O- (2-hidroxi-propil) -cellulóz differenciálanalízise kétdimenziós 1H-NMR spektroszkópiával

Naotaka Sakamoto 1, Edmont Stoyanov 2 *

Szerző és cikk információ

Idézd ezt úgy

Sakamoto N, Stoyanov E (2020) O- (2-hidroxi-propil) cellulóz differenciális elemzése kétdimenziós 1H-NMR spektroszkópia alkalmazásával. Biomed Sci Eng 6 (1): 010-015. DOI: 10.17352/abse.000015

Absztrakt

Kétdimenziós 1H-NMR-t használunk az O- (2-hidroxi-propil) -cellulóz (HPC) vizes (D20), DMF- és DMSO-oldatokban történő molekuláris kölcsönhatásainak meghatározására. Négy fokozatú, különböző molekulatömegű HPC-t elemezünk NOESY (Nuclear Overhauser Effect Spectroscopy) alkalmazásával a proton-proton kereszt-kölcsönhatásokhoz. A polimer lánc szerkezetének a HPC molekulatömegtől (MW) való erős függése túlzottan fennáll. Az alacsonyabb MW-os HPC-k lineárisabb láncként léteznek, amelyek kevesebb proton-proton kölcsönhatást mutatnak, míg a magasabb MW-os HPC-k jobban meg vannak csavarodva és behajlanak, és összekuszálódott molekulatömeget képeznek, nagyon intenzív kölcsönhatásokkal a -CH3, -CH2- és -CH protonok között . Az összes fokozat közül az ultra alacsony molekulatömegű HPC-UL (20 000 MW) feltárta a leggyengébb proton-proton keresztrelaxációkat, és valószínűleg csaknem lineáris láncú polimerként létezik megoldásokban.

Fő cikk szövege

Bevezetés

Az alacsony mwt értékű HPC, mint rosszul oldódó gyógyszerek szolubilizálójának sokkal jobb funkcionalitásának oka még mindig nem tisztázott jól, és az oldatban lévő HPC szerkezetének alapos áttekintése adhat választ erre a kérdésre.

A hidroxi-propil-cellulóz kémiai szerkezetét már vizsgálták 1H és 13C-NMR-enként [8,9]. Kimura és munkatársai [8] részletesen ismertették a szubsztitúció mértékét (DS), a molekuláris szubsztitúciót (MS) és még a cellulózmolekulában lévő hidroxilcsoportok eltérő reakcióképességét is a D2O csúcsintegrálok 13C-NMR alapján. Ugyanazon szén-NMR módszer alkalmazásával Desai és munkatársai [9] elmagyarázták a különböző felhőpontokkal rendelkező HPC-k eltérő teljesítményét, részletesen ismertetve a külső/egy szénatom és a belső szén arányát is. Ezek az alapvető munkák azt feltételezik, hogy a HPC molekulaszerkezete független a molekulatömegtől, és hogy a tanulmányokban vizsgált fokozatot feltételeztük, hogy reprezentatív a teljes HPC molekulatömeg-családra.

A közzétett információk alapján nem tudjuk megmagyarázni, hogy miért csak az alacsony molekulatömegű HPC működik gyógyszeres szolubilizátorként. A cellulóz-éter különböző fokozatai között nem találhatók érdemi különbségek a fizikai-kémiai tulajdonságokban (oldhatóság, DS, MS és a belső/külső szénarány). Annak érdekében, hogy jobban megértsük ezt a jelenséget, úgy döntöttünk, hogy megvizsgáljuk, mi történik az oldott HPC polimer lánccal a térben, egy speciális kétdimenziós 1H-NMR elemzés - Nuclear Oherhauser Effect (NOE) alkalmazásával. A standard 1H-NMR spektrumok a proton spin-spin kapcsolását mutatják a kémiai kötések miatt, míg a NOE a téren keresztül történik, ha két proton közötti távolság kisebb, mint 4,9 Å. Így a NOESY (Nuclear Overhauser Effect Spectroscopy) segítségével információkat nyerhetünk azokról az atomokról és csoportokról, amelyek ugyanazon molekulában egymás közelében vannak. Ezt az NMR-módszert már sikeresen alkalmazták számos fehérje és más makromolekulák háromdimenziós struktúráinak vizsgálatára [10-14].

Jelen munkánkban négyféle, különböző molekulatömegű (viszkozitású) hidroxi-propil-cellulóz differenciálanalízisét írjuk le a NOESY alkalmazásával DMSO-d6, DMF-d7 és D2O.

Kísérleti

Vegyszerek

A hidroxi-propil-cellulóz (HPC) átlagos molekulatömege 140 000 (HPC-L), 100 000 (HPC-SL), 40 000 (HPC-SSL) és 20 000 (HPC-UL) volt, a Nippon Soda, Japán. Az összes HPC fokozat hasonló fizikai-kémiai jellemzőkkel rendelkezik, mint például a molekuláris helyettesítés (M.S.), a hidroxi-propoxi-tartalom (HPO) és a külső metil + egyszeres metil és belső metil arány [6] (külső/belső) került kiválasztásra a mérésekhez (1. táblázat). Az egyetlen lényeges különbség a molekulatömegben (MW) van.

Asztal 1: A HPC fizikai-kémiai jellemzői.
HPC	MWa	KISASSZONY.	HPO (%) b	Külső/belső
L	1,40,000	3.83	74.8	1.11
SL	1,00,000	3.62	73.	1.13
SSL	40 000	3.67	73.4	1.1
UL	10 000	3.35	70.5	1.07
aGPC módszer; átlagos érték. bJP17 módszer.

Deuterált dimetil-szulfoxidot (DMSO-d6, 99,9% D) és deuterált dimetil-formamidot (DMF-d7, 99,5% D) a FUJIFILM Wako Pure Chemical Corporation, Japán vásárolt. Deutérium-oxidot (D2O, 99,8% D) a Tokyo Chemical Industry, Japán vásárolt.

A minta előkészítése

A DMSO-d6 és a DMF-d7 esetében az OH csoportok maradék H2O-val történő cseréjének elkerülése érdekében a mintákat az alábbiak szerint állítottuk elő: a. előzetes súlyozott mennyiségű HPC-t egy éjszakán át 45 ° C-on szárítottuk, majd vákuumban 30 percig exszikkátorba helyeztük CaCl2 felett; b. a mintát ezután szobahőmérsékleten nitrogénatmoszférában (0,5%) deuterált oldószerben oldjuk. Deuterált víz (D2O) esetében, ahol a maradék H2O nem játszik fontos szerepet, a minta előkészítése 0,5% -os oldat súlyozását és elkészítését foglalja magában.

Berendezések és mérési feltételek

A mérésekhez Bruker Biospin AVANCE III HD 500 Onebay-t használtunk: keverési idő 0,3 s; vizsgálatok száma 8. Tetrametil-szilánt (Me4Si) használtunk belső standardként.

Eredmények és vita

A hidroxi-propil-cellulóz egy cellulóz-éter, amely körülbelül 25-30% cellulózból és 70-75% polipropilén-oxidból áll (HPO-tartalom, 1. táblázat, 1. ábra).

A polimer lánc cellulózcsontja felelős a molekula némi merevségéért és hidrofilitásáért, míg az oldalsó polipropilén-oxid lánc némi hidrofobicitásért és rugalmasságért.

A HPC-oldatok lehetséges elméleti-proton kereszt relaxációit a 2. ábra foglalja össze.

A lánc linearitásától és a térben elfoglalt helyétől függően a kölcsönhatások intenzitása változhat.

1H-NMR a HPC-L, SL, SSL és UL esetében

A DMSO-d6, DMF-d7 és D2O-ban mért összes HPC fokozatú 1H-NMR spektrumok kémiai eltolódásait a 2. táblázat tartalmazza.

2. táblázat: Az összes HPC fokozatú H-NMR-spektrum.
Oldószer	8 ppm-ben
CH3	CH2, CH	H C1	OH
DMSO-d6	1,02, s	3,05-3,89, m	4.39, br. s.	4,22, 4,42, br. s.
DMF-d7	1,07, s	3,05-3,88, m	4,56, br. s.	4,32, 4,56, széles s
D2O	1.18, s	3,24-3,98, m	4,53, br. s.	nem megfigyelhető

Először megmértük az 1H-NMR-értékeket olyan deuterált szerves oldószerekben, amelyekben nincsenek cserélhető protonok: dimetil-szulfoxid (DMSO) és dimetil-formamid (DMF), ahol az O-H protonok nem cserélhetők ki, és saját csúcsot mutatnak a spektrumban. A mintákat előzetesen megszárítottuk, hogy elkerüljük az O-H kicserélését a maradék vízzel. A 3. ábra mutatja a HPC-L1H-NMR spektrumát DMSO-d6-ban (például) a különböző protonok csúcsaival.

A metilcsoportok szingulettként jelennek meg 1,02ppm-nél, míg a metiléncsoportok (-O-CH2-; -O-CH (CH3) -CH2-O-, cel-CH2-O-), belső és külső alfa-protonok (CH3- A CH, HO-CH (CH3) -CH2-) és a cellulóz-protonok (cel-H a C2-ből, C3-ból és C4-ből) multiplettként kis terűen eltolódnak 3,05-3,89ppm-nél. Ehhez a tanulmányhoz nem volt szükséges megkülönböztetni a tercier és a másodlagos szénatomok protonjait ebben a multiplettben, mivel kölcsönhatásuk a többi funkcionális csoport protonjaival azonos. A C1 cellulóz protonok széles szingulettként jelennek meg 4,39ppm-nél. A D2O-val cserélhető hidroxil-protonok két széles szingulettként jelennek meg: az egyik erősebb 4,42 ppm, a másik pedig 4,22 ppm sebességnél. A hidroxil-protonok pontos helyzetének meghatározása céljából deuterált vizet (D2O) adtunk a mintaoldathoz. A D2O hozzáadása után a 4,22 és 4,42 ppm csúcsok eltűntek, míg a C1 proton csúcsa változatlan maradt 4,39 ppm (4. ábra).

A többi HPC fokozat (SL, SSL és UL) azonos H-NMR-értékeket mutat a HPC-L-vel mind a DMSO-d6, mind a DMF-d7.

A HPC vizes oldat 1H-NMR-spektruma kissé eltér a DMSO-ban és a DMF-ben mért spektrumtól. A metilcsoportok éles szingulettként jelennek meg 1,18 ppm-nél. A metiléncsoportok (-O-CH2-; -O-CH (CH3) -CH2-O-, cel-CH2-O-), belső (CH3-CH) és külső (HO-CH (CH3) -CH2-) az alfa-protonok, valamint a cellulóz-protonok (cel-H a C2-ből, C3-ból és C4-ből) mind kis mezőben eltolódnak multiplettként 3,24-3,98ppm-nél. A C1 cellulóz protonok széles szingulettként jelennek meg 4,53ppm-nél. A hidroxil-protonok nem figyelhetők meg a D2O-val oldott H-D cseréje miatt. Az 5. ábra példaként a HPC-L 1H-NMR-jét mutatja.

Az összes többi HPC fokozat (SL, SSL és UL) azonos H-NMR-rel rendelkezik a HPC-L-vel.

A HPC-L, SL, SSL és UL NOESY-k a DMSO-d6-ban

A legnagyobb molekulatömegű (L) HPC többszörös H-H kölcsönhatást mutatott a funkcionális csoportok között (6. ábra). A legerősebb a CH, CH2 és CH3 csoport protonjai között volt (III. És IV.). Ez az interakció nagyon erős volt, miközben független attól, hogy melyik proton volt a forrás. Ez a tér azon csoportjainak közvetlen közelségéről szól. A metil-protonok kölcsönhatásban vannak a (II) cellulóz-csoportot alkotó C1-protonokkal, valamint az (I) hidroxil-csoportok protonjaival is. Ez a belső és a külső propoxilcsoport és a cellulózváz közötti szoros távolságról szól.

Az alacsonyabb molekulatömegű HPC ugyanolyan kölcsönhatásokat tárt fel, azonban csökkent intenzitással, arányosan a molekulatömegük csökkenésével (7. ábra).

Általában az összes megfigyelt kereszt-relaxáció (I-IV) intenzitása csökkent a HPC molekulatömegének csökkenésével. A legnagyobb különbség a hidroxil- és a C1-cellulóz-protonok és a metilcsoport-protonok keresztrelaxációiban volt megfigyelhető. Megállapíthatjuk, hogy a vég-propoxicsoportok és a cellulózváz közötti távolság nagyobb az alacsonyabb molekulatömegű HPC-nél. HPC-UL esetén (10 000 MW) a kereszt-relaxáció volt a legkisebb intenzitással, szinte lineáris, nem túl hajlított struktúra mellett a DMSO oldatban.

NÉLKÜL a DMF-d7-ben

A DMF-d7-ben lévő 'H-NMR-értékek majdnem megegyeztek a DMSO-d6-ban leírtakkal. Különbségeket figyeltünk meg a NOE spektrumokban, ahol a proton-proton kereszt-relaxációk a DMF-ben sokkal erősebbek voltak (8. ábra).

A DMF-oldatokban a HPC-molekula összefonódottabbnak tűnik, mint a DMSO-oldatokban. Tehát a DMF-ben a funkcionális csoportok a tér közvetlen közelében vannak, és erősebben hatnak egymásra a DMSO-hoz képest. Ezt megerősítik a többi HPC osztály (NO, SSL és UL) NOESY értékei is. Amint a 9. ábrán látható, a DMF-ben is a H-H kereszt-relaxációk jelentős csökkenését figyelték meg a HPC MW csökkentésével: HPC-UL (fekete) vs. HPC-SL (piros).

NÉLKÜL a D2O-ban

Deuterált vízben (D2O) az összes megfigyelt proton-proton keresztrelaxáció általában gyengébb volt a DMSO-hoz és a DMF-hez képest (10. ábra, példa HPC-L).

Ahogy az várható volt, a proton-proton kereszt-relaxáció a hidroxil- és metilcsoport (I) protonjai között hiányzott a kicserélt O-H proton miatt. A vizes oldatokban a kereszt-relaxációk III és IV intenzitása a DMSO-hoz és a DMF-hez hasonlóan a legerősebb, míg a II-es kereszt-relaxáció (C1 cellulóz-protonok és metil-csoport protonok) gyengébbek (10. ábra). Nyilvánvaló, hogy a vízben a HPC molekula jobban oldódik, teljesen hidratálódik és megnyúlik a szerves oldószerekhez (DMSO és DMF) képest. A polimerlánc nyitott, így kevésbé kusza a szerkezet. Ezenkívül a metilcsoport protonjai és a C1 cellulóz protonok (II) közötti távolság nagyobb a vizes oldatokban, mint a DMSO-ban és a DMF-ben, ami megkönnyítheti a kölcsönhatást más kis molekulákkal.

A szerves oldószerekhez hasonlóan a DMSO és a DMF, a vizes oldatban az összes többi HPC fokozat a proton-proton keresztrelaxáció csökkenését mutatta ki, arányosan a molekulatömeg/molekula hosszúság csökkenésével (11. ábra).

Valamennyi alkalmazott oldószerben az ultra-kis molekulatömegű HPC-UL a proton-proton keresztrelaxáció legkisebb intenzitását mutatta ki, megerősítve az oldatok kevésbé kusza és hajlított szerkezetét, összehasonlítva a többi, magasabb MW-os HPC-fokozattal (L, SL és SSL), 12. ábra).

Vizes oldatokban a CH3-CH3 kölcsönhatások intenzitásának (proton-proton kereszt-relaxációk) 1,1 ppm-nél megfigyelt különbségei, amelyeket e funkcionális csoportok vizes oldatban való szorosabb közelsége okoz, megerősítik a megfigyelt kisebb különbségeket a különböző HPC fokozatok. Az erősebb CH3-CH3 kölcsönhatás a HPC molekulatömegének növekedésével a felhőpont csökkenésének felel meg (13. ábra).

Következtetések

A szerves oldószerekben (DMSO és DMF) és a vizes oldatokban végzett HPC-oldatok NOESY-analízise összefüggést mutatott ki a molekulatömeg (a polimerlánc hossza) és a szerkezet között: az alacsony MW-os HPC lineárisabb szerkezetet mutat, alacsony intenzitású proton-proton kereszt-relaxációval a funkcionális csoportok között protonok. A vizes HPC-oldatok egy „lazább” és kevésbé kusza polimer láncot részesítenek előnyben, nagyobb térrel a funkcionális csoportok között. Szerves oldószerekben a HPC-lánc jobban összekuszálódik és több kereszt-relaxációval hajlik. A térben lévő metilcsoportok közötti kölcsönhatások okozta különbségek a HPC fokozatú felhőpontban szintén arányosak a molekulatömegükkel. Az ultra alacsony molekulatömegű HPC-UL mutatta a legkisebb molekuláris kölcsönhatást a lineárisabb polimer szerkezet miatt.

A Török Tudományos és Technológiai Kutatási Tanács (TUBITAK, Projektszám: 113Z181) és a Karadeniz Műszaki Egyetem, BAP, Törökország (hivatkozási szám: 8623) által nyújtott támogatást nagyra értékelik.