Ultraheli abil polühüdroksüleeritud C60 (fullereenool)
- Vees lahustuv polühüdroksüleeritud C60 fullereen, mida nimetatakse fullereenooliks või fullerooliks, on tugev vabade radikaalide püüdja ja seetõttu kasutatakse seda antioksüdandina toidulisandites ja ravimites.
- Ultraheli abil toimuv hüdroksüleerimine on kiire ja lihtne ühe-etapiline reaktsioon, mida kasutatakse vees lahustuva polühüdroksüleeritud C60 tootmiseks.
- Ultraheli abil sünteesitud vees lahustuval C60-l on parem kvaliteet ning seda kasutatakse farmaatsia- ja suure jõudlusega rakendustes.
Polühüdroksüleeritud C60 ultraheli abil toimuv ühe-etapiline süntees
Ultraheli kavitatsioon on parim meetod kvaliteetsete polühüdroksüleeritud C60 fullereenide tootmiseks, mis on vees lahustuvad ja mida saab seetõttu kasutada mitmesugustes rakendustes farmaatsias, meditsiinis ja tööstuses. Afreen et al (2017) on välja töötanud saasteainevaba polühüdroksüleeritud C60 (tuntud ka kui fullereenool või fullerool) kiire ja lihtsa ultraheli sünteesi. Ultraheli ühe-etapiline reaktsioon kasutab H2O2 ning ei vaja täiendavaid hüdroksüleerivaid reagente, st NaOH-d, H2SO4-d ja faasiülekande katalüsaatoreid (PTC), mis põhjustavad sünteesitud fullereenoolis lisandeid. See muudab ultraheli fullereenooli sünteesi puhtamaks meetodiks fullereenooli tootmiseks; samal ajal on see lihtsam ja kiirem viis kvaliteetse, vees lahustuva C60 tootmiseks.
Võimalikud reaktsiooniteed fullereenooli ultraheli abil toimuvas sünteesis lahjendatud H2O2 (30%) juuresolekul.
allikas: Afreen et al. 2017
Vees lahustuva C60 ultraheli süntees – samm-sammult
Polühüdroksüleeritud C60, mis on vees lahustuv, kiireks, lihtsaks ja keskkonnasõbralikuks valmistamiseks lisatakse 200 mg puhast C60 20 mL 30% H2O2-le ning töödeldakse ultrahelil sonikaatori mudelitega UP200Ht või UP200St. Sonikeerimisparameetrid olid 30% amplituud, 200 W pulssrežiimis 1 h toatemperatuuril. Reaktsiooninõu asetatakse jahutusega tsirkulatsioonveevanni, et hoida nõu sisetemperatuuri ümbritseva keskkonna temperatuuril. Enne sonikeerimist ei segune C60 vesilahuses oleva H2O2-ga ning moodustab värvitu heterogeense segu, mis muutub 30 min ultraheli töötluse järel heleruskeks. Seejärel muutub see järgmise 30 min ultraheli töötluse jooksul täielikult tumeruskeks dispersiooniks.
Hüdroksüüli doonor: intensiivne ultraheli abil tekitatud (= akustiline) kavitatsioon tekitab H2O ja H2O2 molekulidest radikaale, nagu cOH, cOOH ja cH. H2O2 kasutamine vesikeskkonnas on tõhusam viis –OH rühmade viimiseks C60 puuri kui ainult H2O kasutamine fullereenooli sünteesiks. H2O2 mängib ultraheli hüdroksüleerimise intensiivistamisel olulist rolli.
C60 ultraheli hüdroksüleerimine lahjendatud H2O2 (30%) abil on lihtne ja kiire ühe-etapiline reaktsioon fullereenooli valmistamiseks. Ultraheli reaktsioon vajab vaid lühikest reaktsiooniaega ning pakub keskkonnasõbralikku ja puhast lähenemist väikese energiavajadusega, vältides sünteesil mis tahes mürgiste või söövitavate reagentide kasutamist ning vähendades lahustite hulka, mida on vaja järgmise ühendi eraldamiseks ja puhastamiseks: C60(OH)8∙2H2O.
UP400St (400W, 24kHz) on võimas ultraheli dispergeerija
Ultraheli polühüdroksüleerimise rada
Kui intensiivsed ultraheli lained juhitakse vedelikku, tekitavad vahelduvad madalrõhu- ja kõrgrõhutsüklid vedelikus vaakumimullid. Vaakumimullid kasvavad mitme tsükli jooksul, kuni nad ei suuda enam energiat neelata, nii et nad varisevad vägivaldselt kokku. Mulli kokkuvarisemisel tekivad äärmuslikud füüsikalised mõjud, nagu kõrge temperatuuri- ja rõhuerinevused, lööklained, mikrovoolud, turbulentsid, nihkejõud jne. Seda nähtust nimetatakse ultraheli- ehk akustiliseks kavitatsiooniks.Need ultraheli- ehk akustilise kavitatsiooni intensiivsed jõud lagundavad molekulid cOH ja cOOH55 radikaalideks.
Afreen jt (2017) eeldavad, et reaktsioon võib kulgeda samaaegselt kahte rada pidi. cOH radikaalid kui reaktiivsed hapnikuühendid (ROS) kinnituvad C60 puuri külge, andes fullerenooli (rada I), ja/või –OH ja cOOH radikaalid ründavad C60 elektronidefitsiitseid kaksiksidemeid nukleofiilses reaktsioonis ning selle tulemusel moodustub fullereenepoksiid [C60On] vaheühendina esimeses etapis (rada II), mis sarnaneb Bingeli reaktsiooni mehhanismile. Seejärel annab cOH (või cOOH) korduv rünnak C60O-le SN2 reaktsiooni kaudu polühüdroksüleeritud fullereeni ehk fullerenooli.
Võib toimuda korduv epoksüdeerumine, mille tulemusel tekivad järjestikused epoksiidrühmad, nt C60O2 ja C60O3. Need epoksiidrühmad võivad olla võimalikud kandidaadid teiste vaheühendite, nt hüdroksüleeritud fullereenepoksiidi tekkeks sonolüüsi (= sonokeemilise lagunemise) käigus. Lisaks võib C60(OH)xOy järgnev ringi avanemine cOH toimel viia fullerenooli moodustumiseni. Nende vaheühendite teke H2O2 või H2O sonolüüsi käigus C60 juuresolekul on vältimatu ning nende esinemine lõplikus fullerenoolis (kuigi jälgedena) ei saa jääda märkamata. Kuna neid on fullerenoolis aga ainult jälgedena, ei oodata, et need avaldaksid olulist mõju. [Afreen et al., 2017]
Suure jõudlusega sonikaatorid fullereeni dispergeerimiseks
Hielscher Ultrasonics pakub sondtüüpi sonikaatoreid teie konkreetsetele vajadustele: olenemata sellest, kas soovite ultraheliga töödelda väikseid mahtusid laboriskaalas või toota suuri vooluhulki tööstuslikus mastaabis, pakub Hielscheri suure jõudlusega sonikaatorite valik ideaalse lahenduse teie fullereeni dispergeerimiseks. Meie ultraheliseadmete suur väljundvõimsus, täpne reguleeritavus ja töökindlus tagavad, et teie protsessinõuded saavad täidetud. Digitaalsed puuteekraanid ja ultrahelitöötluse parameetrite automaatne salvestamine integreeritud SD-kaardile muudavad meie ultrahelisseadmete kasutamise ja juhtimise väga kasutajasõbralikuks.
Hielscheri ultrahelisseadmete töökindlus võimaldab nende ööpäevaringset (24/7) kasutamist raskes töörežiimis ja nõudlikes keskkondades.
Alljärgnev tabel annab ülevaate meie ultrahelisseadmete ligikaudsest töötlemisvõimsusest:
| Partii maht | Vooluhulk | Soovitatavad seadmed |
|---|---|---|
| 1 kuni 500mL | 10 kuni 200mL/min | UP100H |
| 10 kuni 2000mL | 20 kuni 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 kuni 20L | 0,2 kuni 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 kuni 100L | 2 kuni 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 kuni 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | suurem | klaster seadmetest UIP16000 |
Võtke meiega ühendust! / Küsige meilt!
Suure võimsusega ultraheliprotsessorid labori-, pilootskaalast kuni tööstusliku skaalani.
Kirjandus/viited
- Sadia Afreen, Kasturi Muthoosamy, Sivakumar Manickam (2018): Sono-nano chemistry: A new era of synthesising polyhydroxylated carbon nanomaterials with hydroxyl groups and their industrial aspects. Ultrasonics Sonochemistry 2018.
- Sadia Afreen, Kasturi Muthoosamy, Sivakumar Manickam (2017): Hydration or hydroxylation: direct synthesis of fullerenol from pristine fullerene [C60] via acoustic cavitation in the presence of hydrogen peroxide. RSC Adv., 2017, 7, 31 930–31 939.
- Grigory V. Andrievsky, Vadim I. Bruskov, Artem A. Tykhomyrov, Sergey V. Gudkov (2009): Peculiarities of the antioxidant and radioprotective effects of hydrated C60 fullerene nanostuctures in vitro and in vivo. Free Radical Biology & Medicine 47, 2009. 786–793.
- Mihajlo Gigov, Borivoj Adnađević, Borivoj Adnađević, Jelena D. Jovanovic (2016): Effect of ultrasonic field on isothermal kinetics of fullerene polyhydroxylation. 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): Polyhydroxylated C60 Fullerenes Prevent Chondrocyte Catabolic Activity at Nanomolar Concentrations in Osteoarthritis. Journal of Osteoarthritis 2016, 1:115.
[/toggle]
Faktid, mida tasub teada
C60 fullereenid
C60 fullereen (tuntud ka kui buckyball ehk Buckminsteri fullereen) on molekul, mis koosneb 60 süsinikuaatomist, mis on paigutatud 12 viisnurgaks ja 20 kuusnurgaks. C60 molekuli kuju meenutab jalgpalli. C60 fullereenid on mittetoksiline antioksüdant, mille tugevus on 100–1000 kõrgem kui E-vitamiinil. Kuigi C60 ise ei ole vees lahustuv, on sünteesitud palju hästi vees lahustuvaid fullereeni derivaate, näiteks fullenerool.
C60 fullereene kasutatakse antioksüdandina ja biofarmatseutikumina. Muude rakenduste hulka kuuluvad materjaliteadus, orgaaniline fotogalvaanika (OPV), katalüsaatorid, veepuhastus ja bioohukaitse, kaasaskantav energia, sõidukid ja meditsiiniseadmed.
Puhta C60 lahustuvus:
- vees: ei lahustu
- dimetüülsulfoksiidis (DMSO): ei lahustu
- tolueenis: lahustub
- benseenis: lahustub
C60 fullereenide pinnastruktuur
allikas: Yoshioka et al. 2016
Polühüdroksüülitud C60 / fullenerolid
Fullernerool ehk fullerolid on polühüdroksüülitud C60 molekulid (hüdraaditud C60 fullereen: C60HyFn). Hüdrolülimise reaktsioon viib C60 molekuli hüdroksüülrühmi (-OH). C60 molekulidel, millel on üle 40 hüdroksüülrühma, on suurem vees lahustuvus (>50 mg/mL). Need esinevad vees monodisperssete nanoosakestena ja neil on „valiant“ poleerimisefekt. Neil on suurepärased antioksüdantsed ja põletikuvastased omadused. Polühüdroksüülitud fullereene (fullenerole; C60(OH)n) saab lahustada mõnedes alkoholides ja seejärel sadestada elektrokeemilises protsessis, moodustades anoodile nanosüsinikkile. Fullenerooli kilesid kasutatakse biosobiva kattena, mis on bioloogiliste objektide suhtes inertne ja võib hõlbustada mittebioloogiliste objektide integreerimist kehakudedesse.
Fullenerooli lahustuvus:
- vees: lahustub, võib ulatuda >50 mg/mL
- dimetüülsulfoksiidis (DMSO): lahustub
- metanoolis: lahustub vähesel määral
- tolueenis: ei lahustu
- benseenis: ei lahustu
Värvus: Fullerenool, mis kannab rohkem kui 10 –OH rühma, on tumepruuni värvusega. –OH rühmade arvu suurenedes nihkub värvus järk-järgult tumepruunist kollaseks.
Lahustuvus Lahustuvus C60(OH)8.2H2O võrreldes C60-ga erinevates lahustites. allikas: Afreen et al. 2017
Fullenerooli rakendused ja kasutus:
- Farmaatsia: diagnostilised reagendid, „super drugs“, kosmeetika, tuumamagnetresonants (NMR) „arendajaga“. DNA afiinsus, HIV-vastased ravimid, vähivastased ravimid, keemiaravi ravimid, kosmeetika lisandid ja teadusuuringud. Võrreldes puhta vormiga on polühüdroksüülitud fullereenidel suurema vees lahustuvuse tõttu rohkem potentsiaalseid rakendusi. On leitud, et fullerolid võivad vähendada mõnede ravimite kardiotoksilisust ning pärssida HIV-proteaasi, C-hepatiidi viirust ja rakkude ebanormaalset kasvu. Lisaks näitasid nad suurepärast vabade radikaalide püüdmise võimet reaktiivsete hapnikuliikide ja radikaalide vastu füsioloogilistes tingimustes.
- Energeetika: päikeseakud, kütuseelement, sekundaarne aku.
- Tööstus: kulumiskindel materjal, leegiaeglustavad materjalid, määrdeained, polümeeri lisandid, suure jõudlusega membraan, katalüsaator, tehisteemant, kõvasulam, „electric viscous fluid“, tindifiltrid, suure jõudlusega katted, tulekindlad katted, bioaktiivsete materjalide tootmine, mälumaterjalid, „embedded molecular and other characteristics“, komposiitmaterjalid jne.
- Infotööstus: pooljuhtsalvestusmeedium, magnetmaterjalid, trükitint, toonер, tint, paber eriotstarbeks.
- Elektroonikaosad: ülijuhtiv pooljuht, dioodid, transistorid, induktiivpool.
- Optilised materjalid, elektrooniline kaamera, fluorestsentskuvatoru, mittelineaarsed optilised materjalid.
- Keskkond: gaasi adsorptsioon, gaasi säilitamine.