C60 polyhydroxylé par ultrasons (fullerénol)

• Le fullerène C60 polyhydroxylé soluble dans l'eau, appelé fullerénol ou fullerol, est un puissant piégeur de radicaux libres et est donc utilisé comme antioxydant dans les compléments alimentaires et les produits pharmaceutiques.
• L'hydroxylation par ultrasons est une réaction rapide et simple en une étape, qui permet de produire du C60 polyhydroxylé soluble dans l'eau.
• Le C60 hydrosoluble synthétisé par ultrasons présente une qualité supérieure et est utilisé pour des applications pharmaceutiques et de haute performance.

Synthèse ultrasonique en une étape de C60 polyhydrolxylés

La cavitation ultrasonique est la technique supérieure pour produire des fullerènes C60 polyhydroxylés de haute qualité, qui sont solubles dans l'eau et peuvent donc être utilisés dans diverses applications en pharmacie, en médecine et dans l'industrie. Afreen et al. (2017) ont mis au point une synthèse ultrasonique rapide et simple de C60 polyhydroxylé sans contamination (également connu sous le nom de fullerenol ou fullerol). La réaction ultrasonique en une étape utilise H2O2 et est exempte de l'utilisation de réactifs d'hydroxylation supplémentaires, c'est-à-dire NaOH, H2SO4 et catalyseurs de transfert de phase (CTP), qui causent des impuretés dans le fullerénol synthétisé. La synthèse ultrasonique du fullerénol est donc une approche plus propre pour produire du fullerénol ; en même temps, c'est un moyen plus facile et plus rapide de produire du C60 de haute qualité et soluble dans l'eau.

Voies réactionnelles possibles dans la synthèse assistée par ultrasons du fullerénol en présence de dil. H2O2 (30%).
source : Afreen et al. 2017

Synthèse ultrasonique de C60 soluble dans l'eau – Pas à pas

Pour la préparation rapide, simple et écologique du C60 polyhydroxylé, qui est soluble dans l'eau, 200 mg de C60 pur sont ajoutés à 20 ml de H2O2 à 30 % et soniqués à l'aide de modèles de sonicateur. UP200Ht ou UP200St. Les paramètres de sonication étaient les suivants : amplitude de 30 %, 200 W en mode pulsé pendant 1 h à température ambiante. La cuve de réaction est placée dans un bain-marie à circulation réfrigérée afin de maintenir la température à l'intérieur de la cuve à la température ambiante. Avant la sonication, le C60 n'est pas miscible dans le H2O2 aqueux et constitue un mélange hétérogène incolore, qui prend une couleur brun clair après 30 minutes d'ultrasonication. Ensuite, au cours des 30 minutes d'ultrasons suivantes, il se transforme en une dispersion entièrement brun foncé.
Donneur d'hydroxyle : la cavitation intense générée par les ultrasons (= acoustique) crée des radicaux tels que cOH, cOOH et cH à partir de molécules H2O et H2O2. L'utilisation de H2O2 en milieu aqueux est une approche plus efficace pour introduire des groupes -OH sur la cage du C60 plutôt que d'utiliser uniquement H2O pour la synthèse du fullerénol. H2O2 joue un rôle important dans l'intensification de l'hydroxylation ultrasonique.

L'hydroxylation ultrasonique du C60 à l'aide de dil. H2O2 (30%) est une réaction facile et rapide en une étape pour préparer le fullerénol. N'exigeant qu'une courte durée de réaction, la réaction ultrasonique offre une approche verte et propre avec une faible consommation d'énergie, évitant l'utilisation de réactifs toxiques ou corrosifs pour la synthèse et réduisant le nombre de solvants nécessaires pour la séparation et la purification du C60(OH).₈∙2H₂O.

Voie de la polyhydroxylation ultrasonique

Lorsque des ondes ultrasonores intenses sont couplées à un liquide, des cycles alternés de basse pression et de haute pression créent des bulles de vide dans le liquide. Les bulles de vide grossissent sur plusieurs cycles jusqu'à ce qu'elles ne puissent plus absorber d'énergie et s'effondrent violemment. Pendant l'effondrement de la bulle, des effets physiques extrêmes tels que des différentiels de température et de pression élevés, des ondes de choc, des micro-jets, des turbulences, des forces de cisaillement, etc. sont observés. Ce phénomène est connu sous le nom d'ultrasons ou cavitation acoustiqueCes forces intenses de cavitation ultrasonique décomposent les molécules en radicaux cOH et cOOH55.
Afreen et al. (2017) supposent que la réaction peut progresser dans deux voies simultanément. Les radicaux cOH en tant qu'espèces réactives de l'oxygène (ROS) se fixent sur la cage du C60 pour donner du fullerénol (voie I), et/ou les radicaux -OH et cOOH attaquent les doubles liaisons déficientes en électrons du C60 dans une réaction nucléophile, ce qui conduit à la formation d'époxyde de fullerène [C60On] en tant qu'intermédiaire dans la première étape (voie II), ce qui est similaire au mécanisme de la réaction de Bingel. En outre, l'attaque répétée de cOH (ou cOOH) sur C60O via une réaction SN2 aboutit à un fullerène polyhydroxylé ou fullerénol.
Une époxydation répétée peut avoir lieu et produire des groupes époxy successifs, par exemple C60O2 et C60O3. Ces groupes époxydes pourraient être des candidats possibles pour générer d'autres intermédiaires, par exemple des époxydes de fullerène hydroxylés pendant la sonolyse (= décomposition sonochimique). En outre, l'ouverture ultérieure du cycle de C60(OH)xOy avec cOH peut entraîner la formation de fullerénol. La formation de ces intermédiaires lors de la sonolyse de H2O2 ou H2O en présence de C60 est inévitable, et leur présence dans le fullerénol final (bien qu'à l'état de traces) ne peut être ignorée. Cependant, comme ils ne sont présents qu'à l'état de traces dans le fullerénol, on ne s'attend pas à ce qu'ils aient un impact significatif. [Afreen et al.]

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