Ултразвуково полихидроксилиран C60 (фулеренол)

• Водоразтворимият полихидроксилиран фулерен C60, наричан фулеренол или фулерол, е мощен поглътител на свободни радикали и затова се използва като антиоксидант в хранителни добавки и фармацевтични продукти.
• Ултразвуковото хидроксилиране е бърза и проста едностъпкова реакция, която се използва за получаване на водоразтворим полихидроксилиран C60.
• Ултразвуково синтезираният водоразтворим C60 е с превъзходно качество и се използва във фармацевтиката и в приложения с високи изисквания към ефективността.

Ултразвуков едностъпков синтез на полихидроксилиран C60

Ултразвуковата кавитация е най-добрата техника за получаване на висококачествени полихидроксилирани фулерени C60, които са водоразтворими и затова могат да се използват в различни приложения във фармацевтиката, медицината и промишлеността. Afreen и съавт. (2017) са разработили бърз и прост ултразвуков синтез на полихидроксилиран C60 без замърсители (известен също като фулеренол или фулерол). Ултразвуковата едностъпкова реакция използва H2O2 и не изисква използването на допълнителни хидроксилиращи реагенти, т.е. NaOH, H2SO4, и катализатори за фазов пренос (PTC), които причиняват примеси в синтезирания фулеренол. Това прави ултразвуковия синтез на фулеренол по-чист подход за получаването му; същевременно той е по-лесен и по-бърз начин за получаване на висококачествен водоразтворим C60.

Възможни реакционни пътища при ултразвуково подпомагания синтез на фулеренол в присъствието на разреден H2O2 (30%).
източник: Afreen и съавт. 2017

Ултразвуков синтез на водоразтворим C60 – стъпка по стъпка

За бързото, просто и екологично получаване на полихидроксилиран C60, който е водоразтворим, 200 mg чист C60 се добавят към 20mL 30% H2O2 и се подлагат на ултразвукова обработка с моделите ултразвукови апарати UP200Ht или UP200St. Параметрите на ултразвуковата обработка са 30% амплитуда, 200 W в импулсен режим за 1 h при стайна температура. Реакционният съд се поставя във водна баня с охлаждащ циркулатор, за да се поддържа температурата в съда на нивото на температурата на околната среда. Преди ултразвуковата обработка C60 не се смесва с воден H2O2 и представлява безцветна хетерогенна смес, която придобива светлокафяв цвят след 30 min ултразвукова обработка. Впоследствие, през следващите 30 min ултразвукова обработка, тя се превръща в изцяло тъмнокафява дисперсия.
Донор на хидроксилни групи: Интензивната ултразвуково генерирана (= акустична) кавитация създава радикали като cOH, cOOH и cH от молекулите на H2O и H2O2. Използването на H2O2 във водна среда е по-ефективен подход за въвеждане на –OH групи върху клетъчната структура на C60 в сравнение с използването само на H2O за синтеза на фулеренол. H2O2 играе важна роля в интензифицирането на ултразвуковото хидроксилиране.

Ултразвуковото хидроксилиране на C60 с използване на разреден H2O2 (30%) е лесна и бърза едностъпкова реакция за получаване на фулеренол. Тъй като изисква само кратко време за протичане на реакцията, ултразвуковата реакция предлага екологичен и чист подход с ниска потребност от енергия, като избягва използването на всякакви токсични или корозивни реагенти за синтеза и намалява броя на разтворителите, необходими за отделянето и пречистването на C60(OH)₈∙2H₂O.

Път на ултразвуковото полихидроксилиране

Когато интензивни ултразвукови вълни се предават в течност, редуващите се цикли на ниско / високо налягане създават вакуумни мехурчета в течността. Вакуумните мехурчета нарастват в продължение на няколко цикъла, докато вече не могат да поглъщат повече енергия, вследствие на което колабират бурно. По време на колапса на мехурчетата екстремни физични ефекти, като големи температурни разлики и разлики в налягането, ударни вълни, микроструи, турбулентност, сили на срязване и др. Това явление е известно като ултразвукова или акустична кавитация. Тези интензивни сили на ултразвуковата кавитация разграждат молекулите до радикали cOH и cOOH55.
Afreen и съавт. (2017) предполагат, че реакцията може да протича едновременно по два пътя. Радикалите cOH, като реактивни кислородни видове (ROS), се прикрепят към клетъчната структура на C60 и образуват фулеренол (път I), и/или радикалите –OH и cOOH атакуват електронодефицитните двойни връзки на C60 в нуклеофилна реакция и това води до образуването на фулеренов епоксид [C60On] като междинен продукт в първия етап (път II), което е сходно с механизма на реакцията на Bingel. Освен това многократната атака на cOH (или cOOH) върху C60O чрез реакция SN2 води до полихидроксилиран фулерен или фулеренол.
Може да настъпи многократно епоксидиране, при което се образуват последователни епоксидни групи, например C60O2 и C60O3. Тези епоксидни групи биха могли да бъдат възможни кандидати за образуване на други междинни продукти, например хидроксилиран фулеренов епоксид, по време на сонолиза (= сонохимично разлагане). Освен това последващото отваряне на пръстена на C60(OH)xOy с cOH може да доведе до образуване на фулеренол. Образуването на тези междинни продукти по време на сонолизата на H2O2 или H2O в присъствието на C60 е неизбежно и тяхното присъствие в крайния фулеренол (макар и в следово количество) не може да остане неотбелязано. Въпреки това, тъй като те присъстват във фулеренола само в следови количества, не се очаква да имат значително въздействие. [Afreen et al., 2017]

Високоефективни ултразвукови апарати за диспергиране на фулерени

Hielscher Ultrasonics доставя ултразвукови апарати със сонда за вашите специфични изисквания: Независимо дали искате да обработвате ултразвуково малки обеми в лабораторен мащаб, или да произвеждате поток с голям обем в промишлен мащаб, гамата от високоефективни ултразвукови апарати на Hielscher предлага идеалното решение за диспергиране на вашите фулерени. Високата изходна мощност, прецизното регулиране и надеждността на нашите ултразвукови апарати гарантират изпълнението на изискванията на вашия процес. Цифровите сензорни екрани и автоматичното записване на данните за ултразвуковите параметри върху вградена SD карта правят работата с нашите ултразвукови устройства и управлението им много удобни за потребителя.
Здравината на ултразвуковото оборудване на Hielscher позволява работа 24/7 при голямо натоварване и в тежки условия.
Таблицата по-долу дава представа за приблизителния капацитет за обработка на нашите ултразвукови апарати: