Ultrazvukom polyhydroxylovaný C60 (fulerenol)

• Vo vode rozpustný polyhydroxylovaný fulerén C60, nazývaný fulerenol alebo fulerol, je silný lapač voľných radikálov, a preto sa používa ako antioxidant vo výživových doplnkoch a liečivách.
• Ultrazvuková hydroxylácia je rýchla a jednoduchá jednokroková reakcia, ktorá sa používa na výrobu polyhydroxylovaného C60 rozpustného vo vode.
• Vo vode rozpustný C60 syntetizovaný ultrazvukom má vyššiu kvalitu a používa sa vo farmaceutických aplikáciách a aplikáciách s vysokými nárokmi na výkon.

Ultrazvuková jednokroková syntéza polyhydroxylovaného C60

Ultrazvuková kavitácia je účinnejšia technika na výrobu vysokokvalitných polyhydroxylovaných fulerénov C60, ktoré sú rozpustné vo vode, a preto sa môžu používať v rôznych aplikáciách vo farmácii, medicíne a priemysle. Afreen et al (2017) vyvinuli rýchlu a jednoduchú ultrazvukovú syntézu polyhydroxylovaného C60 bez kontaminantov (známeho aj ako fulerenol alebo fulerol). Ultrazvuková jednokroková reakcia využíva H2O2 a zaobíde sa bez použitia ďalších hydroxylačných činidiel, t. j. NaOH, H2SO4, a katalyzátorov fázového prenosu (PTC), ktoré spôsobujú nečistoty v syntetizovanom fulerenole. Vďaka tomu je ultrazvuková syntéza fulerenolu čistejším prístupom k jeho výrobe; zároveň je to jednoduchší a rýchlejší spôsob výroby vysokokvalitného C60 rozpustného vo vode.

Možné reakčné dráhy pri syntéze fulerenolu podporovanej ultrazvukom v prítomnosti zriedeného H2O2 (30%).
zdroj: Afreen et al. 2017

Ultrazvuková syntéza C60 rozpustného vo vode – krok za krokom

Na rýchlu, jednoduchú a ekologickú prípravu polyhydroxylovaného C60, ktorý je rozpustný vo vode, sa 200 mg čistého C60 pridá do 20mL 30% H2O2 a sonikuje sa pomocou sonikátorov modelov UP200Ht alebo UP200St. Parametre sonikácie boli 30% amplitúda, 200 W v pulznom režime počas 1 h pri izbovej teplote. Reakčná nádoba sa umiestni do vodného kúpeľa s chladiacim cirkulátorom, aby sa teplota vnútri nádoby udržiavala na teplote okolia. Pred sonikáciou je C60 nemiešateľný s vodným roztokom H2O2 a tvorí bezfarebnú heterogénnu zmes, ktorá po 30 min pôsobenia ultrazvuku získa svetlohnedú farbu. Následne sa počas ďalších 30 min pôsobenia ultrazvuku zmení na úplne tmavohnedú disperziu.
Donor hydroxylových skupín: Intenzívna kavitácia generovaná ultrazvukom (= akustická kavitácia) vytvára z molekúl H2O a H2O2 radikály, ako sú cOH, cOOH a cH. Použitie H2O2 vo vodnom prostredí je účinnejším prístupom k zavádzaniu skupín –OH na klietku C60 než použitie samotnej H2O pri syntéze fulerenolu. H2O2 zohráva dôležitú úlohu pri intenzifikácii ultrazvukovej hydroxylácie.

Ultrazvuková hydroxylácia C60 pomocou zriedeného H2O2 (30%) je jednoduchá a rýchla jednokroková reakcia na prípravu fulerenolu. Keďže ultrazvuková reakcia vyžaduje len krátky reakčný čas, ponúka ekologický a čistý prístup s nízkou spotrebou energie, pri ktorom sa pri syntéze nepoužívajú žiadne toxické ani korozívne činidlá a znižuje sa počet rozpúšťadiel potrebných na separáciu a čistenie C60(OH)₈∙2H₂O.

Reakčná dráha ultrazvukovej polyhydroxylácie

Keď sa intenzívne ultrazvukové vlny prenášajú do kvapaliny, striedajúce sa nízkotlakové a vysokotlakové cykly vytvárajú v kvapaline vákuové bubliny. Vákuové bubliny rastú počas niekoľkých cyklov, až kým už nedokážu absorbovať viac energie, a následne prudko skolabujú. Pri kolapse bublín vznikajú extrémne fyzikálne javy, ako sú vysoké rozdiely teplôt a tlakov, rázové vlny, mikroprúdy, turbulencie, šmykové sily atď. Tento jav je známy ako ultrazvuková alebo akustická kavitácia.Tieto intenzívne sily ultrazvukovej kavitácie rozkladajú molekuly na radikály cOH a cOOH55.
Afreen et al. (2017) predpokladajú, že reakcia môže prebiehať súčasne dvoma reakčnými cestami. Radikály cOH sa ako reaktívne formy kyslíka (ROS) pripájajú ku klietke C60 za vzniku fullerenolu (cesta I) a/alebo radikály –OH a cOOH napádajú dvojité väzby C60 s nedostatkom elektrónov v nukleofilnej reakcii, čo vedie k vzniku epoxidu fullerénu [C60On] ako medziproduktu v prvom štádiu (cesta II), ktoré sa podobá mechanizmu Bingelovej reakcie. Ďalej opakovaný útok cOH (alebo cOOH) na C60O prostredníctvom reakcie SN2 vedie k vzniku polyhydroxylovaného fullerénu alebo fullerenolu.
Môže dochádzať k opakovanej epoxidácii, pri ktorej postupne vznikajú ďalšie epoxidové skupiny, napr. C60O2 a C60O3. Tieto epoxidové skupiny by mohli byť možnými prekurzormi vzniku ďalších medziproduktov, napr. hydroxylovaného epoxidu fullerénu počas sonolýzy (= sonochemického rozkladu). Okrem toho môže následné otvorenie kruhu C60(OH)xOy pôsobením cOH viesť k vzniku fullerenolu. Vznik týchto medziproduktov počas sonolýzy H2O2 alebo H2O v prítomnosti C60 je nevyhnutný a ich prítomnosť vo výslednom fullerenole (hoci len v stopovom množstve) nemožno prehliadnuť. Keďže sú však vo fullerenole prítomné len v stopových množstvách, neočakáva sa, že by mali akýkoľvek významný vplyv. [Afreen et al., 2017]

Vysokovýkonné sonikátory na dispergovanie fullerénov

Hielscher Ultrasonics dodáva sondové sonikátory pre vaše špecifické požiadavky: Či už chcete sonikovať malé objemy v laboratórnom meradle, alebo vytvárať veľkoobjemový prúd v priemyselnom meradle, portfólio vysokovýkonných sonikátorov Hielscher ponúka dokonalé riešenie na dispergovanie fullerénov. Vysoký výstupný výkon, presná nastaviteľnosť a spoľahlivosť našich ultrazvukových zariadení zabezpečujú splnenie požiadaviek vášho procesu. Digitálne dotykové obrazovky a automatické zaznamenávanie údajov o ultrazvukových parametroch na integrovanú SD kartu umožňujú veľmi jednoduchú obsluhu a ovládanie našich ultrazvukových zariadení.
Robustnosť ultrazvukových zariadení Hielscher umožňuje prevádzku 24/7 pri vysokom zaťažení a v náročných prostrediach.
Nasledujúca tabuľka poskytuje prehľad o približnej spracovateľskej kapacite našich ultrazvukových zariadení: