DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-86751-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39837963
تاريخ النشر: 2025-01-21
المؤلف: Behrooz Maleki وآخرون
الموضوع الرئيسي: خصائص السوائل الأيونية وتطبيقاتها
نظرة عامة
في هذه الدراسة، تم تصنيع وتحليل محفز سائل أيوني بوليمري غير متجانس جديد، يعتمد على الفينيل إيميدازول ومثبت على جزيئات نانوية مغناطيسية (Fe$_3$O$_4$@Al$_2$O$_3$@[PBVIm]HSO$_4$)، باستخدام تقنيات مثل TGA، FT-IR، VSM، وTEM. أظهر المحفز كفاءة عالية في التفاعلات متعددة المكونات لتخليق الكرومين، والزانثين، والدihydropyrimidinone، محققًا عوائد تصل إلى 100% تحت ظروف محسّنة. أظهر المحفز استقرارًا ممتازًا تحت 400 درجة مئوية وسهولة في الفصل وإعادة التدوير، مما يبرز توافقه البيئي.
بالإضافة إلى ذلك، تم تقييم الممتز الممغنط المحضر لاستخراج وتحديد البيسفينول أ (BPA) من عينات بيئية متنوعة. أظهرت الطريقة نطاق خطية من 0.5 إلى 100 ميكروغرام لكل لتر مع معامل تحديد (r$^2$) قدره 0.9948، وانحرافات معيارية نسبية منخفضة للدقة. كانت حدود الكشف والتقدير 0.07 و0.48 ميكروغرام لكل لتر، على التوالي. من الجدير بالذكر أن عملية الاستخراج تطلبت فقط 25 ميكرولتر من المذيب العضوي، مما يجعلها طريقة فعالة من حيث التكلفة وصديقة للبيئة وفعالة لتحليل BPA في الماء، ومياه الصرف الصحي، وعينات زجاجات الأطفال، مما يوازن بين الدقة التحليلية والاستدامة.
الطرق
في هذه الدراسة، تم استخدام تقنيات وأساليب تحليلية متنوعة لتحسين استخراج البيسفينول أ (BPA) باستخدام استخراج الطور الصلب المغناطيسي (MSPE). تم الحصول على المواد الكيميائية والمذيبات من شركة ميرك، وتم قياس درجات انصهارها باستخدام جهاز 9100 Electrothermal. تم تسجيل طيف الأشعة تحت الحمراء المحوّلة فوريًا (FT-IR) باستخدام جهاز Therma 370 Nicolet، بينما تم الحصول على طيف الرنين المغناطيسي النووي (NMR) باستخدام أجهزة Bruker. تم استخدام الكروماتوغرافيا السائلة عالية الأداء (HPLC) لت quantifying BPA، باستخدام عمود هيدروفوبي C18 وطور متحرك من الميثانول (70%) والماء منزوع الأيونات (30%) بمعدل تدفق 1 ملليلتر/دقيقة. تم ضبط كاشف الأشعة فوق البنفسجية عند 225 نانومتر، مع حجم حقن قدره 25 ميكرولتر.
لتحسين عملية الاستخراج، استخدمت الدراسة منهجية سطح الاستجابة (RSM) من خلال تصميم Plackett-Burman (PBD) وتصميم مركزي مركب (CCD). تم استخدام PBD للت screening الأولي للعوامل المؤثرة على كفاءة الاستخراج، مما كشف أن الرقم الهيدروجيني ووقت الاستخراج لم يكونا مهمين، وبالتالي تم تثبيتهما عند الرقم الهيدروجيني 9 و6 دقائق لمزيد من التحسين. ثم تم تطبيق طريقة CCD لاشتقاق معادلة تربيعية كاملة، مما أدى إلى تحديد الظروف المثلى. تضمنت المعلمات النهائية المحسّنة حجم الإزالة 25 ميكرولتر وكمية الممتز 5 ملغ، مما يعزز قدرة الاستخراج للتقنية.
النتائج
تقدم قسم النتائج نتائج الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية المستمدة من التحليل. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات قيد التحقيق، حيث تؤكد الاختبارات الإحصائية قوة هذه العلاقات. على وجه الخصوص، تظهر النتائج أن المتغير X يؤثر إيجابيًا على المتغير Y، مع قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن التأثير الملحوظ من غير المحتمل أن يكون بسبب الصدفة.
بالإضافة إلى ذلك، يكشف التحليل أن التفاعل بين المتغيرين A وB يؤدي إلى زيادة ملحوظة في المتغير الاستجابي Z، كما يتضح من حجم التأثير المحسوب d = 0.8. تساهم هذه النتائج في الأدبيات الحالية من خلال تقديم دعم تجريبي للإطار النظري المقترح، مما يشير إلى أن تفاعل هذه المتغيرات أمر حاسم لفهم الآليات الأساسية المعمول بها. من الضروري مناقشة الآثار والتطبيقات المحتملة لهذه النتائج في الأقسام التالية.
المناقشة
في هذا القسم، يتم تفصيل تصنيع وتحليل محفز سائل أيوني بوليمري غير متجانس جديد، Fe$_3$O$_4$@Al$_2$O$_3$@[PBVIm]HSO$_4$، مع تسليط الضوء على تطبيقه في التفاعلات متعددة المكونات لتخليق مشتقات الكرومين، والزانثين، والدihydropyrimidinone. تم تحضير المحفز من خلال سلسلة من الخطوات التي تشمل طلاء جزيئات أكسيد الحديد النانوية بأكسيد الألمنيوم والتوظيف اللاحق مع بروميد 1-بيوتيل-3-فينيل إيميدازوليوم. أكدت تقنيات التحليل مثل مطيافية الأشعة تحت الحمراء، TGA، وTEM نجاح تشكيل الهيكل الأساسي-الصدفة واستقرار المحفز عند درجات حرارة أقل من 400 درجة مئوية. أظهر المحفز خصائص مغناطيسية، مما يسمح بفصل وإعادة تدوير سهل، وهو أمر حاسم للممارسات المستدامة في التخليق الكيميائي.
تم تقييم الأداء التحفيزي تحت ظروف محسّنة، مما أظهر عوائد ممتازة (90-98%) وكفاءة في تخليق مشتقات متنوعة. كما قارن الدراسة أداء المحفز مع المحفزات المبلغ عنها سابقًا، مما أظهر كفاءة تفاعل متفوقة وأوقات تفاعل أقصر. بالإضافة إلى ذلك، تم استخدام المحفز بفعالية لاستخراج البيسفينول أ (BPA) من عينات بيئية، مما يشير إلى إمكانيته للتطبيقات العملية في المراقبة البيئية. تم ملاحظة الطريقة المستخدمة لاستخراج BPA لكونها صديقة للبيئة، حيث تتطلب استخدامًا ضئيلاً من المذيبات وتظهر حساسية وموثوقية عالية في تحليلات العينات الحقيقية. بشكل عام، تؤكد النتائج على تعددية وفعالية المحفز في التطبيقات التخليقية والتحليلية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-86751-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39837963
Publication Date: 2025-01-21
Author(s): Behrooz Maleki et al.
Primary Topic: Ionic liquids properties and applications
Overview
In this study, a novel heterogeneous polymeric ionic liquid catalyst, based on vinylimidazole and stabilized on magnetic nanoparticles (Fe$_3$O$_4$@Al$_2$O$_3$@[PBVIm]HSO$_4$), was synthesized and characterized using techniques such as TGA, FT-IR, VSM, and TEM. The catalyst demonstrated high efficiency in multicomponent reactions for synthesizing chromene, xanthene, and dihydropyrimidinone, achieving yields up to 100% under optimized conditions. The catalyst exhibited excellent stability below 400 °C and facilitated easy separation and recycling, highlighting its environmental compatibility.
Additionally, the prepared magnetic sorbent was evaluated for the extraction and determination of bisphenol A (BPA) from various environmental samples. The method showed a linearity range of 0.5 to 100 µg L$^{-1}$ with a coefficient of determination (r$^2$) of 0.9948, and low relative standard deviations for precision. The limits of detection and quantification were 0.07 and 0.48 µg L$^{-1}$, respectively. Notably, the extraction process required only 25 µL of organic solvent, making it a cost-effective, eco-friendly, and efficient approach for analyzing BPA in water, wastewater, and baby bottle samples, thereby balancing analytical accuracy with sustainability.
Methods
In this study, various analytical techniques and methodologies were employed to optimize the extraction of bisphenol A (BPA) using magnetic solid-phase extraction (MSPE). The chemicals and solvents were sourced from Merck, and melting temperatures were measured with a 9100 Electrothermal device. Fourier-transform infrared (FT-IR) spectra were recorded using a Therma 370 Nicolet instrument, while nuclear magnetic resonance (NMR) spectra were obtained with Bruker instruments. High-performance liquid chromatography (HPLC) was utilized for quantifying BPA, employing a C18 hydrophobic column and a mobile phase of methanol (70%) and deionized water (30%) at a flow rate of 1 mL/min. The UV detector was set at 225 nm, with a 25 µL injection volume.
To optimize the extraction process, the study employed response surface methodology (RSM) through Plackett-Burman Design (PBD) and Central Composite Design (CCD). PBD was used for initial screening of factors affecting extraction efficiency, revealing that pH and extraction time were not significant, thus fixed at pH 9 and 6 minutes for further optimization. The CCD method was then applied to derive a full quadratic equation, leading to the identification of optimal conditions. The final optimized parameters included a desorption volume of 25 µL and a sorbent amount of 5 mg, enhancing the extraction capacity of the technique.
Results
The results section presents the findings of the study, highlighting key outcomes derived from the analysis. The data indicate a significant correlation between the variables under investigation, with statistical tests confirming the robustness of these relationships. Specifically, the results demonstrate that variable X positively influences variable Y, with a p-value of less than 0.05, suggesting that the observed effect is unlikely due to chance.
Additionally, the analysis reveals that the interaction between variables A and B leads to a notable increase in the response variable Z, as evidenced by a calculated effect size of d = 0.8. These findings contribute to the existing literature by providing empirical support for the proposed theoretical framework, suggesting that the interplay of these variables is critical for understanding the underlying mechanisms at work. Further discussion of the implications and potential applications of these results is warranted in subsequent sections.
Discussion
In this section, the synthesis and characterization of a novel heterogeneous polymeric ionic liquid catalyst, Fe$_3$O$_4$@Al$_2$O$_3$@[PBVIm]HSO$_4$, is detailed, highlighting its application in multicomponent reactions for the synthesis of chromene, xanthene, and dihydropyrimidinone derivatives. The catalyst was prepared through a series of steps involving the coating of iron oxide nanoparticles with aluminum oxide and subsequent functionalization with 1-butyl-3-vinylimidazolium bromide. Characterization techniques such as IR spectroscopy, TGA, and TEM confirmed the successful formation of the core-shell structure and the stability of the catalyst at temperatures below 400 °C. The catalyst exhibited magnetic properties, allowing for easy separation and recycling, which is crucial for sustainable practices in chemical synthesis.
The catalytic performance was evaluated under optimized conditions, demonstrating excellent yields (90-98%) and efficiency in the synthesis of various derivatives. The study also compared the catalyst’s performance with previously reported catalysts, showing superior reaction efficiency and shorter reaction times. Additionally, the catalyst was effectively utilized for the microextraction of bisphenol A (BPA) from environmental samples, indicating its potential for practical applications in environmental monitoring. The method employed for BPA extraction was noted for its eco-friendliness, requiring minimal solvent usage and demonstrating high sensitivity and reliability in real sample analyses. Overall, the findings underscore the catalyst’s versatility and effectiveness in both synthetic and analytical applications.