초음파 Polyhydroxylated C60 (Fullerenol)
- 풀레레놀 또는 풀러롤이라고 하는 수용성 폴리하이드록실화 C60 풀러렌은 강력한 활성산소 제거제이므로 보충제 및 의약품의 항산화제로 사용됩니다.
- 초음파 수산화는 빠르고 간단한 원스텝 반응으로 수용성 폴리수산화 C60을 생성하는 데 사용됩니다.
- 초음파 합성 수용성 C60은 품질이 우수하며 제약 및 고성능 응용 분야에 사용됩니다.
Polyhydrolxylated C60의 초음파 원스텝 합성
초음파 캐비테이션은 수용성이므로 제약, 의학 및 산업의 다양한 응용 분야에서 사용할 수 있는 고품질 폴리하이드록실화 C60 풀러렌을 생산하는 우수한 기술입니다. Afreen et al (2017)은 오염되지 않은 폴리 하이드 록실 화 C60 (풀레레놀 또는 풀레롤이라고도 함)의 빠르고 간단한 초음파 합성을 개발했습니다. 초음파 원스텝 반응은 H2O2를 사용하며 합성된 풀러레놀에 불순물을 유발하는 추가 하이드록실화 시약, 즉 NaOH, H2SO4 및 위상 전달 촉매(PTC)를 사용하지 않습니다. 이것은 초음파 fullerenol 종합을 fullerenol를 생성하는 더 청결한 접근입니다 만듭니다; 동시에 고품질의 수용성 C60을 더 쉽고 빠르게 생산할 수 있는 방법입니다.
dil. H2O2 (30 %)의 존재 하에서 fullerenol의 초음파 보조 합성에서 가능한 반응 경로.
출처: Afreen et al. 2017
수용성 C60의 초음파 합성 – 단계별 안내
수용성인 폴리하이드록실화 C60의 빠르고 간단하며 친환경적인 준비를 위해 200mg의 순수 C60을 20mL 30% H2O2에 첨가하고 초음파 발생기 모델로 초음파 처리합니다 UP200HT 또는 UP200세인트. 초음파 처리 매개 변수는 30 % 진폭, 실온에서 1 시간 동안 펄스 모드에서 200W였습니다. 반응 용기는 용기 내부의 온도를 주변 온도로 유지하기 위해 냉장 순환 수조에 배치됩니다. 초음파 처리 전에, C60은 수성 H2O2에서 혼합 할 수 없으며 무색의 이질적인 혼합물로, 초음파 처리 30 분 후에 밝은 갈색으로 변합니다. 그 후, 다음 30 분의 초음파에서 완전히 짙은 갈색 분산으로 바뀝니다.
하이드록실 공여체: 강렬한 초음파로 생성된(= 음향) 캐비테이션은 H2O 및 H2O2 분자에서 cOH, cOOH 및 cH와 같은 라디칼을 생성합니다. 수성 매체에서 H2O2를 사용하는 것은 풀러레놀 합성을 위해서만 H2O를 사용하는 것보다 -OH 그룹을 C60 케이지에 도입하는 보다 효율적인 접근 방식입니다. H2O2는 초음파 수산화 강화에 중요한 역할을 합니다.
dil을 사용한 C60의 초음파 수산화. H2O2 (30 %)는 풀러레놀을 제조하는 쉽고 빠른 원스텝 반응입니다. 반응에 짧은 시간 만 필요한 초음파 반응은 낮은 에너지 요구량으로 친환경적이고 깨끗한 접근 방식을 제공하여 합성을위한 독성 또는 부식성 시약의 사용을 피하고 C60 (OH)의 분리 및 정제에 필요한 용매 수를 줄입니다8∙2H2O.
UP400St(400W, 24kHz) 강력한 초음파 분산기는 다음과 같습니다.
초음파 폴리하이드록실화(Ultrasonic Polyhydroxylation) 경로
강렬한 초음파가 액체에 결합되면 저압/고압 사이클이 번갈아 가며 액체에 진공 기포를 생성합니다. 진공 기포는 더 많은 에너지를 흡수할 수 없을 때까지 여러 주기에 걸쳐 성장하여 격렬하게 붕괴됩니다. 버블 붕괴 중에는 고온 및 압력 차이, 충격파, 마이크로 제트, 난기류, 전단력 등과 같은 극한의 물리적 효과가 발생합니다. 이 현상은 초음파 또는 음향 캐비테이션. 이러한 초음파 캐비테이션의 강렬한 힘은 분자를 cOH 및 cOOH55 라디칼로 분해합니다.
Afreen et al. (2017)은 반응이 두 가지 경로에서 동시에 진행될 수 있다고 가정합니다. 활성산소종(ROS)으로서의 cOH 라디칼은 C60 케이지에 부착하여 풀레놀(Path I)을 생성하고/또는 -OH 및 cOOH 라디칼은 친핵성 반응에서 전자 결핍 C60 이중 결합을 공격하며, 이는 빙겔 반응의 메커니즘과 유사한 첫 번째 단계(Path II)에서 중간체로 풀러렌 에폭사이드[C60On]를 형성합니다. 또한, SN2 반응을 통해 C60O에 대한 cOH(또는 cOOH)의 반복적인 공격은 폴리하이드록실화 풀러렌 또는 풀러레놀을 초래합니다.
반복적인 에폭시화가 발생하여 연속적인 에폭사이드기(예: C60O2 및 C60O3)를 생성할 수 있습니다. 이러한 에폭사이드기는 초음파 분해(= 초음파 화학적 분해) 동안 다른 중간체(예: 수산화된 풀러렌 에폭사이드)를 생성할 수 있는 가능한 후보가 될 수 있습니다. 게다가, cOH를 가진 C60 (OH) xOy의 연속적인 고리 오프닝은 fullerenol의 대형을 초래할 수 있습니다. C60의 존재 하에서 H2O2 또는 H2O의 초음파 분해 중 이러한 중간체의 형성은 불가피하며, 최종 풀레레놀에서의 존재 (미량이지만)는 주목되지 않을 수 없습니다. 그러나, 그들은 fullerenol에 있는 미량에서서만 출석하기 때문에 어떤 중대한 충격든지 일으키는 원인이 되는 것이 예상되지 않습니다. [Afreen 외, 2017]
풀러렌 분산을 위한 고성능 초음파 발생기
Hielscher 초음파는 특정 요구 사항에 맞는 프로브 형 초음파를 공급합니다 : 실험실 규모로 소량을 초음파 처리하거나 산업 규모로 대량의 스트림을 생성하려는 경우 Hielscher 고성능 초음파 발생기 포트폴리오는 풀러렌 분산을위한 완벽한 솔루션을 제공합니다. 초음파기의 높은 전력 출력, 정확한 조정 가능성 및 신뢰성은 공정 요구 사항이 충족되도록합니다. 디지털 터치 스크린과 통합 SD 카드에 초음파 매개 변수의 자동 데이터 기록은 초음파 장치의 작동 및 제어를 매우 사용자 친화적으로 만듭니다.
Hielscher 초음파 장비의 견고 함은 중장비 및 까다로운 환경에서 24/7 작동을 허용합니다.
아래 표는 초음파기의 대략적인 처리 용량을 나타냅니다.
| 배치 볼륨(Batch Volume) | 유량 | 권장 장치 |
|---|---|---|
| 1 내지 500mL | 10 내지 200mL/분 | 업100H |
| 10 내지 2000mL | 20 내지 400mL/분 | UP200HT, UP400ST |
| 0.1 내지 20L | 0.2 내지 4L/min | UIP2000hdT 님 |
| 10에서 100L | 2 내지 10L/min | UIP4000hdt 님 |
| N.A. 개시 | 10 내지 100L/min | UIP16000 |
| N.A. 개시 | 큰 | 의 클러스터 UIP16000 |
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문헌/참고문헌
- Sadia Afreen, Kasturi Muthoosamy, Sivakumar Manickam (2018) : 소노 나노 화학 : 수산기 및 그 산업 측면과 함께 폴리 수산화 탄소 나노 물질을 합성하는 새로운 시대. 초음파 Sonochemistry 2018.
- Sadia Afreen, Kasturi Muthoosamy, Sivakumar Manickam (2017) : 수화 또는 수산화 화 : 과산화수소의 존재 하에서 음향 캐비테이션을 통해 자연 그대로의 풀러렌 [C60]에서 풀러놀을 직접 합성합니다. RSC Adv., 2017, 7, 31930–31939.
- Grigory V. Andrievsky, Vadim I. Bruskov, Artem A. Tykhomyrov, Sergey V. Gudkov (2009) : 시험관 내 및 생체 내에서 수화 된 C60 풀러렌 나노 구조의 항산화 및 방사선 보호 효과의 특성. 자유 라디칼 생물학 & 의학 47, 2009. 786–793.
- Mihajlo Gigov, Borivoj Adnađević, Borivoj Adnađević, Jelena D. Jovanovic (2016) : 풀러렌 폴리 하이드 록실화의 등온 역학에 대한 초음파의 효과. 소결과학 2016, 48(2):259-272.
- 요시오카 히로타카, 유이 나오코, 야타베 카나카, 후지야 히로토, 무샤 하루키, 니키 히사테루, 카라사와 리에, 유도 카즈오 (2016): 폴리하이드록실화 C60 풀러렌은 골관절염에서 나노몰러 농도에서 연골세포 이화 활동을 방지합니다. 골관절염 저널 2016, 1:115.
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알아 둘 만한 가치가 있는 사실
C60 풀러렌
C60 풀러렌(버키볼 또는 버크민스터 풀러렌이라고도 함)은 60개의 탄소 원자로 구성된 분자로 12개의 오각형과 20개의 육각형으로 배열됩니다. C60 분자의 모양은 축구공을 닮았습니다. C60 풀러렌은 비타민 E보다 100-1000 높은 효능을 보여주는 무독성 항산화제입니다. C60 자체는 수용성이 아니지만, 풀레네롤과 같은 많은 고수용성 풀러렌 유도체가 합성되었습니다.
C60 fullerens는 산화 방지제 및 바이오 의약품으로 사용됩니다. 다른 응용 분야로는 재료 과학, 유기 광전지(OPV), 촉매, 정수 및 생물학적 위험 방지, 휴대용 전력, 차량 및 의료 기기가 있습니다.
순수한 C60의 가용성:
- 물에 : 용해되지 않음
- 디메틸 설폭사이드(DMSO): 용해되지 않음
- 톨루엔에서: 용해성
- 벤젠에서: 녹는 것
C60 풀러렌의 표면 구조
출처: Yoshioka et al. 2016
폴리하이드록실화 C60 / 풀레네롤
풀러네롤 또는 풀러롤은 폴리하이드록실화된 C60 분자(수화 C60 풀러렌: C60하이에픈). 가수분해 반응은 C60 분자에 수산기(-OH)를 도입합니다. 40개 이상의 수산기를 가진 C60 분자는 더 높은 수용해도(>50mg/mL)입니다. 이들은 물에서 단분산 나노 입자로 존재하며 용감한 연마 효과를 가지고 있습니다. 그들은 우수한 항산화 및 항염증 특성을 나타냅니다. 폴리하이드록실화 풀러렌(fullerenols; C60 (OH) n)은 일부 알코올에 용해 된 다음 전기 화학 공정에서 침전되어 양극에 나노 탄소 막을 생성 할 수 있습니다. 풀러레놀 필름은 생체 적합성 코팅으로 사용되며 생물학적 물체에 불활성이며 비생물학적 물체를 신체 조직에 쉽게 통합할 수 있습니다.
Fullenerol의 가용성:
- 물에서: 녹는, 도달할 수 있습니다 >50mg/mL
- in dimethyl sulfoxide (DMSO) : 용해성
- 메탄올에서: 경미하게 녹는 것
- 톨루엔: 용해되지 않음
- 벤젠에서: 녹지 않음
색: 10 개 이상의 -OH 그룹을 지니는 Fullerenol은 짙은 갈색을 나타냅니다. -OH 그룹의 수가 증가함에 따라 색상이 짙은 갈색에서 노란색으로 점차 바뀝니다.
C60 (OH) 8.2H2O의 용해도의 용해도는 다른 용매의 C60과 비교하여 이루어집니다. 출처: Afreen et al. 2017
Fullerenols의 응용 및 사용 :
- 제약: 진단 시약, 슈퍼 약물, 화장품, 개발자와 핵 자기 공명(NMR). DNA 친화력, 항 HIV 약물, 항암 약물, 화학 요법 약물, 화장품 첨가제 및 과학 연구. 자연 그대로의 형태와 비교하여, polyhydroxylated fullerenes는 향상된 수용성으로 인해 더 많은 잠재적 응용 분야를 가지고 있습니다. 풀레롤은 일부 약물의 심장 독성을 줄이고 HIV 프로테아제, C형 간염 바이러스 및 세포의 비정상적인 성장을 억제할 수 있음이 밝혀졌습니다. 또한, 그들은 생리학적 조건에서 활성 산소 종 및 라디칼에 대한 우수한 자유 라디칼 제거 능력을 보여주었습니다.
- 에너지 : 태양 전지, 연료 전지, 2 차 전지.
- 산업 : 내마모성 재료, 난연성 재료, 윤활제, 고분자 첨가제, 고성능 멤브레인, 촉매, 인공 다이아몬드, 경질 합금, 전기 점성 유체, 잉크 필터, 고성능 코팅, 난연성 코팅, 생체 활성 재료, 메모리 재료, 임베디드 분자 및 기타 특성, 복합 재료 등 제조
- 정보 산업 : 반도체 기록 매체, 자성 재료, 인쇄 잉크, 토너, 잉크, 종이 특수 목적.
- 전자 부품: 초전도 반도체, 다이오드, 트랜지스터, 인덕터.
- 광학 재료, 전자 카메라, 형광 디스플레이 튜브, 비선형 광학 재료.
- 환경: 가스 흡착, 가스 저장.