Presentazione di PowerPoint

Report
Sintesi di nuovi liquidi ionici e
studio degli effetti su alcune
attività enzimatiche di cellule in
coltura
Relatore:
Dott.ssa Paola Galletti
Presentato da:
Danilo Malferrari
Correlatore:
Prof. Giorgio Sartor
Anno Accademico 2006/2007
I solventi nell’industria chimica
Production tons / year
5
103
102
105
E-Factor
0.1
Refinery
bulk chemicals
fine chemicals
50
107
pharmaceuticals
100
Roger A. Sheldon, 2007
•Direttiva VOC 1999/13/EC - Regolamento REACH
Necessità dell’abbandono o diminuzione nell’uso di solventi
Anastas, P.; Warner, C.; Green Chem.; 1998
Principi della green chemistry
Prevenzione
È meglio prevenire l’inquinamento piuttosto che intervenire
per ridurlo dopo che lo si è prodotto
Reazioni chimiche
meno pericolose
Quando possibile, la sintesi dei prodotti chimici deve essere
progettata in modo da utilizzare e generare sostanze non
tossiche o poco tossiche per l’uomo e per l’ambiente
Solventi e prodotti
ausiliari più sicuri
L’uso di sostanze ausiliarie (solventi, agenti di separazione)
dovrebbe diventare non necessario o almeno innocuo
I liquidi ionici – Solventi alternativi
Cationi comuni
H3C
R
+
N
N
H3C
+
CH3
P
+
CH3
N
H3C
+
N
N-alchil-piridinio
H3C
NO3-
CH3
R
Paul Walden - 1913
CH3
1-alchil-3-metil-imidazolio
tetra-alchil-ammonio
CH3
CH3
tetra-alchil-fosfonio
Anioni comuni
+
N
H
H
H
Etilammonio nitrato
immiscibili in acqua
PF6N(SO2CF3)2-
miscibili in acqua
BF4-
CH3CO2-
Cl-
CF3SO3-
CF3SO2-
NO3-
• Non infiammabili, non esplosivi
• Non volatili
• Alta miscibilità con i gas: CO2, H2
• Riciclabili, reazioni selettive
Scopo tesi
CH3
[BMIM][BF4]
[MOEMIM][BF4]
CH3
O
H3C
+
N
H3C
N
+
N
N
F
F
-
B
F
F
-
F
B
F
F
F
• [MOEMIM][BF4] meno tossico rispetto al [BMIM][BF4] di 2 ordini di
grandezza
•
La presenza di ossigeni nella catena laterale ne diminuisce l’idrofobicità
• L’inserzione di funzioni ossigenate nelle catene laterali diminuisce la
tossicità del liquido ionico?
CH3
[BMIM][BF4]
[MOEMIM][BF4]
CH3 [MOE2MIM][BF4]
O
H3C
+
N
N
H3C
+
N
N
H3C
O
+
N
N
[MOE3MIM][BF4]
CH3
H3C
2
O
+
N
N
Samorì C., Pasteris A., Galletti P., Tagliavini E., Environ. Toxicol. Chem., 2007
CH3
3
ANALISI STRUTTURA
CHIMICA
SAR / QSAR
APPLICAZIONE
SINTESI
DATI TOSSICOLOGICI
-
STRUTTURA CHIMICA
ECOTOSSICOLOGICI
SALUTE UMANA
AMBIENTE
VALUTAZIONE
ASPETTI
ECONOMICI
VALENZA SOCIALE
IMPATTO ECOLOGICO
La sintesi
+ M+ YH3C
N
N
H3C
R1
+
R1
+
N
N
H3C
N
N
+
X-
X
Y-
-M+ X-
H3C
H3C
+
N
R1
+ M+ Y-
N
+
X
+
-M X
+ M+ Y-
+
N
X
R1
N
R1
X-
-M+ X-
R1
Y-
-
R1
+
+
-
X
N
H3C
N
R1
R1
+
Y-
I Liquidi ionici
sintetizzati
CH3
CH3
H3C
+
N
H3C
H3C
N
+
-
Cl , Br
N
F
-
F
B
F
Cl- , Br
-
+
N
N(CN)2
F
H3C
O
H3C
+
N
O
CH3
CH3
O
ClF
N
H3C
-
F
B
F
N(CN)2
+
N
+
N
Cl-
F
H3C
O
CH3
n
n
O
H3C
+
N
CH3
O
N
+
n N
+
-
OTs
N
n
F
B
F
2
H3C
n= 2,3
N(CN)2
2
-
F
F
OTs-
Test biologici
Inibizione acetilcolinesterasi
Livello di
organizzazione biologico
MTT-test
N
N
N
CH3
+
N
Qualità
dell’analisi QSAR
Membrane modello
Lattato deidrogenasi
N
-
Br
S
CH3
N
Saggio di vitalità cellulare MTT-test
N
N
N
N
N
CH3
NH
+
N
N
N
S
S
CH3
CH3
H3C
CH3
H3C
+
N
PC12
Vitalità cellulare (16h)
120
N
F
-
F
80
ABS (% controllo)
F
100
F
B
BMIM BF4
MTT-test
(16 h)
EC50
[mM]
Errore
standard
1,20
0,05
60
40
20
0
0
10
20
[BMIM][BF4] (mM)
I dati sono il risultato di 3 esperimenti distinti in cui ogni concentrazione è stata
replicata 4 volte.
30
N
N
Saggio di vitalità cellulare MTT-test
N
N
N
CH3
N
NH
+
N
N
N
S
S
CH3
CH3
H3C
Vitalità cellulare (16 h)
120
120
100
100
Abs (% ctrl)
ABS ( % Ctrl )
Vitalità cellulare(16 h)
80
60
40
80
60
40
20
20
[MOE3MIM][NCN2]
[MOE2MIM][NCN2]
[MOEMIM][NCN2]
[BMIM][NCN2]
[BMIM][BF4]
[MOE3MIM][BF4]
[MOE2MIM][BF4]
[MOEMIM][BF4]
[BMIM][BF4]
Ctrl
Ctrl
0
0
In entrambe le serie si identificano delle differenze significative tra [BMIM][BF4]
e liquidi ionici con 1 e 2 funzionalità etossi.
Inibizione dell’acetilcolinesterasi
CH3
H3C
PC12
Attività AChE (16h)
+
N
N
9
F
F
8
F
F
BMIM BF4
EC50
[mM]
Acetilcoli
nesterasi
(16 h)
Errore
standard
Attività (nmol/mg*min)
-
B
7
6
5
4
3
4,80
0,32
2
0
2
4
6
8
10
[BMIM][BF4] (mM)
I dati sono il risultato di 3 esperimenti distinti in cui ogni concentrazione è stata
replicata 4 volte.
12
Inibizione dell’acetilcolinesterasi
Attività AChE (16 h)
100
Attività (% ctrl)
80
60
40
Attività AChE (16 h)
20
100
40
20
[MOE3MIM][N(CN)2]
[MOE2MIM][N(CN)2]
[MOEMIM[N(CN)2]
0
[BMIM][N(CN)2]
Non vi sono differenze significative
tra i liquidi ionici con catene
etossilate e polietossilate.
60
[BMIM][BF4]
Si osserva un andamento differente
nell’attività dell’enzima per le due
famiglie di anioni.
80
Attività (% ctrl)
[MOE3MIM][BF4]
[MOE2MIM][BF4]
[MOEMIM][BF4]
[BMIM][BF4]
0
Stabilità membrane cellulari –
lattato deidrogenasi
CH3
H3C
+
N
PC12
Stabilità membrane cellulari (16h)
N
60
F
-
B
F
50
F
BMIM BF4
EC50
[mM]
Lattato
Deidrogenasi
(16 h)
Errore
standard
% LDH rilasciato
F
40
30
20
10
1,66
0,22
0
0
2
4
6
[BMIM][BF4] (mM)
I dati sono il risultato di 3 esperimenti distinti in cui ogni concentrazione è stata
replicata 4 volte.
Stabilità membrane cellulari –
lattato deidrogenasi
PC12
Stabilità membrane cellulari (16 h)
8
8
6
6
% LDH rilasciato
% LDH rilasciato
PC12
Stabilità membrane cellulari (16h)
4
4
2
2
[MOE3MIM][N(CN)2]
[MOE2MIM][N(CN)2]
[MOEMIM][N(CN)2]
[BMIM][N(CN)2]
[BMIM][BF4]
[MOE3MIM][BF4]
[MOE2MIM][BF4]
[MOEMIM][BF4]
[BMIM][BF4]
Ctrl
Ctrl
0
0
Diminuzione dell’LDH rilasciato per liquidi ionici contenenti fino a due atomi di
ossigeno nella catena laterale.
Si osservano differenze significative tra [BMIM][BF4] e [BMIM][N(CN)2].
Tendenza generale
CH3
H3C
+
N
N
CH3
A-
O
H3C
CH3
+
N
N
N
A-
O
H3C
+
N
A-
CH3
O
H3C
+
N
2
N
A-
Nel test di inibizione dell’acetilcolinesterasi si osservano delle differenze
tra anioni ed un allontanamento dalla tendenza generale
Non si osservano differenze significative nei liquidi ionici
dipendentemente dall’allungamento della catena
3
Anisotropia di fluorescenza tramite DPH
DPH
N
N
NH
NH
1,6-DIFENILESATRIENE
N
NH
Qual è l’effetto dei liquidi ionici sull’anisotropia di fluorescenza?
Si possono identificare delle variazioni nella fluidità di membrana
nella serie di liquidi ionici con catene polietossilate?
Anisotropia di fluorescenza di DPH in presenza di
[BMIM][BF4]
CH3
H3C
+
N
N
0.25
F
-
0.20
F
B
50 mM
500 mM
2000 mM
F
0.15
F
BMIM BF4
0.10
0.05
0.16
none
4mM
50mM
500mM
2000mM
0.14
0.00
16
18
20
22
24
26
Temperature [°C]
28
30
32
34
DPH Fluorescence anisotropy
DPH Fluorescence anisotropy
none
4 mM
0.12
0.10
0.08
0.06
0.04
0.02
0.00
-0.02
16
18
20
22
24
26
28
Temperature [° C]
30
32
34
Anisotropia di fluorescenza con [MOE2MIM][N(CN)2]
0.16
O
none
4mM
50mM
500mM
2000mM
DPH Fluorescence anisotropy
0.14
0.12
N(CN)2
O
H3C
0.10
+
N
N
0.08
MOE2MIM N(CN)2
0.06
0.04
0.02
0.00
-0.02
16
18
20
22
24
26
28
30
32
34
Temperature [° C]
Variazione dell’andamento dell’anisotropia per molarità superiori a 500 mM
CH3
Fluorescenza - Proprietà spettrali del [BMIM][BF4]
[BMIM][BF4] 0.10 M in H2O
nsity (a. u.)
Fluorescence inte
nsity (a. u.)
Fluorescence inte
[BMIM][BF4] 0.10 M in CH3CN
16
400
14
300
200
100
360
380
Em
400
iss
420
ion
440
W
av
460
ele
480
n
285
290
300
295
)
(nm
h
275
t
270
eng
vel
gt
265
a
500
h
W
260
(n
tion
m
a
t
i
)
Exc
280
12
10
8
6
4
380
400
Em
420
iss
440
io
n
W
460
av
ele
ng
th
480
(n
m
)
500
270
275
280
285
300
295
)
(nm
h
t
eng
l
ave
W
260
ion
tat
i
c
Ex
265
290
Massimi di emissione a 415 e 427 nm con eccitazione a 260 nm
Conclusioni
•La purezza dei liquidi ionici è fondamentale per un utilizzo
nei test biologici
•Sono necessari passaggi sintetici che migliorino la
sostenibilità del processo, diminuendo l’uso di solventi
nelle fasi di purificazione
•Si osserva un andamento generale per il test di vitalità MTT-test
e il test di integrità di membrana
•Vi è una diminuzione della tossicità introducendo delle funzioni
etossi nella struttura, ma la tendenza si inverte in presenza di tre
atomi di ossigeno
•Non si evidenziano differenze sistematiche tra i tipi di anioni
impiegati
•I liquidi ionici a catena alchilica variano la fluidità di membrana
anche a basse molarità, con formazione di strutture miste

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