Ultrazvučno polihidroksilirani C60 (Fullerenol)
- Polihidroksilirani C60 fuleren topiv u vodi, nazvan fulerenol ili fulerol, snažan je hvatač slobodnih radikala i stoga se koristi kao antioksidans u dodacima prehrani i lijekovima.
- Ultrazvučna hidroksilacija je brza i jednostavna reakcija u jednom koraku, koja se koristi za proizvodnju polihidroksiliranog C60 topljivog u vodi.
- Ultrazvučno sintetiziran vodotopivi C60 ima vrhunsku kvalitetu i koristi se za farmaciju i aplikacije visokih performansi.
Ultrazvučna sinteza polihidroksiliranog C60 u jednom koraku
Ultrazvučna kavitacija je vrhunska tehnika za proizvodnju visokokvalitetnih polihidroksiliranih C60 fulerena, koji su topivi u vodi i stoga se mogu koristiti u raznim primjenama u farmaciji, medicini i industriji. Afreen et al (2017) razvili su brzu i jednostavnu ultrazvučnu sintezu polihidroksiliranog C60 (također poznatog kao fulerenol ili fulerol) bez onečišćenja. Ultrazvučna reakcija u jednom koraku koristi H2O2 i oslobođena je upotrebe dodatnih hidroksilirajućih reagensa, tj. NaOH, H2SO4 i katalizatora faznog prijenosa (PTC), koji uzrokuju nečistoće u sintetiziranom fulerenolu. Zbog toga je ultrazvučna sinteza fulerenola čišći pristup proizvodnji fulerenola; u isto vrijeme, to je lakši i brži način za proizvodnju visokokvalitetnog C60 topljivog u vodi.
Mogući putovi reakcije u ultrazvučno potpomognutoj sintezi fulerenola u prisutnosti dil. H2O2 (30%).
izvor: Afreen et al. 2017
Ultrazvučna sinteza u vodi topivog C60 – Korak po korak
Za brzu, jednostavnu i zelenu pripremu polihidroksiliranog C60, koji je topiv u vodi, 200 mg čistog C60 dodaje se u 20 mL 30% H2O2 i sonicira s modelima sonikatora UP200Ht ili UP200St. Parametri ultrazvuka bili su 30% amplitude, 200 W u pulsirajućem načinu rada tijekom 1 sata na sobnoj temperaturi. Reakcijska posuda se stavlja u rashlađenu cirkulirajuću vodenu kupelj kako bi se temperatura unutar posude održala na temperaturi okoline. Prije sonikacije, C60 se ne može miješati u vodenoj otopini H2O2 i bezbojna je heterogena smjesa koja postaje svijetlosmeđa nakon 30 minuta ultrazvučne obrade. Nakon toga, u sljedećih 30 minuta ultrazvuka pretvara se u potpuno tamnosmeđu disperziju.
Hidroksilni donor: Intenzivna ultrazvučno generirana (= akustična) kavitacija stvara radikale kao što su cOH, cOOH i cH iz molekula H2O i H2O2. Upotreba H2O2 u vodenom mediju učinkovitiji je pristup za uvođenje –OH skupina u C60 kavez nego samo korištenje H2O za sintezu fulerenola. H2O2 igra važnu ulogu u intenziviranju ultrazvučne hidroksilacije.
Ultrazvučna hidroksilacija C60 korištenjem dil. H2O2 (30%) laka je i brza reakcija u jednom koraku za pripremu fulerenola. Zahtijevajući samo kratko vrijeme za reakciju, ultrazvučna reakcija nudi zeleni i čisti pristup s niskim energetskim zahtjevima, izbjegavajući upotrebu bilo kakvih toksičnih ili korozivnih reagensa za sintezu i smanjujući broj otapala potrebnih za odvajanje i pročišćavanje C60(OH)8∙2H2O.
UP400St (400W, 24kHz) je snažan ultrazvučni raspršivač
Ultrazvučni put polihidroksilacije
Kada se intenzivni ultrazvučni valovi spoje u tekućinu, naizmjenični ciklusi niskog i visokog tlaka stvaraju vakuumske mjehuriće u tekućini. Vakuumski mjehurići rastu tijekom nekoliko ciklusa sve dok ne mogu apsorbirati više energije, tako da se nasilno urušavaju. Tijekom kolapsa mjehurića pojavljuju se ekstremni fizički učinci kao što su visoke razlike u temperaturi i tlaku, udarni valovi, mikromlaznice, turbulencije, posmične sile itd. Ovaj fenomen je poznat kao ultrazvučni ili akustična kavitacija.Ove intenzivne sile ultrazvučne kavitacije razgrađuju molekule na cOH i cOOH55 radikale.
Afreen i sur. (2017) pretpostavljaju da reakcija može napredovati u dva puta istovremeno. cOH radikali kao reaktivne kisikove vrste (ROS) pričvršćuju se na C60 kavez dajući fulerenol (put I), i/ili –OH i cOOH radikali napadaju C60 dvostruke veze s manjkom elektrona u nukleofilnoj reakciji i to dovodi do stvaranja fuleren epoksida [C60On] kao intermedijer u prvom stupnju (Put II) koji je sličan mehanizmu Bingelove reakcije. Nadalje, ponavljani napad cOH (ili cOOH) na C60O putem SN2 reakcije rezultira polihidroksiliranim fulerenom ili fulerenolom.
Može doći do ponovljene epoksidacije koja proizvodi uzastopne epoksidne skupine, npr. C60O2 i C60O3. Ove epoksidne skupine mogle bi biti mogući kandidati za stvaranje drugih intermedijera, npr. hidroksiliranog fuleren epoksida tijekom sonolize (= sonokemijska razgradnja). Dodatno, naknadno otvaranje prstena C60(OH)xOy s cOH može rezultirati stvaranjem fulerenola. Stvaranje ovih intermedijera tijekom sonolize H2O2 ili H2O u prisutnosti C60 je neizbježno, a njihova prisutnost u konačnom fulerenolu (iako u tragovima) ne može proći nezapaženo. Međutim, budući da su prisutni samo u tragovima u fulerenolu, ne očekuje se da će uzrokovati značajan utjecaj. [Afreen i sur., 2017.]
Visokoučinkoviti sonikatori za disperziju fulerena
Hielscher Ultrasonics isporučuje sonikatore tipa sonikatora za vaše specifične zahtjeve: Bilo da želite sonikirati male količine u laboratorijskim razmjerima ili proizvesti veliki volumen toka u industrijskim razmjerima, Hielscherov portfelj sonikatora visokih performansi nudi savršeno rješenje za vašu disperziju fulerena. Visoka izlazna snaga, precizna prilagodljivost i pouzdanost naših ultrazvučnih uređaja osiguravaju da su vaši procesni zahtjevi ispunjeni. Digitalni zasloni osjetljivi na dodir i automatsko snimanje podataka ultrazvučnih parametara na integriranu SD karticu čine rad i kontrolu naših ultrazvučnih uređaja vrlo jednostavnim za korištenje.
Robusnost Hielscher ultrazvučne opreme omogućuje 24/7 rad pri teškim uvjetima rada iu zahtjevnim okruženjima.
Donja tablica daje vam naznaku približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja:
| Volumen serije | Protok | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 1 do 500 ml | 10 do 200 ml/min | UP100H |
| 10 do 2000 ml | 20 do 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 do 20L | 0.2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100l | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| na | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| na | veći | klaster od UIP16000 |
Kontaktirajte nas! / Pitajte nas!
Ultrazvučni procesori velike snage od laboratorijskih do pilotskih i industrijskih razmjera.
Literatura/Reference
- Sadia Afreen, Kasturi Muthoosamy, Sivakumar Manickam (2018.): Sono-nano kemija: Nova era sinteze polihidroksiliranih ugljikovih nanomaterijala s hidroksilnim skupinama i njihovi industrijski aspekti. Ultrazvučna sonokemija 2018.
- Sadia Afreen, Kasturi Muthoosamy, Sivakumar Manickam (2017.): Hidratacija ili hidroksilacija: izravna sinteza fulerenola iz prvobitnog fulerena [C60] putem akustične kavitacije u prisutnosti vodikovog peroksida. RSC Adv., 2017, 7, 31930–31939.
- Grigory V. Andrievsky, Vadim I. Bruskov, Artem A. Tykhomyrov, Sergey V. Gudkov (2009): Osobitosti antioksidativnih i radioprotektivnih učinaka nanostruktura hidratiziranog C60 fulerena in vitro i in vivo. Biologija slobodnih radikala & Medicina 47, 2009. 786–793.
- Mihajlo Gigov, Borivoj Adnađević, Borivoj Adnađević, Jelena D. Jovanovic (2016): Effect of ultrasonic field on isothermal kinetics of fullerene polyhydroxylation. Znanost o sinterovanju 2016, 48(2):259-272.
- Hirotaka Yoshioka, Naoko Yui, Kanaka Yatabe, Hiroto Fujiya, Haruki Musha, Hisateru Niki, Rie Karasawa, Kazuo Yudoh (2016.): Polihidroksilirani C60 fulereni sprječavaju kataboličku aktivnost hondrocita pri nanomolarnim koncentracijama kod osteoartritisa. Journal of Osteoarthritis 2016, 1:115.
[/toggle]
Činjenice koje vrijedi znati
C60 fulereni
C60 fuleren (također poznat kao buckyball ili Buckminster fuleren) je molekula koja se sastoji od 60 atoma ugljika, raspoređenih kao 12 peterokuta i 20 šesterokuta. Oblik molekule C60 podsjeća na nogometnu loptu. C60 fuleri su netoksični antioksidansi koji pokazuju snagu 100-1000 veću od vitamina E. Iako sam C60 nije topiv u vodi, sintetizirani su mnogi visoko topljivi derivati fulerena kao što je fulenerol.
C60 fuleri se koriste kao antioksidansi i kao biofarmaci. Ostale primjene uključuju znanost o materijalima, organski fotonapon (OPV), katalizatore, u pročišćavanju vode i zaštiti od biološke opasnosti, prijenosno napajanje, vozila i medicinske uređaje.
Topivost čistog C60:
- u vodi: nije topljiv
- u dimetil sulfoksidu (DMSO): nije topljiv
- u toluenu: topljiv
- u benzenu: topljiv
Površinska struktura fulerena C60
izvor: Yoshioka et al. 2016
Polihidroksilirani C60 / Fulleneroli
Fullernerol ili fulleroli su polihidroksilirane C60 molekule (hidratirani C60 fuleren: C60HyFn). Reakcija hidrolilacije uvodi hidroksilne skupine (-OH) u molekulu C60. Molekule C60 s preko 40 hidroksilnih skupina imaju veću topljivost u vodi (>50 mg/mL). One postoje kao monodisperzne nanočestice u vodi i imaju snažan učinak poliranja. Pokazuju vrhunska antioksidativna i protuupalna svojstva. Polihidroksilirani fulereni (fulerenoli; C60(OH)n) mogu se otopiti u nekim alkoholima i zatim istaložiti u elektrokemijskom procesu, stvarajući nanougljični film na anodi. Fullerenolni filmovi se koriste kao biokompatibilni premazi, inertni na biološke objekte i mogu olakšati integraciju nebioloških objekata u tjelesna tkiva.
Topivost fulenerola:
- u vodi: topiv, može doseći >50 mg/mL
- u dimetil sulfoksidu (DMSO): topljiv
- u metanolu: slabo topljiv
- u toluenu: nije topljiv
- u benzenu: nije topljiv
Boja: Fullerenol koji ima više od 10 –OH skupina pokazuje tamnosmeđu boju. S povećanjem broja –OH skupina, boja postupno prelazi iz tamnosmeđe u žutu.
Topljivost Topljivost C60(OH)8.2H2O u usporedbi s C60 u različitim otapalima. izvor: Afreen et al. 2017
Primjena i upotreba fulerenola:
- Farmaceutika: Dijagnostički reagensi, superlijekovi, kozmetika, nuklearna magnetska rezonancija (NMR) s razvijačem. DNA afinitet, lijekovi protiv HIV-a, lijekovi protiv raka, lijekovi za kemoterapiju, kozmetički dodaci i znanstvena istraživanja. U usporedbi s prvobitnim oblikom, polihidroksilirani fulereni imaju više potencijalnih primjena zbog svoje poboljšane topivosti u vodi. Utvrđeno je da fuleroli mogu smanjiti kardiotoksičnost nekih lijekova i inhibirati HIV-proteazu, virus hepatitisa C i abnormalni rast stanica. Nadalje, pokazali su izvrsnu sposobnost hvatanja slobodnih radikala protiv reaktivnih kisikovih vrsta i radikala u fiziološkim uvjetima.
- Energija: solarna baterija, goriva ćelija, sekundarna baterija.
- Industrija: materijal otporan na habanje, materijali za usporavanje plamena, maziva, polimerni aditivi, membrana visokih performansi, katalizator, umjetni dijamant, tvrda legura, električna viskozna tekućina, tintni filteri, premazi visokih performansi, premazi za usporavanje vatre, proizvodnja bioaktivnih materijala, memorijski materijali , ugrađene molekularne i druge karakteristike, kompozitni materijali itd.
- Informacijska industrija: Poluvodički nosač zapisa, magnetski materijali, tiskarska boja, toner, tinta, papir posebne namjene.
- Elektronički dijelovi: supravodljivi poluvodič, diode, tranzistori, induktor.
- Optički materijali, elektronička kamera, fluorescentna zaslonska cijev, nelinearni optički materijali.
- Okoliš: Adsorpcija plina, skladištenje plina.