًا لتعزيز فائدة CDs في تطبيقات متنوعة.
مقدمة
تناقش مقدمة الورقة السيكلودكسترين (CDs)، وهي جزيئات مضيفة تحدث بشكل طبيعي مشتقة من النشا، تتكون بالكامل من وحدات جلوكوز مرتبطة بواسطة روابط جليكوسيدية α-1,4. تعتبر CDs مهمة في الكيمياء فوق الجزيئية بسبب هيكلها الفريد، الذي يتميز بسطح محب للماء وتجويف مركزي كاره للماء يسهل تشكيل معقدات إدماج مع جزيئات الضيف. يمكن أن تعزز هذه الاحتواءات خصائص متنوعة للضيف، بما في ذلك الذوبانية، والاستقرار، والتوافر البيولوجي. تشير الورقة إلى الاهتمام الواسع بـ CDs، مع أكثر من 630,000 منشور وحجم سوق عالمي يتجاوز 260 مليون دولار في عام 2020، ومن المتوقع أن ينمو بمعدل نمو سنوي مركب يزيد عن 5.5% حتى عام 2027.
تسلط المقدمة الضوء أيضًا على التحديات المرتبطة بملفات الذوبانية لـ CDs، التي تتأثر بعوامل مثل نوع المذيب، ودرجة الحموضة، والملوحة، ودرجة حرارة التخزين. تشير إلى أنه عند تركيزات أعلى، قد تتجمع CDs، مما يحد من فعاليتها والإنتاج القابل للتحقيق. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تؤدي وجود المواد المضافة والمذيبات في التركيبات إلى تشكيل معقدات متعددة المكونات قد تغير استقرار معقد الإدماج المطلوب. يؤكد المؤلفون على الحاجة إلى اعتبار دقيق لهذه العوامل للحفاظ على فعالية CDs في التطبيقات التجارية، حيث أن الدراسات الأساسية غالبًا ما تستخدم حلول مثالية لا تعكس تعقيدات التركيبات في العالم الحقيقي. تهدف الورقة إلى مراجعة الأدبيات الحالية واستكشاف استراتيجيات جديدة لتعزيز ذوبانية CDs الأصلية وسعة احتوائها.
نقاش
تسلط قسم النقاش في الورقة البحثية الضوء على الذوبانية المائية المتفاوتة للسيكلودكسترين (CDs)—α-CD، β-CD، وγ-CD—التي تعزى إلى قدراتها الفريدة في تكوين الروابط الهيدروجينية. يمكن لكل وحدة جلوكوز في CD أن تشكل روابط هيدروجينية متعددة بين الجزيئات مع الماء، مما يخلق غلاف ترطيب. ومن الجدير بالذكر أن β-CD تظهر أقل ذوبانية بسبب الروابط الهيدروجينية الداخلية الأكثر استقرارًا، التي تعيق الترطيب وتساهم في هيكلها الأكثر صلابة. تناقش الورقة أيضًا التكتل الذاتي لـ CDs الأصلية في تجمعات نانوية، والتي يمكن أن تتأثر بالتركيز ودرجة الحرارة، مع زيادة الذوبانية عند درجات حرارة أعلى. تكشف الديناميكا الحرارية للذوبان أن β-CD لديها إنثالبي واعتباطية ذوبان أقل ملاءمة مقارنة بـ α-CD وγ-CD، مما يفسر أيضًا ذوبانها المنخفض.
تتوسع القسم في تأثيرات المواد المضافة المختلفة على ذوبانية CD. يمكن أن تعزز الأملاح غير العضوية ذوبانية β-CD، حيث يختلف درجة التعزيز حسب نوع الملح والتركيز، ويتأثر بشكل خاص بالأنيونات. يظهر أن اليوريا تزيد من ذوبانية β-CD وγ-CD بينما تقلل من ذوبانية α-CD، على الأرجح بسبب خصائصها التي تكسر الهيكل والتي تعطل شبكة الروابط الهيدروجينية للماء. تفاعل CDs مع المذيبات العضوية معقد، حيث تظهر CDs عمومًا ذوبانية منخفضة في المذيبات العضوية الشائعة، على الرغم من أن بعض الخلطات يمكن أن تعزز الذوبانية. يتناول النقاش أيضًا إمكانيات السوائل الأيونية والمذيبات العميقة eutectic لتحسين ذوبانية CD، مع التأكيد على أهمية خصائص المذيب والتفاعلات في تحديد فعالية الذوبان. بشكل عام، تؤكد النتائج على التوازن المعقد بين العوامل الهيكلية والبيئية التي تؤثر على ذوبانية CD، وهو أمر حاسم لتطبيقاتها في مجالات متنوعة.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.molliq.2024.125599
Publication Date: 2024-07-23
Author(s): Miriana Kfoury et al.
Primary Topic: Ionic liquids properties and applications
Overview
The section provides a comprehensive overview of the challenges and strategies associated with enhancing the aqueous solubility of cyclodextrins (CDs), particularly β-CD, which has a limited solubility of 18.5 g/L at 25 °C. Despite their advantageous properties as complexing agents, the low solubility restricts their broader application. Various methods have been explored to improve solubility, including the use of inorganic salts, organic hydrotropes, acids, bases, ionic liquids (ILs), and deep eutectic solvents (DESs). Notably, DESs have shown significant potential, achieving solubility levels for β-CD as high as 1000 g/L at 20 °C, while also addressing environmental concerns associated with traditional solvents.
The review highlights critical gaps in the existing literature, particularly the need for updated studies utilizing advanced techniques and purified CDs, as much of the data predates 2000. It emphasizes the importance of investigating temperature-dependent solubilities and thermodynamic parameters (ΔG, ΔH, and ΔS) to predict behavior under application conditions. Additionally, the aging of mixtures and the encapsulation capacity of CDs at elevated solubility levels remain unexplored. The findings suggest that while various strategies have been effective, a more systematic approach is necessary to optimize the solubilization process, particularly in the context of DESs, which may offer a promising avenue for enhancing the utility of CDs in various applications.
Introduction
The introduction of the paper discusses cyclodextrins (CDs), which are naturally occurring host molecules derived from starch, composed entirely of glucose units linked by α-1,4 glycosidic bonds. CDs are significant in supramolecular chemistry due to their unique structure, featuring a hydrophilic exterior and a hydrophobic central cavity that facilitates the formation of inclusion complexes with guest molecules. This encapsulation can enhance various properties of the guest, including solubility, stability, and bioavailability. The paper notes the extensive interest in CDs, with over 630,000 publications and a global market size exceeding $260 million in 2020, projected to grow at a compound annual growth rate of over 5.5% until 2027.
The introduction further highlights the challenges associated with the solubility profiles of CDs, which are influenced by factors such as solvent type, pH, salinity, and storage temperature. It points out that at higher concentrations, CDs may aggregate, limiting their effectiveness and the achievable output. Additionally, the presence of excipients and solvents in formulations can lead to the formation of multicomponent complexes that may alter the stability of the desired inclusion complex. The authors emphasize the need for careful consideration of these factors to maintain the efficacy of CDs in commercial applications, as fundamental studies often utilize ideal solutions that do not reflect the complexities of real-world formulations. The paper aims to review existing literature and explore new strategies to enhance the solubility of native CDs and their encapsulation capacity.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the varying aqueous solubility of cyclodextrins (CDs)—α-CD, β-CD, and γ-CD—attributed to their unique hydrogen bonding capabilities. Each glucose unit in a CD can form multiple intermolecular hydrogen bonds with water, creating a hydration shell. Notably, β-CD exhibits the lowest solubility due to more stable intramolecular hydrogen bonds, which hinder hydration and contribute to its stiffer structure. The paper also discusses the self-association of native CDs into nanoscale aggregates, which can be influenced by concentration and temperature, with solubility increasing at higher temperatures. The dissolution thermodynamics reveal that β-CD has less favorable dissolution enthalpy and entropy compared to α-CD and γ-CD, further explaining its lower solubility.
The section elaborates on the effects of various additives on CD solubility. Inorganic salts can enhance β-CD solubility, with the degree of enhancement varying by salt type and concentration, particularly influenced by anions. Urea is shown to increase the solubility of β-CD and γ-CD while decreasing that of α-CD, likely due to its structure-breaking properties that disrupt water’s hydrogen bonding network. The interaction of CDs with organic solvents is complex, as CDs generally show low solubility in common organic solvents, although certain mixtures can enhance solubility. The discussion also touches on the potential of ionic liquids and deep eutectic solvents to improve CD solubility, emphasizing the importance of solvent properties and interactions in determining solubilization efficacy. Overall, the findings underscore the intricate balance of structural and environmental factors affecting CD solubility, which is crucial for their application in various fields.