Ultrahanggal polihidroxilált C60 (fullerenol)
- A vízoldható, polihidroxilált C60 fullerén, amelyet fullerenolnak vagy fullerolnak neveznek, erős szabadgyökfogó, ezért antioxidánsként használják étrend-kiegészítőkben és gyógyszerkészítményekben.
- Az ultrahangos hidroxilálás gyors és egyszerű, egylépéses reakció, amelyet vízoldható, polihidroxilált C60 előállítására használnak.
- Az ultrahanggal szintetizált, vízoldható C60 kiemelkedő minőségű, és gyógyszeripari, valamint nagy teljesítményt igénylő alkalmazásokban használják.
Polihidroxilált C60 egylépéses ultrahangos szintézise
Az ultrahangos kavitáció a kiváló minőségű, polihidroxilált C60 fullerének előállításának kiemelkedő módszere; ezek vízoldhatók, ezért különféle gyógyszeripari, orvosi és ipari alkalmazásokban használhatók. Afreen és munkatársai (2017) gyors és egyszerű ultrahangos szintézist dolgoztak ki a szennyeződésmentes, polihidroxilált C60 (más néven fullerenol vagy fullerol) előállítására. Az egylépéses ultrahangos reakció H2O2-t használ, és nem alkalmaz további hidroxiláló reagenseket, azaz NaOH-t, H2SO4-et, illetve fázistranszfer-katalizátorokat (PTC), amelyek szennyeződéseket okoznak a szintetizált fullerenolban. Ezáltal az ultrahangos fullerenolszintézis tisztább eljárást kínál a fullerenol előállítására; egyúttal egyszerűbb és gyorsabb módja a kiváló minőségű, vízoldható C60 előállításának.
Lehetséges reakcióutak a fullerenol ultrahanggal segített szintézisében híg H2O2 (30%) jelenlétében.
forrás: Afreen és munkatársai, 2017
Vízoldható C60 ultrahangos szintézise – lépésről lépésre
A vízoldható, polihidroxilált C60 gyors, egyszerű és környezetbarát előállításához 200 mg tiszta C60-at adnak 20mL 30%-os H2O2-hoz, majd ultrahangos kezelésnek vetik alá az UP200Ht vagy UP200St modellel. Az ultrahangos kezelés paraméterei a következők voltak: 30%-os amplitúdó, 200 W impulzusüzemben, 1 h időtartamig, szobahőmérsékleten. A reakcióedényt hűtött, keringtetett vízfürdőbe helyezik, hogy az edény belsejében a hőmérsékletet a környezeti hőmérsékleten tartsák. Az ultrahangos kezelés előtt a C60 nem elegyedik a vizes H2O2-dal, és színtelen, heterogén keveréket alkot, amely 30 min ultrahangos kezelés után világosbarna színűvé válik. Ezt követően a következő 30 min ultrahangos kezelés során teljesen sötétbarna diszperzióvá alakul.
Hidroxildonor: Az ultrahanggal létrehozott intenzív (= akusztikus) kavitáció a H2O és H2O2 molekuláiból olyan gyököket hoz létre, mint a cOH, a cOOH és a cH. A H2O2 vizes közegben történő használata hatékonyabb módszer a –OH-csoportok C60-kalitkára történő bevitelére, mint ha a fullerenol szintéziséhez kizárólag H2O-t használnának. A H2O2 fontos szerepet játszik az ultrahangos hidroxilálás intenzívebbé tételében.
A C60 híg H2O2 (30%) felhasználásával végzett ultrahangos hidroxilálása egyszerű és gyors, egylépéses reakció a fullerenol előállítására. Mivel a reakcióhoz csak rövid idő szükséges, az ultrahangos reakció környezetbarát és tiszta, kis energiaigényű eljárást kínál, amely elkerüli bármilyen mérgező vagy maró hatású reagens használatát a szintézishez, és csökkenti a következő vegyület elválasztásához és tisztításához szükséges oldószerek számát: C60(OH)8∙2H2O.
UP400St (400W, 24kHz) nagy teljesítményű ultrahangos diszpergáló készülék
Az ultrahangos polihidroxilálás reakcióútja
Amikor intenzív ultrahanghullámokat csatolnak egy folyadékba, a váltakozó kisnyomású / nagynyomású ciklusok vákuumbuborékokat hoznak létre a folyadékban. A vákuumbuborékok több cikluson át növekednek, amíg már nem képesek több energiát elnyelni, ekkor hevesen összeomlanak. A buborékok összeomlása során szélsőséges fizikai hatások lépnek fel, például nagy hőmérséklet- és nyomáskülönbségek, lökéshullámok, mikrosugarak, turbulencia, nyíróerők stb. Ez a jelenség ultrahangos vagy akusztikus kavitációként ismert. Az ultrahangos kavitáció ezen intenzív erői a molekulákat cOH és cOOH55 gyökökre bontják.
Afreen és munkatársai (2017) feltételezik, hogy a reakció egyidejűleg két reakcióúton is végbemehet. A cOH gyökök mint reaktív oxigénformák (ROS) a C60-kalitkához kapcsolódva fullerenolt hoznak létre (I. reakcióút), és/vagy a –OH és cOOH gyökök nukleofil reakcióban megtámadják a C60 elektronhiányos kettős kötéseit, ami a fullerén-epoxid [C60On] képződéséhez vezet köztitermékként az első szakaszban (II. reakcióút), a Bingel-reakció mechanizmusához hasonlóan. Ezenkívül a cOH (vagy cOOH) C60O elleni ismételt támadása SN2-reakció révén polihidroxilált fullerént vagy fullerenolt eredményez.
Ismételt epoxidáció is végbemehet, amely egymást követő epoxidcsoportokat hoz létre, például C60O2-t és C60O3-at. Ezek az epoxidcsoportok lehetséges kiindulópontjai lehetnek más köztitermékek, például hidroxilált fullerén-epoxid képződésének a szonolízis (= szonokémiai bomlás) során. Emellett a C60(OH)xOy ezt követő, cOH-val végbemenő gyűrűfelnyílása fullerenol képződéséhez vezethet. E köztitermékek képződése a H2O2 vagy H2O C60 jelenlétében végzett szonolízise során elkerülhetetlen, és jelenlétük a végső fullerenolban (bár csak nyomnyi mennyiségben) nem hagyható figyelmen kívül. Mivel azonban a fullerenolban csak nyomnyi mennyiségben vannak jelen, várhatóan nem fejtenek ki jelentős hatást. [Afreen et al., 2017]
Nagy teljesítményű ultrahangos készülékek fullerének diszpergálásához
A Hielscher Ultrasonics szondás ultrahangos készülékeket kínál az Ön egyedi igényeihez: akár kis térfogatokat szeretne ultrahanggal kezelni laboratóriumi léptékben, akár nagy térfogatú anyagáramot kíván előállítani ipari léptékben, a Hielscher nagy teljesítményű ultrahangos készülékeinek kínálata tökéletes megoldást nyújt a fullerének diszpergálásához. Ultrahangos készülékeink nagy kimenő teljesítménye, pontos beállíthatósága és megbízhatósága biztosítja a folyamatkövetelmények teljesítését. A digitális érintőképernyők és az ultrahangos paraméterek beépített SD-kártyára történő automatikus rögzítése rendkívül felhasználóbaráttá teszik ultrahangos készülékeink működtetését és vezérlését.
A Hielscher ultrahangos berendezéseinek robusztus felépítése lehetővé teszi a 24/7 üzemeltetést nagy terhelés mellett és igényes környezetben.
Az alábbi táblázat tájékoztatást nyújt ultrahangos készülékeink hozzávetőleges feldolgozási kapacitásáról:
| Adagtérfogat | Térfogatáram | Ajánlott készülékek |
|---|---|---|
| 1–500mL | 10–200mL/min | UP100H |
| 10–2000mL | 20–400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1–20L | 0,2–4L/min | UIP2000hdT |
| 10–100L | 2–10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10–100L/min | UIP16000 |
| n.a. | nagyobb | készülékcsoport: UIP16000 |
Lépjen kapcsolatba velünk! / Kérdezzen tőlünk!
Nagy teljesítményű ultrahangos processzorok a laboratóriumi léptéktől a kísérleti üzemi és ipari léptékig.
Szakirodalom/Hivatkozások
- Sadia Afreen, Kasturi Muthoosamy, Sivakumar Manickam (2018): Szono-nanokémia: a hidroxilcsoportokat tartalmazó polihidroxilált szén-nanoanyagok szintézisének új korszaka és ipari vonatkozásaik. Ultrasonics Sonochemistry 2018.
- Sadia Afreen, Kasturi Muthoosamy, Sivakumar Manickam (2017): Hidratálás vagy hidroxilálás: fullerenol közvetlen szintézise módosítatlan fullerénből [C60] akusztikus kavitáció révén, hidrogén-peroxid jelenlétében. RSC Adv., 2017, 7, 31 930–31 939.
- Grigory V. Andrievsky, Vadim I. Bruskov, Artem A. Tykhomyrov, Sergey V. Gudkov (2009): A hidratált C60 fullerén-nanoszerkezetek antioxidáns és sugárvédő hatásainak sajátosságai in vitro és in vivo. Free Radical Biology & Medicine 47, 2009. 786–793.
- Mihajlo Gigov, Borivoj Adnađević, Borivoj Adnađević, Jelena D. Jovanovic (2016): Az ultrahangtér hatása a fullerén polihidroxilálásának izoterm kinetikájára. 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): A polihidroxilált C60 fullerének nanomoláris koncentrációban megakadályozzák a porcsejtek katabolikus aktivitását oszteoartritiszben. Journal of Osteoarthritis 2016, 1:115.
[/toggle]
Hasznos tudnivalók
C60 fullerének
A C60 fullerén (más néven buckyball vagy Buckminster-fullerén) 60 szénatomból felépülő molekula, amelyben az atomok 12 ötszöget és 20 hatszöget alkotnak. A C60-molekula alakja egy futball-labdához hasonlít. A C60 fullerének nem mérgező antioxidánsok, amelyek hatáserőssége 100–1000-rel nagyobb az E-vitaminénál. Bár maga a C60 nem vízoldható, számos, vízben igen jól oldódó fullerénszármazékot, például fullerenolt szintetizáltak.
A C60 fulleréneket antioxidánsként és biogyógyszerként használják. További alkalmazási területeik közé tartozik az anyagtudomány, a szerves fotovoltaika (OPV), a katalizátorok, a víztisztítás és a biológiai veszélyek elleni védelem, a hordozható energiaellátás, a járművek és az orvostechnikai eszközök.
A tiszta C60 oldhatósága:
- vízben: nem oldódik
- dimetil-szulfoxidban (DMSO): nem oldódik
- toluolban: oldódik
- benzolban: oldódik
A C60 fullerének felületi szerkezete
forrás: Yoshioka és munkatársai, 2016
Polihidroxilált C60 / Fullerenolok
A fullerenolok vagy fullerolok polihidroxilált C60-molekulák (hidratált C60 fullerén: C60HyFn). A hidrolilációs reakció hidroxilcsoportokat (-OH) visz be a C60-molekulába. A 40-nél több hidroxilcsoportot tartalmazó C60-molekulák vízoldhatósága nagyobb (>50 mg/mL). Ezek a vízben monodiszperz nanorészecskékként vannak jelen, és „bátor” polírozó hatásuk van. Kiemelkedő antioxidáns és gyulladáscsökkentő tulajdonságokat mutatnak. A polihidroxilált fullerének (fullerenolok; C60(OH)n) egyes alkoholokban feloldhatók, majd elektrokémiai eljárással kicsaphatók, így az anódon nanoszénfilmet hoznak létre. A fullerenolfilmeket biokompatibilis bevonatként használják, amely közömbös a biológiai objektumokkal szemben, és elősegítheti a nem biológiai objektumok beépülését a testszövetekbe.
A fullerenol oldhatósága:
- vízben: oldódik, elérheti a >50 mg/mL értéket
- dimetil-szulfoxidban (DMSO): oldódik
- metanolban: kis mértékben oldódik
- toluolban: nem oldódik
- benzolban: nem oldódik
Szín: A 10-nél több –OH-csoportot tartalmazó fullerenol sötétbarna színű. A –OH-csoportok számának növekedésével a szín fokozatosan sötétbarnáról sárgára változik.
A C60(OH)8.2H2O oldhatóságának oldhatósága a C60-hoz viszonyítva különböző oldószerekben. forrás: Afreen és munkatársai, 2017
A fullerenolok alkalmazásai és felhasználása:
- Gyógyszeripar: Diagnosztikai reagensek, „szupergyógyszerek”, kozmetikumok, „mágneses magrezonancia (NMR) a fejlesztővel”. DNS-affinitás, HIV-ellenes gyógyszerek, daganatellenes gyógyszerek, kemoterápiás gyógyszerek, kozmetikai adalékanyagok és tudományos kutatás. A módosítatlan formához képest a polihidroxilált fulleréneknek jobb vízoldhatóságuk miatt több lehetséges alkalmazásuk van. Megállapították, hogy a fullerolok csökkenthetik egyes gyógyszerek kardiotoxicitását, és gátolhatják a HIV-proteázt, a hepatitis C vírust és a sejtek rendellenes növekedését. Emellett fiziológiás körülmények között kiváló szabadgyökfogó képességet mutattak a reaktív oxigénformákkal és gyökökkel szemben.
- Energia: Napelem, üzemanyagcella, újratölthető akkumulátor.
- Ipar: Kopásálló anyag, égéskésleltető anyagok, kenőanyagok, polimeradalékok, nagy teljesítményű membrán, katalizátor, mesterséges gyémánt, keményötvözet, „elektromos viszkózus folyadék”, tintaszűrők, nagy teljesítményű bevonatok, tűzkésleltető bevonatok, bioaktív anyagok gyártása, memóriaanyagok, „beágyazott molekuláris és egyéb jellemzők”, kompozit anyagok stb.
- Információs ipar: Félvezető adatrögzítő közeg, mágneses anyagok, nyomdafesték, toner, tinta, különleges célú papír.
- Elektronikai alkatrészek: Szupravezető félvezető, diódák, tranzisztorok, induktor.
- Optikai anyagok, elektronikus kamera, fluoreszcens kijelzőcső, nemlineáris optikai anyagok.
- Környezet: Gázadszorpció, gáztárolás.