Ultrazvučno polihidroksilirani C60 (fulerenol)

• Polihidroksilirani C60 fuleren topiv u vodi, nazvan fulerenol ili fuleroli, snažan je hvatač slobodnih radikala te se zato koristi kao antioksidans u dodacima prehrani i farmaceutskim proizvodima.
• Ultrazvučna hidroksilacija brza je i jednostavna reakcija u jednom koraku koja se koristi za proizvodnju polihidroksiliranog C60 topivog u vodi.
• Ultrazvučno sintetizirani C60 topiv u vodi odlikuje se vrhunskom kvalitetom i koristi se u farmaceutskim i visokoučinkovitim primjenama.

Ultrazvučna sinteza polihidroksiliranog C60 u jednom koraku

Ultrazvučna kavitacija je vrhunska tehnika za proizvodnju visokokvalitetnih polihidroksiliranih C60 fulerena, koji su topivi u vodi i stoga se mogu koristiti u raznim primjenama u farmaciji, medicini i industriji. Afreen et al (2017) razvili su brzu i jednostavnu ultrazvučnu sintezu polihidroksiliranog C60 bez kontaminacije (poznatog i kao fulerenol ili fulerol). Ultrazvučna reakcija u jednom koraku koristi H2O2 i ne zahtijeva dodatne hidroksilirajuće reagense, tj. NaOH, H2SO4 i katalizatore faznog prijenosa (PTC), koji uzrokuju nečistoće u sintetiziranom fulerenolu. Zbog toga je ultrazvučna sinteza fulerenola čistiji pristup proizvodnji fulerenola; istovremeno je to lakši i brži način proizvodnje visokokvalitetnog C60 topivog u vodi.

Mogući reakcijski putevi u sintezi fulerenola potpomognutoj ultrazvukom u prisustvu razrijeđenog H2O2 (30%).
izvor: Afreen et al. 2017

Ultrazvučna sinteza C60 topivog u vodi – korak po korak

Za brzu, jednostavnu i zelenu pripremu polihidroksiliranog C60, koji je topiv u vodi, 200 mg čistog C60 dodaje se u 20mL 30% H2O2 i podvrgava ultrazvučnoj obradi sonikatorima modela UP200Ht ili UP200St. Parametri sonikacije bili su 30% amplitude, 200 W u pulsnom načinu rada tokom 1 h na sobnoj temperaturi. Reakcijska posuda stavlja se u vodenu kupelj s rashladnom cirkulacijom kako bi se temperatura unutar posude održavala na temperaturi okoline. Prije sonikacije C60 se ne miješa s vodenim H2O2 i čini bezbojnu heterogenu smjesu, koja nakon 30 min ultrazvučne obrade poprimi svijetlosmeđu boju. Nakon toga, u sljedećih 30 min ultrazvučne obrade, pretvara se u potpuno tamnosmeđu disperziju.
Donor hidroksila: Intenzivna ultrazvučno generirana (= akustična) kavitacija stvara radikale poput cOH, cOOH i cH iz molekula H2O i H2O2. Upotreba H2O2 u vodenom mediju efikasniji je pristup uvođenju –OH grupa na C60 kavez nego korištenje samo H2O za sintezu fulerenola. H2O2 igra važnu ulogu u intenzifikaciji ultrazvučne hidroksilacije.

Ultrazvučna hidroksilacija C60 pomoću razrijeđenog H2O2 (30%) jednostavna je i brza reakcija u jednom koraku za pripremu fulerenola. Budući da za reakciju treba samo kratko vrijeme, ultrazvučna reakcija nudi zelen i čist pristup s niskom potrošnjom energije, izbjegava upotrebu bilo kakvih toksičnih ili korozivnih reagensa za sintezu i smanjuje broj otapala potrebnih za odvajanje i pročišćavanje C60(OH)₈∙2H₂O.

Put ultrazvučne polihidroksilacije

Kada se intenzivni ultrazvučni talasi unose u tekućinu, naizmjenični ciklusi niskog i visokog pritiska stvaraju vakuumske mjehuriće u tekućini. Vakuumski mjehurići rastu tokom nekoliko ciklusa dok ne mogu apsorbirati više energije, pa silovito kolabiraju. Tokom kolapsa mjehurića javljaju se ekstremni fizički efekti kao što su visoka temperatura i razlike pritiska, udarni talasi, mikromlazevi, turbulencije, smične sile itd. Ta pojava poznata je kao ultrazvučna ili akustična kavitacija.Ove intenzivne sile ultrazvučne kavitacije razlažu molekule na cOH i cOOH55 radikale.
Afreen et al. (2017) pretpostavljaju da reakcija može teći istovremeno kroz dva puta. cOH radikali kao reaktivne vrste kisika (ROS) vežu se na C60 kavez i daju fulerenol (put I), i/ili –OH i cOOH radikali napadaju dvostruke veze C60 s manjkom elektrona u nukleofilnoj reakciji, što dovodi do nastanka fulerenskog epoksida [C60On] kao međuprodukta u prvoj fazi (put II), što je slično mehanizmu Bingelove reakcije. Nadalje, ponovljeni napad cOH (ili cOOH) na C60O putem SN2 reakcije rezultira polihidroksiliranim fulerenom ili fulerenolom.
Može doći do ponovljene epoksidacije, koja stvara uzastopne epoksidne grupe, npr. C60O2 i C60O3. Te epoksidne grupe mogle bi biti mogući kandidati za nastanak drugih međuprodukata, npr. hidroksiliranog fulerenskog epoksida, tokom sonolize (= sonohemijske razgradnje). Osim toga, naknadno otvaranje prstena C60(OH)xOy pomoću cOH može dovesti do nastanka fulerenola. Nastanak tih međuprodukata tokom sonolize H2O2 ili H2O u prisustvu C60 je neizbježan, a njihovo prisustvo u konačnom fulerenolu (iako u tragovima) ne smije ostati neprimijećeno. Međutim, budući da su u fulerenolu prisutni samo u tragovima, ne očekuje se da će imati bilo kakav značajan utjecaj. [Afreen et al., 2017]

Visokoučinkoviti sonikatori za disperziju fulerena

Hielscher Ultrasonics isporučuje sonikatore sa sondom prema vašim specifičnim zahtjevima: bez obzira želite li ultrazvučno obrađivati male volumene u laboratorijskom mjerilu ili proizvoditi veliki volumenski tok u industrijskom mjerilu, portfolio visokoučinkovitih sonikatora kompanije Hielscher nudi savršeno rješenje za disperziju vaših fulerena. Velika izlazna snaga, precizna podesivost i pouzdanost naših ultrazvučnih uređaja osiguravaju ispunjenje zahtjeva vašeg procesa. Digitalni ekrani osjetljivi na dodir i automatsko bilježenje ultrazvučnih parametara na integriranu SD karticu čine rad s našim ultrazvučnim uređajima i njihovo upravljanje vrlo jednostavnim.
Robusnost ultrazvučne opreme kompanije Hielscher omogućava rad 24/7 pod velikim opterećenjem i u zahtjevnim okruženjima.
U tabeli ispod dat je okvirni pregled približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja: