Polyhydroxylerat C60 framställt med ultraljud (fullerenol)

• Vattenlöslig polyhydroxylerad C60-fulleren, som kallas fullerenol eller fullerol, är en kraftfull infångare av fria radikaler och används därför som antioxidant i kosttillskott och läkemedel.
• Ultraljudshydroxylering är en snabb och enkel enstegsreaktion som används för att framställa vattenlösligt polyhydroxylerat C60.
• Vattenlösligt C60 som syntetiserats med ultraljud har överlägsen kvalitet och används inom läkemedelsområdet och i högpresterande tillämpningar.

Enstegssyntes av polyhydroxylerat C60 med ultraljud

Ultraljudskavitation är den överlägsna tekniken för att framställa högkvalitativa polyhydroxylerade C60-fullerener, som är vattenlösliga och därför kan användas i olika tillämpningar inom läkemedel, medicin och industri. Afreen et al (2017) har utvecklat en snabb och enkel ultraljudssyntes av kontamineringsfritt polyhydroxylerat C60 (även känt som fullerenol eller fullerol). Enstegsreaktionen med ultraljud använder H2O2 och sker utan användning av ytterligare hydroxyleringsreagenser, dvs. NaOH, H2SO4 och fasöverföringskatalysatorer (PTC), som orsakar föroreningar i den syntetiserade fullerenolen. Detta gör ultraljudssyntesen av fullerenol till en renare metod för att framställa fullerenol; samtidigt är det ett enklare och snabbare sätt att framställa högkvalitativt, vattenlösligt C60.

Möjliga reaktionsvägar vid ultraljudsassisterad syntes av fullerenol i närvaro av utspädd H2O2 (30%).
källa: Afreen et al. 2017

Ultraljudssyntes av vattenlösligt C60 – steg för steg

För snabb, enkel och miljövänlig framställning av polyhydroxylerat C60, som är vattenlösligt, tillsätts 200 mg rent C60 till 20mL 30% H2O2 och behandlas med ultraljud med ultraljudsmodellerna UP200Ht eller UP200St. Parametrarna för ultraljudsbehandlingen var 30% amplitud, 200 W i pulserat läge under 1 h vid rumstemperatur. Reaktionskärlet placeras i ett kylt cirkulationsvattenbad för att hålla temperaturen inuti kärlet på omgivningstemperatur. Före ultraljudsbehandlingen är C60 oblandbart med H2O2 i vattenlösning och utgör en färglös heterogen blandning, som blir ljusbrun efter 30 min ultraljudsbehandling. Därefter övergår den under de följande 30 min av ultraljudsbehandling till en helt mörkbrun dispersion.
Hydroxyldonator: Intensiv kavitation som genereras med ultraljud (= akustisk kavitation) skapar radikaler såsom cOH, cOOH och cH från H2O- och H2O2-molekyler. Användning av H2O2 i vattenbaserade medier är en effektivare metod för att införa –OH-grupper på C60-buren än att enbart använda H2O vid syntesen av fullerenol. H2O2 spelar en viktig roll för intensifieringen av ultraljudshydroxyleringen.

Ultraljudshydroxylering av C60 med utspädd H2O2 (30%) är en enkel och snabb enstegsreaktion för att framställa fullerenol. Eftersom reaktionen endast kräver kort tid erbjuder ultraljudsreaktionen en miljövänlig och ren metod med lågt energibehov, som undviker användning av giftiga eller frätande reagenser vid syntesen och minskar antalet lösningsmedel som krävs för separation och rening av C60(OH)₈∙2H₂O.

Reaktionsväg för polyhydroxylering med ultraljud

När intensiva ultraljudsvågor kopplas in i en vätska skapar växlande lågtrycks- och högtryckscykler vakuumbubblor i vätskan. Vakuumbubblorna växer under flera cykler tills de inte kan absorbera mer energi, varpå de kollapsar våldsamt. Under bubbelkollapsen uppstår extrema fysikaliska effekter såsom höga temperatur- och tryckskillnader, stötvågor, mikrostrålar, turbulens, skjuvkrafter osv. Detta fenomen kallas ultraljudskavitation eller akustisk kavitation. Dessa intensiva krafter från ultraljudskavitationen sönderdelar molekylerna till cOH- och cOOH55-radikaler.
Afreen et al. (2017) antar att reaktionen kan fortskrida via två reaktionsvägar samtidigt. cOH-radikaler, som är reaktiva syreföreningar (ROS), binder till C60-buren och bildar fullerenol (reaktionsväg I), och/eller angriper –OH- och cOOH-radikaler de elektronfattiga dubbelbindningarna i C60 i en nukleofil reaktion, vilket leder till bildning av fullerenepoxid [C60On] som en intermediär i det första steget (reaktionsväg II), vilket liknar mekanismen för Bingelreaktionen. Vidare leder upprepade angrepp av cOH (eller cOOH) på C60O via en SN2-reaktion till polyhydroxylerad fulleren eller fullerenol.
Upprepad epoxidering kan äga rum och ge upphov till successiva epoxidgrupper, t.ex. C60O2 och C60O3. Dessa epoxidgrupper skulle kunna vara möjliga kandidater för att bilda andra intermediärer, t.ex. hydroxylerad fullerenepoxid under sonolys (= sonokemisk sönderdelning). Dessutom kan den efterföljande ringöppningen av C60(OH)xOy med cOH leda till bildning av fullerenol. Bildningen av dessa intermediärer under sonolysen av H2O2 eller H2O i närvaro av C60 är oundviklig, och deras förekomst i den slutliga fullerenolen (även om det bara rör sig om spårmängder) kan inte lämnas obeaktad. Eftersom de endast förekommer i spårmängder i fullerenolen förväntas de dock inte ha någon betydande inverkan. [Afreen et al., 2017]

Högpresterande ultraljudsapparater för dispergering av fullerener

Hielscher Ultrasonics levererar ultraljudsapparater med sond för dina specifika krav: Oavsett om du vill ultraljudsbehandla små volymer i laboratorieskala eller producera stora volymflöden i industriell skala erbjuder Hielschers sortiment av högpresterande ultraljudsapparater den perfekta lösningen för din fullerendispergering. Den höga uteffekten, de precisa inställningsmöjligheterna och tillförlitligheten hos våra ultraljudsapparater säkerställer att dina processkrav uppfylls. Digitala pekskärmar och automatisk registrering av ultraljudsparametrarna på ett integrerat SD-kort gör driften och styrningen av våra ultraljudsapparater mycket användarvänlig.
Hielschers robusta ultraljudsutrustning möjliggör drift dygnet runt vid hög belastning och i krävande miljöer.
Tabellen nedan ger en uppfattning om våra ultraljudsapparaters ungefärliga bearbetningskapacitet: