ΣΥΝΘΕΣΗ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΒΙΟΑΠΟΙΚΟΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΙΟΝΤΙΚΩΝ ΥΓΡΩΝ - ΤΖΑΝΗ, ΑΝΔΡΟΜΑΧΗ (Σχολή Χημικών Μηχανικών, 2017)
Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής αποτέλεσε ο σχεδιασμός, σύνθεση και ο χαρακτηρισμός Πρωτικών Ιοντικών Υγρών (ΠΙΥ), με στόχο τη δημιουργία μιας μικρής «χημικής βιβλιοθήκης» ΠΙΥ, τα οποία στη συνέχεια βρήκαν εφαρμογές (α) ως διαλύτες και καταλύτες σε αντιδράσεις οργανικής σύνθεσης και (β) στην παραγωγή νανοσωματιδίων αργύρου (AgNPs) ως αναγωγικοί και σταθεροποιητικοί παράγοντες. Αρχικά, συντέθηκαν 35 ΠΙΥ εκ των οποίων 17 νέα στη βιβλιογραφία. Τα ανιόντα που επιλέχθηκαν είναι αλειφατικά, αλεικυκλικά και φαινολικά καρβοξυλικά οξέα, ενώ τα κατιόντα είναι παράγωγα της 2-υδροξυ και της 2-μεθοξυ αιθανολαμίνης. Τα οξέα και οι βάσεις που επελέχθησαν έχουν παραπλήσιες τιμές Δpka(aq), ώστε να υπάρχει παρόμοια τάση, όσον αφορά στη μεταφορά πρωτονίου. Εκμεταλλευόμενοι την ιδιότητα των ΙΥ να αποκτούν επιθυμητές ιδιότητες με την κατάλληλη επιλογή ιόντων, επελέχθησαν ιόντα με διαφορετικά δομικά χαρακτηριστικά, ώστε να είναι δυνατή η μελέτη της επίδρασης αυτών στη βιοαποικοδομησιμότητα, την τοξικότητα αλλά και τις φυσικοχημικές τους ιδιότητες. Ο χαρακτηρισμός των ΠΙΥ πραγματοποιήθηκε με φασματοσκοπικές μεθόδους, όπως NMR (1H & 13C) και FT-IR (ATR). Μέσω της φασματοσκοπίας 1H NMR επετεύχθη επίσης εκτίμηση της αποτελεσματικότητας της μεταφοράς πρωτονίου, η οποία προέκυψε από τη συσχέτιση των χημικών μετατοπίσεων του ευκίνητου πρωτονίου από τα φάσματα NMR με τις τιμές Δpka(aq) των ΙΥ αλλά και από τη μελέτη της επίδρασης της θερμοκρασίας στη μετατόπιση του σήματος προς υψηλότερα πεδία. Επίσης, μέσω της φασματοσκοπίας NMR μελετήθηκε η επίδραση της πολικότητας του χρησιμοποιούμενου δευτεριωμένου διαλύτη στη διαμόρφωση του ΙΥ σε διάλυμα όπου παρατηρήθηκε το φαινόμενο της επιδιαλύτωσης των ιόντων στον πολικό διαλύτη DMSO-d6. Στη συνέχεια, διενεργήθηκαν πειράματα αξιολόγησης της βιοαποικοδομησιμότητας αλλά και της τοξικότητας των ΠΙΥ σε υδρόβιους οργανισμούς. Η βιοαποικοδομησιμότητα μελετήθηκε προσδιορίζοντας την παράμετρο του βιοχημικά απαιτούμενου οξυγόνου από τους μικροοργανισμούς για την βιο-οξείδωση του ΙΥ σε διάστημα 5 ημερών (BOD5). Τα ποσοστά βιοαποικοδόμησης του οργανικού φορτίου των ΙΥ, ήταν πολύ ικανοποιητικά καθώς πολλά από αυτά φτάνουν και ξεπερνούν το 60% ακόμα και στις 5 πρώτες μέρες και συνεπώς θα μπορούσαν να θεωρηθούν άμεσα βιοαποικοδομησιμα. Πραγματοποιήθηκε, επίσης, μελέτη εκτίμησης της επίδρασης των ανιόντων και των κατιόντων στη βιοαποικοδομησιμότητα των ΙΥ βάση των δομικών τους τροποποιήσεων και διαπιστώθηκε πως τόσο το ανιόν όσο και το κατιόν διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο. Η τοξικότητα μελετήθηκε μέσω μιας ευρέως χρησιμοποιούμενης μεθόδου για βιολογικές δοκιμές, προσδιορίζοντας τη μέση θανατηφόρο συγκέντρωση (LC50) για το θαλάσσιο οργανισμό Artemia salina. Στην πλειονότητα τους, τα ΙΥ που μελετήθηκαν δεν είναι τοξικά (κάποια μάλιστα εμφανίζουν τιμές LC50>1000 mM). Σκόπιμος, επίσης, κρίθηκε ο προσδιορισμός ορισμένων φυσικοχημικών ιδιοτήτων των ΠΙΥ, κύριων για ποικίλες εφαρμογές, καθώς και η μελέτη της επίδρασης της δομής τους σε αυτές. Προσδιορίστηκε η θερμική συμπεριφορά μέσω της μεθόδου διαφορικής θερμιδομετρίας σάρωσης (DSC), από όπου προέκυψε και η θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης (Tg), καθώς και το ιξώδες τους σε θερμοκρασιακό εύρος από 20°C – 100°C. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η Tg η επηρεάζεται κυρίως από το ανιόν, ενώ το ιξώδες επηρεάζεται κυρίως από το κατιόν. Στοιχεία για την ευθραυστότητα των ΠΙΥ προέκυψαν από τη συσχέτιση του λογάριθμου του ιξώδους συναρτήσει του λόγου Tg/T. Εν συνεχεία, ορισμένα από τα ΠΙΥ χρησιμοποιήθηκαν για την ανάπτυξη δύο εφαρμογών με ιδιαίτερο ενδιαφέρον σε αντικείμενα αιχμής όπως η οργανική σύνθεση και η παραγωγή νανοσωματιδίων αργύρου (AgNPs). Επιλεγμένα ΠΙΥ αξιοποιήθηκαν με επιτυχία ως διαλύτες και καταλύτες σε αντιδράσεις domino Knoevenagel-Michael για τη σύνθεση ετεροκυκλικών βιοδραστικών ενώσεων ενώ σχεδιάστηκαν και συντέθηκαν ΠΙΥ «ειδικής αποστολής» τα οποία χρησιμοποιήθηκαν ως αναγωγικοί και σταθεροποιητικοί παράγοντες για την παραγωγή AgNPs. Για τη σύνθεση των βιοδραστικών ενώσεων του δις-β-δικαρβονυλο-μεθανίου (δικουμαρίνες και δικινολινόνες) αναπτύχθηκαν δύο μέθοδοι. Στην Μέθοδο Α, χρησιμοποιήθηκαν ΠΙΥ ως διαλύτες σε αντίδρασεις domino Knoevenagel-Michael ενώ στη Μέθοδο Β διερευνήθηκε η εναλλακτική χρήση του βαθέως ευτηκτικού διαλύτη (DES) χλωριούχου χολίνης-ουρίας. Έπειτα από τη βελτιστοποίηση των συνθηκών, συντέθηκαν συνολικά 17 προϊόντα που διαθέτουν ποικιλία υποκατεστατών σε διάφορες θέσεις του αρωματικού δακτυλίου. Οι αποδόσεις των αντιδράσεων στη Μέθοδο Α κυμαίνονται από 43% έως 82%, ενώ στη Μέθοδο Β από 25% έως 70%.Οι προτεινόμενες μέθοδοι πλεονεκτούν των συμβατικών καθώς τα ΙΥ και ο DES χρησιμοποιούνται ταυτόχρονα ως διαλύτες και καταλύτες, οι οποίοι μπορούν να ανακυκλωθούν και επαναχρησιμοποιηθούν επιτυχώς έως τρεις φορές, οι ήπιες συνθήκες αντίδρασης, οι μικροί χρόνοι αντίδρασης καθώς και η ευκολία παραλαβής των προϊόντων σε υψηλή καθαρότητα και ικανοποιητικές αποδόσεις. Διερευνήθηκαν ο μηχανισμός δράσης αλλά και η επίδραση του διαλύτη/καταλύτη στην αντίδραση καθώς και η επίδραση της θέσης και της ηλεκτρονιακής φύσης των υποκαταστατών των αντιδρώντων στη σύνθεση των επιθυμητών προϊόντων. O χαρακτηρισμός των προϊόντων επετεύχθη μέσω φασματοσκοπίας NMR, ESI-MS και HRMS, ενώ για τον προσδιορισμό της διαμόρφωσης των παραγώγων σε διάλυμα, πραγματοποιήθηκε διαμορφωτική ανάλυση με 2D COSY και NOESY NMR. Οι δικουμαρίνες και οι δικινολινόνες, που συντέθηκαν με τις παραπάνω μεθόδους ελέγχθηκαν ως προς την αντιμυκητιασική τους δράση έναντι τεσσάρων στελέχων του μύκητα Candida albicans, ο οποίος είναι υπεύθυνος για την καντιντίαση, μια κοινή λοίμωξη που προσβάλει συχνά τους ανθρώπους και αποτελεί τη συχνότερη νοσοκομειακή λοίμωξη παγκοσμίως. Συγκριτικά με την ένωση αναφοράς Ketoconazole (ΜΙC 0.583∙10^-2 μmol/ml για τα στελέχη 7/15, 8/15 και 527/14 και MFC 9.408∙10^-2 μmol/ml για το στέλεχος 7/15, 1.167∙10^-2 μmol/ml για τα στελέχη 7/15 & 8/15 και 0.583∙10^-2 μmol/ml για το στέλεχος 1/6/15) τα καλύτερα αποτελέσματα έδωσαν η δικουμαρίνη 6 (X=O, R1=R2=OCH3) με ΜΙC 0.794∙10^-2 και MFC 0.159∙10^-2 μmol/ml και η δικινολινόνη 17 (Χ=CH3, R2=OCH3, R3=OH) με τιμή MIC 0.774∙10^-2 μmol/ml και MFC 1.549∙10^-2 μmol/ml και για τα τέσσερα στελέχη του μύκητα. Αναπτύχθηκε επίσης μια νέα μεθοδολογία σύνθεσης νανοσωματιδίων αργύρου με χρήση ειδικά σχεδιασμένων ΠΙΥ. Πιο συγκεκριμένα, σχεδιάστηκαν και συντέθηκαν ΠΙΥ που διαθέτουν ανιόν φαινολικού οξέος (γαλλικό, καφεϊκό και p-κουμαρικό οξύ) και κατιόν 2-υδροξυαιθυλαμμωνίου (ΙΥ−27, ΙΥ−33 και ΙΥ−34). Η επιλογή των αντιδρώντων έγινε με βάση την αναγωγική τους δράση, η οποία, στην περίπτωση των φαινολικών οξέων, σχετίζεται άμεσα με την ισχυρή αντιοξειδωτική τους δράση. Ο χαρακτηρισμός των παραγόμενων AgNPs επετεύχθη με φασματοσκοπικές μεθόδους όπως υπεριώδους ορατού (UV-Vis), υπερύθρου μετασχηματισμού Fourier (FT-IR) και Raman, ενώ στοιχεία για το μέγεθος και τη μορφολογία τους ελήφθησαν από μετρήσεις δυναμικής σκέδασης φωτός (DLS) και της μικροσκοπίας TEM. Τα AgNPs που παρήχθησαν από αυτή τη μέθοδο, είναι σφαιρικά με μέγεθος που κυμαίνεται από 63 έως 108 nm ανάλογα με το χρησιμοποιούμενο αναγωγικό μέσο, με πολύ ικανοποιητικό δείκτη πολυδιασποράς (από 0.22 έως 0.40) και υψηλές τιμές ζ-δυναμικού (-27.3 έως -40.6 mV) ενδεικτικές της υψηλής σταθερότητας της διασποράς. Από τα φασματοσκοπικά δεδομένα, προέκυψε ο προτεινόμενος μηχανισμός δράσης των ΙΥ στην αναγωγή του αργύρου και στη σταθεροποίηση των AgNPs. Σύμφωνα με το μηχανισμό αυτό, τα φαινολικά οξέα μετατρέπονται στις αντίστοιχες κινόνες, οι οποίες στη συνέχεια προσροφώνται στην επιφάνεια των AgNPs δημιουργώντας ένα προστατευτικό φιλμ που αποτρέπει τη συσσωμάτωσή τους. Η μέθοδος που αναπτύχθηκε εμφανίζει σημαντικά πλεονεκτήματα όπως επαναληψιμότητα, ουδέτερες συνθήκες, ταυτόχρονη δράση των ΠΙΥ ως αναγωγικών και σταθεροποιητικών παραγόντων και σταθερότητα της διασποράς των AgNPs.