基于细胞生物学与化学热力学研究哌嗪和胍类离子液体的环境安全性

Knowledge of the physicochemical properties and the biotoxicity of ionic liquids (ILs) lays an important foundation for the comprehension of their environmental safety and development of their industrial applications. In this project, piperazinium- and guanidinium-based ILs are synthesized and characterized. The basic physicochemical properties, such as density, viscosity and conductivity, are measured. By means of cell biological and chemical thermodynamic methods and techniques, the effects of ILs on the structures and activities of bacteria (gram negative bacteria such as E. coli. and gram positive bacteria such as S. aureus), cells (normal cells such as algal cells and human embryonic kidney cells and tumor cells such as neuroglioma cells), and proteins (such as serum amylase and serum albumin) are investigated. Several important parameters, such as minimum inhibitory concentration (MIC), half maximal inhibitory concentration (IC50) and interaction enthalpy (ΔH), are determined. The interactions between ILs and bacteria, cells or proteins are also explored. On the basis of a great quantity of data, it is able to reveal the internal relationship among IL structure, IL biotoxicity and thermodynamic property, establish the quantitative structure-activity relationship (QSAR) theoretical model, as well as discuss the laws of thermodynamics during the interaction processes, giving deep insight into the mechanism of biotoxicity. We hope to provide fundamental information about the effects of ILs on environmental safety issues.

掌握离子液体的物理化学性质和生物毒性等信息是认识离子液体的环境安全性和推进其工业化应用的重要基础。本项目拟合成和表征哌嗪类和胍类两个系列的离子液体，测定密度、黏度和电导率等基本物理化学性质。基于细胞生物学和化学热力学的研究方法和技术手段，以大肠杆菌等革兰氏阴性菌和金黄色葡萄球菌等革兰氏阳性菌，以藻细胞、人胚肾细胞等正常细胞和神经胶质瘤细胞等肿瘤细胞，以血清淀粉酶和血清白蛋白等蛋白质分别为代表，考察离子液体对细菌、细胞和蛋白质分子结构和活性的影响，测定最小抑菌浓度、半数抑制浓度和相互作用焓等重要参数，探索离子液体与细菌、细胞和蛋白质之间的相互作用。以实测和文献积累的大量数据为基础，研究离子液体的结构特征、生物毒性和热力学性质三者的关系，建立定量结构-活性关系模型，探讨作用过程中的热力学规律，揭示生物毒性的作用机制，期望为离子液体的环境安全性相关问题提供基础信息。

为系统掌握哌嗪类和胍类离子液体（IL）的物理化学性质和生物毒性，本项目合成和表征了多种IL，累计数量达到81种。其中，制备的离子液体表面活性剂可用于构筑微乳液体系和小分子凝胶，具有包载药物和作为合成反应的介质的潜力。.以熔点相对较低的胍类IL为对象，详细考察了IL−醇和IL−IL二元体系的物理化学性质。受相互作用和空间因素影响，IL−醇二元体系的超额体积为负值，而IL−IL二元体系的超额体积出现正值。IL只有在低浓度时才完全电离，超过一定阈值则形成离子对或离子簇。研究结果揭示了IL溶液体系的宏观体积性质和微观结构的密切联系。.完成IL对细菌和细胞的生物毒性的阶段性研究，获得的毒性数据和相关结果揭示了哌嗪类和胍类IL的毒性作用规律，为IL的生物学和药学应用、工业处理和排放等后续过程提供了理论参考。测试的15种哌嗪类和胍类IL的抑菌活性受阳离子结构及阴离子种类影响较大。阳离子为1-苯基哌嗪鎓的IL抑菌活性相对较强。阴离子为四氟硼酸根的哌嗪类IL和乙基硫酸根的胍类IL的抑菌活性相对较强，而含乳酸根的IL其抑菌活性普遍较弱。另一方面，通过对细胞形态、细胞周期的考察，发现IL的细胞毒性与抑菌活性毒性规律基本一致。经5.0 wt. %的IL作用后，细胞形态破坏严重，大部分细胞仅剩下细胞核。进一步的，通过量子化学计算获得了IL的稳定构型，基于线性自由能相关理论，依据获得的毒性参数建立了QSAR模型。.在低于50 mM时，大部分IL与蛋白质的相互作用焓较小，相比于咪唑类IL更为温和，负的焓变可能来自氢键作用、蛋白质结构孔隙中水分子的释放、水的冰山结构破坏等因素。另外，为探索IL与糖类制备双水相体系用于蛋白质分离，系统地研究了蛋白质与糖类的相互作用关系及其复合物的结构转变。.本项目取得的成果为理解哌嗪类和胍类IL、推动其基础与应用的衔接提供了重要理论支撑。

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