DOI: https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.5c00269
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40538470
تاريخ النشر: 2025-06-05
المؤلف: Sara Gracia-Barberán وآخرون
الموضوع الرئيسي: خصائص السوائل الأيونية وتطبيقاتها
نظرة عامة
تستقصي هذه الدراسة قابلية ذوبان الأحماض الهيدروكسي سيناميك – تحديدًا حمض الكوماريك، وحمض الفيروليك، وحمض الكافيك – في الإيثرات المشتقة من الجلسرين، والتي تُعرف بملفاتها البيئية السامة المواتية وخصائصها الفيزيائية الكيميائية القابلة للتعديل. تُظهر الأبحاث أن الإيثرات الأحادية والثنائية ذات السلاسل الألكيلية الأقصر تعزز بشكل كبير قابلية ذوبان هذه الأحماض مقارنة بالمذيبات التقليدية المشتقة من الوقود الأحفوري مثل الإيثيلين جلايكول والبروبلين جلايكول. تدعم النتائج نمذجة COSMO-RS، التي تشير إلى أن قدرة المذيبات على التبرع بروابط الهيدروجين والقطبية-القطبية هي عوامل حاسمة في تعزيز الذوبان. بالإضافة إلى ذلك، تؤكد الدراسة تجريبيًا التأثيرات الهيدروتروبية للإيثرات الجلسرينية في المحاليل المائية، مما يشير إلى إمكانية استخدامها في التطبيقات الصيدلانية والصناعية.
تشير النتائج إلى أن الإيثرات الميثيلية، وخاصة الإيثر الثنائي الذي يظهر أعلى تعزيز للذوبان، تتفوق على أنواع المذيبات الأخرى. تتأثر اتجاهات الذوبان بطبيعة المستبدلات، حيث تؤدي السلاسل الألكيلية الأطول ووجود ذرات الفلور إلى انخفاض قابلية الذوبان. تتماشى نمذجة COSMO-RS بشكل جيد مع البيانات التجريبية، على الرغم من أنها قد تقدر أو تفرط في تقدير قيم الذوبان بسبب القيود في المعلومات المكانية. بشكل عام، تبرز الإيثرات المشتقة من الجلسرين كبدائل مستدامة ومتجددة ومنخفضة السمية لذوبان الأحماض الهيدروكسي سيناميك، مما يدعم تطبيقها في مبادرات الكيمياء الخضراء عبر مختلف الصناعات، بما في ذلك الأدوية ومستحضرات التجميل.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الدور الحاسم للمذيبات في الصناعة الكيميائية، لا سيما في عمليات الإنتاج والاستخراج والتنقية. بينما تُستخدم المذيبات العضوية المشتقة من البترول بشكل شائع، فإن طبيعتها المتطايرة والسامة تثير مخاوف بيئية وصحية، مما يدفع للبحث عن بدائل مستدامة. في قطاعات الأدوية ومستحضرات التجميل، تعتبر المذيبات ضرورية لذوبان وجرعة المركبات النشطة بيولوجيًا بدقة، مثل المركبات الفينولية المشتقة من الأحماض الهيدروكسي سيناميك، المعروفة بفوائدها الصحية وخصائصها المضادة للأكسدة. ومع ذلك، فإن انخفاض ذوبانها في الماء وعدم استقرارها يمثلان تحديات للاستخراج والتوصيل الفعال.
حددت الأبحاث مجموعة متنوعة من المذيبات لتعزيز قابلية ذوبان الأحماض الهيدروكسي سيناميك، حيث تشير الدراسات إلى أن بولي إيثيلين جلايكول (PEG-400) وثنائي ميثيل سلفوكسيد (DMSO) فعالة بشكل خاص. أظهرت الاستكشافات الحديثة لمذيبات جديدة، بما في ذلك السوائل الأيونية (ILs) وثاني أكسيد الكربون فوق الحرج، وعدًا، على الرغم من أن السوائل الأيونية التقليدية تواجه قيودًا بسبب السمية وتعقيد التخليق. وبالتالي، تكتسب السوائل الأيونية المستندة إلى البيولوجيا والمذيبات المتجددة مثل مشتقات الجلسرين اهتمامًا بسبب إمكاناتها في صياغة الأدوية. تهدف هذه الدراسة إلى تقييم قابلية ذوبان الأحماض الهيدروكسي سيناميك في الإيثرات المشتقة من الجلسرين، مع التأكيد على جدواها كمذيبات مستدامة وصديقة للبيئة.
الطرق
في القسم التجريبي من الدراسة، تم استخدام مواد متنوعة، بما في ذلك حمض الكافيك، وحمض الكوماريك، وحمض الفيروليك، جميعها تم الحصول عليها من Sigma-Aldrich بنقاوة تتراوح من 98% إلى 99%. بالإضافة إلى ذلك، تم الحصول على مذيبات مثل الإيثيلين جلايكول، و1،3-بروبلين جلايكول، وإيثيلين جلايكول ثنائي ميثيل الإيثر أيضًا من Sigma-Aldrich، مما يضمن مستويات نقاء عالية لسلامة التجارب. بالنسبة لقياسات الكروماتوغرافيا السائلة عالية الأداء (HPLC)، تم الحصول على الإيثيلين جلايكول مونو ميثيل إيثر، والميثانول، والأسيتونيتريل من Alfa Aesar، بينما تم استخدام مياه Milli-Q كمذيب لهذه التحليلات. تؤكد هذه الاختيارات الدقيقة للمواد والمذيبات على صرامة المنهجية التجريبية.
النتائج
في هذه الدراسة، تم تقييم قابلية ذوبان ثلاثة أحماض هيدروكسي سيناميك – حمض الكوماريك، وحمض الفيروليك، وحمض الكافيك – في الإيثرات الأحادية والثنائية والثلاثية المشتقة من الجلسرين، مما يبرز إمكانية استخدام المذيبات المشتقة من الجلسرين كبدائل صديقة للبيئة للجلايكولات التقليدية. كشفت قياسات الذوبان، التي أجريت عند 298 كلفن، أن حمض الكوماريك أظهر أعلى قابلية ذوبان، بينما أظهر حمض الكافيك أقلها، وهو اتجاه يُعزى إلى عدد مجموعات الهيدروكسيل التي تؤثر على الروابط الهيدروجينية بين الجزيئات. ومن الجدير بالذكر أن زيادة طول السلسلة الألكيلية في المذيبات عمومًا قللت من قابلية الذوبان، حيث أدت المستبدلات الفلورية إلى تقليل قابلية الذوبان بشكل كبير عبر جميع أنواع الأحماض. كما وجدت الدراسة أن قدرة المذيبات على التبرع بروابط الهيدروجين (HBD) والقطبية-القطبية كانت عوامل رئيسية تؤثر على الذوبان، بينما لم تتوافق قدرة المذيبات على قبول روابط الهيدروجين (HBA) مع نتائج الذوبان.
قدمت التحليلات الإضافية باستخدام نمذجة COSMO-RS رؤى حول آليات الذوبان، مشيرة إلى أن الخصائص الهيكلية لكل من المذيبات والمذاب تلعب أدوارًا حاسمة. اقترحت التوقعات الحاسوبية أن الإيثر الثنائي 101 كان أكثر المذيبات فعالية لهذه الأحماض، على الرغم من أن النتائج التجريبية أظهرت بعض التباينات، لا سيما مع حمض الكافيك. بشكل عام، تؤكد النتائج على أهمية هيكل المذيب في تعزيز قابلية ذوبان الأحماض الهيدروكسي سيناميك وتظهر فائدة COSMO-RS كأداة تنبؤية لتصميم المذيبات في هذا السياق.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم تصنيع وتقييم الإيثرات الأحادية والثنائية المشتقة من الجلسرين من حيث قدراتها على الذوبان فيما يتعلق بالأحماض الهيدروكسي سيناميك، تحديدًا حمض الكوماريك، وحمض الفيروليك، وحمض الكافيك. تم تحديد قابلية ذوبان هذه الأحماض في الخلائط المائية من الإيثرات الجلسرينية، مما يكشف أن الإيثر الثنائي 101 عزز بشكل كبير قابلية الذوبان، محققًا زيادات تصل إلى 500 ضعف لحمض الكوماريك مقارنة بالماء. تأثرت اتجاهات الذوبان بمدى كره الماء للمذيبات، حيث لوحظت التأثيرات الأكثر أهمية عند التركيزات المنخفضة، مما يتماشى مع النتائج السابقة حول أحماض أخرى.
تم استخدام الكروماتوغرافيا السائلة عالية الأداء (HPLC) لقياسات الذوبان، وقدمت نمذجة COSMO-RS رؤى حول آليات الذوبان، مؤكدة أن قدرة المذيبات على التبرع بروابط الهيدروجين وقطبيتها كانت عوامل حاسمة. خلصت الدراسة إلى أن الإيثرات المشتقة من الجلسرين، وخاصة الإيثر الثنائي 101، تقدم بديلاً مستدامًا وفعالًا للمذيبات التقليدية المشتقة من الوقود الأحفوري، مما يدعم إمكانية استخدامها في التطبيقات الصيدلانية ومستحضرات التجميل مع الالتزام بمبادئ الكيمياء الخضراء.
DOI: https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.5c00269
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40538470
Publication Date: 2025-06-05
Author(s): Sara Gracia-Barberán et al.
Primary Topic: Ionic liquids properties and applications
Overview
This study investigates the solubility of hydroxycinnamic acids—specifically coumaric, ferulic, and caffeic acids—in glycerol-derived ethers, which are recognized for their favorable ecotoxicological profiles and adjustable physicochemical properties. The research demonstrates that monoethers and diethers with shorter alkyl chains significantly enhance the solubility of these acids compared to conventional fossil-sourced solvents like ethylene glycol and propylene glycol. The findings are supported by COSMO-RS modeling, which indicates that the hydrogen-bond donor capacity and polarity-polarizability of the solvents are crucial for solubility enhancement. Additionally, the study experimentally confirms the hydrotropic effects of glycerol ethers in aqueous solutions, suggesting their potential utility in pharmaceutical and industrial applications.
The results indicate that methyl ethers, particularly the diether with the highest solubility enhancement, outperform other solvent types. The solubility trends are influenced by the nature of substituents, with longer alkyl chains and the presence of fluorine atoms leading to decreased solubility. COSMO-RS modeling aligns well with experimental data, although it may underestimate or overestimate solubility values due to limitations in spatial information. Overall, glycerol-derived ethers emerge as sustainable, renewable, and low-toxicity alternatives for solubilizing hydroxycinnamic acids, supporting their application in green chemistry initiatives across various industries, including pharmaceuticals and cosmetics.
Introduction
The introduction highlights the critical role of solvents in the chemical industry, particularly in production, extraction, and purification processes. While petroleum-derived organic solvents are prevalent, their volatile and toxic nature raises environmental and health concerns, prompting the search for sustainable alternatives. In the pharmaceutical and cosmetic sectors, solvents are essential for solubilizing and accurately dosing bioactive compounds, such as phenolic compounds derived from hydroxycinnamic acids, which are known for their health benefits and antioxidant properties. However, their low water solubility and instability present challenges for extraction and effective delivery.
Research has identified various solvents for enhancing the solubility of hydroxycinnamic acids, with studies indicating that polyethylene glycol (PEG-400) and dimethyl sulfoxide (DMSO) are particularly effective. Recent explorations into neoteric solvents, including ionic liquids (ILs) and supercritical CO₂, have shown promise, although traditional ILs face limitations due to toxicity and complex synthesis. Consequently, biobased ionic liquids and renewable solvents like glycerol derivatives are gaining attention for their potential in drug formulation. This study aims to evaluate the solubility of hydroxycinnamic acids in glycerol-derived ethers, emphasizing their viability as sustainable and environmentally friendly solvents.
Methods
In the experimental section of the study, various materials were utilized, including caffeic acid, coumaric acid, and ferulic acid, all of which were sourced from Sigma-Aldrich with purities ranging from 98% to 99%. Additionally, solvents such as ethylene glycol, 1,3-propylene glycol, and ethylene glycol dimethyl ether were also obtained from Sigma-Aldrich, ensuring high purity levels for experimental integrity. For high-performance liquid chromatography (HPLC) measurements, ethylene glycol monomethyl ether, methanol, and acetonitrile were acquired from Alfa Aesar, while Milli-Q water was employed as the solvent for these analyses. This careful selection of materials and solvents underscores the rigor of the experimental methodology.
Results
In this study, the solubility of three hydroxycinnamic acids—coumaric, ferulic, and caffeic acids—was evaluated in glycerol-derived monoethers, diethers, and triethers, highlighting the potential of glycerol-derived solvents as eco-friendly alternatives to conventional glycols. The solubility measurements, conducted at 298 K, revealed that coumaric acid exhibited the highest solubility, while caffeic acid showed the lowest, a trend attributed to the number of hydroxyl groups influencing intermolecular hydrogen bonding. Notably, increasing the alkyl chain length in the solvents generally decreased solubility, with fluorinated substituents significantly reducing solubility across all acid types. The study also found that the hydrogen bond donor (HBD) capacity and dipolarity-polarizability of the solvents were key factors influencing solubility, while the hydrogen bond acceptor (HBA) capacity did not correlate with solubility outcomes.
Further analysis using COSMO-RS modeling provided insights into the solubilization mechanisms, indicating that the structural characteristics of both the solvents and solutes play critical roles. The computational predictions suggested that diether 101 was the most effective solvent for these acids, although experimental results showed some discrepancies, particularly with caffeic acid. Overall, the findings underscore the importance of solvent structure in enhancing the solubility of hydroxycinnamic acids and demonstrate the utility of COSMO-RS as a predictive tool for solvent design in this context.
Discussion
In this study, glycerol-derived mono- and diethers were synthesized and evaluated for their solubilizing capabilities concerning hydroxycinnamic acids, specifically coumaric, ferulic, and caffeic acids. The solubility of these acids was determined in aqueous mixtures of glycerol ethers, revealing that the 101 diether significantly enhanced solubility, achieving increases of up to 500-fold for coumaric acid compared to water. The solubility trends were influenced by the hydrophobicity of the solvents, with the most substantial effects observed at lower concentrations, aligning with previous findings on other acids.
High-performance liquid chromatography (HPLC) was employed for solubility measurements, and COSMO-RS modeling provided insights into the solubility mechanisms, confirming that the hydrogen-bond donor capacity and the polarity of the solvents were critical factors. The study concluded that glycerol-derived ethers, particularly the 101 diether, offer a sustainable and effective alternative to traditional fossil-based solvents, supporting their potential use in pharmaceutical and cosmetic applications while adhering to green chemistry principles.