Ultrazvukovo polyhydroxylovaný C60 (fullerenol)
- Vo vode rozpustný polyhydroxylovaný C60 fullerén, nazývaný fullerenol alebo fullerol, je silný zachytávač voľných radikálov, a preto sa používa ako antioxidant v doplnkoch a liečivách.
- Ultrazvuková hydroxylácia je rýchla a jednoduchá jednokroková reakcia, ktorá sa používa na výrobu vo vode rozpustného polyhydroxylovaného C60.
- Ultrazvukovo syntetizovaný vo vode rozpustný C60 má vynikajúcu kvalitu a používa sa vo farmaceutických a vysokovýkonných aplikáciách.
Ultrazvuková jednostupňová syntéza polyhydrolxylovaného C60
Ultrazvuková kavitácia je vynikajúcou technikou na výrobu vysokokvalitných polyhydroxylovaných fullerénov C60, ktoré sú rozpustné vo vode, a preto ich možno použiť v rôznych aplikáciách vo farmácii, medicíne a priemysle. Afreen a kol. (2017) vyvinuli rýchlu a jednoduchú ultrazvukovú syntézu polyhydroxylovaného C60 bez kontaminácie (tiež známeho ako fullerenol alebo fullerol). Ultrazvuková jednokroková reakcia využíva H2O2 a nepoužíva ďalšie hydroxylačné činidlá, t. j. NaOH, H2SO4 a katalyzátory na prenos fázy (PTC), ktoré spôsobujú nečistoty v syntetizovanom fullerenole. Vďaka tomu je ultrazvuková syntéza fullerenolu čistejším prístupom k produkcii fullerenolu; zároveň je to jednoduchší a rýchlejší spôsob výroby vysokokvalitného, vo vode rozpustného C60.
Možné reakčné cesty pri ultrazvukom asistovanej syntéze fullerenolu v prítomnosti dil. H2O2 (30%).
Ultrazvuková syntéza vo vode rozpustného C60 – Podrobné
Pre rýchlu, jednoduchú a ekologickú prípravu polyhydroxylovaného C60, ktorý je rozpustný vo vode, sa pridá 200 mg čistého C60 do 20 ml 30 % H2O2 a sonikuje sa pomocou modelov sonikátora UP200Ht alebo UP200St. Parametre sonikácie boli 30% amplitúda, 200 W v pulznom režime po dobu 1 hodiny pri izbovej teplote. Reakčná nádoba sa umiestni do chladiaceho obehového vodného kúpeľa, aby sa teplota vo vnútri nádoby udržala pri teplote okolia. Pred sonikáciou je C60 nemiešateľný s vodným H2O2 a je to bezfarebná heterogénna zmes, ktorá sa po 30 minútach ultrazvuku zmení na svetlohnedú farbu. Následne sa v nasledujúcich 30 minútach ultrazvuku zmení na úplne tmavohnedú disperziu.
Hydroxylový donor: Intenzívna ultrazvukom generovaná (= akustická) kavitácia vytvára radikály ako cOH, cOOH a cH z molekúl H2O a H2O2. Použitie H2O2 vo vodnom prostredí je efektívnejším prístupom k zavedeniu –OH skupín do klietky C60 namiesto použitia H2O na syntézu fullerenolu. H2O2 hrá dôležitú úlohu pri intenzifikácii ultrazvukovej hydroxylácie.
Ultrazvuková hydroxylácia C60 pomocou dil. H2O2 (30%) je jednoduchá a rýchla jednokroková reakcia na prípravu fullerenolu. Ultrazvuková reakcia, ktorá vyžaduje len krátky čas na reakciu, ponúka zelený a čistý prístup s nízkou spotrebou energie, vyhýba sa použitiu akýchkoľvek toxických alebo korozívnych činidiel na syntézu a znižuje počet rozpúšťadiel potrebných na separáciu a čistenie C60 (OH)8∙2H2O.
UP400St (400 W, 24 kHz) je výkonný ultrazvukový dispergátor
Ultrazvuková polyhydroxylačná cesta
Keď sa intenzívne ultrazvukové vlny spoja do kvapaliny, striedavé nízkotlakové? vysokotlakové cykly vytvárajú v kvapaline vákuové bubliny. Vákuové bubliny rastú počas niekoľkých cyklov, až kým nedokážu absorbovať viac energie, takže sa prudko zrútia. Počas kolapsu bublín sa vyskytujú extrémne fyzikálne účinky, ako sú vysoké teplotné a tlakové rozdiely, rázové vlny, mikrotrysky, turbulencie, šmykové sily atď. Tento jav je známy ako ultrazvukový alebo akustická kavitácia. Tieto intenzívne sily ultrazvukovej kavitácie rozkladajú molekuly na radikály cOH a cOOH55.
Afreen et al. (2017) predpokladajú, že reakcia môže prebiehať dvoma cestami súčasne. Radikály cOH ako reaktívne formy kyslíka (ROS) sa viažu na klietku C60 a poskytujú fullerenol (cesta I) a/alebo radikály –OH a cOOH napádajú dvojité väzby C60 s nedostatkom elektrónov v nukleofilnej reakcii, čo vedie k tvorbe fullerénepoxidu [C60On] ako medziproduktu v prvom štádiu (cesta II), čo je podobné mechanizmu Bingelovej reakcie. Ďalej, opakovaný útok cOH (alebo cOOH) na C60O prostredníctvom reakcie SN2 vedie k polyhydroxylovanému fullerénu alebo fullerenolu.
Môže dôjsť k opakovanej epoxidácii, pri ktorej vznikajú po sebe idúce epoxidové skupiny, napr. C60O2 a C60O3. Tieto epoxidové skupiny by mohli byť možnými kandidátmi na generovanie iných medziproduktov, napr. hydroxylovaného fulerénepoxidu počas sonolýzy (= sonochemický rozklad). Okrem toho následné otvorenie prstenca C60(OH)xOy s cOH môže viesť k tvorbe fullerenolu. Tvorba týchto medziproduktov počas sonolýzy H2O2 alebo H2O v prítomnosti C60 je nevyhnutná a ich prítomnosť v konečnom fullerenole (aj keď v stopovom množstve) nemôže zostať nezaznamenaná. Keďže sú však vo fullerenole prítomné iba v stopových množstvách, neočakáva sa, že by mali významný vplyv. [Afreen a kol., 2017]
Vysokovýkonné sonikátory pre fullerénovú disperziu
Spoločnosť Hielscher Ultrasonics dodáva sondou sondového typu pre vaše špecifické požiadavky: Či už chcete sonikovať malé objemy v laboratórnom meradle alebo vyrábať veľké objemy v priemyselnom meradle, portfólio vysokovýkonných sonikátorov Hielscher ponúka dokonalé riešenie pre vašu fullerénovú disperziu. Vysoký výkon, presná nastaviteľnosť a spoľahlivosť našich ultrazvukových prístrojov zaisťujú splnenie vašich procesných požiadaviek. Vďaka digitálnym dotykovým obrazovkám a automatickému záznamu údajov o ultrazvukových parametroch na integrovanej SD karte je obsluha a ovládanie našich ultrazvukových prístrojov veľmi užívateľsky prívetivé.
Robustnosť ultrazvukových zariadení Hielscher umožňuje prevádzku 24 hodín denne, 7 dní v týždni pri náročných nákladoch a v náročných prostrediach.
Nasledujúca tabuľka vám poskytuje približnú kapacitu spracovania našich ultrazvukových prístrojov:
| Objem dávky | Prietok | Odporúčané zariadenia |
|---|---|---|
| 1 až 500 ml | 10 až 200 ml/min | UP100H |
| 10 až 2000 ml | 20 až 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 až 20 l | 00,2 až 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 až 100 l | 2 až 10 l/min | UIP4000hdT |
| N.A. | 10 až 100 l/min | UIP16000 |
| N.A. | väčší | Zhluk UIP16000 |
Kontaktujte nás!? Opýtajte sa nás!
Vysokovýkonné ultrazvukové procesory od laboratórneho až po pilotné a priemyselné meradlo.
Literatúra/Referencie
- Sadia Afreen, Kasturi Muthoosamy, Sivakumar Manickam (2018): Sono-nano chémia: Nová éra syntézy polyhydroxylovaných uhlíkových nanomateriálov s hydroxylovými skupinami a ich priemyselnými aspektmi. Ultrazvuková sonochémia 2018.
- Sadia Afreen, Kasturi Muthoosamy, Sivakumar Manickam (2017): Hydratácia alebo hydroxylácia: priama syntéza fullerenolu z nedotknutého fullerénu [C60] prostredníctvom akustickej kavitácie v prítomnosti peroxidu vodíka. RSC Adv., 2017, 7, 31930–31939.
- Grigorij V. Andrijevskij, Vadim I. Bruskov, Artem A. Tykhomyrov, Sergey V. Gudkov (2009): Zvláštnosti antioxidačných a rádioprotektívnych účinkov hydratovaných nanostutúr fullerénu C60 in vitro a in vivo. Biológia voľných radikálov & Medicína 47, 2009. 786–793.
- Mihajlo Gigov, Borivoj Adnađević, Borivoj Adnađević, Jelena D. Jovanovic (2016): Vplyv ultrazvukového poľa na izotermickú kinetiku polyhydroxylácie fullerénu. Veda o spekaní 2016, 48(2):259-272.
- Hirotaka Yoshioka, Naoko Yui, Kanaka Yatabe, Hiroto Fujiya, Haruki Musha, Hisateru Niki, Rie Karasawa, Kazuo Yudoh (2016): Polyhydroxylované C60 fullerény zabraňujú katabolickej aktivite chondrocytov pri nanomolárnych koncentráciách pri osteoartritíde. Časopis o osteoartróze 2016, 1:115.
[/prepínač]
Fakty, ktoré stoja za to vedieť
C60 Fullerény
Fullerén C60 (tiež známy ako buckyball alebo Buckminster fullerén) je molekula, ktorá je postavená zo 60 atómov uhlíka, usporiadaných ako 12 päťuholníkov a 20 šesťuholníkov. Tvar molekuly C60 pripomína futbalovú loptu. Fullerény C60 sú netoxický antioxidant, ktorý vykazuje účinnosť o 100 – 1000 vyššiu ako vitamín E. Hoci samotný C60 nie je rozpustný vo vode, bolo syntetizovaných mnoho vysoko vo vode rozpustných derivátov fullerénu, ako je fullenerol.
Fullerény C60 sa používajú ako antioxidant a ako biofarmaceutiká. Medzi ďalšie aplikácie patrí veda o materiáloch, organická fotovoltaika (OPV), katalyzátory, čistenie vody a ochrana pred biologickým nebezpečenstvom, prenosná energia, vozidlá a zdravotnícke pomôcky.
Rozpustnosť čistého C60:
- vo vode: nerozpustný
- v dimetylsulfoxide (DMSO): nerozpustný
- v toluéne: rozpustný
- v benzéne: rozpustný
Povrchová štruktúra fullerénov C60
Polyhydroxylované C60? Fulleneroly
Fullernerol alebo fulleroly sú polyhydroxylované molekuly C60 (hydratovaný fullerén C60: C60HyFn). Hydrolylačná reakcia zavádza hydroxylové skupiny (-OH) do molekuly C60. Molekuly C60 s viac ako 40 hydroxylovými skupinami majú vyššiu rozpustnosť vo vode (>50 mg/ml). Existujú ako monodisperzné nanočastice vo vode a majú statočný leštiaci účinok. Vykazujú vynikajúce antioxidačné a protizápalové vlastnosti. Polyhydroxylované fullerény (fullerenoly; C60(OH)n) sa môže rozpustiť v niektorých alkoholoch a potom sa môže vyčnievať elektrochemickým procesom, čím sa na anóde vytvorí nanokarbónový film. Fullerenolové fólie sa používajú ako biokompatibilný povlak, inertný voči biologickým objektom a môžu uľahčiť integráciu nebiologických objektov do telesných tkanív.
Rozpustnosť fullenerolu:
- vo vode: rozpustný, môže dosiahnuť >50 mg/ml
- v dimetylsulfoxide (DMSO): rozpustný
- v metanole: mierne rozpustný
- v toluéne: nerozpustný
- v benzéne: nerozpustný
Farba: Fullerenol nesúci viac ako 10 –OH skupín vykazuje tmavohnedú farbu. So zvyšujúcim sa počtom skupín –OH sa farba postupne mení z tmavohnedej na žltú.
Rozpustnosť rozpustnosti C60(OH)8,2H2O v porovnaní s C60 v rôznych rozpúšťadlách. zdroj: Afreen et al. 2017
Aplikácie a použitie fullerenolov:
- Farmaceutické: Diagnostické činidlá, superlieky, kozmetika, nukleárna magnetická rezonancia (NMR) s vývojárom. Afinita DNA, lieky proti HIV, protirakovinové lieky, chemoterapeutické lieky, kozmetické prísady a vedecký výskum. V porovnaní s nedotknutou formou majú polyhydroxylované fullerény viac potenciálnych aplikácií vďaka svojej zvýšenej rozpustnosti vo vode. Zistilo sa, že fulleroly môžu znížiť kardiotoxicitu niektorých liekov a inhibovať HIV-proteázu, vírus hepatitídy C a abnormálny rast buniek. Okrem toho vykazovali vynikajúce schopnosti zachytávať voľné radikály proti reaktívnym formám kyslíka a radikálom za fyziologických podmienok.
- Energia: Solárna batéria, palivový článok, sekundárna batéria.
- Odvetvie: Materiál odolný voči opotrebovaniu, materiály spomaľujúce horenie, mazivá, polymérne prísady, vysokovýkonná membrána, katalyzátor, umelý diamant, tvrdá zliatina, elektrická viskózna kvapalina, atramentové filtre, vysokovýkonné nátery, povlaky spomaľujúce horenie, výroba bioaktívnych materiálov, pamäťové materiály, vložené molekulárne a iné vlastnosti, kompozitné materiály atď.
- Informačný priemysel: Polovodičové záznamové médium, magnetické materiály, tlačiarenská farba, toner, atrament, papier na špeciálne účely.
- Elektronické časti: Supravodivý polovodič, diódy, tranzistory, induktor.
- Optické materiály, elektronická kamera, fluorescenčná zobrazovacia trubica, nelineárne optické materiály.
- Životné prostredie: Adsorpcia plynu, skladovanie plynu.