Ultralyd polyhydroxyleret C60 (Fullerenol)
- Vandopløseligt polyhydroxyleret C60-fulleren, kaldet fullerenol eller fullerol, er en stærk fri radikal og bruges derfor som antioxidant i kosttilskud og lægemidler.
- Ultralydshydroxylering er en hurtig og enkel et-trins reaktion, der bruges til at producere vandopløselig polyhydroxyleret C60.
- Ultralydsyntetiseret vandopløselig C60 har overlegen kvalitet og bruges til farmaceutiske og højtydende applikationer.
Ultralyd et-trins syntese af polyhydrolxyleret C60
Ultralydkavitation er den overlegne teknik til fremstilling af polyhydroxylerede C60-fullerener af høj kvalitet, som er vandopløselige og derfor kan bruges i forskellige applikationer inden for medicin, medicin og industri. Afreen et al (2017) har udviklet en hurtig og enkel ultralydssyntese af forureningsfri polyhydroxyleret C60 (også kendt som fullerenol eller fullerol). Ultralydsreaktionen i et trin bruger H2O2 og er fri for brug af yderligere hydroxylerende reagenser, dvs. NaOH, H2SO4 og faseoverførselskatalysatorer (PTC), som forårsager urenheder i den syntetiserede fullerenol. Dette gør ultralydsfullerenolsyntesen til en renere tilgang til at producere fullerenol; samtidig er det en nemmere og hurtigere måde at producere vandopløselig C60 af høj kvalitet.

Mulige reaktionsveje i ultralydsassisteret syntese af fullerenol i nærvær af dil. H2O2 (30%).
kilde: Afreen et al. 2017
Ultralydsyntese af vandopløselig C60 – Trinvise
Til det hurtige, enkle og grønne præparat af polyhydroxyleret C60, som er vandopløseligt, tilsættes 200 mg ren C60 til 20 ml 30% H2O2 og sonikeres med sonikermodellerne UP200Ht eller UP200St. Sonikeringsparametrene var 30% amplitude, 200 W ved pulserende tilstand i 1 time ved stuetemperatur. Reaktionsbeholderen anbringes i et nedkølet cirkulatorvandbad for at holde temperaturen inde i beholderen ved omgivelsestemperatur. Før sonikering er C60 ublandbar i vandig H2O2 og er en farveløs heterogen blanding, der bliver til en lysebrun farve efter 30 minutters ultralydbehandling. Efterfølgende bliver det i de næste 30 minutter af ultralydbehandling til en helt mørkebrun dispersion.
Hydroxyldonor: Intens ultralydgenereret (= akustisk) kavitation skaber radikaler som cOH, cOOH og cH fra H2O- og H2O2-molekyler. Brugen af H2O2 i vandige medier er en mere effektiv tilgang til at introducere -OH-grupper på C60-buret i stedet for kun at bruge H2O til syntese af fullerenol. H2O2 spiller en vigtig rolle i ultralydshydroxyleringsintensiveringen.
Ultralydshydroxylering af C60 ved hjælp af dil. H2O2 (30%) er en let og hurtig et-trins reaktion til fremstilling af fullerenol. Ultralydsreaktionen kræver kun kort tid for reaktionen og tilbyder en grøn og ren tilgang med et lavt energibehov, der undgår brugen af giftige eller ætsende reagenser til syntesen og reducerer antallet af opløsningsmidler, der kræves til adskillelse og oprensning af C60 (OH)8∙2H2O.

UP400St (400W, 24kHz) er en kraftfuld ultralydsdisperger
Ultralyd polyhydroxyleringsvej
Når intense ultralydsbølger kobles til en væske, skaber skiftende lavtryks- / højtrykscyklusser vakuumbobler i væsken. Vakuumboblerne vokser over flere cyklusser, indtil de ikke kan absorbere mere energi, så de kollapser voldsomt. Under boblekollapset ekstreme fysiske påvirkninger såsom høje temperatur- og trykforskelle, chokbølger, mikrostråler, turbulenser, forskydningskræfter osv. Dette fænomen er kendt som ultralyd eller akustisk kavitation. Disse intense kræfter af ultralydskavitation nedbryder molekylerne til cOH og cOOH55 radikaler.
Afreen et al. (2017) antager, at reaktionen kan udvikle sig i to veje samtidigt. cOH-radikaler som reaktive iltarter (ROS) binder sig til C60-buret for at give fullerenol (Path I), og/eller –OH- og cOOH-radikaler angriber de elektronmangelfulde C60-dobbeltbindinger i en nukleofil reaktion, og dette fører til dannelsen af fullerenepoxid [C60On] som et mellemprodukt i det første trin (Path II), som ligner mekanismen for Bingel-reaktionen. Yderligere resulterer det gentagne angreb af cOH (eller cOOH) på C60O via en SN2-reaktion i polyhydroxyleret fulleren eller fullerenol.
Gentagen epoxidation kan finde sted, som producerer successive epoxidgrupper, f.eks. C60O2 og C60O3. Disse epoxidgrupper kan være mulige kandidater til at generere andre mellemprodukter, f.eks. hydroxyleret fullerenepoxid under sonolyse (= sonokemisk nedbrydning). Derudover kan den efterfølgende ringåbning af C60(OH)xOy med cOH resultere i dannelsen af fullerenol. Dannelsen af disse mellemprodukter under sonolysen af H2O2 eller H2O i nærvær af C60 er uundgåelig, og deres tilstedeværelse i den endelige fullerenol (dog i en spormængde) kan ikke gå ubemærket hen. Men fordi de kun er til stede i spormængder i fullerenol, forventes de ikke at forårsage nogen væsentlig indvirkning. [Afreen et al., 2017]
Højtydende sonikere til fullerendispersion
Hielscher Ultrasonics leverer sonde-type sondeapparater til dine specifikke krav: Uanset om du ønsker at sonikere små mængder i laboratorieskala eller producere store volumenstrømmer i industriel skala, tilbyder Hielscher-porteføljen af højtydende sonikere den perfekte løsning til din fullerendispersion. Den høje effekt, præcise justerbarhed og pålideligheden af vores ultralydapparater sikrer, at dine proceskrav er opfyldt. Digitale berøringsskærme og automatisk dataregistrering af ultralydsparametrene på et integreret SD-kort gør betjening og styring af vores ultralydsenheder meget brugervenlig.
Robustheden af Hielscher ultralydsudstyr giver mulighed for 24/7 drift ved tunge og i krævende miljøer.
Nedenstående tabel giver dig en indikation af den omtrentlige behandlingskapacitet for vores ultralydapparater:
Batch volumen | Flowhastighed | Anbefalede enheder |
---|---|---|
1 til 500 ml | 10 til 200 ml/min | UP100H |
10 til 2000 ml | 20 til 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
0.1 til 20L | 0.2 til 4 l/min | UIP2000hdT |
10 til 100L | 2 til 10 l/min | UIP4000hdT |
n.a. | 10 til 100 l/min | UIP16000 |
n.a. | Større | klynge af UIP16000 |
Kontakt os! / Spørg os!
Litteratur/Referencer
- Sadia Afreen, Kasturi Muthoosamy, Sivakumar Manickam (2018): Sono-nano-kemi: En ny æra af syntese af polyhydroxylerede kulstofnanomaterialer med hydroxylgrupper og deres industrielle aspekter. Ultralyd Sonochemistry 2018.
- Sadia Afreen, Kasturi Muthoosamy, Sivakumar Manickam (2017): Hydrering eller hydroxylering: direkte syntese af fullerenol fra uberørt fulleren [C60] via akustisk kavitation i nærvær af hydrogenperoxid. RSC Adv., 2017, 7, 31930-31939.
- Grigory V. Andrievsky, Vadim I. Bruskov, Artem A. Tykhomyrov, Sergey V. Gudkov (2009): Særegenheder ved antioxidant- og radiobeskyttende virkninger af hydratiserede C60-fulleren-nanostrukturer in vitro og in vivo. Frie radikalers biologi & Medicin 47, 2009. 786–793.
- Mihajlo Gigov, Borivoj Adnađević, Borivoj Adnađević, Jelena D. Jovanovic (2016): Effekt af ultralydsfelt på isotermisk kinetik af fullerenpolyhydroxylering. Videnskaben om sintring 2016, 48(2):259-272.
- Hirotaka Yoshioka, Naoko Yui, Kanaka Yatabe, Hiroto Fujiya, Haruki Musha, Hisateru Niki, Rie Karasawa, Kazuo Yudoh (2016): Polyhydroxylerede C60-fullerener forhindrer kondrocytkatabolisk aktivitet ved nanomolære koncentrationer ved slidgigt. Tidsskrift for slidgigt 2016, 1:115.
[/skift]
Fakta, der er værd at vide
C60 fullerener
En C60-fulleren (også kendt som buckyball eller Buckminster-fulleren) er et molekyle, der er bygget af 60 carbonatomer, arrangeret som 12 femkanter og 20 sekskanter. Formen på et C60-molekyle ligner en fodbold. C60-fullerenerne er en ikke-giftig antioxidant, der viser en styrke på 100-1000 højere end E-vitamin. Selvom C60 i sig selv ikke er vandopløseligt, er mange meget vandopløselige fullerenderivater såsom fullenerol blevet syntetiseret.
C60-fullerener bruges som antioxidant og som biofarmaceutisk. Andre anvendelser omfatter materialevidenskab, organiske solceller (OPV), katalysatorer, inden for vandrensning og beskyttelse mod biologiske farer, bærbar strøm, køretøjer og medicinsk udstyr.
Opløselighed af ren C60:
- i vand: ikke opløseligt
- i dimethylsulfoxid (DMSO): ikke opløseligt
- i toluen: opløseligt
- i benzen: opløseligt
Polyhydroxyleret C60 / Fulleneroler
Fullernerol eller fulleroler er polyhydroxylerede C60-molekyler (hydreret C60-fulleren: C60HyFn). Hydrolylationsreaktionen introducerer hydroxylgrupper (-OH) til C60-molekylet. C60-molekyler med over 40 hydroxylgrupper har en højere vandopløselighed (>50 mg/ml). Disse findes som monodisperse nanopartikler i vand og har en tapper poleringseffekt. De udviser overlegne antioxidante og antiinflammatoriske egenskaber. Polyhydroxylerede fullerener (fullerenoler; C60(OH)n) kan opløses i nogle alkoholer og derefter udfældes i en elektrokemisk proces, hvilket skaber en nanocarbonfilm på anoden. Fullerenolfilm bruges som en biokompatibel belægning, inert over for biologiske genstande og kan lette integrationen af ikke-biologiske genstande i kropsvæv.
Opløselighed af Fullenerol:
- i vand: opløselig, kan nå >50 mg/ml
- dimethylsulfoxid (DMSO): opløseligt
- i methanol: let opløseligt
- i toluen: ikke opløseligt
- i benzen: ikke opløseligt
Farve: Fullerenol med mere end 10 –OH-grupper udviser en mørkebrun farve. Med et stigende antal –OH-grupper skifter farven gradvist fra mørkebrun til gul.

Opløseligheden af C60(OH)8.2H2O i sammenligning med C60 i forskellige opløsningsmidler. kilde: Afreen et al. 2017
Anvendelser og brug af fullerenoler:
- Farmaceutisk: Diagnostiske reagenser, superlægemidler, kosmetik, kernemagnetisk resonans (NMR) med fremkalderen. DNA-affinitet, anti-HIV-medicin, anti-kræftmedicin, kemoterapimedicin, kosmetiktilsætningsstoffer og videnskabelig forskning. Sammenlignet med den uberørte form har polyhydroxylerede fullerener flere potentielle anvendelser på grund af deres forbedrede vandopløselighed. Det har vist sig, at fulleroler kan reducere kardiotoksicitet af nogle lægemidler og hæmme HIV-protease, hepatitis C-virus og unormal vækst af celler. Desuden udviste de fremragende frie radikaler mod reaktive iltarter og radikaler under fysiologiske forhold.
- Energi: Solbatteri, brændselscelle, sekundært batteri.
- Industri: Slidstærkt materiale, flammehæmmende materialer, smøremidler, polymeradditiver, højtydende membran, katalysator, kunstig diamant, hård legering, elektrisk viskøs væske, blækfiltre, højtydende belægninger, brandhæmmende belægninger, fremstilling af bioaktive materialer, hukommelsesmaterialer, indlejrede molekylære og andre egenskaber, kompositmaterialer osv.
- Informationsindustri: Halvlederplademedium, magnetiske materialer, trykfarve, toner, blæk, papir specielle formål.
- Elektroniske dele: Superledende halvleder, dioder, transistorer, induktor.
- Optiske materialer, elektronisk kamera, fluorescensdisplayrør, ikke-lineære optiske materialer.
- Miljø: Gasadsorption, gaslagring.