Ultrazvukem polyhydroxylovaný C60 (fullerenol)
- Ve vodě rozpustný polyhydroxylovaný fulleren C60, nazývaný fullerenol nebo fullerol, je silný lapač volných radikálů, a proto se používá jako antioxidant v doplňcích stravy a léčivech.
- Ultrazvuková hydroxylace je rychlá a jednoduchá jednostupňová reakce, která se používá k výrobě ve vodě rozpustného polyhydroxylovaného C60.
- Ultrazvukem syntetizovaný ve vodě rozpustný C60 má vynikající kvalitu a používá se pro farmaceutické a vysoce výkonné aplikace.
Ultrazvuková jednostupňová syntéza polyhydrolxylovaného C60
Ultrazvuková kavitace je špičková technika pro výrobu vysoce kvalitních polyhydroxylovaných fullerenů C60, které jsou rozpustné ve vodě, a proto je lze použít v různých aplikacích ve farmacii, medicíně a průmyslu. Afreen a kol. (2017) vyvinuli rychlou a jednoduchou ultrazvukovou syntézu polyhydroxylovaného C60 bez kontaminace (známého také jako fullerenol nebo fullerol). Ultrazvuková jednostupňová reakce využívá H2O2 a je bez použití dalších hydroxylačních činidel, tj. NaOH, H2SO4 a katalyzátorů pro přenos fáze (PTC), které způsobují nečistoty v syntetizovaném fullerenolu. Díky tomu je ultrazvuková syntéza fullerenolu čistším přístupem k výrobě fullerenolu; Zároveň se jedná o jednodušší a rychlejší způsob výroby vysoce kvalitního, ve vodě rozpustného C60.
Možné reakční cesty při ultrazvukem asistované syntéze fullerenolu v přítomnosti dil. H2O2 (30%).
zdroj: Afreen et al. 2017
Ultrazvuková syntéza ve vodě rozpustného C60 – Krok za krokem
Pro rychlou, jednoduchou a zelenou přípravu polyhydroxylovaného C60, který je rozpustný ve vodě, se 200 mg čistého C60 přidá do 20 ml 30% H2O2 a sonikuje se sonikátorovými modely UP200Ht nebo UP200St. Parametry sonikace byly 30% amplituda, 200 W v pulzním režimu po dobu 1 hodiny při pokojové teplotě. Reakční nádoba se umístí do chlazené vodní lázně s cirkulačním čerpadlem, aby se teplota uvnitř nádoby udržovala na teplotě okolí. Před sonikací je C60 nemísitelný ve vodném H2O2 a je bezbarvou heterogenní směsí, která se po 30 minutách ultrazvuku změní na světle hnědou barvu. Následně, v dalších 30 minutách ultrazvuku, se změní na zcela tmavě hnědou disperzi.
Donor hydroxylu: Intenzivní ultrazvukem generovaná (= akustická) kavitace vytváří radikály jako cOH, cOOH a cH z molekul H2O a H2O2. Použití H2O2 ve vodném prostředí je efektivnější přístup k zavedení –OH skupin do klece C60 než použití H2O pouze pro syntézu fullerenolu. H2O2 hraje důležitou roli při ultrazvukové intenzifikaci hydroxylace.
Ultrazvuková hydroxylace C60 pomocí dil. H2O2 (30%) je snadná a rychlá jednokroková reakce na přípravu fullerenolu. Ultrazvuková reakce, která vyžaduje pouze krátkou dobu pro reakci, nabízí zelený a čistý přístup s nízkými energetickými nároky, vyhýbá se použití jakýchkoli toxických nebo korozivních činidel pro syntézu a snižuje počet rozpouštědel potřebných pro separaci a čištění C60 (OH)8∙2H2O.
UP400St (400W, 24kHz) je výkonný ultrazvukový dispergátor
Ultrazvuková polyhydroxylační dráha
Když jsou intenzivní ultrazvukové vlny spojeny do kapaliny, střídání nízkotlakých / vysokotlakých cyklů vytváří v kapalině vakuové bubliny. Vakuové bubliny rostou několik cyklů, dokud nemohou absorbovat více energie, takže se prudce zhroutí. Během spádu bubliny dochází k extrémním fyzikálním jevům, jako jsou vysoké teplotní a tlakové rozdíly, rázové vlny, mikrojety, turbulence, smykové síly atd. Tento jev je známý jako ultrazvukový nebo Akustická kavitace. Tyto intenzivní síly ultrazvukové kavitace rozkládají molekuly na radikály cOH a cOOH55.
Afreen et al. (2017) předpokládají, že reakce může probíhat dvěma cestami současně. Radikály cOH jako reaktivní formy kyslíku (ROS) se připojují na klec C60 za vzniku fullerenolu (cesta I) a/nebo –OH a radikály cOOH napadají dvojné vazby C60 s nedostatkem elektronů v nukleofilní reakci, což vede k tvorbě fullerenového epoxidu [C60On] jako meziproduktu v první fázi (cesta II), což je podobné mechanismu Bingelovy reakce. Dále opakovaný útok cOH (nebo cOOH) na C60O prostřednictvím SN2 reakce vede k polyhydroxylovanému fullerenu nebo fullerenolu.
Může dojít k opakované epoxidaci, při které vznikají po sobě jdoucí epoxidové skupiny, např. C60O2 a C60O3. Tyto epoxidové skupiny by mohly být možnými kandidáty na generování dalších meziproduktů, např. hydroxylovaného fullerenového epoxidu během sonolýzy (= sonochemický rozklad). Navíc následné otevření kruhu C60(OH)xOy s cOH může vést k tvorbě fullerenolu. Tvorba těchto meziproduktů během sonolýzy H2O2 nebo H2O v přítomnosti C60 je nevyhnutelná a jejich přítomnost v konečném fullerenolu (i když ve stopovém množství) nemůže zůstat bez povšimnutí. Protože jsou však ve fullerenolu přítomny pouze ve stopových množstvích, neočekává se, že by měly mít nějaký významný dopad. [Afreen et al., 2017]
Vysoce výkonné sonikátory pro fullerenovou disperzi
Hielscher Ultrasonics dodává sonátory typu sondy pro vaše specifické požadavky: Ať už chcete sonikovat malé objemy v laboratorním měřítku nebo vyrábět velké objemy proudu v průmyslovém měřítku, Hielscher portfolio vysoce výkonných sonikátorů nabízí perfektní řešení pro vaši fullerenovou disperzi. Vysoký výkon, přesná nastavitelnost a spolehlivost našich ultrasonicators zajišťují, že jsou splněny vaše procesní požadavky. Díky digitálním dotykovým obrazovkám a automatickému záznamu ultrazvukových parametrů na integrovanou SD kartu je obsluha a ovládání našich ultrazvukových přístrojů uživatelsky velmi přívětivá.
Robustnost ultrazvukového zařízení Hielscher umožňuje provoz 24 hodin denně, 7 dní v týdnu v náročném provozu a v náročných prostředích.
Níže uvedená tabulka vám poskytuje přibližný přehled o zpracovatelské kapacitě našich ultrasonicators:
| Objem dávky | Průtok | Doporučená zařízení |
|---|---|---|
| 1 až 500 ml | 10 až 200 ml / min | UP100H |
| 10 až 2000 ml | 20 až 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 až 20L | 0.2 až 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 až 100 l | 2 až 10 l/min | UIP4000hdT |
| Není k dispozici | 10 až 100 l / min | UIP16000 |
| Není k dispozici | větší | shluk UIP16000 |
Kontaktujte nás! / Zeptejte se nás!
Vysoce výkonné ultrazvukové procesory od laboratorního po pilotní a průmyslové měřítko.
Literatura/Odkazy
- Sadia Afreen, Kasturi Muthoosamy, Sivakumar Manickam (2018): Sono-nano chemie: Nová éra syntézy polyhydroxylovaných uhlíkových nanomateriálů s hydroxylovými skupinami a jejich průmyslové aspekty. Ultrazvuková sonochemie 2018.
- Sadia Afreen, Kasturi Muthoosamy, Sivakumar Manickam (2017): Hydratace nebo hydroxylace: přímá syntéza fullerenolu z původního fullerenu [C60] prostřednictvím akustické kavitace v přítomnosti peroxidu vodíku. RSC Adv., 2017, 7, 31930–31939.
- Grigorij V. Andrievskij, Vadim I. Bruskov, Artem A. Tykhomyrov, Sergey V. Gudkov (2009): Zvláštnosti antioxidačních a radioprotektivních účinků hydratovaných fullerenových nanostukur C60 in vitro a in vivo. Biologie volných radikálů & Medicína 47, 2009. 786–793.
- Mihajlo Gigov, Borivoj Adnađević, Borivoj Adnađević, Jelena D. Jovanovic (2016): Vliv ultrazvukového pole na izotermickou kinetiku fullerenové polyhydroxylace. Věda o slinování 2016, 48(2):259-272.
- Hirotaka Yoshioka, Naoko Yui, Kanaka Yatabe, Hiroto Fujiya, Haruki Musha, Hisateru Niki, Rie Karasawa, Kazuo Yudoh (2016): Polyhydroxylované fullereny C60 zabraňují katabolické aktivitě chondrocytů při nanomolárních koncentracích při osteoartróze. Časopis osteoartrózy 2016, 1:115.
[/přepnout]
Fakta, která stojí za to vědět
C60 Les
Fulleren C60 (také známý jako buckyball nebo Buckminster fulleren) je molekula, která je sestavena ze 60 atomů uhlíku, uspořádaných jako 12 pětiúhelníků a 20 šestiúhelníků. Tvar molekuly C60 připomíná fotbalový míč. Fullereny C60 jsou netoxický antioxidant, který vykazuje účinnost o 100–1000 vyšší než vitamín E. Ačkoli C60 sám o sobě není rozpustný ve vodě, bylo syntetizováno mnoho vysoce ve vodě rozpustných fullerenových derivátů, jako je fullenerol.
Fullereny C60 se používají jako antioxidant a jako biofarmaceutika. Mezi další aplikace patří materiálová věda, organická fotovoltaika (OPV), katalyzátory, čištění vody a ochrana proti biologickému nebezpečí, přenosné napájení, vozidla a lékařská zařízení.
Rozpustnost čistého C60:
- ve vodě: nerozpustný
- v dimethylsulfoxidu (DMSO): nerozpustný
- v toluenu: rozpustný
- v benzenu: rozpustný
Povrchová struktura fullerenů C60
zdroj: Yoshioka et al. 2016
Polyhydroxylovaný C60 / fulleneroly
Fullernerol nebo fulleroly jsou polyhydroxylované molekuly C60 (hydratovaný C60 fulleren: C60HyFn). Hydrolylační reakce zavádí do molekuly C60 hydroxylové skupiny (-OH). Molekuly C60 s více než 40 hydroxylovými skupinami mají vyšší rozpustnost ve vodě (>50 mg/ml). Ty existují jako monodisperzní nanočástice ve vodě a mají statečný leštící účinek. Vykazují vynikající antioxidační a protizánětlivé vlastnosti. Polyhydroxylované fullereny (fullerenoly; C60(OH)n) může být rozpuštěn v některých alkoholech a poté vysrážen elektrochemickým procesem, čímž se na anodě vytvoří nanouhlíkový film. Fullerenovy filmy se používají jako biokompatibilní povlak, inertní vůči biologickým objektům a mohou usnadnit integraci nebiologických objektů do tělesných tkání.
Rozpustnost fullenerolu:
- ve vodě: rozpustný, může dosáhnout >50 mg/ml
- v dimethylsulfoxidu (DMSO): rozpustný
- v metanolu: mírně rozpustný
- v toluenu: nerozpustný
- v benzenu: nerozpustný
Barva: Fullerenol nesoucí více než 10 –OH skupin vykazuje tmavě hnědou barvu. S rostoucím počtem –OH skupin se barva postupně mění z tmavě hnědé na žlutou.
Rozpustnost rozpustnosti C60(OH)8.2H2O ve srovnání s C60 v různých rozpouštědlech. zdroj: Afreen et al. 2017
Aplikace a použití fullerenolů:
- Farmaceutický průmysl: Diagnostická činidla, superléky, kosmetika, nukleární magnetická rezonance (NMR) s vývojářem. Afinita k DNA, léky proti HIV, léky proti rakovině, chemoterapeutické léky, kosmetické přísady a vědecký výzkum. Ve srovnání s původní formou mají polyhydroxylované fullereny více potenciálních aplikací díky své zvýšené rozpustnosti ve vodě. Bylo zjištěno, že fulleroly mohou snížit kardiotoxicitu některých léků a inhibovat HIV-proteázu, virus hepatitidy C a abnormální růst buněk. Kromě toho vykazovali vynikající schopnost vychytávat volné radikály proti reaktivním formám kyslíku a radikálům za fyziologických podmínek.
- Energie: Solární baterie, palivový článek, sekundární baterie.
- Průmysl: Materiál odolný proti opotřebení, materiály zpomalující hoření, maziva, polymerní přísady, vysoce výkonná membrána, katalyzátor, umělý diamant, tvrdá slitina, elektrická viskózní kapalina, inkoustové filtry, vysoce výkonné povlaky, povlaky zpomalující hoření, výroba bioaktivních materiálů, paměťové materiály, vložené molekulární a další vlastnosti, kompozitní materiály atd.
- Informační průmysl: Polovodičové záznamové médium, magnetické materiály, tiskařské barvy, tonery, inkousty, speciální účely.
- Elektronické součástky: Supravodivé polovodiče, diody, tranzistory, induktor.
- Optické materiály, elektronická kamera, fluorescenční zobrazovací trubice, nelineární optické materiály.
- Životní prostředí: Adsorpce plynu, skladování plynu.