استخراج محصولات طبیعی: به دست آوردن مولکول ها از موجودات
آنها گفتند: “بیا گربه ای بکاریم.”
آنها گفتند: “این پشه ها را از خود دور می کند.”
[from r/pics . h/t @curiouswavefn]
در پست قبلی در چند مولکول قابل توجه از طبیعت، نمونه های زیادی از ترکیبات آشنا و جالب را دیدیم که می توان آنها را از گیاهان، حیوانات، باکتری ها و حتی حشرات مختلف جدا کرد. نکته کلیدی این است که ارگانیسم ها کارخانه های شیمیایی واقعی هستندو این مولکول ها می توانند کاربردهای قابل توجهی به عنوان دارو، عطر، طعم دهنده ها و بسیاری از کاربردهای تجاری دیگر داشته باشند.
با این حال، برای افراد ناآشنا، فرآیندی که طی آن از یک گیاه یا موجودات دیگر به نمونه‌ای از یک مولکول خالص می‌رویم ممکن است مرموز به نظر برسد. به عنوان مثال، چگونه می توانیم به این کار ادامه دهیم:
- جداسازی ماده موثره گیاه گربه ای (نپتالاکتون) از برگ؟ (برای ساختن یک ارتش گربه شخصی، برای مثال)
- جداسازی فرمون های جنسی از غده تارسال گوزن؟ (برای کیف کردن چند دلار جایزه؟)
- آیا کافئین خالص را از دانه های قهوه بدست می آورید؟
برای تصور احتمالات دیگر لازم نیست پابلو اسکوبار باشید، اما مثال های بالا برای انتقال ایده کلی کافی است. در این پست، اولین گام متداول در به دست آوردن محصولات طبیعی از ارگانیسم های مادر را شرح خواهیم داد، فرآیندی که عموما به نام استخراج، و همچنین دومین روش محبوب به نام تقطیر بخار. به هر حال، این به هیچ وجه درمان کامل استخراج محصول طبیعی نیست – فقط طرحی از دو روش توضیحی است. [ For a good time, I highly recommend checking out the Journal of Chemical Ecology, Journal of Natural Products, Natural Product Updates and Natural Product Reports if you want to go down this very fascinating rabbit-hole. ]
فهرست مطالب
- استخراج با حلال
- تجزیه و تحلیل اولیه عصاره خام
- تقطیر بخار
- کاربرد: جداسازی 99% نپتالاکتون از Catnip
- نتیجه گیری: استخراج محصول طبیعی
1. استخراج با حلال
ایده پشت استخراج بسیار ساده است. ما مواد آلی مورد نظر را می گیریم، آن را پودر یا آسیاب می کنیم (برای به حداکثر رساندن سطح در معرض دید) و سپس یک مقدار مناسب اضافه می کنیم. حلال. پس از مدت زمان مناسب، احتمالاً همراه با گرما و/یا هم زدن، سپس می‌توانیم مواد نامحلول را فیلتر کرده و به ما بسپاریم. استخراج کردن.
اگر این به طور مبهم آشنا به نظر می رسد، باید! در واقع، کاملاً ممکن است که امروز استخراج کرده باشید.
بدیهی است که اگر قصد دارید نوشیدنی در عصاره رقیق، حلال های انتخابی شما به آب و شاید اتانول محدود می شود (مثلاً برای استخراج آبسنت از افسنطین مفید است). با این حال، اگر می‌خواهید یک ترکیب آلی را با نقطه جوش نسبتاً پایین جدا کنید، استفاده از آب شما را خیلی دور (حلالیت) نمی‌رساند. در عوض حلال های آلی با نقطه جوش پایین مانند[{” attribute=””>diethyl ether, petroleum ether (short-chain alkanes) and dichloromethane (a.k.a. “methylene chloride”) are commonly used for this purpose, since they are easily removed by a rotary evaporator without significant losses of other volatile components.
Some examples of this process from the primary literature make for interesting reading.
From this 1969 Nature paper on the isolation of male black-tailed deer tarsal gland pheromone:
From this 1971 paper on the isolation of the housefly sex attractant:
Or the isolation of the sex attractant from the pink bollworm moth (a destructive pest of cotton plants)
[Killing 850,000 moths might seem like overkill, but it was actually “just right”-kill : this study resulted in the isolation of a mere 1.6 mg (!) of the active pheromone, which was just enough to allow for determination of its structure. Two years later, it was then synthesized on larger scale from commercially available feedstocks and then used in the field for pest control, in lieu of pesticides. That’s the value of total synthesis: it allows us to produce “natural products” without having to harvest them from organisms. ]
سه مثال بالا گویا هستند و از مزیت سادگی برخوردارند. در مواردی که عصاره‌ها برای فعالیت بیولوژیکی آزمایش می‌شوند (مثلا توانایی کشتن رده‌های سلولی سرطانی مختلف)، یک سری استخراج‌های پیچیده‌تر اغلب بعد از استخراج اولیه انجام می‌شود که شامل تنظیم pH برای جداسازی اجزای اسیدی و بازی است. یک مثال (اغلب برای عصاره های باکتریایی استفاده می شود) طرح کوپچان است.
2. تجزیه و تحلیل مقدماتی عصاره خام
اگر ما (بسیار خوش شانس) باشیم، عصاره غلیظ نمونه خالصی از یک مولکول خواهد بود. با این حال، معمولاً، نفت خام مخلوط پیچیده ای از ترکیبات است که نیاز به جداسازی بیشتر دارد.
تصفیه مخلوط های خام یک موضوع بزرگ است – ما این را برای پست بعدی می گذاریم. با این حال، می توان به طور خلاصه به یک جفت تکنیک مرتبط اشاره کرد که می تواند به سرعت پیچیدگی مخلوط های خام را آشکار کند: کروماتوگرافی مایع – طیف سنجی جرمی (LCMS)
و کروماتوگرافی گازی – طیف سنجی جرمی (GCMS). در حال حاضر بدون پرداختن به جزئیات زیاد، کروماتوگرافی اجازه می دهد تا یک مخلوط خام را به اجزای جداگانه آن جدا کنید و طیف سنجی جرمی (MS) جرم هر یک از این اجزا را تعیین می کند.
برای استفاده از یک تشبیه تقریبی، کمی شبیه به یک مسابقه پیاده روی است که در آن دوندگان به عنوان یک خوشه در خط شروع شروع می شوند و تا پایان مسابقه بر اساس سرعتی که در مسیر دویده اند از هم جدا می شوند. پس از جداسازی، می توان آنها را با طیف سنجی جرمی مشخص کرد: مطالعات کافی در مورد ترکیبات طبیعی به اندازه کافی انجام شده است که داده های MS را می توان با پایگاه های داده تجاری موجود بررسی کرد تا یک شناسه اولیه از اجزای مختلف نفت خام ارائه شود.
به عنوان مثال، در سمت چپ نمونه ای از GCMS از غده تارسال گوزن (از مقاله ذکر شده در بالا) است. هر قله نشان دهنده یک ترکیب گسسته است [this is late 1960’s technology, by the way – current techniques are significantly more refined]. بازرسی وجود حداقل 15 ترکیب در نفت خام را نشان می دهد.
3. تقطیر با بخار آب
دومین روش محبوب برای جداسازی محصولات طبیعی از ارگانیسم‌های مادر، تکنیکی است به نام تقطیر بخار. این مزیت ارزان بودن را دارد، به حلال های آلی نیاز ندارد و حتی در آشپزخانه نیز قابل اجرا است. در اینجا، مواد آلی (به عنوان مثال آسیاب کردن برگ ها، پوست، دانه ها) به شدت در آب جوشانده شده و بخار جمع آوری شده و در یک فلاسک جداگانه متراکم می شود. سپس مواد محلول در آلی (روغن) را می توان به صورت یک لایه نازک شناور در بالای مقطر متراکم جمع آوری کرد. همچنین این یک تکنیک رایج در آزمایشگاه‌های آموزشی در مقطع کارشناسی است – به عنوان مثال، در این تهیه لیمونن از پوست پرتقال:
یکی از مزایای اضافی این روش این است که روغن هایی با نقطه جوش نسبتاً بالا را می توان در شرایط نسبتاً ملایم به دست آورد. به عنوان مثال، توجه داشته باشید که لیمونن دارای نقطه جوش 176 درجه سانتیگراد است، اما از بخار (100 درجه سانتیگراد) برای تقطیر آن استفاده می شود. [If the two liquids were miscible, we’d distill off the water fraction first, leaving the oil behind: but since the two liquids are immiscible, the composition of the vapour phase is purely a function of temperature].
4. کاربرد تقطیر با بخار: 99% نپتالاکتون خالص از Catnip
این بسیار خوب انجام شده است آموزش پذیر نحوه تهیه نپتالاکتون خالص را نشان می دهد نپاتا برگ ها را از طریق تقطیر با بخار، با استفاده از موادی که در آشپزخانه شما پیدا می کنید (شما می توانید بعد از بستن پنجره بازشو مزاحم، همه چیز را ببینید).
نپتالاکتون به دست آمده از این روش بسیار عالی بود خالص: حدود 99٪ توسط GCMS، حتی خالص تر از برخی از عصاره های تجاری موجود در روغن گربه.
[Just in case you’re wondering, the GCMS was not a kitchen instrument, but the procedure itself is very DIY-friendly].
از تقطیر با بخار نیز می توان برای تهیه روغن اسطوخودوس، روغن گل رز، روغن میخک، زیره سیاه و بسیاری دیگر استفاده کرد. این یکی از کاربردی ترین کاربردهای شیمی آشپزخانه است.
5. نتیجه گیری: استخراج محصول طبیعی
هدف این مقاله صرفاً نشان دادن چند نمونه از جداسازی محصولات طبیعی یا عصاره‌های محصول طبیعی از موجودات مختلف به منظور ملموس‌تر کردن فرآیند بود. در پست بعدی، در مورد چند گزینه صحبت خواهیم کرد تصفیه کننده آن عصاره ها به طوری که ما می توانیم در واقع شروع به صحبت در مورد تجزیه و تحلیل ترکیبات فردی کنیم.