C60 پلی‌هیدروکسیله‌شده با فراصوت (فولرنول)
- فولرن C60 پلی‌هیدروکسیله و محلول در آب، که فولرنول یا فولرول نامیده می‌شود، مهارکننده‌ای قوی برای رادیکال‌های آزاد است و بنابراین به‌عنوان آنتی‌اکسیدان در مکمل‌ها و فرآورده‌های دارویی استفاده می‌شود.
- هیدروکسیلاسیون فراصوتی، واکنشی سریع، ساده و تک‌مرحله‌ای است که برای تولید C60 پلی‌هیدروکسیله و محلول در آب به کار می‌رود.
- C60 محلول در آب که با فراصوت سنتز می‌شود، کیفیتی برتر دارد و در کاربردهای دارویی و کاربردهای نیازمند عملکرد بالا استفاده می‌شود.
سنتز تک‌مرحله‌ای C60 پلی‌هیدروکسیله با فراصوت
کاویتاسیون فراصوتی روشی برتر برای تولید فولرن‌های C60 پلی‌هیدروکسیله با کیفیت بالا است که در آب محلول‌اند و بنابراین می‌توان از آن‌ها در کاربردهای گوناگون داروسازی، پزشکی و صنعت استفاده کرد. Afreen et al (2017) روشی سریع و ساده برای سنتز فراصوتی C60 پلی‌هیدروکسیله عاری از آلودگی (معروف به فولرنول یا فولرول) توسعه داده‌اند. این واکنش تک‌مرحله‌ای فراصوتی از H2O2 استفاده می‌کند و نیازی به استفاده از معرف‌های هیدروکسیله‌کننده اضافی، یعنی NaOH و H2SO4، و کاتالیزورهای انتقال فاز (PTC) ندارد؛ موادی که در فولرنول سنتزشده ناخالصی ایجاد می‌کنند. به این ترتیب، سنتز فراصوتی فولرنول رویکردی پاک‌تر برای تولید فولرنول است؛ در عین حال، روشی آسان‌تر و سریع‌تر برای تولید C60 محلول در آب با کیفیت بالا نیز محسوب می‌شود.
مسیرهای احتمالی واکنش در سنتز فولرنول به کمک فراصوت در حضور H2O2 رقیق (30%).
منبع: Afreen et al. 2017
سنتز فراصوتی C60 محلول در آب – گام‌به‌گام
برای تهیه سریع، ساده و سبز C60 پلی‌هیدروکسیله و محلول در آب، مقدار 200 mg از C60 خالص به 20mL از H2O2 با غلظت 30% افزوده می‌شود و با مدل‌های سونیکاتور UP200Ht یا UP200St فراصوت‌دهی می‌شود. پارامترهای فراصوت‌دهی شامل دامنه 30%، توان 200 W در حالت پالسی به‌مدت 1 h در دمای اتاق بود. ظرف واکنش در یک حمام آب مجهز به سیرکولاتور سرمایشی قرار می‌گیرد تا دمای داخل ظرف در دمای محیط حفظ شود. پیش از فراصوت‌دهی، C60 در H2O2 آبی امتزاج‌ناپذیر است و مخلوطی ناهمگن و بی‌رنگ تشکیل می‌دهد که پس از 30 min فراصوت‌دهی به رنگ قهوه‌ای روشن درمی‌آید. سپس، طی 30 min فراصوت‌دهی بعدی، به دیسپرسیونی کاملاً قهوه‌ای تیره تبدیل می‌شود.
دهنده هیدروکسیل: کاویتاسیون شدید ایجادشده با فراصوت (= کاویتاسیون آکوستیکی)، از مولکول‌های H2O و H2O2 رادیکال‌هایی مانند cOH، cOOH و cH ایجاد می‌کند. استفاده از H2O2 در محیط‌های آبی، در مقایسه با استفاده صرف از H2O برای سنتز فولرنول، رویکرد کارآمدتری برای افزودن گروه‌های –OH به قفس C60 است. H2O2 نقش مهمی در تشدید هیدروکسیلاسیون فراصوتی دارد.
هیدروکسیلاسیون فراصوتی C60 با استفاده از H2O2 رقیق (30%) واکنشی آسان، سریع و تک‌مرحله‌ای برای تهیه فولرنول است. واکنش فراصوتی با نیاز به زمانی کوتاه برای انجام واکنش، رویکردی سبز و پاک با نیاز انرژی کم ارائه می‌دهد که از مصرف هرگونه معرف سمی یا خورنده برای سنتز اجتناب می‌کند و تعداد حلال‌های موردنیاز برای جداسازی و خالص‌سازی ترکیب زیر را کاهش می‌دهد: C60(OH)8∙2H2O.
UP400St (400W, 24kHz) یک پراکنده‌ساز فراصوتی قدرتمند است
مسیر پلی‌هیدروکسیلاسیون فراصوتی
هنگامی که امواج فراصوت شدید به درون مایع کوپل می‌شوند، چرخه‌های متناوب کم‌فشار / پرفشار، حباب‌های خلأ در مایع ایجاد می‌کنند. این حباب‌های خلأ طی چندین چرخه رشد می‌کنند تا دیگر نتوانند انرژی بیشتری جذب کنند؛ در نتیجه، به‌شدت فرومی‌پاشند. هنگام فروپاشی حباب، اثرات فیزیکی شدیدی مانند اختلاف‌های زیاد دما و فشار، امواج ضربه‌ای، ریزجت‌ها، آشفتگی، نیروهای برشی و غیره ایجاد می‌شود. این پدیده با نام کاویتاسیون فراصوتی یا کاویتاسیون آکوستیکی شناخته می‌شود. این نیروهای شدید کاویتاسیون فراصوتی، مولکول‌ها را به رادیکال‌های cOH و cOOH55 تجزیه می‌کنند.
Afreen et al. (2017) فرض می‌کنند که واکنش ممکن است هم‌زمان از دو مسیر پیش برود. رادیکال‌های cOH به‌عنوان گونه‌های فعال اکسیژن (ROS) به قفس C60 متصل می‌شوند و فولرنول تشکیل می‌دهند (مسیر I)، و/یا رادیکال‌های –OH و cOOH در یک واکنش هسته‌دوستی به پیوندهای دوگانه کم‌الکترون C60 حمله می‌کنند و این امر به تشکیل اپوکسید فولرن می‌انجامد [C60On] که در مرحله نخست به‌عنوان یک حدواسط تشکیل می‌شود (مسیر II)؛ این مسیر مشابه سازوکار واکنش Bingel است. علاوه بر این، حمله مکرر cOH (یا cOOH) به C60O از طریق واکنش SN2 به تشکیل فولرن پلی‌هیدروکسیله یا فولرنول منجر می‌شود.
ممکن است اپوکسیداسیون مکرر رخ دهد و گروه‌های اپوکسید متوالی، برای مثال C60O2 و C60O3، ایجاد کند. این گروه‌های اپوکسید می‌توانند گزینه‌های احتمالی برای تولید حدواسط‌های دیگر، مانند اپوکسید فولرن هیدروکسیله، طی سونولیز (= تجزیه سونوشیمیایی) باشند. همچنین، بازشدن بعدی حلقه C60(OH)xOy با cOH می‌تواند به تشکیل فولرنول منجر شود. تشکیل این حدواسط‌ها طی سونولیز H2O2 یا H2O در حضور C60 اجتناب‌ناپذیر است و حضور آن‌ها در فولرنول نهایی، هرچند در مقادیر ناچیز، نباید نادیده گرفته شود. با این حال، از آنجا که تنها در مقادیر ناچیز در فولرنول حضور دارند، انتظار نمی‌رود تأثیر قابل‌توجهی ایجاد کنند. [Afreen et al., 2017]
سونیکاتورهای با عملکرد بالا برای پراکنده‌سازی فولرن
Hielscher Ultrasonics سونیکاتورهای پروبی را متناسب با نیازهای خاص شما عرضه می‌کند: چه بخواهید حجم‌های کوچک را در مقیاس آزمایشگاهی فراصوت‌دهی کنید و چه جریانی با حجم زیاد در مقیاس صنعتی تولید کنید، مجموعه سونیکاتورهای با عملکرد بالای Hielscher راه‌حل ایدئالی برای پراکنده‌سازی فولرن شما ارائه می‌دهد. توان خروجی بالا، قابلیت تنظیم دقیق و قابلیت اطمینان دستگاه‌های فراصوت ما، برآورده‌شدن الزامات فرایند شما را تضمین می‌کنند. نمایشگرهای لمسی دیجیتال و ثبت خودکار داده‌های پارامترهای فراصوت روی کارت SD داخلی، کاربری و کنترل دستگاه‌های فراصوت ما را بسیار آسان می‌کنند.
استحکام تجهیزات فراصوت Hielscher، کارکرد 24/7 را تحت بار کاری سنگین و در محیط‌های دشوار امکان‌پذیر می‌سازد.
جدول زیر نمایی از ظرفیت تقریبی پردازش دستگاه‌های فراصوت ما ارائه می‌دهد:
| حجم بچ | دبی | دستگاه‌های پیشنهادی |
|---|---|---|
| 1 تا 500mL | 10 تا 200mL/min | UP100H |
| 10 تا 2000mL | 20 تا 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0٫1 تا 20L | 0٫2 تا 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 تا 100L | 2 تا 10L/min | UIP4000hdT |
| قابل اعمال نیست | 10 تا 100L/min | UIP16000 |
| قابل اعمال نیست | بیشتر | مجموعه‌ای از دستگاه‌های UIP16000 |
با ما تماس بگیرید! / از ما بپرسید!
پردازشگرهای فراصوتی پرتوان، از مقیاس آزمایشگاهی تا پایلوت و صنعتی.
منابع علمی / مراجع
- 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]
دانستنی‌های مفید
فولرن‌های C60
فولرن C60 (که با نام باکی‌بال یا فولرن باکمینستر نیز شناخته می‌شود) مولکولی متشکل از 60 اتم کربن است که به‌صورت 12 پنج‌ضلعی و 20 شش‌ضلعی آرایش یافته‌اند. شکل مولکول C60 شبیه توپ فوتبال است. فولرن‌های C60 آنتی‌اکسیدان‌هایی غیرسمی هستند که قدرت اثر آن‌ها 100–1000 برابر بیشتر از ویتامین E است. اگرچه خود C60 در آب محلول نیست، مشتقات متعدد فولرن با حلالیت زیاد در آب، مانند فولرنول، سنتز شده‌اند.
فولرن‌های C60 به‌عنوان آنتی‌اکسیدان و داروی زیستی استفاده می‌شوند. دیگر کاربردهای آن‌ها شامل علم مواد، فتوولتائیک آلی (OPV)، کاتالیزورها، تصفیه آب و حفاظت در برابر مخاطرات زیستی، منابع توان قابل‌حمل، وسایل نقلیه و تجهیزات پزشکی است.
حلالیت C60 خالص:
- در آب: نامحلول
- در دی‌متیل سولفوکسید (DMSO): نامحلول
- در تولوئن: محلول
- در بنزن: محلول
ساختار سطحی فولرن‌های C60
منبع: Yoshioka et al. 2016
C60 پلی‌هیدروکسیله / فولرنول‌ها
فولرنول یا فولرول‌ها مولکول‌های C60 پلی‌هیدروکسیله هستند (فولرن C60 هیدراته: C60HyFn). واکنش هیدرولیلاسیون، گروه‌های هیدروکسیل (-OH) را به مولکول C60 اضافه می‌کند. مولکول‌های C60 با بیش از 40 گروه هیدروکسیل، حلالیت بیشتری در آب دارند (>50 mg/mL). این مولکول‌ها در آب به‌صورت نانوذرات تک‌پراکنش وجود دارند و اثر پرداخت‌کنندگی نیرومندی دارند. آن‌ها خواص آنتی‌اکسیدانی و ضدالتهابی برتری نشان می‌دهند. فولرن‌های پلی‌هیدروکسیله (فولرنول‌ها؛ C60(OH)n) را می‌توان در برخی الکل‌ها حل کرد و سپس طی یک فرایند الکتروشیمیایی رسوب داد تا لایه‌ای نانوکربنی روی آند ایجاد شود. لایه‌های فولرنول به‌عنوان پوششی زیست‌سازگار استفاده می‌شوند که نسبت به اجسام زیستی خنثی است و می‌تواند ادغام اجسام غیرزیستی در بافت‌های بدن را تسهیل کند.
حلالیت فولرنول:
- در آب: محلول، می‌تواند به >50 mg/mL برسد
- در دی‌متیل سولفوکسید (DMSO): محلول
- در متانول: اندکی محلول
- در تولوئن: نامحلول
- در بنزن: نامحلول
رنگ: فولرنول دارای بیش از 10 گروه –OH، رنگ قهوه‌ای تیره دارد. با افزایش تعداد گروه‌های –OH، رنگ به‌تدریج از قهوه‌ای تیره به زرد تغییر می‌کند.
حلالیت حلالیت C60(OH)8.2H2O در مقایسه با C60 در حلال‌های مختلف. منبع: Afreen et al. 2017
کاربردها و موارد استفاده از فولرنول‌ها:
- دارویی: معرف‌های تشخیصی، اَبَردار‌وها، فرآورده‌های آرایشی، رزونانس مغناطیسی هسته‌ای (NMR) همراه با ماده ظهوردهنده. میل اتصال به DNA، داروهای ضد HIV، داروهای ضدسرطان، داروهای شیمی‌درمانی، افزودنی‌های آرایشی و پژوهش‌های علمی. فولرن‌های پلی‌هیدروکسیله در مقایسه با شکل دست‌نخورده، به‌دلیل حلالیت بیشتر در آب، کاربردهای بالقوه بیشتری دارند. مشخص شده است که فولرول‌ها می‌توانند سمیت قلبی برخی داروها را کاهش دهند و پروتئاز HIV، ویروس هپاتیت C و رشد غیرطبیعی سلول‌ها را مهار کنند. افزون بر این، آن‌ها در شرایط فیزیولوژیک توانایی بسیار خوبی در مهار رادیکال‌های آزاد در برابر گونه‌های فعال اکسیژن و رادیکال‌ها نشان داده‌اند.
- انرژی: باتری خورشیدی، پیل سوختی، باتری ثانویه.
- صنعت: مواد مقاوم به سایش، مواد کندسوزکننده، روانکارها، افزودنی‌های پلیمری، غشاهای با عملکرد بالا، کاتالیزور، الماس مصنوعی، آلیاژ سخت، سیال گرانرو الکتریکی، فیلترهای جوهر، پوشش‌های با عملکرد بالا، پوشش‌های کندسوزکننده، ساخت مواد زیست‌فعال، مواد حافظه‌دار، ویژگی‌های مولکولی تعبیه‌شده و سایر ویژگی‌ها، مواد مرکب و غیره.
- صنعت اطلاعات: محیط ثبت نیمه‌رسانا، مواد مغناطیسی، مرکب چاپ، تونر، جوهر، کاغذ برای مصارف ویژه.
- قطعات الکترونیکی: نیمه‌رسانای ابررسانا، دیودها، ترانزیستورها، سلف.
- مواد نوری، دوربین الکترونیکی، لامپ نمایش فلورسانس، مواد نوری غیرخطی.
- محیط زیست: جذب سطحی گاز، ذخیره‌سازی گاز.