Kosolven

Kosolven meningkatkan kelarutan antara fase yang tidak dapat bercampur, seperti yang ditunjukkan oleh zat terlarut yang dilarutkan dalam pelarut organik tetapi tidak larut dalam air (kiri). Kosolven yang dapat bercampur dalam kedua fase dan mampu melarutkan zat terlarut ditambahkan untuk membentuk larutan homogen air, pelarut organik, dan senyawa (kanan).

Dalam kimia, kosolven adalah zat yang ditambahkan ke pelarut utama dalam jumlah kecil untuk meningkatkan kelarutan senyawa yang sulit larut. Penggunaannya paling umum dalam penelitian kimia dan biologi yang berkaitan dengan farmasetika dan ilmu pangan, di mana alkohol sering digunakan sebagai kosolven dalam air (seringkali kurang dari 5% volume[1]) untuk melarutkan molekul hidrofobik selama ekstraksi, penyaringan, dan formulasi. Kosolven juga digunakan dalam kimia lingkungan dan dikenal sebagai penanggulangan yang efektif terhadap cairan fase non-air yang mencemari,[2] serta dalam produksi bahan energi fungsional[3][4] dan sintesis biodiesel.[5][6]

Topik kosolvensi telah menarik perhatian banyak ahli teori dan peneliti praktisi yang berupaya memprediksi kelarutan senyawa menggunakan sistem kosolven, dan merupakan subjek penelitian yang cukup besar dalam literatur ilmiah. Studi yang ada bertujuan untuk mengusulkan dan meninjau metode pemodelan kosolvensi menggunakan perhitungan,[7][8][9] untuk menggambarkan korelasi empiris kosolven dan fenomena solvasi yang diamati,[10][11] dan untuk melaporkan kegunaan sistem kosolven di berbagai bidang.[2][3][4][12]

Dalam bidang farmasi

Tantangan yang telah lama ada dalam kimia farmasi meliputi mengatasi hidrofobisitas/lipofilitas inheren dari molekul tertentu untuk pengobatan dan menemukan prosedur sintesis yang efektif untuk molekul kompleks. Kosolven dapat membantu para peneliti dalam uji coba formulasi dan sintesis.

Formulasi

Dalam kimia farmasi, terdapat banyak metode untuk membantu melarutkan obat yang sulit larut dalam air, untuk digunakan dalam pengobatan. Metode-metode ini meliputi kosolvensi, hidrotropisme, kompleksasi, ionisasi, dan penggunaan zat aktif permukaan. Yang paling umum adalah penerapan kosolven non-toksik dengan air untuk menghasilkan formulasi yang dapat melarutkan molekul hidrofobik sambil mempertahankan kohesi dengan sistem biologis. Kosolven umum untuk tujuan ini adalah etanol, propilen glikol, gliserin, glikofural, dan polietilena glikol.[7] Pengaruh kosolven terhadap pelarutan obat bisa sangat besar, seperti yang dibuktikan oleh sebuah studi tahun 2009 di mana para peneliti dari Universitas Panjab menunjukkan bahwa kelarutan berbagai obat antidiabetes meningkat lebih dari 500 kali lipat dengan penggunaan kosolven.[13]

Sintesis

Kosolven terbukti bermanfaat dalam aplikasi sintesis maupun formulasi. Sistem kosolven umumnya spesifik untuk target sintesis yang sedang dipelajari, sehingga di sini diulas temuan umum dari beberapa publikasi yang mencontohkan poin-poin penting tentang subjek ini:

Dalam sebuah proyek tahun 2017, para peneliti di Universitas Cornell mempelajari efek kosolvensi dalam enolisasi oksazolidinona yang dimediasi oleh litium heksametildisilazida (LiHMDS). Jalur reaksi ini dicontohkan oleh kelompok tersebut dalam sintesis filibuvir, obat yang digunakan untuk pengobatan hepatitis C yang diproduksi dalam skala pabrik oleh Pfizer.[14] Para peneliti terutama berfokus pada pembentukan polimer dalam sistem tetrahidrofuran dengan kosolven hidrokarbon, dan menemukan bahwa laju reaksi sangat sensitif terhadap kosolven yang digunakan. Di antara hasil lainnya, studi ini menyimpulkan bahwa pemilihan kosolven sangat penting dalam industri farmasi di mana persentase hasil, jejak pengotor, dan teknik pemrosesan relevan secara kimia, finansial, dan toksikologis. Namun, para peneliti berhati-hati untuk menyebutkan bahwa mekanisme yang menyebabkan perbedaan empiris dalam sistem kosolven ini belum dipahami dengan baik.

Sebuah makalah tahun 2016 dari para peneliti di Universitas Hokkaido menjelaskan mekanisme yang dipromosikan oleh kosolven untuk benzilasi gugus hidroksil dalam sintesis turunan sukrosa.[15] Kelompok tersebut melaporkan metode di mana reaksi benzilasi, yang secara empiris menghasilkan rendemen rendah dan dengan pembentukan produk sampingan yang signifikan karena reaktivitas gugus 1'-hidroksil target yang umumnya rendah dalam sukrosa, dilakukan hingga rendemen 95% dengan selektivitas yang sangat baik untuk molekul sintetik. Mereka mencapai rendemen ini dengan menggunakan sistem kosolven heksana dan metilen klorida, dan mengekstrapolasi metode tersebut untuk mencakup sejumlah substrat benzil halida serta alkohol, glukosa, dan turunan ribosa. Studi ini adalah salah satu dari banyak studi di mana rendemen reaksi dalam sintesis organik dapat dioptimalkan dengan penerapan sistem kosolven polar/non-polar.

Kosolven juga berperan dalam subdisiplin biokimia: sebuah studi tahun 2012 dari para peneliti di Universitas Teknologi Cina Selatan melaporkan bagaimana parameter kosolven dapat dioptimalkan untuk mendapatkan hasil yang lebih tinggi dalam reaksi yang dikatalisis enzim.[16] Secara khusus, kelompok tersebut meneliti sintesis salidrosida antidepresan bioaktif yang dikatalisis oleh tepung biji plum, dan menemukan bahwa penggunaan etilen glikol diasetat bersamaan dengan kosolven cairan ionik menghasilkan peningkatan hasil produk hingga 50%. Penggunaan cairan ionik sebagai kosolven dalam studi ini dan banyak studi serupa menunjukkan variabilitas metodologi ini, di mana sistem kosolven dapat melampaui konvensi standar pelarut polar dan non-polar untuk mempengaruhi perubahan pada tingkat mekanistik.

Dalam kimia lingkungan

Kosolven telah lama dilaporkan sebagai alat yang efektif dalam kimia lingkungan, baik sebagai cara ampuh untuk remediasi polusi maupun sebagai aditif penting dalam sintesis teknologi hijau seperti sel surya, bahan bakar hayati, dan adsorben. Dalam beberapa kasus, penggunaan kosolven juga memungkinkan tercapainya tujuan luas di bidang kimia hijau: pengurangan penggunaan pelarut yang tidak berkelanjutan dengan meningkatkan kelarutan substrat atau menyediakan alternatif yang lebih ramah lingkungan.

Remediasi

Reaksi transesterifikasi di mana minyak nabati (merah) direaksikan dengan alkohol untuk menghasilkan ester terkait (biru) dan gliserol (hijau). Ester produk dapat digunakan sebagai bahan bakar hayati untuk berbagai keperluan.

Dalam konteks remediasi polutan air, kosolven dapat digunakan dalam berbagai fungsi, termasuk untuk meningkatkan kinerja surfaktan, untuk meningkatkan kelarutan cairan fase non-air (NAPL), dan untuk memobilisasi NAPL secara fisik dengan menurunkan tegangan antarmuka antara fase air dan organik.[17] Karena kekhawatiran toksikologi, agen utama yang digunakan untuk remediasi adalah larutan air + alkohol 1-5% berdasarkan volume, yang dapat dibilas melalui lokasi yang tercemar dan kemudian diekstraksi dari air curah. "Pembanjiran kosolven" ini (disebut banjir alkohol bila menggunakan >5% berdasarkan volume) sering dikombinasikan dengan modifikasi salinitas, oksidasi kimia in situ, dan perubahan suhu untuk memberikan metode yang paling efektif dalam menghilangkan NAPL dari sumber air.[18] Pembilasan in situ adalah proses dekontaminasi tanah dengan cara yang mirip dengan lingkungan perairan.[19]

Dalam produksi polimer, seperti yang digunakan dalam teknologi sel surya, kosolven dapat membantu pemisahan antar fase. Dimulai dengan campuran polimer dan pelarut (atas), kosolven mendorong agregasi polimer (kanan), menyederhanakan produksi dan meningkatkan kinerja. Tanpa penggunaan kosolven, tetesan pelarut utama menyatu menjadi domain yang berbeda dan polimer lebih tersebar secara acak (kiri). Diadaptasi dari Janssen et al (2015).

Komplikasi yang timbul dari penggunaan kosolven alkohol dalam remediasi air meliputi pembentukan makroemulsi, desorpsi kontaminan organik dari padatan akuifer, dan munculnya toksisitas, mudah terbakar, dan mudah meledak pada konsentrasi yang lebih tinggi.[17]

Teknologi hijau

Sifat kosolven yang serbaguna dan bervariasi memungkinkan penggunaannya dalam banyak penggunaan terkait teknologi hijau. Salah satu penggunaan tersebut adalah dalam pemrosesan sel surya polimer, di mana kosolven telah diakui sebagai aditif penting untuk mengurangi pemisahan fase pelarut utama menjadi tetesan, yang mengganggu ketersinambungan dalam sampel dan menyebabkan morfologi yang kurang menguntungkan. Dalam kebanyakan kasus, kosolven digunakan dalam 1-10% volume dan bertindak dengan mendorong agregasi polimer baik pada tahap pencetakan maupun penguapan larutan. Meskipun penggunaan kosolven dalam konteks ini hampir umum dalam penelitian sel surya organik, masih terdapat kurangnya pemahaman tentang proses dinamis di mana kosolven mencapai efek ini.[20][3][4]

Kosolven juga memainkan peran penting dalam produksi bahan bakar hayati dari berbagai biomassa. Misalnya, dalam upaya untuk mengubah minyak biji bunga matahari bekas menjadi biodiesel melalui transesterifikasi, penggunaan kosolven dalam metanol ditemukan bertanggung jawab untuk meningkatkan konversi produk dari 78% menjadi hampir sempurna dalam jangka waktu singkat.[21] Dalam contoh lain, campuran tetrahidrofuran-air ditemukan sangat efektif dalam mengekstrak lignin dari biomassa untuk menghasilkan gula yang dapat difermentasi, meskipun tetrahidrofuran dan air merupakan pelarut yang buruk untuk tujuan ini.[22] Dengan menyederhanakan prosedur sintesis dan pemrosesan untuk teknologi hijau yang sedang berkembang ini, kosolven mengurangi pemborosan akibat kehilangan hasil, kelarutan substrat yang buruk, dan pemrosesan yang berlebihan. Seiring berjalannya waktu, sistem yang lebih baik sedang dikembangkan, dan penelitian terarah ke kosolven yang lebih ramah lingkungan sedang dieksplorasi.[23]

Mengaproksimasi efek kosolven

Berbagai model ada untuk menggambarkan dan memprediksi efek kosolven. Model-model ini sangat bergantung pada penerapan model matematika dan teori kimia, dan berkisar dari yang sederhana hingga yang relatif kompleks. Model pertama dan juga yang paling sederhana masih digunakan hingga saat ini yakni model Yalkowsky.[7] Model Yalkowsky menggunakan aturan pencampuran aljabar atau model log-linear:

logXm = ƒ1logX1 + ƒ2logX2

Di mana Xm adalah kelarutan fraksi mol zat terlarut, X1 dan X2 menunjukkan kelarutan fraksi mol dalam kosolven murni dan air.

Meskipun model ini hanya bersifat korelatif, analisis lebih lanjut memungkinkan terciptanya elemen prediktif. Menyederhanakan persamaan di atas menjadi:

logXm = logX2 + σ • ƒ1

Di mana σ adalah daya pelarutan kosolven dan secara teoritis sama dengan log(X1/X2).

Kita dapat menggabungkan karya Valvani dkk., yang menunjukkan:


Di mana M dan N adalah konstanta kosolven yang tidak bergantung pada sifat zat terlarut, dan telah ditabelkan untuk banyak kosolven yang umum digunakan. Transformasi ini secara efektif mengubah model log-linear Yalkowsky menjadi model prediktif, di mana seorang peneliti dapat memprediksi dengan cukup akurat konsentrasi kosolven untuk pelarutan suatu senyawa hanya menggunakan data kelarutan dalam air. Untuk diskusi yang lebih mendalam tentang sistem pemodelan kosolven, pembaca diarahkan ke ulasan oleh Jouyban (2008),[7] Smith dan Mazo (2008),[8] dan (untuk konteks biokimia) Canchi dan Garcia (2013).[9]

Pandangan yang lebih sederhana dalam memilih kosolven melibatkan melihat sifat terukur dari berbagai sistem kosolven dan membuat penentuan dari bukti empiris. Peneliti dari Universitas Arizona dan Universitas Wisconsin-Madison meninjau sejumlah parameter dalam makalah Toksikologi dan Kimia Lingkungan,[24] di antaranya koefisien partisi, tegangan permukaan, konstanta dielektrik, tegangan antarmuka, dan lainnya. Menggunakan naftalena sebagai contoh representatif dari senyawa organik hidrofobik (HOC) yang melarutkan, penulis melaporkan bahwa sebagian besar parameter yang paling umum digunakan tidak cukup akurat untuk menggambarkan kelarutan termasuk konstanta dielektrik, koefisien partisi, dan tegangan permukaan. Sebaliknya, mereka menemukan bahwa parameter kelarutan Hildebrand, Et(30), dan tegangan antarmuka berkorelasi lebih baik dengan tren empiris. Ahli kimia yang berpraktik harus mempertimbangkan hasil ini ketika mengembangkan sistem kosolven untuk target tertentu.

Referensi

  1. ^ Shi, John. Functional Food Ingredients and Nutraceuticals: Processing Technologies, 1st ed. CRC Press: Boca Raton, 2007.
  2. ^ a b Ward, C.H., Oubre, C.L., Lowe, D.F. Surfactants and Cosolvents for NAPL Remediation A Technology Practices Manual, 1st ed. CRC Press: Boca Raton, 1999.
  3. ^ a b c Halim, Udayabagya; Zheng, Chu Ran; Chen, Yu; Lin, Zhaoyang; Jiang, Shan; Cheng, Rui; Huang, Yu; Duan, Xiangfeng (2013-07-30). "A rational design of cosolvent exfoliation of layered materials by directly probing liquid–solid interaction". Nature Communications (dalam bahasa Inggris). 4: 2213. Bibcode:2013NatCo...4.2213H. doi:10.1038/ncomms3213. PMC 4249658. PMID 23896793.
  4. ^ a b c Pascual, Jorge; Kosta, Ivet; Palacios-Lidon, Elisa; Chuvilin, Andrey; Grancini, Giulia; Nazeeruddin, Mohammad Khaja; Grande, Hans J.; Delgado, Juan Luis; Tena-Zaera, Ramón (2018-02-08). "Co-Solvent Effect in the Processing of the Perovskite:Fullerene Blend Films for Electron Transport Layer-Free Solar Cells". The Journal of Physical Chemistry C. 122 (5): 2512–2520. doi:10.1021/acs.jpcc.7b11141. ISSN 1932-7447.
  5. ^ Chueluecha, Nut; Kaewchada, Amaraporn; Jaree, Attasak (2017). "Enhancement of biodiesel synthesis using co-solvent in a packed-microchannel". Journal of Industrial and Engineering Chemistry. 51: 162–171. doi:10.1016/j.jiec.2017.02.028.
  6. ^ Littell, M.J. Effect of a co-solvent feedstock on the synthesis of biodiesel via heterogeneous catalysis. Ph.D. Thesis, University of Tennessee. 2015.
  7. ^ a b c d Jouyban, Abolghasem (2008-02-20). "Review of the cosolvency models for predicting solubility of drugs in water-cosolvent mixtures". Journal of Pharmacy & Pharmaceutical Sciences (dalam bahasa Inggris). 11 (1): 32–58. doi:10.18433/j3pp4k. ISSN 1482-1826. PMID 18445363.
  8. ^ a b Smith, Paul E.; Mazo, Robert M. (2008-07-01). "On the Theory of Solute Solubility in Mixed Solvents". The Journal of Physical Chemistry B. 112 (26): 7875–7884. doi:10.1021/jp712179w. ISSN 1520-6106. PMC 2525813. PMID 18529024.
  9. ^ a b Canchi, Deepak R.; García, Angel E. (2013-04-01). "Cosolvent Effects on Protein Stability". Annual Review of Physical Chemistry. 64 (1): 273–293. Bibcode:2013ARPC...64..273C. doi:10.1146/annurev-physchem-040412-110156. ISSN 0066-426X. PMID 23298246.
  10. ^ Huo, Feng; Liu, Zhiping; Wang, Wenchuan (2013-10-03). "Cosolvent or Antisolvent? A Molecular View of the Interface between Ionic Liquids and Cellulose upon Addition of Another Molecular Solvent". The Journal of Physical Chemistry B. 117 (39): 11780–11792. doi:10.1021/jp407480b. ISSN 1520-6106. PMID 24010550.
  11. ^ van der Vegt, Nico F. A.; Nayar, Divya (2017-11-02). "The Hydrophobic Effect and the Role of Cosolvents". The Journal of Physical Chemistry B. 121 (43): 9986–9998. doi:10.1021/acs.jpcb.7b06453. ISSN 1520-6106. PMID 28921974.
  12. ^ Breslow, Ronald; Groves, Kevin; Mayer, M. Uljana (1999-07-01). "Antihydrophobic Cosolvent Effects in Organic Displacement Reactions". Organic Letters. 1 (1): 117–120. doi:10.1021/ol990037s. ISSN 1523-7060. PMID 10822546.
  13. ^ Seedher, N., Kanojia, M. Co-solvent solubilization of some poorly-soluble antidiabetic drugs. Pharm. Dev. Technol. 2009, 14(2), 185-192. DOI: 10.1080/10837450802498894.
  14. ^ Reyes-Rodríguez, Gabriel J.; Algera, Russell F.; Collum, David B. (2017-01-25). "Lithium Hexamethyldisilazide-Mediated Enolization of Acylated Oxazolidinones: Solvent, Cosolvent, and Isotope Effects on Competing Monomer- and Dimer-Based Pathways". Journal of the American Chemical Society. 139 (3): 1233–1244. doi:10.1021/jacs.6b11354. ISSN 0002-7863. PMC 6059651. PMID 28080036.
  15. ^ Wang, L., Hashidoko, Y., Hashimoto, M. Cosolvent-promoted o-benzylation with silver(I) oxide: synthesis of 1’-benzylated sucrose derivatives, mechanistic studies, and scope investigation. J. Org. Chem. 2016, 81(11), 4464-4474. DOI: 10.1021/acs.joc.6b00144.
  16. ^ Yang, R.L., Li, N., Zong, M.H. Using ionic liquid cosolvents to improve enzymatic synthesis of arylalkyl ß-D-glucopyranosides. J. Mol. Cat. B. 2012, 74, 24-28. DOI: 10.1016/j.molcatb.2011.08.009.
  17. ^ a b Kueper, B., Wyatt, K., Pitts, M., Sale, T., Simpkin, T. Technology Practices Manual for Surfactants and Cosolvents, 2nd ed. CH2M HILL: Houston, 1997.
  18. ^ Dugan, Pamela J.; Siegrist, Robert L.; Crimi, Michelle L. (2010-06-01). "Coupling surfactants/cosolvents with oxidants for enhanced DNAPL removal: A review". Remediation Journal (dalam bahasa Inggris). 20 (3): 27–49. doi:10.1002/rem.20249. ISSN 1520-6831.
  19. ^ CLU-IN. In situ flushing. United States Environmental Protection Agency, 2017.
  20. ^ Franeker, Jacobus J. van; Turbiez, Mathieu; Li, Weiwei; Wienk, Martijn M.; Janssen, René A. J. (2015-02-06). "A real-time study of the benefits of co-solvents in polymer solar cell processing" (PDF). Nature Communications (dalam bahasa Inggris). 6: 6229. Bibcode:2015NatCo...6.6229V. doi:10.1038/ncomms7229. PMID 25656313.
  21. ^ Guan, Guoqing; Sakurai, Nozomi; Kusakabe, Katsuki (2009). "Synthesis of biodiesel from sunflower oil at room temperature in the presence of various cosolvents". Chemical Engineering Journal. 146 (2): 302–306. doi:10.1016/j.cej.2008.10.009.
  22. ^ Smith, Micholas Dean; Mostofian, Barmak; Cheng, Xiaolin; Petridis, Loukas; Cai, Charles M.; Wyman, Charles E.; Smith, Jeremy C. (2016-02-29). "Cosolvent pretreatment in cellulosic biofuel production: effect of tetrahydrofuran-water on lignin structure and dynamics". Green Chemistry (dalam bahasa Inggris). 18 (5): 1268–1277. doi:10.1039/c5gc01952d. ISSN 1463-9270. S2CID 14042376.
  23. ^ Gale, Ella; Wirawan, Remigius H.; Silveira, Rodrigo L.; Pereira, Caroline S.; Johns, Marcus A.; Skaf, Munir S.; Scott, Janet L. (2016-11-07). "Directed Discovery of Greener Cosolvents: New Cosolvents for Use in Ionic Liquid Based Organic Electrolyte Solutions for Cellulose Dissolution". ACS Sustainable Chemistry & Engineering. 4 (11): 6200–6207. doi:10.1021/acssuschemeng.6b02020. hdl:1983/a3721e56-521e-48e7-995a-250c0e89d1cb. S2CID 99082596.
  24. ^ Li, A., Andren, A.W., Yalkowsky, S.H. Choosing a cosolvent: solubilization of naphthalene and cosolvent property. Environ. Toxicol. Chem. 1996, 15, 2233-2239.

Content Disclaimer

Informasi ini disarikan dari Wikipedia dan disajikan kembali untuk tujuan edukasi. Konten tersedia di bawah lisensi CC BY-SA 3.0. Kami tidak bertanggung jawab atas ketidakakuratan data yang bersumber dari kontribusi publik tersebut.

  1. The information displayed on this website is sourced in part or in whole from Wikipedia and has been adapted for the purpose of restating it. We strive to provide accurate and relevant information, however:
  2. There is no guarantee of absolute accuracy. Wikipedia is an open, collaborative project that can be edited by anyone, so information is subject to change.
  3. It is not intended to constitute professional advice. The content displayed is for informational and educational purposes only. For important decisions (e.g., medical, legal, or financial), please consult a professional.
  4. Content copyright. Wikipedia is licensed under the Creative Commons Attribution-ShareAlike License (CC BY-SA). This means that content may be reused with appropriate attribution and shared under a similar license.
  5. Responsible use. Any risk arising from the use of information from this website is entirely the responsibility of the user.