C60 polidrossilato a ultrasuoni (fullerenolo)
- Il fullerene C60 polidrossilato solubile in acqua, chiamato fullerenolo o fullerolo, è un forte scavenger di radicali liberi ed è quindi utilizzato come antiossidante in integratori e prodotti farmaceutici.
- L'idrossilazione a ultrasuoni è una reazione rapida e semplice in un unico passaggio, utilizzata per produrre C60 polidrossilato solubile in acqua.
- Il C60 solubile in acqua sintetizzato a ultrasuoni ha una qualità superiore e viene utilizzato per applicazioni farmaceutiche e ad alte prestazioni.
Sintesi one-step a ultrasuoni di C60 poliidrossilato
La cavitazione ultrasonica è una tecnica superiore per produrre fullereni C60 polidrossilati di alta qualità, che sono solubili in acqua e possono quindi essere utilizzati in varie applicazioni in campo farmaceutico, medico e industriale. Afreen et al (2017) hanno sviluppato una sintesi a ultrasuoni rapida e semplice di C60 poliidrossilato (noto anche come fullerenolo o fullerolo) privo di contaminazione. La reazione a ultrasuoni in un unico passaggio utilizza H2O2 e non prevede l'uso di ulteriori reagenti idrossilanti, come NaOH, H2SO4 e catalizzatori a trasferimento di fase (PTC), che causano impurità nel fullerenolo sintetizzato. Questo rende la sintesi del fullerenolo a ultrasuoni un approccio più pulito alla produzione di fullerenolo e, allo stesso tempo, un modo più semplice e veloce per produrre C60 di alta qualità e solubile in acqua.
Possibili percorsi di reazione nella sintesi assistita da ultrasuoni del fullerenolo in presenza di H2O2 diluito (30%). H2O2 (30%).
fonte: Afreen et al. 2017
Sintesi a ultrasuoni di C60 idrosolubile – passo dopo passo
Per la preparazione rapida, semplice ed ecologica del C60 polidrossilato, che è solubile in acqua, 200 mg di C60 puro vengono aggiunti a 20 mL di H2O2 al 30% e sonicati con i modelli del sonicatore. UP200Ht o UP200St. I parametri di sonicazione sono stati 30% di ampiezza, 200 W in modalità pulsata per 1 ora a temperatura ambiente. Il recipiente di reazione è stato posto in un bagno d'acqua con circolatore refrigerato per mantenere la temperatura interna del recipiente a temperatura ambiente. Prima della sonicazione, il C60 è immiscibile in H2O2 acquoso ed è una miscela eterogenea incolore, che diventa di colore marrone chiaro dopo 30 minuti di ultrasuoni. Successivamente, nei 30 minuti successivi di ultrasuoni si trasforma in una dispersione completamente marrone scuro.
Donatore di idrossili: l'intensa cavitazione generata dagli ultrasuoni (= acustica) crea radicali come cOH, cOOH e cH da molecole di H2O e H2O2. L'uso di H2O2 in mezzi acquosi è un approccio più efficiente per introdurre gruppi -OH nella gabbia del C60 piuttosto che utilizzare solo H2O per la sintesi del fullerenolo. L'H2O2 svolge un ruolo importante nell'intensificazione dell'idrossilazione a ultrasuoni.
L'idrossilazione a ultrasuoni del C60 con H2O2 diluita (30%) è una reazione facile e veloce in un solo passaggio per preparare il fullerenolo. H2O2 (30%) è una reazione facile e veloce in un unico passaggio per preparare il fullerenolo. Richiedendo solo un breve tempo per la reazione, la reazione a ultrasuoni offre un approccio verde e pulito con un basso fabbisogno energetico, evitando l'uso di reagenti tossici o corrosivi per la sintesi e riducendo il numero di solventi necessari per la separazione e la purificazione di C60(OH).8∙2H2O.
UP400St (400W, 24kHz) è un potente dispersore a ultrasuoni
Percorso di polidrossilazione a ultrasuoni
Quando onde ultrasonore intense vengono accoppiate a un liquido, cicli alternati di bassa pressione/alta pressione creano bolle di vuoto nel liquido. Le bolle di vuoto crescono per diversi cicli fino a quando non possono più assorbire energia e collassano violentemente. Durante il collasso delle bolle si verificano effetti fisici estremi, come differenziali di temperatura e pressione elevati, onde d'urto, microgetti, turbolenze, forze di taglio, ecc. Questo fenomeno è noto come ultrasuoni o cavitazione acusticaQueste intense forze di cavitazione ultrasonica decompongono le molecole in radicali cOH e cOOH55.
Afreen et al. (2017) ipotizzano che la reazione possa avvenire in due percorsi simultaneamente. I radicali cOH come specie reattive dell'ossigeno (ROS) si attaccano alla gabbia del C60 per dare il fullerenolo (percorso I), e/o i radicali -OH e cOOH attaccano i doppi legami del C60 carenti di elettroni in una reazione nucleofila e questo porta alla formazione dell'epossido di fullerene [C60On] come intermedio nel primo stadio (percorso II) che è simile al meccanismo della reazione di Bingel. Inoltre, l'attacco ripetuto di cOH (o cOOH) su C60O attraverso una reazione SN2 porta alla formazione di fullerene polidrossilato o fullerenolo.
L'epossidazione ripetuta può avvenire producendo gruppi epossidici successivi, ad esempio C60O2 e C60O3. Questi gruppi epossidici potrebbero essere candidati a generare altri intermedi, come ad esempio l'epossido di fullerene idrossilato durante la sonolisi (= decomposizione sonica). Inoltre, la successiva apertura dell'anello di C60(OH)xOy con cOH può portare alla formazione di fullerenolo. La formazione di questi intermedi durante la sonolisi di H2O2 o H2O in presenza di C60 è inevitabile e la loro presenza nel fullerenolo finale (anche se in tracce) non può passare inosservata. Tuttavia, poiché sono presenti solo in tracce nel fullerenolo, non si prevede che causino un impatto significativo. [Afreen et al., 2017]
Sonicatori ad alte prestazioni per la dispersione del fullerene
Hielscher Ultrasonics fornisce sonicatori a sonda per le vostre esigenze specifiche: Sia che vogliate sonicare piccoli volumi su scala di laboratorio o produrre flussi di grandi volumi su scala industriale, la gamma Hielscher di sonicatori ad alte prestazioni offre la soluzione perfetta per la dispersione di fullerene. L'elevata potenza di uscita, la precisione di regolazione e l'affidabilità dei nostri ultrasuonatori garantiscono la soddisfazione dei requisiti di processo. I touch screen digitali e la registrazione automatica dei parametri ultrasonici su una scheda SD integrata rendono il funzionamento e il controllo dei nostri dispositivi a ultrasuoni molto semplice.
La robustezza delle apparecchiature a ultrasuoni Hielscher consente di operare 24 ore su 24, 7 giorni su 7, in condizioni di lavoro gravose e in ambienti difficili.
La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasonori:
| Volume di batch | Portata | Dispositivi raccomandati |
|---|---|---|
| 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. | più grande | cluster di UIP16000 |
Contattateci! / Chiedi a noi!
Processori a ultrasuoni ad alta potenza, dal laboratorio alla scala pilota e industriale.
Letteratura/riferimenti
- Sadia Afreen, Kasturi Muthoosamy, Sivakumar Manickam (2018): Sono-nano chimica: 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): Idratazione o idrossilazione: sintesi diretta di fullerenolo da fullerene incontaminato [C60] tramite cavitazione acustica in presenza di perossido di idrogeno. RSC Adv., 2017, 7, 31930-31939.
- Grigory V. Andrievsky, Vadim I. Bruskov, Artem A. Tykhomyrov, Sergey V. Gudkov (2009): Peculiarità degli effetti antiossidanti e radioprotettivi delle nanostrutture di fullerene C60 idrato in vitro e in vivo. Biologia dei radicali liberi & Medicina 47, 2009. 786-793.
- Mihajlo Gigov, Borivoj Adnađević, Borivoj Adnađević, Jelena D. Jovanovic (2016): Effetto del campo ultrasonico sulla cinetica isoterma della polidrossilazione del fullerene. 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): I fullereni C60 polidrossilati prevengono l'attività catabolica dei condrociti a concentrazioni nanomolari nell'osteoartrite. Journal of Osteoarthritis 2016, 1:115.
[/toggle]
Particolarità / Cose da sapere
Fullereni C60
Il fullerene C60 (noto anche come buckyball o fullerene Buckminster) è una molecola composta da 60 atomi di carbonio, disposti in 12 pentagoni e 20 esagoni. La forma di una molecola di C60 assomiglia a un pallone da calcio. I fullereni C60 sono un antiossidante non tossico con un'efficacia superiore di 100-1000 rispetto alla vitamina E. Sebbene il C60 stesso non sia solubile in acqua, sono stati sintetizzati molti derivati dei fullereni altamente solubili in acqua, come il fullenerolo.
I fullereni C60 sono utilizzati come antiossidanti e come biofarmaci. Altre applicazioni includono la scienza dei materiali, il fotovoltaico organico (OPV), i catalizzatori, la purificazione dell'acqua e la protezione dai rischi biologici, l'energia portatile, i veicoli e i dispositivi medici.
Solubilità del C60 puro:
- in acqua: non solubile
- in dimetilsolfossido (DMSO): non solubile
- in toluene: solubile
- in benzene: solubile
Struttura superficiale dei fullereni C60
fonte: Yoshioka et al. 2016
C60 polidrossilato / Fulleneroli
Il fullernerolo o fulleroli sono molecole di C60 polidrossilate (fullerene C60 idratato: C60HyFn). La reazione di idrolizzazione introduce gruppi ossidrilici (-OH) nella molecola di C60. Le molecole di C60 con oltre 40 gruppi idrossilici hanno una maggiore solubilità in acqua (>50 mg/mL). Esistono come nanoparticelle monodisperse in acqua e hanno un valido effetto lucidante. Presentano proprietà antiossidanti e antinfiammatorie superiori. I fullereni polidrossilati (fullerenoli; C60(OH)n) possono essere disciolti in alcuni alcoli e poi precipitati in un processo elettrochimico, creando un film di nanocarbonio sull'anodo. Le pellicole di fullerenolo sono utilizzate come rivestimento biocompatibile, inerte agli oggetti biologici e in grado di facilitare l'integrazione di oggetti non biologici nei tessuti del corpo.
Solubilità del Fullenerol:
- in acqua: solubile, può raggiungere >50 mg/mL
- in dimetilsolfossido (DMSO): solubile
- in metanolo: leggermente solubile
- in toluene: non solubile
- in benzene: non solubile
Colore: Il fullerenolo con più di 10 gruppi -OH presenta un colore marrone scuro. Con l'aumentare del numero di gruppi -OH, il colore passa gradualmente dal marrone scuro al giallo.
Solubilità di C60(OH)8.2H2O rispetto a C60 in diversi solventi. fonte: Afreen et al. 2017
Applicazioni e uso dei fullerenoli:
- Farmaceutico: Reagenti diagnostici, superfarmaci, cosmetici, risonanza magnetica nucleare (NMR) con lo sviluppatore. Affinità con il DNA, farmaci anti-HIV, farmaci antitumorali, farmaci chemioterapici, additivi per cosmetici e ricerca scientifica. Rispetto alla forma incontaminata, i fullereni polidrossilati hanno maggiori potenzialità applicative grazie alla loro maggiore solubilità in acqua. È stato scoperto che i fulleroli possono ridurre la cardiotossicità di alcuni farmaci e inibire l'HIV-proteasi, il virus dell'epatite C e la crescita anomala delle cellule. Inoltre, hanno mostrato eccellenti capacità di scavenging dei radicali liberi contro le specie reattive dell'ossigeno e i radicali in condizioni fisiologiche.
- Energia: Batteria solare, cella a combustibile, batteria secondaria.
- Industria: Materiale resistente all'usura, materiali ignifughi, lubrificanti, additivi polimerici, membrana ad alte prestazioni, catalizzatore, diamante artificiale, lega dura, fluido viscoso elettrico, filtri per inchiostro, rivestimenti ad alte prestazioni, rivestimenti ignifughi, produzione di materiali bioattivi, materiali per la memoria, molecolari incorporati e altre caratteristiche, materiali compositi ecc.
- Industria dell'informazione: Supporti di registrazione a semiconduttore, materiali magnetici, inchiostro da stampa, toner, inchiostro, carta per usi speciali.
- Parti elettroniche: Semiconduttori superconduttori, diodi, transistor, induttori.
- Materiali ottici, telecamera elettronica, tubo di visualizzazione a fluorescenza, materiali ottici non lineari.
- Ambiente: Adsorbimento di gas, stoccaggio di gas.