C60 متعدد الهيدروكسيل بالموجات فوق الصوتية (فوليرينول)
- فوليرين C60 متعدد الهيدروكسيل القابل للذوبان في الماء، والمسمى فوليرينول أو فوليرول، مادة قوية لاصطياد الجذور الحرة، ولذلك يُستخدم مضادًا للأكسدة في المكملات الغذائية والمستحضرات الصيدلانية.
- الهيدروكسلة بالموجات فوق الصوتية تفاعل سريع وبسيط من خطوة واحدة، يُستخدم لإنتاج C60 متعدد الهيدروكسيل القابل للذوبان في الماء.
- يتميز C60 القابل للذوبان في الماء والمُصنَّع بالموجات فوق الصوتية بجودة فائقة، ويُستخدم في التطبيقات الصيدلانية والتطبيقات عالية الأداء.
تصنيع C60 متعدد الهيدروكسيل بالموجات فوق الصوتية في خطوة واحدة
التجويف بالموجات فوق الصوتية هو التقنية المتفوقة لإنتاج فوليرينات C60 متعددة الهيدروكسيل عالية الجودة، وهي قابلة للذوبان في الماء، ولذلك يمكن استخدامها في تطبيقات متنوعة في المستحضرات الصيدلانية والطب والصناعة. طوّر Afreen وآخرون (2017) طريقة سريعة وبسيطة للتصنيع بالموجات فوق الصوتية لإنتاج C60 متعدد الهيدروكسيل الخالي من التلوث (المعروف أيضًا باسم فوليرينول أو فوليرول). يستخدم التفاعل بالموجات فوق الصوتية ذو الخطوة الواحدة H2O2 دون استخدام كواشف هيدروكسلة إضافية، أي NaOH وH2SO4 ومحفزات انتقال الطور (PTC)، التي تُسبب شوائب في الفوليرينول المُصنَّع. وهذا يجعل تصنيع الفوليرينول بالموجات فوق الصوتية نهجًا أنظف لإنتاجه؛ وفي الوقت نفسه، فهو طريقة أسهل وأسرع لإنتاج C60 عالي الجودة والقابل للذوبان في الماء.
مسارات التفاعل المحتملة في تصنيع الفوليرينول بمساعدة الموجات فوق الصوتية في وجود H2O2 المخفف (30%).
المصدر: Afreen وآخرون، 2017
تصنيع C60 القابل للذوبان في الماء بالموجات فوق الصوتية – خطوة بخطوة
لتحضير C60 متعدد الهيدروكسيل القابل للذوبان في الماء بطريقة سريعة وبسيطة وصديقة للبيئة، تُضاف 200 mg من C60 النقي إلى 20mL من H2O2 بتركيز 30%، وتُجرى المعالجة بالموجات فوق الصوتية باستخدام طرازَي جهاز المعالجة بالموجات فوق الصوتية UP200Ht أو UP200St. كانت معلمات المعالجة بالموجات فوق الصوتية سعة 30%، وقدرة 200 W في الوضع النبضي لمدة 1 h عند درجة حرارة الغرفة. يوضع وعاء التفاعل في حمام مائي مزود بجهاز تدوير مبرد للحفاظ على درجة الحرارة داخل الوعاء عند درجة حرارة الوسط المحيط. قبل المعالجة بالموجات فوق الصوتية، يكون C60 غير قابل للامتزاج مع H2O2 المائي ويشكّل خليطًا غير متجانس عديم اللون، يتحول إلى لون بني فاتح بعد 30 min من المعالجة بالموجات فوق الصوتية. ثم يتحول، خلال 30 min التالية من المعالجة بالموجات فوق الصوتية، إلى مشتت بني داكن بالكامل.
مانح الهيدروكسيل: يولّد التجويف الشديد الناتج عن الموجات فوق الصوتية (= التجويف الصوتي) جذورًا مثل cOH وcOOH وcH من جزيئات H2O وH2O2. يُعد استخدام H2O2 في الأوساط المائية نهجًا أكثر كفاءة لإدخال مجموعات –OH على قفص C60 مقارنة باستخدام H2O وحده لتصنيع الفوليرينول. يؤدي H2O2 دورًا مهمًا في تكثيف الهيدروكسلة بالموجات فوق الصوتية.
هيدروكسلة C60 بالموجات فوق الصوتية باستخدام H2O2 المخفف (30%) تفاعل سهل وسريع من خطوة واحدة لتحضير الفوليرينول. ولأنه لا يتطلب سوى وقت قصير للتفاعل، يتيح التفاعل بالموجات فوق الصوتية نهجًا صديقًا للبيئة ونظيفًا ذا متطلبات منخفضة من الطاقة، مع تجنب استخدام أي كواشف سامة أو أكّالة للتصنيع، وتقليل عدد المذيبات اللازمة لفصل وتنقية C60(OH)8∙2H2O.
UP400St (400W, 24kHz) هو جهاز تشتيت قوي بالموجات فوق الصوتية
مسار تعدد الهيدروكسلة بالموجات فوق الصوتية
عند اقتران موجات فوق صوتية شديدة بسائل، تنشئ دورات الضغط المنخفض / الضغط المرتفع المتعاقبة فقاعات فراغية في السائل. تنمو الفقاعات الفراغية على مدى عدة دورات حتى تعجز عن امتصاص مزيد من الطاقة، فتنهار بعنف. أثناء انهيار الفقاعات، تحدث تأثيرات فيزيائية شديدة، مثل فروق كبيرة في درجة الحرارة والضغط، وموجات صدمية، ونفاثات دقيقة، واضطرابات، وقوى قص، وغير ذلك. تُعرف هذه الظاهرة بالتجويف بالموجات فوق الصوتية أو التجويف الصوتي. تُحلّل هذه القوى الشديدة للتجويف بالموجات فوق الصوتية الجزيئات إلى جذور cOH وcOOH55.
يفترض Afreen وآخرون (2017) أن التفاعل قد يتقدم عبر مسارين في الوقت نفسه. ترتبط جذور cOH، بوصفها أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS)، بقفص C60 لتعطي الفوليرينول (المسار I)، و/أو تهاجم جذور –OH وcOOH الروابط المزدوجة الفقيرة بالإلكترونات في C60 في تفاعل محب للنواة، مما يؤدي إلى تكوين إيبوكسيد الفوليرين [C60On] بوصفه مركبًا وسيطًا في المرحلة الأولى (المسار II)، على نحو يشبه آلية تفاعل Bingel. علاوة على ذلك، يؤدي الهجوم المتكرر لجذور cOH (أو cOOH) على C60O عبر تفاعل SN2 إلى فوليرين متعدد الهيدروكسيل أو فوليرينول.
قد تحدث إبكسدة متكررة تُنتج مجموعات إيبوكسيد متتابعة، مثل C60O2 وC60O3. ويمكن أن تكون مجموعات الإيبوكسيد هذه مرشحة لتوليد مركبات وسيطة أخرى، مثل إيبوكسيد الفوليرين المهدرْوكسَل، أثناء التحلل بالموجات فوق الصوتية (= التحلل الكيميائي الصوتي). بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يؤدي الفتح اللاحق لحلقة C60(OH)xOy بواسطة cOH إلى تكوين الفوليرينول. إن تكوّن هذه المركبات الوسيطة أثناء التحلل بالموجات فوق الصوتية لـ H2O2 أو H2O في وجود C60 أمر حتمي، ولا يمكن إغفال وجودها في الفوليرينول النهائي (وإن كان بكميات ضئيلة جدًا). ومع ذلك، لأنها لا توجد في الفوليرينول إلا بكميات ضئيلة جدًا، فلا يُتوقع أن تُحدث أي تأثير ملحوظ. [Afreen et al., 2017]
أجهزة معالجة بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء لتشتيت الفوليرين
توفر Hielscher Ultrasonics أجهزة معالجة بالموجات فوق الصوتية من نوع المسبار لتلبية متطلباتك المحددة: سواء كنت ترغب في معالجة أحجام صغيرة بالموجات فوق الصوتية على النطاق المخبري أو إنتاج تيار كبير الحجم على النطاق الصناعي، فإن مجموعة Hielscher من أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء تقدم الحل المثالي لتشتيت الفوليرين. تضمن القدرة العالية الناتجة، وإمكانية الضبط الدقيق، وموثوقية أجهزتنا للمعالجة بالموجات فوق الصوتية تلبية متطلبات عمليتك. وتجعل شاشات اللمس الرقمية والتسجيل التلقائي لبيانات معلمات الموجات فوق الصوتية على بطاقة SD مدمجة تشغيل أجهزتنا بالموجات فوق الصوتية والتحكم فيها سهلَين للغاية.
تتيح متانة معدات Hielscher بالموجات فوق الصوتية تشغيلها على مدار 24/7 تحت أحمال تشغيل شديدة وفي بيئات متطلبة.
يعطيك الجدول أدناه مؤشرًا على قدرة المعالجة التقريبية لأجهزتنا للمعالجة بالموجات فوق الصوتية:
| حجم الدفعة | معدل التدفق | الأجهزة الموصى بها |
|---|---|---|
| 1 إلى 500mL | 10 إلى 200mL/min | UP100H |
| 10 إلى 2000mL | 20 إلى 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 إلى 20L | 0.2 إلى 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 إلى 100L | 2 إلى 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 إلى 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | أكبر | مجموعة من أجهزة UIP16000 |
اتصل بنا! / اسألنا!
أجهزة معالجة بالموجات فوق الصوتية عالية القدرة، من النطاق المخبري إلى النطاق التجريبي والصناعي.
المؤلفات/المراجع
- Sadia Afreen, Kasturi Muthoosamy, Sivakumar Manickam (2018): الكيمياء الصوتية النانوية: عصر جديد لتصنيع مواد كربونية نانوية متعددة الهيدروكسيل ذات مجموعات هيدروكسيل وجوانبها الصناعية. Ultrasonics Sonochemistry 2018.
- Sadia Afreen, Kasturi Muthoosamy, Sivakumar Manickam (2017): الإماهة أم الهيدروكسلة: التصنيع المباشر للفوليرينول من الفوليرين الأصلي [C60] عبر التجويف الصوتي في وجود بيروكسيد الهيدروجين. RSC Adv., 2017, 7, 31,930–31,939.
- Grigory V. Andrievsky, Vadim I. Bruskov, Artem A. Tykhomyrov, Sergey V. Gudkov (2009): خصائص التأثيرات المضادة للأكسدة والواقية من الإشعاع للبنى النانوية لفوليرين C60 المُماهى في المختبر وفي الكائن الحي. Free Radical Biology & Medicine 47, 2009. 786–793.
- Mihajlo Gigov, Borivoj Adnađević, Borivoj Adnađević, Jelena D. Jovanovic (2016): تأثير المجال فوق الصوتي في حركية تعدد هيدروكسلة الفوليرين عند درجة حرارة ثابتة. Science of Sintering 2016, 48(2):259–272.
- Hirotaka Yoshioka, Naoko Yui, Kanaka Yatabe, Hiroto Fujiya, Haruki Musha, Hisateru Niki, Rie Karasawa, Kazuo Yudoh (2016): فوليرينات C60 متعددة الهيدروكسيل تمنع النشاط التقويضي للخلايا الغضروفية عند تراكيز نانومولارية في الفصال العظمي. Journal of Osteoarthritis 2016, 1:115.
[/toggle]
حقائق جديرة بالمعرفة
فوليرينات C60
فوليرين C60 (المعروف أيضًا باسم كرة باكي أو فوليرين بكمنستر) جزيء يتكون من 60 ذرة كربون، مرتبة في 12 شكلًا خماسي الأضلاع و20 شكلًا سداسي الأضلاع. يشبه شكل جزيء C60 كرة القدم. فوليرينات C60 مضاد للأكسدة غير سام، وتُظهر فعالية أعلى من فيتامين E بمقدار 100–1000. وعلى الرغم من أن C60 نفسه غير قابل للذوبان في الماء، فقد صُنّعت مشتقات عديدة للفوليرين عالية الذوبانية في الماء، مثل الفوليرينول.
تُستخدم فوليرينات C60 مضادًا للأكسدة ومستحضرًا صيدلانيًا حيويًا. وتشمل التطبيقات الأخرى علم المواد، والخلايا الكهروضوئية العضوية (OPV)، والمحفزات، وتنقية المياه والحماية من المخاطر البيولوجية، ومصادر الطاقة المحمولة، والمركبات والأجهزة الطبية.
ذوبانية C60 النقي:
- في الماء: غير قابل للذوبان
- في ثنائي ميثيل السلفوكسيد (DMSO): غير قابل للذوبان
- في التولوين: قابل للذوبان
- في البنزين: قابل للذوبان
البنية السطحية لفوليرينات C60
المصدر: Yoshioka وآخرون، 2016
C60 متعدد الهيدروكسيل / الفوليرينولات
الفوليرينول أو الفوليرولات هي جزيئات C60 متعددة الهيدروكسيل (فوليرين C60 المُماهى: C60HyFn). يُدخل تفاعل «hydrolylation» مجموعات الهيدروكسيل (-OH) إلى جزيء C60. تتمتع جزيئات C60 التي تحتوي على أكثر من 40 مجموعة هيدروكسيل بذوبانية أعلى في الماء (>50 mg/mL). وتوجد هذه الجزيئات في الماء على هيئة جسيمات نانوية أحادية التشتت، ولها تأثير تلميع «شجاع». وهي تُظهر خصائص فائقة مضادة للأكسدة والالتهاب. يمكن إذابة الفوليرينات متعددة الهيدروكسيل (الفوليرينولات؛ C60(OH)n) في بعض الكحولات ثم ترسيبها بعملية كهروكيميائية، مما يُنشئ غشاءً من الكربون النانوي على المصعد. تُستخدم أغشية الفوليرينول طلاءً متوافقًا حيويًا وخاملًا تجاه الأجسام البيولوجية، ويمكنها تسهيل اندماج الأجسام غير البيولوجية في أنسجة الجسم.
ذوبانية الفوليرينول:
- في الماء: قابل للذوبان، ويمكن أن تصل الذوبانية إلى >50 mg/mL
- في ثنائي ميثيل السلفوكسيد (DMSO): قابل للذوبان
- في الميثانول: قليل الذوبان
- في التولوين: غير قابل للذوبان
- في البنزين: غير قابل للذوبان
اللون: يُظهر الفوليرينول الذي يحمل أكثر من 10 مجموعات –OH لونًا بنيًا داكنًا. ومع ازدياد عدد مجموعات –OH، يتحول اللون تدريجيًا من البني الداكن إلى الأصفر.
ذوبانية ذوبانية C60(OH)8.2H2O مقارنةً بـ C60 في مذيبات مختلفة. المصدر: Afreen وآخرون، 2017
تطبيقات الفوليرينولات واستخداماتها:
- المستحضرات الصيدلانية: كواشف تشخيصية، وأدوية فائقة، ومستحضرات تجميل، ورنين مغناطيسي نووي (NMR) مع «المطوّر». الألفة لـ DNA، وأدوية مضادة لـ HIV، وأدوية مضادة للسرطان، وأدوية العلاج الكيميائي، وإضافات مستحضرات التجميل، والبحث العلمي. مقارنةً بالشكل الأصلي، تتمتع الفوليرينات متعددة الهيدروكسيل بتطبيقات محتملة أكثر بفضل تحسن ذوبانيتها في الماء. وقد وُجد أن الفوليرولات يمكن أن تقلل السمية القلبية لبعض الأدوية وتثبط بروتياز HIV، وفيروس التهاب الكبد C، والنمو غير الطبيعي للخلايا. علاوة على ذلك، أظهرت قدرات ممتازة على اصطياد الجذور الحرة في مواجهة أنواع الأكسجين التفاعلية والجذور في الظروف الفسيولوجية.
- الطاقة: بطارية شمسية، وخلية وقود، وبطارية ثانوية.
- الصناعة: مادة مقاومة للاهتراء، ومواد مثبطة للهب، ومواد تشحيم، وإضافات للبوليمرات، وغشاء عالي الأداء، ومحفز، وألماس اصطناعي، وسبيكة صلبة، و«مائع لزج كهربائي»، ومرشحات حبر، وطلاءات عالية الأداء، وطلاءات مثبطة للحريق، وتصنيع مواد نشطة حيويًا، ومواد ذاكرة، و«خصائص جزيئية مدمجة وخصائص أخرى»، ومواد مركبة، وغير ذلك.
- صناعة المعلومات: وسيط تسجيل من أشباه الموصلات، ومواد مغناطيسية، وحبر طباعة، ومسحوق حبر، وحبر، وورق لأغراض خاصة.
- المكونات الإلكترونية: شبه موصل فائق التوصيل، وثنائيات، وترانزستورات، ومُحَثّ.
- مواد بصرية، وكاميرا إلكترونية، وأنبوب عرض فلوري، ومواد بصرية غير خطية.
- البيئة: امتزاز الغاز، وتخزين الغاز.