Faza 1: Separarea avansată a izotopului 13C pe o cascadă de trei coloane utilizând fracțiuni de diferite concentrații izotopice și conversia produsului la 13CO2 pentru aplicații bio-chimice.

Valoare fază: 1.745.914 lei
Termen de încheiere: 12.09.2019

Rezultate:

(i) realizarea schemei și a configurației de alimentare și conectare a coloanelor în serie;
(ii) stabilirea parametrilor de operare;
(iii) punerea în operare a instalației, alimentarea continuă, extragerea produsului și evacuarea deșeului;
(iv) bază de date experimentale pentru funcționare instalației cu coloane în paralel;
(iv) realizarea unei instalaţii experimentale pentru oxidarea CO la CO2;
(v) testarea catalizatorilor în reacţia de oxidare a CO nemarcat la CO2;
(vi) caracterizarea catalizatorilor utilizați.
(ii) Diseminare: 1 comunicare științifică prezentată la o conferință internațională și 1 acceptată:
• A. Balla, C. Marcu, J. Zs. Szucs-Balazs, C. Varodi, C. Lar, Ş. Bugeac, M. Miheţ, D.M. Lazăr, G. Borodi, Carbon monoxide oxidation over Ni/Al2O3 catalyst: determination of activation energy, RomCat 2019, 5-7 Iunie, 2019, Bucureşti, România;
• Ș. Bugeac, J. Zs. Szücs-Balázs, C. M. Varodi, C. Lar, M. C. Marcu, A. C. Balla, M. L. Gligan, Commissioning of a cryogenic distillation cascade for separation of carbon stable isotopes, PIM 2019, 25-27 Septembrie, 2019, Cluj-Napoca, România.

Faza 2: Marcarea izotopică cu 13C și 15N a cianobacteriei Arthrospira platensis (Spirulina) și a policatecolaminelor de tipul 3C-DA

Valoare fază: 1.767.090 lei
Termen de încheiere: 09.12.2020

Rezultate de cercetare:

Obiectivele etapei au fost îndeplinite. Rezultatele obținute în această fază a proiectului sunt:

(i) spirulină marcată cu 15N, produsul final având o concentrație izotopică de 92%; (ii) spirulină marcată cu 13C, produsul final având o concentrație izotopică de aproximativ 10%; (iii) spirulină marcată atât cu 15N cât şi cu 13C, structura produsului final fiind confirmată prin RMN pe solide, urmând a fi efectuate şi determinări spectrometrice a concentrațiilor izotopice; (iv) trei produşi nemarcați izotopic și corespondenții lor marcaţi selectiv cu 15N şi 13C, care au la bază inelul catecolic; (v) doi derivați noi nemarcați 3-(3,4-bis(benziloxi)fenil)-2-cianoacrilamida şi 3-amino-2-(3,4-dihidroxibenzil)-propanamida precum și corespondenții lor marcați izotopic selectiv cu 13C şi 15N; (vi) un polimer nemarcat izotopic obținut în urma polimerizării 3-amino-2-(3,4-dihidroxibenzil)-propanamidei nemarcate izotopic; (vii) un polimer marcat izotopic obținut în urma polimerizării 3-amino-2-(3,4-dihidroxibenzil)-propanamidei marcate izotopic selectiv cu 13C şi 15N.

Strategia de marcare izotopică (I) şi Parametrii de creştere ai Arthrospirei platensis (II)
(I) a) marcare simplă cu 13C; b) marcare simplă cu 15N; c) marcare dublă cu 13C și 15N;
(II) a) densitatea optică pe durata marcării cu 15N b) concentraţia clorofilei pe durata marcării cu 15N, c) densitatea optică pe durata marcării cu 13C şi a marcării duble cu 15N și 13C; d) concentraţia clorofilei pe durata marcării cu 13C şi 15N

Faza 4a: Implementarea și optimizarea metodologiilor de obținere a sistemelor N-N dublu marcate cu 15N

Valoare fază: 1.585.698 lei
Termen de încheiere: 10.12.2021

Rezultate de cercetare:

  • A fost implementată şi optimizată o metodă de obţinere a protoxidului de azot dublu marcat cu 15N (15N2O). Metoda aleasă s-a bazat pe descompunerea azotatului de amoniu dublu marcat cu 15N (15NH415NO3), scopul fiind de a obţine un produs marcat (15N2O) cu puritate chimică şi izotopică > 98%. Prezenţa unui acid anorganic puternic (H2SO4 sau HNO3) în mediul de reacţie precum şi a unei cantităţi catalitice de NaCl au permis menţinerea reacţiei de descompunere sub control, evitându-se astfel explozia nitratului de amoniu. Randamentul de obţinere al 15N2O a fost bun iar structura acestuia a fost validată atât în urma analizei cromatografice cât şi în urma analizei 15N-RMN (înregistrată în D2O).
  • Pe baza metodei mai sus menţionate a fost raportat produsul protoxid de azot dublu marcat cu 15N
  • A fost elaborată o metodă pentru obţinerea 2,2-dimetil-glicinatului de metil marcat cu 15N (3) care a fost sintetizat de asemenea printr-o procedură multi-step; aceasta a presupus iniţial obţinerea unui aminonitril (s-a folosit 15NH4Cl pentru introducerea izotopului 15N în moleculă) care este hidrolizat în etapa următoare la aminoacid (sub formă de clorhidrat) iar ultimul pas l-a reprezentat etapa de esterificare a acestui aminoacid în prezenţa alcoolului metilic. Acest ester organic este un intermediar important în schema propusă de obţinere a compuşilor Amadori, iar metoda a fost validată și implementată în INCDTIM, în laboratoarele proprii de sinteze de compuși marcați.
  • Pe baza metodei mai sus menţionate a fost raportat produsul 2,2-dimetil-glicinatul de metil marcat cu 15N (3).
  • Rezultate foarte interesante au fost obţinute şi în urma reacţiilor de obţinere a produşilor Amadori. Strategiile propuse în vederea obţinerii acestor intermediari au fost testate iniţial pe două glucide/zaharuri nemarcate izotopic, e.g. D-Glucoza şi D-Galactoza. Ambele molecule au reacţionat cu acelaşi aminoacid (în cazul nostru Glicina) în condiţii bine definite (catalizator, solvent, temperatură) şi au generat produşii Amadori corespunzători 5 (N-(1-Deoxi-1-D-Fructosil)-glicina) şi 6 (N-(1-Deoxi-1-D-Fructosil)-glicina) cu randamente bune. Structurile acestor compuşi au fost confirmate cu ajutorul spectroscopiei RMN şi al spectrometriei de masă. A fost testată de asemenea (cu anumite modificări) şi strategia care presupune reacţia dintre D-Galactoză şi esterul metilic nemarcat al 2,2-dimetil glicinei iar la finalul reacţiei, analizele efectuate (RMN şi SM) au evidenţiat structura produsului Amadori ţintă 4 (N-(1-Deoxi-1-D-Fructosil)-2,2-dimetil-glicinat de metil) ceea ce ne-a permis să validăm şi această rută de sinteză a intermediarilor de interes.
  • Rezultatele promiţătoare efectuate pe compuşii nemarcaţi au permis dezvoltarea unei noi metode de sinteză a unui produs Amadori marcat izotopic. Astfel, a fost obţinut derivatul 7 (N-(1-Deoxi-1-D-Fructosil)-glicina-2H-15N) având ca materii prime D-Glucoza-D12 (complet deuterată) şi Glicina-D2–15N urmând acelaşi protocol de reacţie ca cel descris anterior pentru sinteza derivaţilor 5 şi 6. Randamentul de obţinere al acestui compus a fost bun iar structura acestuia a fost validată de spectroscopia RMN şi de spectrometria de masă. Şi această metodă a fost validată și implementată în INCDTIM, în laboratoarele proprii de sinteze de compuși marcați.
  • Pe baza metodei mai sus menţionate a fost raportat produsul N-(1-Deoxi-1-D-Fructosil)-glicina-2H-15N (7).

Diseminarea rezultatelor

Rezultatele cercetării au fost valorificate la manifestare ştiinţifică „Processes in Isotopes Molecules”, Cluj-Napoca, România, (2021) cu 3 lucrări după cum urmează:

  1. Ancuţa Balla, Cristina Marcu, József-Zsolt Szűcs-Balazs, „Compensation effect in catalytic oxidation of carbon monoxide”;
  2. Stelian Radu, Claudia Lar, Cristina Marcu, Ancuţa Balla, Codruţa Mihaela Varodi, Ştefan Bugeac, Jozsef-Zsolt Szücs-Balázs, „Synthesis and Structural Analysis of Some Isotopically Labeled Amadori Products”;
  3. Claudia Lar, Anca Cristina Petran, Stelian Radu, Ștefan Bugeac, József-Zsolt Szűcs-Balazs, „Synthetic Strategies for Labeled Catecholamine-Based Compounds”.

Faza 4b: Implementarea și optimizarea metodologiilor de obținere a sistemelor N-N dublu marcate cu 15N

Valoare fază: 207.200 lei
Termen de încheiere: 13.07.2022

Rezultate de cercetare:

  • A fost elaborată o metodă pentru obţinerea clorhidratului de 2-amino-2-metil-butanoat de metil marcat cu 15N (7a) care a fost sintetizat de asemenea printr-o procedură multi-step; aceasta a presupus obţinerea unui aminonitril (s-a folosit 15NH4Cl pentru introducerea izotopului 15N în moleculă) care este hidrolizat în etapa următoare la aminoacid (sub formă de clorhidrat) iar ultimul pas l-a reprezentat etapa de esterificare a acestui aminoacid în prezenţa clorurii de tionil şi a alcoolului metilic. Acest ester organic este un intermediar important în schema propusă de obţinere a compuşilor Amadori, iar metoda a fost validată și implementată în INCDTIM, în laboratoarele proprii de sinteze de compuși marcați.
  • Pe baza metodei mai sus menţionate a fost raportat produsul clorhidrat de 2-amino-2-metil-butanoat de metil marcat cu 15N (7a).
  • Rezultate interesante au fost obţinute şi în urma reacţiilor de obţinere a patru produşi Amadori. Strategiile propuse în vederea obţinerii acestor derivaţi, au vizat testarea iniţială a patru glucide/zaharuri nemarcate izotopic (e.g. D-Glucoza, D-Xiloza, D-Manoza şi D-Fructoza) în reacţie cu acelaşi aminoacid (în cazul nostru α-Alanina) în condiţii bine definite (catalizator, solvent, temperatură) şi care au generat produşii Amadori corespunzători: N-(1-Deoxi-1-D-Fructosil)-L-Alanina (1); N-(1-Deoxi-1-D-Xilulosil)-L-Alanina (2); N-(1-Deoxi-1-D-Fructosil)-L-Alanina (3) şi respectiv N-(2-Deoxi-2-D-Glucosil)-L-Alanina (4) cu randamente bune. Structurile acestor produşi Amadori au fost confirmate cu ajutorul spectroscopiei RMN şi al spectrometriei de masă.
  • Este de asemenea raportat un nou produs Amadori (N-(1-Deoxi-1-D-Fructosil)-2-amino-2-metil-butanoat de metil) (8). Acest compus a fost obţinut tot în urma rearanjamentului Amadori, cu anumite modificări care au presupus reacţia dintre D-Galactoză şi clorhidratul de 2-amino-2-metil-butanoat de metil (nemarcat) în prezenţa trietilaminei (pentru a elibera amina din sarea ei). Analizele efectuate (RMN şi SM) au confirmat structura produsului 8 (N-(1-Deoxi-1-D-Fructosil)-2-amino-2-metil-butanoat de metil) ceea ce ne-a permis să validăm şi această rută de sinteză a intermediarilor de interes.

Diseminarea rezultatelor

Rezultatele cercetării au fost valorificate astfel:

  1. Un poster la manifestarea ştiinţifică „The 13th International Symposium of the Romanian Catalysis Society” (RomCat), June 22-24, 2022, Băile Govora, România. Titlul prezentarii: Catalytic conversion of CO2 with CH4 into valuable chemical–acetic acid. Autori: Ancuţa Balla, Cristina Marcu, József-Zsolt Szücs-Balázs;
  2. Un articol publicat în SENSORS, 2022, 22(10), 3606. Titlu articol: Electrochemical L-Tyrosine Sensor Based on a Glassy Carbon Electrode Modified with Exfoliated Graphene. Autori: Codruţa Varodi, Florina Pogăcean, Maria Coroş, Alexandra Ciorîță, Stela Pruneanu;
  3. Un articol publicat în CHEMOSENSORS, 2022, 10(2), 47. Titlu articol: Nitrogen-Doped Graphene-Based Sensor for Electrochemical Detection of Piroxicam, a NSAID Drug for COVID-19 Patients. Autori: Codruţa Varodi, Maria Coroş, Florina Pogăcean, Alexandra Ciorîţă, Alexandru Turza, Stela Pruneanu.

Perspective de viitor: Pe viitor, se va încerca diversificarea paletei de aminoacizi marcaţi sintetizaţi (cu 13C, cu 15N sau cu 2H), deoarece aceştia sunt „building blocks” esenţiali pentru obţinerea de ansambluri moleculare (e.g. proteine, derivaţi Amadori complecşi, compuşi biochimici, etc.) dar şi pentru că rezultatele obținute în prezentul proiect ne încurajează să extindem acest domeniu şi să realizăm experimente care pot da acestora o utilitate practică în domenii de mare interes precum cel medical.