Ultradźwiękowo polihydroksylowany C60 (Fullerenol)
- Rozpuszczalny w wodzie polihydroksylowany fulleren C60, zwany fullerenolem lub fullerolem, jest silnym wymiataczem wolnych rodników i dlatego jest stosowany jako przeciwutleniacz w suplementach i farmaceutykach.
- Hydroksylacja ultradźwiękowa jest szybką i prostą jednoetapową reakcją, która jest wykorzystywana do produkcji rozpuszczalnego w wodzie polihydroksylowanego C60.
- Ultradźwiękowo zsyntetyzowany rozpuszczalny w wodzie C60 ma najwyższą jakość i jest stosowany w farmacji i aplikacjach o wysokiej wydajności.
Ultradźwiękowa jednoetapowa synteza polihydroksylowanego C60
Kawitacja ultradźwiękowa jest doskonałą techniką produkcji wysokiej jakości polihydroksylowanych fullerenów C60, które są rozpuszczalne w wodzie i dlatego mogą być wykorzystywane w różnych zastosowaniach w farmacji, medycynie i przemyśle. Afreen et al (2017) opracowali szybką i prostą ultradźwiękową syntezę wolnego od zanieczyszczeń polihydroksylowanego C60 (znanego również jako fullerenol lub fullerol). Jednoetapowa reakcja ultradźwiękowa wykorzystuje H2O2 i jest wolna od stosowania dodatkowych odczynników hydroksylujących, tj. NaOH, H2SO4 i katalizatorów przeniesienia fazowego (PTC), które powodują zanieczyszczenia w syntetyzowanym fullerenolu. To sprawia, że ultradźwiękowa synteza fullerenolu jest czystszym podejściem do produkcji fullerenolu; jednocześnie jest to łatwiejszy i szybszy sposób wytwarzania wysokiej jakości, rozpuszczalnego w wodzie C60.
Możliwe ścieżki reakcji w syntezie fullerenolu wspomaganej ultradźwiękami w obecności dil. H2O2 (30%).
Ultradźwiękowa synteza rozpuszczalnego w wodzie C60 – Krok po kroku
W celu szybkiego, prostego i ekologicznego przygotowania polihydroksylowanego C60, który jest rozpuszczalny w wodzie, 200 mg czystego C60 dodaje się do 20 ml 30% H2O2 i poddaje sonikacji za pomocą modeli sonikatora UP200Ht lub UP200St. Parametry sonikacji wynosiły 30% amplitudy, 200 W w trybie pulsacyjnym przez 1 godzinę w temperaturze pokojowej. Naczynie reakcyjne umieszcza się w chłodzonej łaźni wodnej z cyrkulatorem w celu utrzymania temperatury wewnątrz naczynia w temperaturze otoczenia. Przed sonikacją C60 jest niemieszalny w wodnym H2O2 i jest bezbarwną heterogeniczną mieszaniną, która po 30 minutach ultradźwięków zmienia kolor na jasnobrązowy. Następnie, w ciągu następnych 30 minut ultradźwięków zamienia się w całkowicie ciemnobrązową dyspersję.
Donor hydroksylowy: Intensywna kawitacja ultradźwiękowa (= akustyczna) tworzy rodniki takie jak cOH, cOOH i cH z cząsteczek H2O i H2O2. Zastosowanie H2O2 w środowisku wodnym jest bardziej efektywnym podejściem do wprowadzania grup -OH na klatkę C60 niż tylko przy użyciu H2O do syntezy fullerenolu. H2O2 odgrywa ważną rolę w ultradźwiękowej intensyfikacji hydroksylacji.
Ultradźwiękowa hydroksylacja C60 przy użyciu dil. H2O2 (30%) jest łatwą i szybką jednoetapową reakcją przygotowania fullerenolu. Wymagająca tylko krótkiego czasu na reakcję, reakcja ultradźwiękowa oferuje zielone i czyste podejście przy niskim zapotrzebowaniu na energię, unikając stosowania jakichkolwiek toksycznych lub żrących odczynników do syntezy i zmniejszając liczbę rozpuszczalników wymaganych do oddzielenia i oczyszczenia C60(OH)8∙2H2O.
UP400St (400W, 24kHz) to potężny dyspergator ultradźwiękowy
Ultradźwiękowy szlak polihydroksylacji
Gdy intensywne fale ultradźwiękowe są sprzężone z cieczą, naprzemienne cykle niskiego? wysokiego ciśnienia tworzą pęcherzyki próżniowe w cieczy. Pęcherzyki próżniowe rosną przez kilka cykli, aż nie mogą wchłonąć więcej energii, więc gwałtownie się zapadają. Podczas zapadania się pęcherzyków dochodzi do ekstremalnych efektów fizycznych, takich jak wysokie różnice temperatur i ciśnień, fale uderzeniowe, mikrodysze, turbulencje, siły ścinające itp. Zjawisko to znane jest jako ultradźwiękowe lub kawitacja akustycznaTe intensywne siły kawitacji ultradźwiękowej rozkładają cząsteczki na rodniki cOH i cOOH55.
Afreen et al. (2017) zakładają, że reakcja może przebiegać na dwóch ścieżkach jednocześnie. Rodniki cOH jako reaktywne formy tlenu (ROS) przyłączają się do klatki C60, dając fullerenol (ścieżka I), i/lub rodniki -OH i cOOH atakują deficytowe elektronowo wiązania podwójne C60 w reakcji nukleofilowej, co prowadzi do powstania epoksydu fullerenowego [C60On] jako półproduktu w pierwszym etapie (ścieżka II), co jest podobne do mechanizmu reakcji Bingela. Ponadto, powtarzający się atak cOH (lub cOOH) na C60O poprzez reakcję SN2 skutkuje powstaniem polihydroksylowanego fullerenu lub fullerenolu.
Może zachodzić wielokrotne epoksydowanie, które wytwarza kolejne grupy epoksydowe, np. C60O2 i C60O3. Te grupy epoksydowe mogą być potencjalnymi kandydatami do generowania innych półproduktów, np. hydroksylowanego epoksydu fulerenowego podczas sonolizy (= rozkład sonochemiczny). Dodatkowo, późniejsze otwarcie pierścienia C60(OH)xOy za pomocą cOH może prowadzić do powstania fullerenolu. Powstawanie tych półproduktów podczas sonolizy H2O2 lub H2O w obecności C60 jest nieuniknione, a ich obecność w końcowym fullerenolu (choć w śladowej ilości) nie może pozostać niezauważona. Jednakże, ponieważ są one obecne tylko w śladowych ilościach w fullerenolu, nie oczekuje się, że spowodują jakikolwiek znaczący wpływ. [Afreen et al., 2017].
Wysokowydajne sonikatory do dyspersji fulerenów
Hielscher Ultrasonics dostarcza sonikatory sondowe spełniające określone wymagania: Niezależnie od tego, czy chcesz sonifikować małe objętości w skali laboratoryjnej, czy też produkować duży strumień objętości na skalę przemysłową, portfolio wysokowydajnych sonikatorów firmy Hielscher oferuje idealne rozwiązanie dla Twojej dyspersji fulerenów. Wysoka moc wyjściowa, precyzyjna regulacja i niezawodność naszych ultradźwięków zapewniają spełnienie wymagań procesowych. Cyfrowe ekrany dotykowe i automatyczny zapis danych parametrów ultradźwiękowych na zintegrowanej karcie SD sprawiają, że obsługa i kontrola naszych urządzeń ultradźwiękowych jest bardzo przyjazna dla użytkownika.
Wytrzymałość sprzętu ultradźwiękowego Hielscher pozwala na pracę w trybie 24/7 przy dużym obciążeniu i w wymagających środowiskach.
Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych ultradźwiękowców:
| Wielkość partii | natężenie przepływu | Polecane urządzenia |
|---|---|---|
| 1 do 500mL | 10-200mL/min | UP100H |
| 10 do 2000mL | 20-400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 do 20L | 0.2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10-100L | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| b.d. | 10-100L/min | UIP16000 |
| b.d. | większe | klaster UIP16000 |
Skontaktuj się z nami!? Zapytaj nas!
Procesory ultradźwiękowe o dużej mocy od skali laboratoryjnej do pilotażowej i przemysłowej.
Literatura/Referencje
- Sadia Afreen, Kasturi Muthoosamy, Sivakumar Manickam (2018): Sono-nano chemia: Nowa era syntezy polihydroksylowanych nanomateriałów węglowych z grupami hydroksylowymi i ich aspektów przemysłowych. Ultradźwięki Sonochemia 2018.
- Sadia Afreen, Kasturi Muthoosamy, Sivakumar Manickam (2017): Hydratacja lub hydroksylacja: bezpośrednia synteza fullerenolu z czystego fullerenu [C60] poprzez kawitację akustyczną w obecności nadtlenku wodoru. RSC Adv., 2017, 7, 31930-31939.
- Grigory V. Andrievsky, Vadim I. Bruskov, Artem A. Tykhomyrov, Sergey V. Gudkov (2009): Peculiarities of the antioxidant and radioprotective effects of hydrated C60 fullerene nanostuctures in vitro and in vivo. Free Radical Biology & Medicine 47, 2009. 786-793.
- Mihajlo Gigov, Borivoj Adnađević, Borivoj Adnađević, Jelena D. Jovanovic (2016): Wpływ pola ultradźwiękowego na izotermiczną kinetykę polihydroksylacji fulerenu. 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): Polyhydroxylated C60 Fullerenes Prevent Chondrocyte Catabolic Activity at Nanomolar Concentrations in Osteoarthritis. Journal of Osteoarthritis 2016, 1:115.
[/toggle]
Fakty, które warto znać
Fullereny C60
Fulleren C60 (znany również jako buckyball lub Buckminster fullerene) to cząsteczka zbudowana z 60 atomów węgla, ułożonych w 12 pięciokątów i 20 sześciokątów. Kształt cząsteczki C60 przypomina piłkę nożną. Fullereny C60 są nietoksycznym przeciwutleniaczem wykazującym siłę działania o 100-1000 wyższą niż witamina E. Chociaż sam C60 nie jest rozpuszczalny w wodzie, zsyntetyzowano wiele wysoce rozpuszczalnych w wodzie pochodnych fullerenów, takich jak fullenerol.
Fulereny C60 są stosowane jako przeciwutleniacze i jako biofarmaceutyki. Inne zastosowania obejmują materiałoznawstwo, organiczną fotowoltaikę (OPV), katalizatory, oczyszczanie wody i ochronę przed zagrożeniami biologicznymi, przenośne zasilanie, pojazdy i urządzenia medyczne.
Rozpuszczalność czystego C60:
- w wodzie: nierozpuszczalny
- w dimetylosulfotlenku (DMSO): nierozpuszczalny
- w toluenie: rozpuszczalny
- w benzenie: rozpuszczalny
Struktura powierzchni fullerenów C60
Polihydroksylowane C60? Fullenerole
Fullernerol lub fullerole to polihydroksylowane cząsteczki C60 (uwodniony fulleren C60): C60HyFn). Reakcja hydrolizacji wprowadza grupy hydroksylowe (-OH) do cząsteczki C60. Cząsteczki C60 z ponad 40 grupami hydroksylowymi mają wyższą rozpuszczalność w wodzie (>50 mg/ml). Istnieją one jako monodyspersyjne nanocząstki w wodzie i mają dzielny efekt polerowania. Wykazują doskonałe właściwości przeciwutleniające i przeciwzapalne. Polihydroksylowane fulereny (fulerenole; C60(OH)n) można rozpuścić w niektórych alkoholach, a następnie poddać procesowi elektrochemicznemu, tworząc na anodzie warstwę nanowęglową. Folie fulerenolowe są stosowane jako biokompatybilne powłoki, obojętne dla obiektów biologicznych i mogą ułatwiać integrację obiektów niebiologicznych z tkankami ciała.
Rozpuszczalność Fullenerolu:
- w wodzie: rozpuszczalny, może osiągnąć >50 mg/ml
- w dimetylosulfotlenku (DMSO): rozpuszczalny
- w metanolu: słabo rozpuszczalny
- w toluenie: nierozpuszczalny
- w benzenie: nierozpuszczalny
Kolor: Fullerenol zawierający więcej niż 10 grup -OH wykazuje ciemnobrązowy kolor. Wraz ze wzrostem liczby grup -OH kolor stopniowo zmienia się z ciemnobrązowego na żółty.
Rozpuszczalność C60(OH)8.2H2O w porównaniu do C60 w różnych rozpuszczalnikach. źródło: Afreen et al. 2017
Zastosowania i wykorzystanie fulerenoli:
- Farmaceutyczne: Odczynniki diagnostyczne, super leki, kosmetyki, magnetyczny rezonans jądrowy (NMR) z wywoływaczem. Powinowactwo do DNA, leki przeciw HIV, leki przeciwnowotworowe, leki do chemioterapii, dodatki do kosmetyków i badania naukowe. W porównaniu z czystą formą, polihydroksylowane fulereny mają więcej potencjalnych zastosowań ze względu na ich zwiększoną rozpuszczalność w wodzie. Stwierdzono, że fulerole mogą zmniejszać kardiotoksyczność niektórych leków i hamować proteazę HIV, wirusa zapalenia wątroby typu C i nieprawidłowy wzrost komórek. Co więcej, wykazują one doskonałe zdolności zmiatania wolnych rodników przeciwko reaktywnym formom tlenu i rodnikom w warunkach fizjologicznych.
- Energia: Bateria słoneczna, ogniwo paliwowe, bateria wtórna.
- Przemysł: Materiały odporne na zużycie, materiały zmniejszające palność, smary, dodatki polimerowe, wysokowydajna membrana, katalizator, sztuczny diament, twardy stop, lepki płyn elektryczny, filtry atramentowe, wysokowydajne powłoki, powłoki ognioodporne, produkcja materiałów bioaktywnych , materiały pamięciowe, wbudowane właściwości molekularne i inne, materiały kompozytowe itp.
- Przemysł informacyjny: Półprzewodnikowy nośnik zapisu, materiały magnetyczne, tusz drukarski, toner, atrament, papier do celów specjalnych.
- Części elektroniczne: Nadprzewodzący półprzewodnik, diody, tranzystory, cewka indukcyjna.
- Materiały optyczne, kamera elektroniczna, lampa fluorescencyjna, nieliniowe materiały optyczne.
- Środowisko: Adsorpcja gazu, magazynowanie gazu.