Ультразвуковой полигидроксилированный C60 (фуллеренол)

• Водорастворимый полигидроксилированный фуллерен C60, называемый фуллеренолом или фуллеролом, является сильным поглотителем свободных радикалов и поэтому используется в качестве антиоксиданта в пищевых добавках и фармацевтических препаратах.
• Ультразвуковое гидроксилирование – это быстрая и простая одноступенчатая реакция, которая используется для получения водорастворимого полигидроксилированного C60.
• Ультразвуковой синтез водорастворимого C60 имеет превосходное качество и используется в фармацевтике и высокопроизводительных приложениях.

Ультразвуковой одностадийный синтез полигидролксилированного C60

Ультразвуковая кавитация является превосходным методом получения высококачественных полигидроксилированных фуллеренов C60, которые являются водорастворимыми и поэтому могут использоваться в различных областях применения в фармацевтике, медицине и промышленности. Afreen et al (2017) разработали быстрый и простой ультразвуковой синтез полигидроксилированного C60 без загрязнений (также известного как фуллеренол или фуллерол). В ультразвуковой одностадийной реакции используется H2O2 и не используются дополнительные гидроксилирующие реагенты, т.е. NaOH, H2SO4, и катализаторы фазового переноса (PTC), которые вызывают примеси в синтезированном фуллереноле. Это делает ультразвуковой синтез фуллеренола более чистым подходом к производству фуллеренола; в то же время это более простой и быстрый способ производства высококачественного, водорастворимого C60.

Возможные пути реакции при ультразвуковом синтезе фуллеренола в присутствии дил. H2O2 (30%).
источник: Afreen et al. 2017

Ультразвуковой синтез водорастворимого C60 – Пошаговый

Для быстрого, простого и экологичного получения полигидроксилированного C60, который растворяется в воде, 200 мг чистого C60 добавляют к 20 мл 30% H2O2 и обрабатывают ультразвуком с помощью моделей ультразвуковых аппаратов УП200Хт или УП200Ст. Параметры ультразвуковой обработки составили 30% амплитуда, 200 Вт в импульсном режиме в течение 1 ч при комнатной температуре. Реакционный сосуд помещается в охлаждаемую водяную баню циркуляционного насоса для поддержания температуры внутри сосуда на уровне окружающей среды. Перед ультразвуковой обработкой C60 не смешивается в водной среде H2O2 и представляет собой бесцветную гетерогенную смесь, которая после 30 мин ультразвукового исследования приобретает светло-коричневый цвет. Впоследствии, в последующие 30 минут ультразвука, он превращается в полностью темно-коричневую дисперсию.
Донор гидроксила: Интенсивная ультразвуковая (= акустическая) кавитация создает радикалы, такие как cOH, cOOH и cH, из молекул H2O и H2O2. Использование H2O2 в водных средах является более эффективным подходом к введению –OH-групп в клетку C60, а не только использование H2O для синтеза фуллеренола. H2O2 играет важную роль в интенсификации ультразвукового гидроксилирования.

Ультразвуковое гидроксилирование C60 с использованием dil. H2O2 (30%) представляет собой легкую и быструю одностадийную реакцию для получения фуллеренола. Ультразвуковая реакция требует лишь короткого времени для проведения реакции, она предлагает экологичный и чистый подход с низким энергопотреблением, избегая использования любых токсичных или коррозионных реагентов для синтеза и уменьшая количество растворителей, необходимых для разделения и очистки C60(OH)₈∙2 ч₂O.

Ультразвуковой путь полигидроксилирования

Когда интенсивные ультразвуковые волны соединяются с жидкостью, чередование циклов низкого и высокого давления создает вакуумные пузырьки в жидкости. Вакуумные пузырьки растут в течение нескольких циклов, пока не перестают поглощать больше энергии, так что они сильно схлопываются. Во время схлопывания пузырьков возникают экстремальные физические воздействия, такие как высокие перепады температур и давления, ударные волны, микроструи, турбулентности, поперечные силы и т.д. Это явление известно как ультразвуковое или акустическая кавитация. Эти интенсивные силы ультразвуковой кавитации разлагают молекулы на радикалы cOH и cOOH55.
Afreen et al. (2017) предполагают, что реакция может протекать двумя путями одновременно. Радикалы cOH в виде активных форм кислорода (АФК) прикрепляются к клетке C60 с образованием фуллеренола (путь I), и/или радикалы –OH и cOOH атакуют электронно-дефицитные двойные связи C60 в нуклеофильной реакции, что приводит к образованию эпоксида фуллерена [C60On] в качестве промежуточного продукта на первой стадии (путь II), что аналогично механизму реакции Бингеля. Кроме того, повторная атака cOH (или cOOH) на C60O посредством реакции SN2 приводит к образованию полигидроксилированного фуллерена или фуллеренола.
Может иметь место повторное эпоксидирование, в результате которого образуются последовательные эпоксидные группы, например, C60O2 и C60O3. Эти эпоксидные группы могут быть возможными кандидатами на получение других промежуточных продуктов, например, гидроксилированного эпоксида фуллерена во время сонолиза (= сонохимического разложения). Кроме того, последующее открытие кольца C60(OH)xOy с cOH может привести к образованию фуллеренола. Образование этих промежуточных продуктов при сонолизе H2O2 или H2O в присутствии C60 неизбежно, и их присутствие в конечном фуллереноле (хотя и в следовом количестве) не может остаться незамеченным. Однако, поскольку они присутствуют только в следовых количествах в фуллереноле, ожидается, что они не вызовут какого-либо существенного воздействия. [Африн и др., 2017]

Высокопроизводительные ультразвуковые аппараты для диспергирования фуллеренов

Hielscher Ultrasonics поставляет ультразвуковые аппараты зондового типа для ваших конкретных требований: независимо от того, хотите ли вы обрабатывать небольшие объемы в лабораторных условиях или производить поток больших объемов в промышленных масштабах, ассортимент высокопроизводительных ультразвуковых аппаратов Hielscher предлагает идеальное решение для диспергирования фуллеренов. Высокая выходная мощность, точная регулировка и надежность наших ультразвуковых аппаратов гарантируют выполнение ваших технологических требований. Цифровые сенсорные экраны и автоматическая запись данных ультразвуковых параметров на встроенную SD-карту делают эксплуатацию и управление нашими ультразвуковыми устройствами очень удобными для пользователя.
Надежность ультразвукового оборудования Hielscher позволяет работать в режиме 24/7 в тяжелых условиях и в сложных условиях.
В таблице ниже приведена примерная производительность обработки наших ультразвуковых аппаратов: