Ultrazvočno polihidroksiliran C60 (fulerenol)
- V vodi topen polihidroksiliran fuleren C60, imenovan fulerenol ali fulerol, je močan lovilec prostih radikalov in se zato uporablja kot antioksidant v prehranskih dopolnilih in farmacevtskih izdelkih.
- Ultrazvočna hidroksilacija je hitra in preprosta enostopenjska reakcija, ki se uporablja za proizvodnjo v vodi topnega polihidroksiliranega C60.
- Ultrazvočno sintetiziran, v vodi topen C60 je vrhunske kakovosti in se uporablja v farmaciji ter pri uporabah, ki zahtevajo visoko zmogljivost.
Ultrazvočna enostopenjska sinteza polihidroksiliranega C60
Ultrazvočna kavitacija je vrhunska tehnika za proizvodnjo visokokakovostnih polihidroksiliranih fulerenov C60, ki so topni v vodi in se zato lahko uporabljajo za različne namene v farmaciji, medicini in industriji. Afreen et al (2017) so razvili hitro in preprosto ultrazvočno sintezo polihidroksiliranega C60 brez kontaminacije (znanega tudi kot fulerenol ali fulerol). Ultrazvočna enostopenjska reakcija uporablja H2O2 in poteka brez uporabe dodatnih hidroksilacijskih reagentov, tj. NaOH, H2SO4, in katalizatorjev faznega prenosa (PTC), ki povzročajo nečistoče v sintetiziranem fulerenolu. Zaradi tega je ultrazvočna sinteza fulerenola čistejši pristop k proizvodnji fulerenola; hkrati je preprostejši in hitrejši način proizvodnje visokokakovostnega, v vodi topnega C60.
Možne reakcijske poti pri ultrazvočno podprti sintezi fulerenola v prisotnosti razr. H2O2 (30%).
vir: Afreen et al. 2017
Ultrazvočna sinteza v vodi topnega C60 – korak za korakom
Za hitro, preprosto in okolju prijazno pripravo polihidroksiliranega C60, ki je topen v vodi, se 200 mg čistega C60 doda v 20mL 30% H2O2 in sonikira z modeloma sonikatorjev UP200Ht ali UP200St. Parametri sonikacije so bili 30% amplituda, 200 W v pulznem načinu delovanja 1 h pri sobni temperaturi. Reakcijska posoda se postavi v vodno kopel s hladilnim cirkulatorjem, da se temperatura v posodi ohranja na temperaturi okolice. Pred sonikacijo se C60 ne meša z vodnim H2O2 in tvori brezbarvno heterogeno zmes, ki se po 30 min ultrazvočne obdelave obarva svetlo rjavo. Nato se v naslednjih 30 min ultrazvočne obdelave spremeni v povsem temno rjavo disperzijo.
Donor hidroksilnih skupin: Intenzivna ultrazvočno ustvarjena (= akustična) kavitacija iz molekul H2O in H2O2 ustvarja radikale, kot so cOH, cOOH in cH. Uporaba H2O2 v vodnih medijih je učinkovitejši pristop za uvajanje skupin –OH na kletko C60 kot uporaba zgolj H2O za sintezo fulerenola. H2O2 ima pomembno vlogo pri intenzifikaciji ultrazvočne hidroksilacije.
Ultrazvočna hidroksilacija C60 z uporabo razr. H2O2 (30%) je preprosta in hitra enostopenjska reakcija za pripravo fulerenola. Ker reakcija zahteva le kratek čas, ultrazvočna reakcija zagotavlja okolju prijazen in čist pristop z majhnimi potrebami po energiji, pri katerem se za sintezo ne uporabljajo nobeni strupeni ali jedki reagenti, zmanjšuje pa se tudi število topil, potrebnih za ločevanje in čiščenje C60(OH)8∙2H2O.
UP400St (400W, 24kHz) je zmogljiv ultrazvočni dispergator
Pot ultrazvočne polihidroksilacije
Ko se intenzivni ultrazvočni valovi sklopijo s tekočino, izmenjujoči se cikli nizkega / visokega tlaka v tekočini ustvarjajo vakuumske mehurčke. Vakuumski mehurčki rastejo več ciklov, dokler ne morejo več absorbirati energije, nato pa silovito implodirajo. Med implozijo mehurčkov nastanejo ekstremni fizikalni učinki, kot so visoka temperatura in tlačne razlike, udarni valovi, mikrocurek, turbulenca, strižne sile itd. Ta pojav je znan kot ultrazvočna ali akustična kavitacija. Te intenzivne sile ultrazvočne kavitacije razgradijo molekule v radikale cOH in cOOH55.
Afreen et al. (2017) predpostavljajo, da lahko reakcija hkrati poteka po dveh poteh. Radikali cOH se kot reaktivne kisikove zvrsti (ROS) vežejo na kletko C60, pri čemer nastane fulerenol (pot I), in/ali radikali –OH in cOOH v nukleofilni reakciji napadejo dvojne vezi C60, ki so elektronsko osiromašene, kar privede do nastanka fulerenskega epoksida [C60On] kot intermediata v prvi stopnji (pot II), kar je podobno mehanizmu Bingelove reakcije. Nadalje ponavljajoči se napad cOH (ali cOOH) na C60O prek reakcije SN2 povzroči nastanek polihidroksiliranega fulerena ali fulerenola.
Lahko pride do ponavljajoče se epoksidacije, pri kateri zaporedoma nastajajo epoksidne skupine, npr. C60O2 in C60O3. Te epoksidne skupine bi lahko bile možni kandidati za nastanek drugih intermediatov, npr. hidroksiliranega fulerenskega epoksida med sonolizo (= sonokemijsko razgradnjo). Poleg tega lahko poznejše odpiranje obroča C60(OH)xOy s cOH povzroči nastanek fulerenola. Nastanek teh intermediatov med sonolizo H2O2 ali H2O v prisotnosti C60 je neizogiben, njihove prisotnosti v končnem fulerenolu (čeprav v sledovih) pa ni mogoče prezreti. Ker pa so v fulerenolu prisotni le v sledovih, se ne pričakuje, da bi imeli kakršen koli pomemben vpliv. [Afreen et al., 2017]
Visokozmogljivi sonikatorji za dispergiranje fulerenov
Hielscher Ultrasonics dobavlja sonikatorje s sondo za vaše posebne zahteve: ne glede na to, ali želite sonikirati majhne volumne v laboratorijskem merilu ali proizvajati tok velikih volumnov v industrijskem merilu, ponudba visokozmogljivih sonikatorjev Hielscher zagotavlja popolno rešitev za dispergiranje vaših fulerenov. Visoka izhodna moč, natančna nastavljivost in zanesljivost naših ultrazvočnih naprav zagotavljajo izpolnjevanje vaših procesnih zahtev. Digitalni zasloni na dotik in samodejno beleženje podatkov o ultrazvočnih parametrih na vgrajeno kartico SD omogočajo uporabniku zelo prijazno upravljanje in nadzor naših ultrazvočnih naprav.
Robustnost ultrazvočne opreme Hielscher omogoča delovanje 24/7 pri velikih obremenitvah in v zahtevnih okoljih.
Spodnja tabela prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih naprav:
| Volumen šarže | Pretok | Priporočene naprave |
|---|---|---|
| 1 do 500mL | 10 do 200mL/min | UP100H |
| 10 do 2000mL | 20 do 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 do 20L | 0,2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | večji | sklop naprav UIP16000 |
Stopite v stik z nami! / Vprašajte nas!
Ultrazvočni procesorji velike moči za laboratorijsko, pilotno in industrijsko merilo.
Literatura/Reference
- Sadia Afreen, Kasturi Muthoosamy, Sivakumar Manickam (2018): Sono-nano kemija: nova doba sinteze polihidroksiliranih ogljikovih nanomaterialov s hidroksilnimi skupinami in njihovi industrijski vidiki. Ultrasonics Sonochemistry 2018.
- Sadia Afreen, Kasturi Muthoosamy, Sivakumar Manickam (2017): Hidratacija ali hidroksilacija: neposredna sinteza fulerenola iz neobdelanega fulerena [C60] z akustično kavitacijo v prisotnosti vodikovega peroksida. RSC Adv., 2017, 7, 31.930–31.939.
- Grigory V. Andrievsky, Vadim I. Bruskov, Artem A. Tykhomyrov, Sergey V. Gudkov (2009): Posebnosti antioksidativnih in radioprotektivnih učinkov hidratiranih nanostruktur fulerena C60 in vitro in in vivo. Free Radical Biology & Medicine 47, 2009. 786–793.
- Mihajlo Gigov, Borivoj Adnađević, Borivoj Adnađević, Jelena D. Jovanovic (2016): Vpliv ultrazvočnega polja na izotermno kinetiko polihidroksilacije fulerena. 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): Polihidroksilirani fulereni C60 pri nanomolarnih koncentracijah preprečujejo katabolno aktivnost hondrocitov pri osteoartritisu. Journal of Osteoarthritis 2016, 1:115.
[/toggle]
Koristna dejstva
Fulereni C60
Fuleren C60 (znan tudi kot buckyball ali Buckminsterjev fuleren) je molekula, sestavljena iz 60 ogljikovih atomov, razporejenih v 12 petkotnikov in 20 šestkotnikov. Oblika molekule C60 spominja na nogometno žogo. Fulereni C60 so nestrupen antioksidant z učinkovitostjo, ki je za 100–1000 višja od učinkovitosti vitamina E. Čeprav sam C60 ni topen v vodi, so bili sintetizirani številni v vodi zelo dobro topni derivati fulerenov, kot je fulerenol.
Fulereni C60 se uporabljajo kot antioksidant in kot biofarmacevtsko zdravilo. Druge uporabe vključujejo znanost o materialih, organsko fotovoltaiko (OPV), katalizatorje, čiščenje vode in zaščito pred biološkimi nevarnostmi, prenosne vire energije, vozila in medicinske pripomočke.
Topnost čistega C60:
- v vodi: ni topen
- v dimetil sulfoksidu (DMSO): ni topen
- v toluenu: topen
- v benzenu: topen
Površinska struktura fulerenov C60
vir: Yoshioka et al. 2016
Polihidroksiliran C60 / fulerenoli
Fulerenol oziroma fuleroli so polihidroksilirane molekule C60 (hidratiran fuleren C60: C60HyFn). Reakcija hidrolilacije uvaja hidroksilne skupine (-OH) v molekulo C60. Molekule C60 z več kot 40 hidroksilnimi skupinami imajo večjo topnost v vodi (>50 mg/mL). V vodi obstajajo kot monodisperzni nanodelci in imajo »hraber« učinek poliranja. Izkazujejo vrhunske antioksidativne in protivnetne lastnosti. Polihidroksilirane fulerene (fulerenole; C60(OH)n) je mogoče raztopiti v nekaterih alkoholih in jih nato oboriti v elektrokemijskem postopku, pri čemer na anodi nastane nanoogljikov film. Fulerenolni filmi se uporabljajo kot biokompatibilna prevleka, inertna do bioloških objektov, in lahko olajšajo vključevanje nebioloških objektov v telesna tkiva.
Topnost fulerenola:
- v vodi: topen, lahko doseže >50 mg/mL
- v dimetil sulfoksidu (DMSO): topen
- v metanolu: slabo topen
- v toluenu: ni topen
- v benzenu: ni topen
Barva: Fulerenol z več kot 10 skupinami –OH je temno rjave barve. Z naraščajočim številom skupin –OH se barva postopoma spreminja iz temno rjave v rumeno.
Topnost topnosti C60(OH)8.2H2O v primerjavi s C60 v različnih topilih. vir: Afreen et al. 2017
Področja uporabe in uporaba fulerenolov:
- Farmacija: diagnostični reagenti, »super zdravila«, kozmetika, jedrska magnetna resonanca (NMR) »z razvijalcem«. Afiniteta do DNA, zdravila proti HIV, zdravila proti raku, zdravila za kemoterapijo, kozmetični dodatki in znanstvene raziskave. V primerjavi z neobdelano obliko imajo polihidroksilirani fulereni zaradi izboljšane topnosti v vodi več možnosti uporabe. Ugotovljeno je bilo, da lahko fuleroli zmanjšajo kardiotoksičnost nekaterih zdravil ter zavirajo proteazo HIV, virus hepatitisa C in nenormalno rast celic. Poleg tega so v fizioloških pogojih izkazali odlične sposobnosti lovljenja prostih radikalov pri reaktivnih kisikovih zvrsteh in radikalih.
- Energija: sončna baterija, gorivna celica, sekundarna baterija.
- Industrija: material, odporen proti obrabi, materiali za zaviranje gorenja, maziva, polimerni dodatki, visokozmogljiva membrana, katalizator, umetni diamant, trda zlitina, »električna viskozna tekočina«, filtri za črnilo, visokozmogljive prevleke, protipožarne prevleke, proizvodnja bioaktivnih materialov, spominski materiali, »vgrajene molekularne in druge značilnosti«, kompozitni materiali itd.
- Informacijska industrija: polprevodniški zapisovalni medij, magnetni materiali, tiskarska barva, toner, črnilo, papir za posebne namene.
- Elektronske komponente: superprevodniški polprevodnik, diode, tranzistorji, induktor.
- Optični materiali, elektronska kamera, fluorescenčna prikazovalna cev, nelinearni optični materiali.
- Okolje: adsorpcija plinov, shranjevanje plinov.