超音波による多水酸基化C60（フラーレノール）
- フラーレノールまたはフラーロールと呼ばれる水溶性の多水酸基化C60フラーレンは、強力なフリーラジカル捕捉剤であり、そのためサプリメントや医薬品の抗酸化剤として使用されています。
- 超音波水酸基化は、迅速で簡単な一段階反応であり、水溶性の多水酸基化C60の製造に使用されます。
- 超音波で合成された水溶性C60は優れた品質を備え、医薬品用途や高性能が求められる用途に使用されます。
超音波による多水酸基化C60の一段階合成
超音波キャビテーションは、高品質の多水酸基化C60フラーレンを製造するための、より優れた技術です。このフラーレンは水溶性であるため、製薬、医療、産業のさまざまな用途に使用できます。Afreen et al (2017) は、汚染物質を含まない多水酸基化C60（フラーレノールまたはフラーロールとも呼ばれます）の迅速で簡単な超音波合成法を開発しました。この超音波による一段階反応ではH2O2を使用し、合成されたフラーレノール中に不純物を生じさせる追加の水酸基化試薬、すなわちNaOH、H2SO4、および相間移動触媒（PTC）を使用しません。このため、超音波によるフラーレノール合成は、フラーレノールを製造するためのよりクリーンな手法となります。同時に、高品質で水溶性のC60を製造するための、より簡単で迅速な方法でもあります。
希釈H2O2（30%）存在下での超音波支援フラーレノール合成で考えられる反応経路。
出典：Afreen et al. 2017
水溶性C60の超音波合成 – 手順
水溶性の多水酸基化C60を迅速かつ簡単に、環境に配慮して調製するため、純粋なC60を200 mg、30% H2O2を20mL用いた溶液に添加し、超音波処理装置のモデル UP200Ht または UP200Stを使用して超音波処理します。超音波処理条件は、振幅30%、200 Wのパルスモードで、室温にて1 hでした。容器内の温度を周囲温度に維持するため、反応容器を冷却循環式恒温水槽に入れます。超音波処理前のC60はH2O2水溶液と混和せず、無色の不均一混合物となっていますが、30 minの超音波処理後には薄茶色に変わります。その後、さらに30 minの超音波処理で、完全に暗褐色の分散液になります。
水酸基供与体：超音波によって生成される強力な（＝音響）キャビテーションは、H2OおよびH2O2分子からcOH、cOOH、cHなどのラジカルを生成します。水性媒体中でH2O2を使用することは、フラーレノールの合成にH2Oだけを使用する場合よりも、C60ケージに–OH基を導入するための効率的な手法です。H2O2は、超音波水酸基化の促進に重要な役割を果たします。
希釈H2O2（30%）を用いたC60の超音波水酸基化は、フラーレノールを調製するための容易で迅速な一段階反応です。超音波反応は短い反応時間のみを必要とし、必要なエネルギーが少なく、環境に配慮したクリーンな手法を提供します。合成に有毒または腐食性の試薬を一切使用せず、分離・精製に必要な溶媒の種類も削減できます。分離・精製の対象はC60(OH)8∙2H2Oです。
UP400St (400W, 24kHz) は強力な超音波分散装置です
超音波による多水酸基化の反応経路
強力な超音波を液体に結合させると、低圧と高圧の交互のサイクルによって液体中に真空気泡が生じます。真空気泡は数サイクルにわたって成長し、それ以上エネルギーを吸収できなくなると激しく崩壊します。気泡の崩壊時の極端な物理的作用は、高温、圧力差、衝撃波、マイクロジェット、乱流、せん断力などです。この現象は超音波キャビテーションまたは 音響キャビテーションと呼ばれます。超音波キャビテーションによるこれらの強力な力は、分子をcOHおよびcOOH55ラジカルに分解します。
Afreen et al. (2017) は、反応が二つの経路で同時に進行する可能性があると考えています。活性酸素種（ROS）であるcOHラジカルがC60ケージに結合してフラーレノールを生成する経路（経路I）、および／または–OHおよびcOOHラジカルが求核反応によって電子不足のC60二重結合を攻撃する経路があり、後者ではフラーレンエポキシド [C60On] が最初の段階の中間体として形成されます（経路II）。これはBingel反応の機構に類似しています。さらに、SN2反応を介してcOH（またはcOOH）がC60Oを繰り返し攻撃することで、多水酸基化フラーレン、すなわちフラーレノールが生成します。
エポキシ化が繰り返し起こり、C60O2やC60O3などのエポキシ基が順次生成される可能性があります。これらのエポキシ基は、超音波分解（＝音響化学的分解）中に、水酸基化フラーレンエポキシドなどの他の中間体を生成する候補となる可能性があります。また、その後にcOHによってC60(OH)xOyが開環することで、フラーレノールが形成される可能性があります。C60存在下でのH2O2またはH2Oの超音波分解中にこれらの中間体が形成されることは不可避であり、最終的なフラーレノール中に存在することは、微量であっても見過ごせません。ただし、フラーレノール中には微量しか存在しないため、大きな影響を及ぼすことはないと予想されます。 [Afreen et al., 2017]
フラーレン分散用の高性能超音波処理装置
Hielscher Ultrasonicsは、お客様の具体的な要件に対応するプローブ型超音波処理装置を提供しています。実験室規模で少量を超音波処理する場合でも、産業規模で大容量の連続流を生産する場合でも、Hielscherの高性能超音波処理装置の製品群は、フラーレンの分散に最適なソリューションを提供します。当社の超音波処理装置は、高い出力、精密な調整機能、信頼性によって、お客様のプロセス要件を確実に満たします。デジタルタッチスクリーンと、内蔵SDカードへの超音波パラメーターの自動記録により、当社の超音波装置は非常に操作・制御しやすくなっています。
Hielscherの超音波装置は堅牢であり、高負荷かつ厳しい環境での24/7運転が可能です。
以下の表は、当社の超音波処理装置のおおよその処理能力の目安を示しています。
| バッチ容量 | 流量 | 推奨装置 |
|---|---|---|
| 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. | より大きい流量 | 複数台で構成される装置群： UIP16000 |
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実験室からパイロット規模、産業規模まで対応する高出力超音波処理装置。
文献／参考文献
- Sadia Afreen, Kasturi Muthoosamy, Sivakumar Manickam (2018): ソノ・ナノ化学：水酸基を持つ多水酸基化炭素ナノ材料の合成の新時代と、その産業的側面。Ultrasonics Sonochemistry 2018.
- Sadia Afreen, Kasturi Muthoosamy, Sivakumar Manickam (2017): 水和か水酸基化か：未修飾フラーレン [C60] からの、過酸化水素存在下での音響キャビテーションによるフラーレノールの直接合成。RSC Adv., 2017, 7, 31,930–31,939.
- Grigory V. Andrievsky, Vadim I. Bruskov, Artem A. Tykhomyrov, Sergey V. Gudkov (2009): in vitroおよびin vivoにおける水和C60フラーレンナノ構造の抗酸化作用および放射線防護作用の特徴。Free Radical Biology & Medicine 47, 2009. 786–793.
- Mihajlo Gigov, Borivoj Adnađević, Borivoj Adnađević, Jelena D. Jovanovic (2016): フラーレンの多水酸基化の等温反応速度論に及ぼす超音波場の影響。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): 多水酸基化C60フラーレンは、変形性関節症においてナノモル濃度で軟骨細胞の異化活性を抑制する。Journal of Osteoarthritis 2016, 1:115.
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知っておきたい知識
C60フラーレン
C60フラーレン（バッキーボールまたはバックミンスターフラーレンとも呼ばれます）は、12個の五角形と20個の六角形を形成するように配置された60個の炭素原子からなる分子です。C60分子の形状はサッカーボールに似ています。C60フラーレンは、ビタミンEより100–1000高い効力を示す無毒の抗酸化剤です。C60自体は水溶性ではありませんが、フラーレノールなど、水に非常によく溶けるフラーレン誘導体が多数合成されています。
C60フラーレンは、抗酸化剤およびバイオ医薬品として使用されています。その他の用途には、材料科学、有機太陽電池（OPV）、触媒、水の浄化および生物学的危険からの保護、携帯用電源、車両、医療機器が含まれます。
純粋なC60の溶解性：
- 水中：不溶
- ジメチルスルホキシド（DMSO）中：不溶
- トルエン中：可溶
- ベンゼン中：可溶
C60フラーレンの表面構造
出典：Yoshioka et al. 2016
多水酸基化C60／フラーレノール
フラーレノールまたはフラーロールは、多水酸基化C60分子です（水和C60フラーレン：C60HyFn）。ハイドロリレーション反応によって、C60分子に水酸基（-OH）が導入されます。40個を超える水酸基を持つC60分子は、より高い水溶解度（>50 mg/mL）を示します。これらは水中で単分散ナノ粒子として存在し、「勇敢な」研磨効果を持ちます。優れた抗酸化特性および抗炎症特性を示します。多水酸基化フラーレン（フラーレノール；C60(OH)n）は、一部のアルコールに溶解した後、電気化学プロセスで析出させることができ、陽極上にナノカーボン膜を形成します。フラーレノール膜は、生物学的対象に対して不活性な生体適合性コーティングとして使用され、非生物学的対象の身体組織への一体化を促進することができます。
フラーレノールの溶解性：
- 水中：可溶、>50 mg/mLに達することがあります
- ジメチルスルホキシド（DMSO）中：可溶
- メタノール中：わずかに可溶
- トルエン中：不溶
- ベンゼン中：不溶
色： 10個を超える–OH基を持つフラーレノールは暗褐色を示します。–OH基の数が増加するにつれて、色は暗褐色から黄色へ徐々に変化します。
各種溶媒中におけるC60と比較したC60(OH)8.2H2Oの溶解性の溶解性。出典：Afreen et al. 2017
フラーレノールの用途と使用：
- 医薬品：診断用試薬、「スーパー医薬品」、化粧品、「開発者とともに行う」核磁気共鳴（NMR）。DNA親和性、抗HIV薬、抗がん剤、化学療法薬、化粧品添加剤、科学研究。多水酸基化フラーレンは、未修飾の形態と比較して水溶性が向上しているため、より多くの用途に利用できる可能性があります。フラーロールは、一部の薬剤の心毒性を低減し、HIVプロテアーゼ、C型肝炎ウイルス、および細胞の異常増殖を阻害できることが明らかになっています。さらに、生理的条件下で、活性酸素種およびラジカルに対して優れたフリーラジカル捕捉能力を示しました。
- エネルギー：太陽電池、燃料電池、二次電池。
- 産業：耐摩耗材料、難燃材料、潤滑剤、ポリマー添加剤、高性能膜、触媒、人工ダイヤモンド、硬質合金、「電気的に粘性を持つ流体」、インクフィルター、高性能コーティング、防火コーティング、生物活性材料の製造、記憶材料、「埋め込まれた分子およびその他の特性」、複合材料など。
- 情報産業：半導体記録媒体、磁性材料、印刷インク、トナー、インク、特殊用途の紙。
- 電子部品：超伝導半導体、ダイオード、トランジスタ、インダクタ。
- 光学材料、電子カメラ、蛍光表示管、非線形光学材料。
- 環境：ガス吸着、ガス貯蔵。