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Application of the Solute-Solvent Intermolecular Interactions as Indicator of Caffeine Solubility in Aqueous Binary Aprotic and Proton Acceptor Solvents: Measurements and Quantum Chemistry Computations.

溶質-溶媒間分子間相互作用のカフェイン溶解度指標としての応用:水系非プロトン性・プロトン受容性溶媒における測定と量子化学計算 (機械翻訳の邦題)

Materials (Basel, Switzerland)2022Jeliński T, Kubsik M, Cysewski P
研究デザインその他の原著論文
対象未確定

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研究デザイン
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対象
未確定
出版年
2022
出典
doi.org
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状態確認日
2026/08/17
収集日
2026/08/03
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公開

日本語要約(機械生成)

カフェインの溶解度を、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド、1,4-ジオキサン、アセトニトリル、アセトンの5種類の非プロトン性プロトン受容性溶媒と水の混合溶媒中で、25℃から40℃の4温度、全濃度範囲にわたって測定した。すべての系で強い共溶媒効果が観察され、溶解度は有機溶媒と水が等モル比のときに最大となった。溶解度の傾向は、電子相関と振動零点エネルギー補正を含む高度な量子化学計算により求めた、カフェインと溶媒分子間のホモ・ヘテロ分子対形成親和性に基づいて解釈された。カフェインはイミダゾール環の炭素に結合した水素原子を介して、すべての非プロトン性溶媒と対形成できることが分かった。計算された対形成ギブズ自由エネルギーと測定溶解度の間には半定量的な関係(R2=0.78)が見られ、これを利用してより環境に優しい溶媒のスクリーニングを行った。環境指標に基づき4種類のモルホリン類似体を検討し、対応するカフェイン親和性を計算したところ、同じ溶質-溶媒構造モチーフがヘテロ分子対を安定化することが示され、従来の非プロトン性プロトン受容性溶媒の代替となり得ることが示唆された。この仮説は4-ホルミルモルホリンでの追加溶解度測定により確認され、この溶媒はDMSOよりも効率的であり、他の非プロトン性プロトン受容性溶媒と同様の共溶媒効果パターンを示した。

この要約は公開抄録のみを根拠にAIが機械的に生成したものです。正確な内容は原文を確認してください。

抄録

The solubility of caffeine in aqueous binary mixtures was measured in five aprotic proton acceptor solvents (APAS) including dimethyl sulfoxide, dimethylformamide, 1,4-dioxane, acetonitrile, and acetone. The whole range of concentrations was studied in four temperatures between 25 °C and 40 °C. All systems exhibit a strong cosolvency effect resulting in non-monotonous solubility trends with changes of the mixture composition and showing the highest solubility at unimolar proportions of organic solvent and water. The observed solubility trends were interpreted based on the values of caffeine affinities toward homo- and hetero-molecular pairs formation, determined on an advanced quantum chemistry level including electron correlation and correction for vibrational zero-point energy. It was found that caffeine can act as a donor in pairs formation with all considered aprotic solvents using the hydrogen atom attached to the carbon in the imidazole ring. The computed values of Gibbs free energies of intermolecular pairs formation were further utilized for exploring the possibility of using them as potential solubility prognostics. A semi-quantitative relationship (R2 = 0.78) between caffeine affinities and the measured solubility values was found, which was used for screening for new greener solvents. Based on the values of the environmental index (EI), four morpholine analogs were considered and corresponding caffeine affinities were computed. It was found that the same solute-solvent structural motif stabilizes hetero-molecular pairs suggesting their potential applicability as greener replacers of traditional aprotic proton acceptor solvents. This hypothesis was confirmed by additional caffeine solubility measurements in 4-formylmorpholine. This solvent happened to be even more efficient compared to DMSO and the obtained solubility profile follows the cosolvency pattern observed for other aprotic proton acceptor solvents.

DOI 10.3390/ma15072472

PMID 35407805

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