Tecnologia ad ultrasuoni Hielscher

Polidrossilato ad ultrasuoni C60 (Fullerenolo)

  • Il fullerene polidrossilato C60 fullerene solubile in acqua, chiamato fullerenolo o fullerolo, è un potente spazzino dei radicali liberi ed è quindi utilizzato come antiossidante negli integratori e nei prodotti farmaceutici.
  • L'idrossilazione ultrasonica è una reazione rapida e semplice in un'unica fase, che viene utilizzata per produrre C60 polidrossilato solubile in acqua.
  • Il C60 sintetizzato ad ultrasuoni solubile in acqua ha una qualità superiore ed è utilizzato per applicazioni farmaceutiche e ad alte prestazioni.

 

Sintesi ultrasonica in un solo passaggio di Polyhydrolxylated C60

La cavitazione ultrasonica è la tecnica superiore per produrre fullereni polidrossilati C60 di alta qualità, che sono solubili in acqua e possono quindi essere utilizzati in varie applicazioni in farmacia, medicina e industria. Afreen et al (2017) hanno sviluppato una sintesi ultrasonica rapida e semplice di C60 polidrossilato (noto anche come fullerenolo o fullerenolo). La reazione ultrasonica in un'unica fase utilizza H2O2 ed è esente dall'uso di reagenti idrossilanti supplementari, cioè NaOH, H2SO4e catalizzatori a trasferimento di fase (PTC), che causano impurità nel fullerenolo sintetizzato. Questo rende la sintesi ultrasonica di fullerenolo è un approccio più pulito per produrre fullerenolo; allo stesso tempo, è un modo più facile e veloce per produrre C60 di alta qualità, solubile in acqua.

Idrossilazione ultrasonica di C60 per produrre c60 (fullerenolo) solubile in acqua.

Possibili vie di reazione nella sintesi ultrasonica del fullerenolo in presenza di dil. H2O2 (30%).
fonte: Afreen et al. 2017

Sintesi ultrasonica di C60 solubile in acqua – Passo dopo passo

UP200St - potente processore ad ultrasuoni da 200WPer la preparazione rapida, semplice e verde del polidrossilato C60, che è solubile in acqua, 200 mg di puro C60 viene aggiunto a 20mL 30% H2O2 e sonicato con un processore ad ultrasuoni come il UP200Ht o UP200St. I parametri di sonicazione erano del 30% di ampiezza, 200 W in modalità pulsata per 1 ora a temperatura ambiente. Il recipiente di reazione viene posto in un bagno d'acqua refrigerato di circolazione per mantenere la temperatura all'interno del recipiente a temperatura ambiente. Prima della sonicazione, C60 è immiscibile in acqua H2O2 ed è una miscela eterogenea ed incolore, che dopo 30 minuti di ultrasuoni diventa marrone chiaro. Successivamente, nei successivi 30 minuti di ultrasuoni si trasforma in una dispersione completamente marrone scuro.
Donatore di idrossile: la cavitazione intensa generata ad ultrasuoni (= acustica) crea radicali come cOH, cOOH e cH da H2O e H2O2 molecole. L'uso di H2O2 in mezzi acquosi è un approccio più efficiente per introdurre gruppi -OH sulla gabbia C60 piuttosto che usare solo H2O per la sintesi di fullerenolo. H2O2 svolge un ruolo importante nell'intensificazione dell'idrossilazione ultrasonica.

Idrossilazione ultrasonica di C60 con dil. H2O2 (30%) è una reazione facile e veloce in una sola fase per preparare il fullerenolo. Richiedendo solo un breve tempo per la reazione, la reazione ad 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.

Processore ad ultrasuoni UP400St (400W) per applicazioni di omogeneizzazione, dispersione, emulsificazione e sono-chimica.

UP400St (400W, 24kHz) è un potente dispersore a ultrasuoni

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Percorso di polidrossilazione ad ultrasuoni

Quando intense onde ultrasoniche vengono accoppiate in un liquido, alternando cicli a bassa pressione e ad alta pressione si creano bolle di vuoto nel liquido. Le bolle sottovuoto crescono per diversi cicli fino a quando non possono assorbire più energia, in modo che crollano violentemente. Durante il collasso della bolla si verificano effetti fisici estremi come differenze di temperatura e pressione, 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) suppongono che la reazione può progredire in due vie contemporaneamente. radicali cOH come specie reattive dell'ossigeno (ROS) si attaccano alla gabbia C60 per dare fullerenolo (percorso I), e/o -OH e radicali cOOH attaccano i doppi legami C60 carenti di elettroni in una reazione nucleofila e questo porta alla formazione di 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 tramite una reazione SN2 si traduce in fullerene polidrossilato o fullerenolo.
Può verificarsi una ripetuta epossidazione che produce gruppi epossidici successivi, ad esempio, C60O2 e C60O3. Questi gruppi epossidici potrebbero essere possibili candidati a generare altri intermedi, ad esempio l'epossido di fullerene idrossilato durante la sonolisi (= decomposizione sono-chimica). Inoltre, la successiva apertura ad 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 quantità minima) non può passare inosservata. Tuttavia, poiché sono presenti solo in quantità minime nel fullerenolo, non si prevede che possano avere un impatto significativo. [Afreen et al 2017: 31936]

Ultrasuoni ad alte prestazioni

Hielscher Ultrasonics fornisce processori ad ultrasuoni per le vostre specifiche esigenze: Che si tratti di sonicare piccoli volumi su scala di laboratorio o di produrre flussi di grandi volumi su scala industriale, l'ampio portafoglio di processori ad ultrasuoni ad alte prestazioni di Hielscher offre la soluzione perfetta per la vostra applicazione. L'elevata potenza di uscita, la precisa regolazione e l'affidabilità dei nostri ultrasuoni fanno sì che le vostre esigenze di processo siano soddisfatte. I touch screen digitali e la registrazione automatica dei dati dei parametri ultrasonici su una scheda SD integrata rendono il funzionamento e il controllo dei nostri dispositivi a ultrasuoni molto facile da usare.
La robustezza delle apparecchiature ad ultrasuoni Hielscher consente un funzionamento 24/7 in ambienti gravosi e impegnativi.
La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasuoni:

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

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Hielscher Ultrasonics produce ultrasuoni ad alte prestazioni per applicazioni geochimiche.

Processori ad ultrasuoni ad alta potenza da laboratorio a scala pilota e industriale.

Letteratura/riferimenti

  • Sadia Afreen, Kasturi Muthoosamy, Sivakumar Manickam (2018): Chimica sono-nano: Una nuova era di sintesi di nanomateriali al carbonio polidrossilati con gruppi ossidrilici e i loro aspetti industriali. Ultrasonics Sonochemistry 2018.
  • Sadia Afreen, Kasturi Muthoosamy, Sivakumar Manickam (2017): idratazione o idrossilazione: sintesi diretta di fullerenolo da fullerenolo puro [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): Particolarità degli effetti antiossidanti e radioprotettivi delle nanostuctures fullerene idrato C60 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 isotermica della polidrossilazione del fullerene. Scienza della sinterizzazione 2016, 48(2):259-272.
  • Hirotaka Yoshioka, Naoko Yui, Kanaka Yatabe, Hiroto Fujiya, Haruki Musha, Hisateru Niki, Rie Karasawa, Kazuo Yudoh (2016): I Fullereni polidrossilati C60 prevengono l'attività catabolica dei condrociti a concentrazioni nanomolari nell'osteoartrite. Journal of Osteoarthritis 2016, 1:115.


Particolarità / Cose da sapere

C60 Fullerenes

Un fullerene C60 (noto anche come buckyball o Buckminster fullerene) è una molecola costruita da 60 atomi di carbonio, disposti come 12 pentagoni e 20 esagoni. La forma di una molecola C60 assomiglia ad un pallone da calcio. I fullereni C60 sono un antiossidante non tossico che mostra una potenza 100-1000 superiore alla vitamina E. Sebbene il C60 stesso non sia solubile in acqua, sono stati sintetizzati molti derivati del fullerene altamente solubili in acqua come il fullenerolo.
C60 fullerens sono utilizzati come antiossidante e come biofarmaceutico. Altre applicazioni includono la scienza dei materiali, il fotovoltaico organico (OPV), i catalizzatori, la purificazione dell'acqua e la protezione dai rischi biologici, l'alimentazione portatile, i veicoli e i dispositivi medici.

Solubilità di puro C60:

  • in acqua: non solubile
  • in dimetil solfossido (DMSO): non solubile
  • in toluene: solubile
  • in benzene: solubile
Struttura superficiale di c60 fullerenes (Buckminster fullerenes, buckyballs)

Struttura superficiale di C60 fullerenes
fonte: Yoshioka et al. 2016

Polidrossilato C60 / Fulleneroli

Il fullerolo o fulleroli sono molecole C60 polidrossilate (fullerene C60 idratato: C60HyFn). The hydrolylation reaction introduces hydroxyl groups (-OH) to the C60 molecule. C60 molecules with over 40 hydroxyl groups have a higher water solubility (>50 mg/mL). These exist as monodisperse nanoparticles in water, and have a valiant polishing effect. They exhibit superior antioxidant and anti-inflammatory properties. Polyhydroxylated fullerenes (fullerenols; C60(OH)n) can be dissolved in some alcohols and then precipiteated in an electrochemical process, creating a nanocarbon film on the anode. Fullerenol films are used as a biocompatible coating, inert to biological objects and can facilitate the integration of non-biological objects into body tissues.
Solubilità di Fullenerol:

  • in water: soluble, can reach >50 mg/mL
  • in dimetil solfossido (DMSO): solubile
  • in metanolo: leggermente solubile
  • in toluene: non solubile
  • in benzene: non solubile

Colore: Fullerenolo che porta più di 10 -OH gruppi mostrano un colore marrone scuro. Con un numero crescente di gruppi -OH, il colore passa gradualmente dal marrone scuro al giallo.

Il C60 polidrossilato idrosolubile in acqua può essere sintetizzato con gli ultrasuoni.

Solubilità di solubilità di C60(OH)8.2H2O rispetto a C60 in diversi solventi. fonte: Afreen et al. 2017

Applicazioni e utilizzo dei fullerenoli:

  1. Farmaceutico: Reagenti diagnostici, super farmaci, cosmetici, cosmetici, risonanza magnetica nucleare (NMR) con lo sviluppatore. Affinità del DNA, farmaci anti-HIV, farmaci antitumorali, farmaci chemioterapici, additivi cosmetici e ricerca scientifica. Rispetto alla forma originaria, i fullereni polidrossilati hanno maggiori potenzialità di applicazione grazie alla loro maggiore solubilità in acqua. È stato trovato che i fulleroli possono ridurre la cardiotossicità di alcuni farmaci e inibire la proteasi dell'HIV, il virus dell'epatite C e la crescita anormale delle cellule. Inoltre, hanno dimostrato eccellenti capacità di scavenging dei radicali liberi contro le specie reattive dell'ossigeno e i radicali in condizioni fisiologiche.
  2. Energia: Batteria solare, cella a combustibile, batteria secondaria.
  3. Industria: Materiale resistente all'usura, materiali ignifughi, lubrificanti, additivi polimerici, membrana ad alte prestazioni, catalizzatore, diamante artificiale, lega dura, fluido viscoso elettrico, filtri dell'inchiostro, rivestimenti ad alte prestazioni, rivestimenti ignifughi, produzione di materiali bioattivi, materiali di memoria, materiali molecolari incorporati e altre caratteristiche, materiali compositi, ecc.
  4. Industria dell'informazione: Mezzo di registrazione a semiconduttore, materiali magnetici, inchiostro da stampa, toner, inchiostro, inchiostro, carta per usi speciali.
  5. Parti elettroniche: Semiconduttori superconduttori, diodi, transistor, induttori.
  6. Materiali ottici, macchina fotografica elettronica, tubo di visualizzazione a fluorescenza, materiali ottici non lineari.
  7. Ambiente Adsorbimento del gas, stoccaggio del gas.