Ultraäänellä polyhydroksyloitu C60 (fullerenoli)
- Vesiliukoinen polyhydroksyloitu C60-fullereeni, nimeltään fullerenoli tai fulleroli, on vahva vapaiden radikaalien poistaja ja siksi sitä käytetään antioksidanttina lisäravinteissa ja lääkkeissä.
- Ultraäänihydroksylaatio on nopea ja yksinkertainen yksivaiheinen reaktio, jota käytetään vesiliukoisen polyhydroksyloidun C60: n tuottamiseen.
- Ultraäänellä syntetisoidulla vesiliukoisella C60: lla on erinomainen laatu ja sitä käytetään lääke- ja korkean suorituskyvyn sovelluksiin.
Polyhydrolksyloidun C60: n ultraääni yksivaiheinen synteesi
Ultraäänikavitaatio on ylivoimainen tekniikka korkealaatuisten polyhydroksyloitujen C60-fullereenien tuottamiseksi, jotka ovat vesiliukoisia ja joita voidaan siksi käyttää erilaisissa sovelluksissa lääketeollisuudessa, lääketieteessä ja teollisuudessa. Afreen et ai (2017) ovat kehittäneet nopean ja yksinkertaisen ultraäänisynteesin kontaminaatiovapaasta polyhydroksyloidusta C60: sta (tunnetaan myös nimellä fullerenoli tai fulleroli). Ultraääni-yksivaiheinen reaktio käyttää H2O2: ta ja siinä ei käytetä muita hydroksyloivia reagensseja eli NaOH: ta, H2SO4: ää ja vaiheensiirtokatalyyttejä (PTC), jotka aiheuttavat epäpuhtauksia syntetisoidussa fullerenolissa. Tämä tekee ultraäänifullerenolisynteesistä puhtaamman lähestymistavan fullerenolin tuottamiseen; Samalla se on helpompi ja nopeampi tapa valmistaa laadukasta, vesiliukoista C60:tä.
Mahdolliset reaktioreitit fullerenolin ultraääniavusteisessa synteesissä dilin läsnä ollessa. H2O2 (30%).
Vesiliukoisen C60: n ultraäänisynteesi – vaiheittainen
Vesiliukoisen polyhydroksyloidun C60: n nopeaan, yksinkertaiseen ja vihreään valmistukseen lisätään 200 mg puhdasta C60: tä 20 ml: aan 30% H2O2: ta ja sonikoidaan sonikaattorimalleilla UP200Ht tai UP200St. Sonikaatioparametrit olivat 30% amplitudi, 200 W pulssitilassa 1 tunnin ajan huoneenlämpötilassa. Reaktioastia asetetaan jäähdytettyyn kiertovesihauteeseen lämpötilan pitämiseksi astiassa ympäristön lämpötilassa. Ennen sonikaatiota C60 on sekoittumaton vesipitoiseen H2O2: een ja on väritön heterogeeninen seos, joka muuttuu vaaleanruskeaksi väriksi 30 minuutin ultrasonicationin jälkeen. Myöhemmin seuraavan 30 minuutin ultrasonicationin aikana se muuttuu täysin tummanruskeaksi dispersioksi.
Hydroksyyliluovuttaja: Voimakas ultraäänellä tuotettu (= akustinen) kavitaatio luo radikaaleja, kuten cOH, cOOH ja cH H2O- ja H2O2-molekyyleistä. H2O2: n käyttö vesipitoisissa väliaineissa on tehokkaampi tapa tuoda -OH-ryhmiä C60-häkkiin sen sijaan, että H2O: ta käytettäisiin vain fullerenolin synteesiin. H2O2: lla on tärkeä rooli ultraäänihydroksyloinnin tehostamisessa.
C60: n ultraäänihydroksylaatio diilillä. H2O2 (30%) on helppo ja nopea yksivaiheinen reaktio fullerenolin valmistamiseksi. Ultraäänireaktio, joka vaatii vain lyhyen ajan reaktioon, tarjoaa vihreän ja puhtaan lähestymistavan, jolla on alhainen energiantarve, välttäen myrkyllisten tai syövyttävien reagenssien käyttöä synteesiin ja vähentämällä C60 (OH) -kohdan erottamiseen ja puhdistamiseen tarvittavien liuottimien määrää8∙2H2O.
UP400St (400W, 24kHz) on tehokas ultraäänidispergointilaite
Ultraäänipolyhydroksylaatioreitti
Kun voimakkaat ultraääniaallot kytketään nesteeseen, vuorottelevat matalapaine-? korkeapainesyklit luovat tyhjiökuplia nesteeseen. Tyhjiökuplat kasvavat useiden syklien aikana, kunnes ne eivät pysty absorboimaan enemmän energiaa, niin että ne törmäävät voimakkaasti. Kuplan romahtamisen aikana äärimmäiset fyysiset vaikutukset, kuten korkeat lämpötila- ja paine-erot, iskuaallot, mikrosuihkut, turbulenssit, leikkausvoimat jne. Tämä ilmiö tunnetaan nimellä ultraääni tai akustinen kavitaatio. Nämä voimakkaat ultraäänikavitaation voimat hajottavat molekyylit cOH- ja cOOH55-radikaaleiksi.
(2017) olettavat, että reaktio voi edetä kahta reittiä samanaikaisesti. cOH-radikaalit reaktiivisina happilajeina (ROS) kiinnittyvät C60-häkkiin fullerenolin (polku I) saamiseksi ja/tai –OH- ja cOOH-radikaalit hyökkäävät elektronin puutteisiin C60-kaksoissidoksiin nukleofiilisessä reaktiossa, mikä johtaa fullereeniepoksidin [C60On] muodostumiseen välituotteena ensimmäisessä vaiheessa (polku II), joka on samanlainen kuin Bingel-reaktion mekanismi. Lisäksi cOH: n (tai cOOH: n) toistuva hyökkäys C60O: lle SN2-reaktion kautta johtaa polyhydroksyloituun fullereeniin tai fullerenoliin.
Toistuva epoksidaatio voi tapahtua, mikä tuottaa peräkkäisiä epoksidiryhmiä, kuten C60O2 ja C60O3. Nämä epoksidiryhmät voisivat olla mahdollisia ehdokkaita tuottamaan muita välituotteita, kuten hydroksyloitua fullereeniepoksidia sonolyysin aikana (= sonokemiallinen hajoaminen). Lisäksi C60(OH)xOy:n rengasaukko cOH:lla voi johtaa fullerenolin muodostumiseen. Näiden välituotteiden muodostuminen H2O2: n tai H2O: n sonolyysin aikana C60: n läsnä ollessa on väistämätöntä, eikä niiden läsnäolo lopullisessa fullerenolissa (vaikkakin pienessä määrin) voi jäädä huomaamatta. Koska niitä on fullerenolissa kuitenkin vain pieniä määriä, niiden ei odoteta aiheuttavan merkittäviä vaikutuksia. [Afreen et ai., 2017]
Korkean suorituskyvyn sonikaattorit fullereenidispersioon
Hielscher Ultrasonics toimittaa koetintyyppisiä sonikaattoreita erityistarpeisiisi: Haluatko sonikoida pieniä määriä laboratoriomittakaavassa tai tuottaa suuria määriä virtaa teollisessa mittakaavassa, Hielscherin korkean suorituskyvyn sonikaattoreiden valikoima tarjoaa täydellisen ratkaisun fullereenidispersioon. Ultraäänilaitteidemme suuri teho, tarkka säädettävyys ja luotettavuus varmistavat, että prosessisi vaatimukset täyttyvät. Digitaaliset kosketusnäytöt ja ultraääniparametrien automaattinen tallennus integroidulle SD-kortille tekevät ultraäänilaitteidemme käytöstä ja ohjauksesta erittäin käyttäjäystävällisen.
Hielscherin ultraäänilaitteiden kestävyys mahdollistaa 24/7 toiminnan raskaassa käytössä ja vaativissa ympäristöissä.
Alla oleva taulukko antaa sinulle viitteitä ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista:
| Erän tilavuus | Virtausnopeus | Suositellut laitteet |
|---|---|---|
| 1 - 500 ml | 10 - 200 ml? min | UP100H |
| 10 - 2000ml | 20–400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 - 20L | 0.2–4 l/min | UIP2000hdT |
| 10-100L | 2 - 10L? min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10-100L? min | UIP16000 |
| n.a. | suurempi | klusteri UIP16000 |
Ota yhteyttä!? Kysy meiltä!
Suuritehoiset ultraääniprosessorit laboratoriosta pilotti- ja teolliseen mittakaavaan.
Kirjallisuus/viitteet
- Sadia Afreen, Kasturi Muthoosamy, Sivakumar Manickam (2018): Sono-nanokemia: Uusi aikakausi polyhydroksyloitujen hiilinanomateriaalien syntetisoinnissa hydroksyyliryhmien kanssa ja niiden teolliset näkökohdat. Ultraääni Sonokemia 2018.
- Sadia Afreen, Kasturi Muthoosamy, Sivakumar Manickam (2017): Hydraatio tai hydroksylaatio: fullerenolin suora synteesi koskemattomasta fullereenista [C60] akustisen kavitaation kautta vetyperoksidin läsnä ollessa. RSC Adv., 2017, 7, 31930–31939.
- Grigory V. Andrievsky, Vadim I. Bruskov, Artem A. Tykhomyrov, Sergei V. Gudkov (2009): Hydratoitujen C60-fullereeninanorakenteiden antioksidanttisten ja radioprotektiivisten vaikutusten erityispiirteet in vitro ja in vivo. Vapaiden radikaalien biologia & Lääketiede 47, 2009. 786–793.
- Mihajlo Gigov, Borivoj Adnađević, Borivoj Adnađević, Jelena D. Jovanovic (2016): Ultraäänikentän vaikutus fullereenipolyksyloinnin isotermiseen kinetiikkaan. Sintrauksen tiede 2016, 48(2):259-272.
- Hirotaka Yoshioka, Naoko Yui, Kanaka Yatabe, Hiroto Fujiya, Haruki Musha, Hisateru Niki, Rie Karasawa, Kazuo Yudoh (2016): Polyhydroksyloidut C60-fullereenit estävät kondrosyyttien katabolista aktiivisuutta nanomolaarisilla pitoisuuksilla nivelrikossa. Lehti nivelrikosta 2016, 1:115.
[/vaihtaa]
Faktoja, jotka kannattaa tietää
C60 fullereenit
C60-fullereeni (tunnetaan myös nimellä buckyball tai Buckminster fullereeni) on molekyyli, joka on rakennettu 60 hiiliatomista, jotka on järjestetty 12 viisikulmioon ja 20 kuusikulmioon. C60-molekyylin muoto muistuttaa jalkapalloa. C60-fullereenit ovat myrkyttömiä antioksidantteja, joiden teho on 100–1000 korkeampi kuin E-vitamiinin. Vaikka C60 itsessään ei ole vesiliukoinen, monia erittäin vesiliukoisia fullereenijohdannaisia, kuten fullenerolia, on syntetisoitu.
C60-fullerenejä käytetään antioksidanttina ja biologisena lääkkeenä. Muita sovelluksia ovat materiaalitiede, orgaaninen aurinkosähkö (OPV), katalyytit, vedenpuhdistuksessa ja biologisilta vaaroilta suojautumisessa, kannettava teho, ajoneuvot ja lääkinnälliset laitteet.
Puhtaan C60:n liukoisuus:
- vedessä: liukenematon
- dimetyylisulfoksidissa (DMSO): ei liukene
- tolueenissa: liukoinen
- bentseenissä: liukoinen
C60-fullereenien pintarakenne
Polyhydroksyloitu C60? fullenerolit
Fullerneroli tai fullerolit ovat polyhydroksyloituja C60-molekyylejä (hydratoitu C60-fullereeni: C60HyFn). Hydrolylaatioreaktio tuo hydroksyyliryhmiä (-OH) C60-molekyyliin. C60-molekyyleillä, joissa on yli 40 hydroksyyliryhmää, on parempi vesiliukoisuus (>50 mg/ml). Nämä esiintyvät monodispergoituvina nanohiukkasina vedessä, ja niillä on innokas kiillotusvaikutus. Niillä on erinomaiset antioksidanttiset ja anti-inflammatoriset ominaisuudet. Polyhydroksyloidut fullereenit (fullerenolit; C60(OH)n) voidaan liuottaa joihinkin alkoholeihin ja saostaa sitten sähkökemiallisessa prosessissa, jolloin anodiin muodostuu nanohiilikalvo. Fullerenolikalvoja käytetään biologisesti yhteensopivana pinnoitteena, joka on inertti biologisille esineille ja voi helpottaa ei-biologisten esineiden integrointia kehon kudoksiin.
Fullenerolin liukoisuus:
- vedessä: liukoinen, voi saavuttaa >50 mg/ml
- dimetyylisulfoksidissa (DMSO): liukoinen
- metanolissa: heikosti liukeneva
- tolueenissa: liukenematon
- bentseenissä: ei liukene
Väri: Fullerenolilla, jossa on yli 10 –OH-ryhmiä, on tummanruskea väri. Kun –OH-ryhmiä on yhä enemmän, väri muuttuu vähitellen tummanruskeasta keltaiseksi.
C60(OH)8.2H2O:n liukoisuus verrattuna C60:een eri liuottimissa. lähde: Afreen et al. 2017
Fullerenolien käyttö ja käyttö:
- Farmaseuttinen: Diagnostiset reagenssit, superlääkkeet, kosmetiikka, ydinmagneettinen resonanssi (NMR) kehittäjän kanssa. DNA-affiniteetti, HIV-lääkkeet, syöpälääkkeet, kemoterapialääkkeet, kosmetiikan lisäaineet ja tieteellinen tutkimus. Koskemattomaan muotoon verrattuna polyhydroksyloiduilla fullereeneilla on enemmän potentiaalisia sovelluksia niiden parantuneen vesiliukoisuuden vuoksi. On havaittu, että fullerolit voivat vähentää joidenkin lääkkeiden kardiotoksisuutta ja estää HIV-proteaasia, hepatiitti C -virusta ja solujen epänormaalia kasvua. Lisäksi niillä oli erinomaiset vapaiden radikaalien poistokyvyt reaktiivisia happilajeja ja radikaaleja vastaan fysiologisissa olosuhteissa.
- Energia: Aurinkoakku, polttokenno, toissijainen akku.
- Teollisuus: Kulutusta kestävät materiaalit, palonestoaineet, voiteluaineet, polymeerilisäaineet, korkean suorituskyvyn kalvo, katalyytti, keinotekoinen timantti, kova seos, sähköinen viskoosi neste, mustesuodattimet, korkean suorituskyvyn pinnoitteet, palonestopinnoitteet, bioaktiivisten materiaalien valmistus, muistimateriaalit, sulautetut molekyyli- ja muut ominaisuudet, komposiittimateriaalit jne.
- Tietoteollisuus: Puolijohdelevyalusta, magneettiset materiaalit, painomuste, väriaine, muste, paperi erikoistarkoituksiin.
- Elektroniset osat: Suprajohtavat puolijohteet, diodit, transistorit, induktori.
- Optiset materiaalit, elektroninen kamera, fluoresenssinäyttöputki, epälineaariset optiset materiaalit.
- Ympäristö: Kaasun adsorptio, kaasun varastointi.