C60 Terpolihidroksilasi secara Ultrasonik (Fullerenol)
- Fullerena C60 terpolihidroksilasi yang larut dalam air, yang disebut fullerenol atau fullerol, merupakan penangkap radikal bebas yang kuat dan oleh karena itu digunakan sebagai antioksidan dalam suplemen dan sediaan farmasi.
- Hidroksilasi ultrasonik adalah reaksi satu tahap yang cepat dan sederhana, yang digunakan untuk menghasilkan C60 terpolihidroksilasi yang larut dalam air.
- C60 larut dalam air yang disintesis secara ultrasonik memiliki kualitas unggul dan digunakan untuk aplikasi farmasi dan aplikasi berkinerja tinggi.
Sintesis Ultrasonik Satu Tahap C60 Terpolihidroksilasi
Kavitasi ultrasonik merupakan teknik unggul untuk menghasilkan fullerena C60 terpolihidroksilasi berkualitas tinggi, yang larut dalam air sehingga dapat digunakan dalam berbagai aplikasi di bidang farmasi, kedokteran, dan industri. Afreen et al (2017) telah mengembangkan sintesis ultrasonik yang cepat dan sederhana untuk C60 terpolihidroksilasi bebas kontaminasi (juga dikenal sebagai fullerenol atau fullerol). Reaksi ultrasonik satu tahap ini menggunakan H2O2 dan tidak menggunakan reagen penghidroksilasi tambahan, yaitu NaOH, H2SO4, dan katalis transfer fase (PTC), yang menyebabkan pengotor dalam fullerenol hasil sintesis. Hal ini menjadikan sintesis fullerenol secara ultrasonik sebagai pendekatan yang lebih bersih untuk menghasilkan fullerenol; sekaligus merupakan cara yang lebih mudah dan lebih cepat untuk menghasilkan C60 berkualitas tinggi yang larut dalam air.
Kemungkinan jalur reaksi dalam sintesis fullerenol berbantuan ultrasonik dengan adanya H2O2 encer (30%).
sumber: Afreen et al. 2017
Sintesis Ultrasonik C60 yang Larut dalam Air – Langkah demi Langkah
Untuk preparasi C60 terpolihidroksilasi yang larut dalam air secara cepat, sederhana, dan ramah lingkungan, 200 mg C60 murni ditambahkan ke dalam 20mL H2O2 30% dan disonikasi menggunakan model sonikator UP200Ht atau UP200St. Parameter sonikasi yang digunakan adalah amplitudo 30%, 200 W dalam mode berpulsa selama 1 h pada suhu ruang. Bejana reaksi ditempatkan dalam penangas air bersirkulasi berpendingin untuk mempertahankan suhu di dalam bejana pada suhu lingkungan. Sebelum sonikasi, C60 tidak dapat bercampur dengan larutan H2O2 berair dan merupakan campuran heterogen tidak berwarna, yang berubah menjadi cokelat muda setelah ultrasonikasi selama 30 min. Selanjutnya, dalam 30 min ultrasonikasi berikutnya, campuran tersebut berubah menjadi dispersi yang seluruhnya berwarna cokelat tua.
Donor hidroksil: Kavitasi intens yang dihasilkan secara ultrasonik (= akustik) membentuk radikal seperti cOH, cOOH, dan cH dari molekul H2O dan H2O2. Penggunaan H2O2 dalam media berair merupakan pendekatan yang lebih efisien untuk memasukkan gugus –OH ke dalam kerangka sangkar C60 dibandingkan hanya menggunakan H2O untuk sintesis fullerenol. H2O2 berperan penting dalam intensifikasi hidroksilasi ultrasonik.
Hidroksilasi ultrasonik C60 menggunakan H2O2 encer (30%) merupakan reaksi satu tahap yang mudah dan cepat untuk menyiapkan fullerenol. Dengan hanya memerlukan waktu reaksi yang singkat, reaksi ultrasonik menawarkan pendekatan yang ramah lingkungan dan bersih dengan kebutuhan energi rendah, menghindari penggunaan reagen beracun atau korosif apa pun untuk sintesis, serta mengurangi jumlah pelarut yang diperlukan untuk pemisahan dan pemurnian C60(OH)8∙2H2O.
UP400St (400W, 24kHz) merupakan pendispersi ultrasonik berdaya tinggi
Jalur Polihidroksilasi Ultrasonik
Ketika gelombang ultrasonik intens dikopel ke dalam cairan, siklus tekanan rendah / tekanan tinggi yang bergantian menghasilkan gelembung vakum di dalam cairan. Gelembung vakum membesar selama beberapa siklus hingga tidak dapat lagi menyerap energi, sehingga runtuh dengan dahsyat. Selama keruntuhan gelembung, terjadi efek fisik ekstrem seperti perbedaan suhu dan tekanan yang tinggi, gelombang kejut, semburan mikro, turbulensi, gaya geser, dan sebagainya. Fenomena ini dikenal sebagai kavitasi ultrasonik atau kavitasi akustik. Gaya-gaya kuat dari kavitasi ultrasonik ini menguraikan molekul menjadi radikal cOH dan cOOH55.
Afreen et al. (2017) mengasumsikan bahwa reaksi dapat berlangsung melalui dua jalur secara bersamaan. Radikal cOH sebagai spesies oksigen reaktif (ROS) melekat pada kerangka sangkar C60 untuk menghasilkan fullerenol (Jalur I), dan/atau radikal –OH dan cOOH menyerang ikatan rangkap C60 yang kekurangan elektron dalam reaksi nukleofilik, sehingga menghasilkan pembentukan epoksida fullerena [C60On] sebagai zat antara pada tahap pertama (Jalur II), yang serupa dengan mekanisme reaksi Bingel. Selanjutnya, serangan berulang cOH (atau cOOH) pada C60O melalui reaksi SN2 menghasilkan fullerena terpolihidroksilasi atau fullerenol.
Epoksidasi berulang dapat terjadi dan menghasilkan gugus epoksida secara berturut-turut, misalnya C60O2 dan C60O3. Gugus epoksida ini berpotensi menjadi kandidat pembentuk zat antara lainnya, misalnya epoksida fullerena terhidroksilasi selama sonolisis (= dekomposisi sonokimia). Selain itu, pembukaan cincin C60(OH)xOy berikutnya oleh cOH dapat menghasilkan pembentukan fullerenol. Pembentukan zat antara ini selama sonolisis H2O2 atau H2O dengan adanya C60 tidak dapat dihindari, dan keberadaannya dalam fullerenol akhir (meskipun dalam jumlah renik) tidak dapat diabaikan. Namun, karena zat-zat tersebut hanya terdapat dalam jumlah renik di dalam fullerenol, zat-zat tersebut diperkirakan tidak menimbulkan dampak yang signifikan. [Afreen et al., 2017]
Sonikator Berkinerja Tinggi untuk Dispersi Fullerena
Hielscher Ultrasonics menyediakan sonikator tipe probe untuk kebutuhan spesifik Anda: Baik Anda ingin melakukan sonikasi volume kecil pada skala laboratorium maupun menghasilkan aliran bervolume besar pada skala industri, portofolio sonikator berkinerja tinggi Hielscher menawarkan solusi yang tepat untuk dispersi fullerena Anda. Keluaran daya tinggi, kemampuan pengaturan yang presisi, dan keandalan sonikator ultrasonik kami memastikan terpenuhinya kebutuhan proses Anda. Layar sentuh digital dan perekaman data parameter ultrasonik secara otomatis pada kartu SD terintegrasi membuat pengoperasian dan pengendalian perangkat ultrasonik kami sangat mudah bagi pengguna.
Ketangguhan peralatan ultrasonik Hielscher memungkinkan pengoperasian 24/7 dengan beban kerja berat dan di lingkungan yang menuntut.
Tabel di bawah ini memberikan gambaran perkiraan kapasitas pemrosesan sonikator ultrasonik kami:
| Volume Batch | Laju Alir | Perangkat yang Direkomendasikan |
|---|---|---|
| 1 hingga 500mL | 10 hingga 200mL/min | UP100H |
| 10 hingga 2000mL | 20 hingga 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 hingga 20L | 0,2 hingga 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 hingga 100L | 2 hingga 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 hingga 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | lebih besar | kelompok perangkat UIP16000 |
Hubungi Kami! / Tanyakan kepada Kami!
Prosesor ultrasonik berdaya tinggi dari skala laboratorium hingga skala percontohan dan industri.
Literatur/Referensi
- 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]
Fakta yang Perlu Diketahui
Fullerena C60
Fullerena C60 (juga dikenal sebagai buckyball atau fullerena Buckminster) adalah molekul yang tersusun atas 60 atom karbon, yang membentuk 12 segi lima dan 20 segi enam. Bentuk molekul C60 menyerupai bola sepak. Fullerena C60 merupakan antioksidan tidak beracun yang menunjukkan potensi 100–1000 lebih tinggi daripada vitamin E. Meskipun C60 sendiri tidak larut dalam air, banyak turunan fullerena yang sangat larut dalam air, seperti fullerenol, telah disintesis.
Fullerena C60 digunakan sebagai antioksidan dan sebagai biofarmasi. Aplikasi lainnya meliputi ilmu material, fotovoltaik organik (OPV), katalis, pemurnian air dan perlindungan dari bahaya biologis, sumber daya portabel, kendaraan, dan perangkat medis.
Kelarutan C60 murni:
- dalam air: tidak larut
- dalam dimetil sulfoksida (DMSO): tidak larut
- dalam toluena: larut
- dalam benzena: larut
Struktur permukaan fullerena C60
sumber: Yoshioka et al. 2016
C60 Terpolihidroksilasi / Fullerenol
Fullerenol atau fullerol adalah molekul C60 terpolihidroksilasi (fullerena C60 terhidrasi: C60HyFn). Reaksi hidrolilasi memasukkan gugus hidroksil (-OH) ke dalam molekul C60. Molekul C60 dengan lebih dari 40 gugus hidroksil memiliki kelarutan yang lebih tinggi dalam air (>50 mg/mL). Molekul-molekul ini terdapat sebagai nanopartikel monodispersi dalam air dan memiliki efek pemolesan “valiant”. Molekul-molekul ini menunjukkan sifat antioksidan dan antiinflamasi yang unggul. Fullerena terpolihidroksilasi (fullerenol; C60(OH)n) dapat dilarutkan dalam beberapa alkohol, lalu diendapkan dalam proses elektrokimia, sehingga membentuk film nanokarbon pada anode. Film fullerenol digunakan sebagai pelapis biokompatibel, bersifat inert terhadap objek biologis, dan dapat memfasilitasi integrasi objek nonbiologis ke dalam jaringan tubuh.
Kelarutan Fullerenol:
- dalam air: larut, dapat mencapai >50 mg/mL
- dalam dimetil sulfoksida (DMSO): larut
- dalam metanol: sedikit larut
- dalam toluena: tidak larut
- dalam benzena: tidak larut
Warna: Fullerenol yang memiliki lebih dari 10 gugus –OH menunjukkan warna cokelat tua. Dengan meningkatnya jumlah gugus –OH, warnanya berangsur-angsur berubah dari cokelat tua menjadi kuning.
Kelarutan Kelarutan C60(OH)8.2H2O dibandingkan dengan C60 dalam berbagai pelarut. sumber: Afreen et al. 2017
Aplikasi dan Penggunaan Fullerenol:
- Farmasi: Reagen diagnostik, obat super, kosmetik, resonansi magnetik nuklir (NMR) dengan pengembang. Afinitas DNA, obat anti-HIV, obat antikanker, obat kemoterapi, bahan tambahan kosmetik, dan penelitian ilmiah. Dibandingkan dengan bentuk murninya, fullerena terpolihidroksilasi memiliki lebih banyak potensi aplikasi karena kelarutannya dalam air yang meningkat. Telah ditemukan bahwa fullerol dapat mengurangi kardiotoksisitas beberapa obat serta menghambat protease HIV, virus hepatitis C, dan pertumbuhan sel yang abnormal. Selain itu, fullerol menunjukkan kemampuan penangkapan radikal bebas yang sangat baik terhadap spesies oksigen reaktif dan radikal dalam kondisi fisiologis.
- Energi: Baterai surya, sel bahan bakar, baterai sekunder.
- Industri: Material tahan aus, material penghambat nyala, pelumas, aditif polimer, membran berkinerja tinggi, katalis, intan buatan, paduan keras, fluida kental listrik, penyaring tinta, pelapis berkinerja tinggi, pelapis penghambat api, pembuatan material bioaktif, material memori, karakteristik molekuler tertanam dan karakteristik lainnya, material komposit, dan sebagainya.
- Industri informasi: Media perekaman semikonduktor, material magnetik, tinta cetak, toner, tinta, kertas untuk keperluan khusus.
- Komponen elektronik: Semikonduktor superkonduktor, dioda, transistor, induktor.
- Material optik, kamera elektronik, tabung tampilan fluoresensi, material optik nonlinier.
- Lingkungan: Adsorpsi gas, penyimpanan gas.