Ultrasoon gepolyhydroxyleerd C60 (fullerenol)

• In water oplosbaar gepolyhydroxyleerd C60-fullereen, fullerenol of fullerol genoemd, is een krachtige vanger van vrije radicalen en wordt daarom gebruikt als antioxidant in supplementen en geneesmiddelen.
• Ultrasone hydroxylering is een snelle en eenvoudige eenstapsreactie die wordt gebruikt om in water oplosbaar gepolyhydroxyleerd C60 te produceren.
• Ultrasoon gesynthetiseerd, in water oplosbaar C60 heeft een superieure kwaliteit en wordt gebruikt voor farmaceutische toepassingen en toepassingen met hoge prestaties.

Ultrasone eenstapssynthese van gepolyhydroxyleerd C60

Ultrasone cavitatie is de superieure techniek voor de productie van hoogwaardige gepolyhydroxyleerde C60-fullerenen, die in water oplosbaar zijn en daarom kunnen worden gebruikt in verschillende toepassingen in de farmacie, geneeskunde en industrie. Afreen et al (2017) hebben een snelle en eenvoudige ultrasone synthese van verontreinigingsvrij gepolyhydroxyleerd C60 ontwikkeld (ook bekend als fullerenol of fullerol). De ultrasone eenstapsreactie gebruikt H2O2 en maakt geen gebruik van aanvullende hydroxylerende reagentia, namelijk NaOH, H2SO4 en faseoverdrachtskatalysatoren (PTC), die onzuiverheden in het gesynthetiseerde fullerenol veroorzaken. Dit maakt de ultrasone synthese van fullerenol tot een schonere methode om fullerenol te produceren; tegelijkertijd is het een eenvoudigere en snellere manier om hoogwaardig, in water oplosbaar C60 te produceren.

Mogelijke reactieroutes bij de ultrasoon ondersteunde synthese van fullerenol in aanwezigheid van verdund H2O2 (30%).
bron: Afreen et al. 2017

Ultrasone synthese van in water oplosbaar C60 – stap voor stap

Voor de snelle, eenvoudige en milieuvriendelijke bereiding van gepolyhydroxyleerd C60 dat in water oplosbaar is, wordt 200 mg zuiver C60 toegevoegd aan 20mL 30% H2O2 en vindt sonicatie plaats met de sonicatormodellen UP200Ht of UP200St. De sonicatieparameters waren 30% amplitude, 200 W in gepulseerde modus gedurende 1 h bij kamertemperatuur. Het reactievat wordt in een waterbad met gekoelde circulatie geplaatst om de temperatuur in het vat op omgevingstemperatuur te houden. Vóór de sonicatie is C60 niet mengbaar met H2O2 in water en vormt het een kleurloos heterogeen mengsel, dat na 30 min ultrasone behandeling lichtbruin wordt. Vervolgens verandert het tijdens de volgende 30 min ultrasone behandeling in een volledig donkerbruine dispersie.
Hydroxyldonor: Intense ultrasoon opgewekte (= akoestische) cavitatie genereert radicalen zoals cOH, cOOH en cH uit H2O- en H2O2-moleculen. Het gebruik van H2O2 in waterige media is een efficiëntere methode om –OH-groepen op de C60-kooi aan te brengen dan het gebruik van uitsluitend H2O voor de synthese van fullerenol. H2O2 speelt een belangrijke rol bij de intensivering van ultrasone hydroxylering.

Ultrasone hydroxylering van C60 met verdund H2O2 (30%) is een eenvoudige en snelle eenstapsreactie voor de bereiding van fullerenol. Doordat er slechts een korte reactietijd nodig is, biedt de ultrasone reactie een milieuvriendelijke en schone methode met een lage energiebehoefte, waarbij het gebruik van toxische of corrosieve reagentia voor de synthese wordt vermeden en minder oplosmiddelen nodig zijn voor de scheiding en zuivering van C60(OH)₈∙2H₂O.

Ultrasone polyhydroxyleringsroute

Wanneer intense ultrasone golven in een vloeistof worden gekoppeld, creëren afwisselende lagedruk- en hogedrukcycli vacuümbellen in de vloeistof. De vacuümbellen groeien gedurende meerdere cycli totdat ze geen energie meer kunnen opnemen, waarna ze heftig imploderen. Tijdens de implosie van de bellen treden extreme fysische effecten op, zoals hoge temperatuur- en drukverschillen, schokgolven, microjets, turbulentie, afschuifkrachten enz. Dit verschijnsel staat bekend als ultrasone cavitatie of akoestische cavitatie. Deze intense krachten van ultrasone cavitatie ontleden de moleculen tot cOH- en cOOH55-radicalen.
Afreen et al. (2017) nemen aan dat de reactie mogelijk gelijktijdig via twee routes verloopt. cOH-radicalen hechten zich als reactieve zuurstofsoorten (ROS) aan de C60-kooi en vormen zo fullerenol (route I), en/of –OH- en cOOH-radicalen vallen de elektronenarme dubbele bindingen van C60 aan in een nucleofiele reactie. Dit leidt tot de vorming van fullereenepoxide [C60On] als tussenproduct in de eerste fase (route II), die vergelijkbaar is met het mechanisme van de Bingel-reactie. Verder leidt de herhaalde aanval van cOH (of cOOH) op C60O via een SN2-reactie tot gepolyhydroxyleerd fullereen of fullerenol.
Er kan herhaalde epoxidatie plaatsvinden, waarbij opeenvolgende epoxidegroepen ontstaan, bijvoorbeeld C60O2 en C60O3. Deze epoxidegroepen zouden mogelijke kandidaten kunnen zijn voor de vorming van andere tussenproducten, bijvoorbeeld gehydroxyleerd fullereenepoxide tijdens sonolyse (= sonochemische ontleding). Bovendien kan de daaropvolgende ringopening van C60(OH)xOy met cOH leiden tot de vorming van fullerenol. De vorming van deze tussenproducten tijdens de sonolyse van H2O2 of H2O in aanwezigheid van C60 is onvermijdelijk, en hun aanwezigheid in het uiteindelijke fullerenol (hoewel slechts in een sporenhoeveelheid) kan niet onopgemerkt blijven. Omdat ze echter slechts in sporenhoeveelheden in het fullerenol aanwezig zijn, wordt niet verwacht dat ze een significant effect hebben. [Afreen et al., 2017]

Sonicatoren met hoge prestaties voor de dispersie van fullerenen

Hielscher Ultrasonics levert sonicatoren met een sonde voor uw specifieke vereisten: of u nu kleine volumes op laboratoriumschaal wilt soniceren of een stroom met een groot volume op industriële schaal wilt produceren, het assortiment sonicatoren met hoge prestaties van Hielscher biedt de perfecte oplossing voor uw dispersie van fullerenen. Het hoge uitgangsvermogen, de nauwkeurige instelbaarheid en de betrouwbaarheid van onze sonicatoren zorgen ervoor dat aan uw procesvereisten wordt voldaan. Digitale aanraakschermen en automatische registratie van de ultrasone parameters op een geïntegreerde SD-kaart maken de bediening en regeling van onze ultrasone apparaten zeer gebruiksvriendelijk.
De robuustheid van de ultrasone apparatuur van Hielscher maakt 24/7 gebruik onder zware belasting en in veeleisende omgevingen mogelijk.
De onderstaande tabel geeft u een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze sonicatoren: