Ультразвуково полігідроксилюваний C60 (фулеренол)
- Водорозчинний полігідроксилюваний фулерен C60, який називають фулеренолом або фулеролом, є сильним поглиначем вільних радикалів і тому використовується як антиоксидант у добавках та фармацевтичних препаратах.
- Ультразвукове гідроксилювання є швидкою та простою одностадійною реакцією, яку використовують для виробництва водорозчинного полігідроксилюваного C60.
- Ультразвуково синтезований водорозчинний C60 має вищу якість і використовується для фармацевтичних та високоефективних застосувань.
Ультразвуковий одностадійний синтез полігідроксилюваного C60
Ультразвукова кавітація є найкращою технікою для виробництва високоякісних полігідроксилюваних фулеренів C60, які є водорозчинними і тому можуть використовуватися в різних застосуваннях у фармацевтиці, медицині та промисловості. Afreen et al (2017) розробили швидкий і простий ультразвуковий синтез полігідроксилюваного C60 без забруднень (також відомого як фулеренол або фулерол). Ультразвукова одностадійна реакція використовує H2O2 і не потребує додаткових гідроксилюючих реагентів, тобто NaOH, H2SO4 та каталізаторів перенесення фази (PTC), які спричиняють домішки в синтезованому фулеренолі. Це робить ультразвуковий синтез фулеренолу більш чистим підходом до виробництва фулеренолу; водночас це простіший і швидший спосіб виробництва високоякісного, водорозчинного C60.
Можливі шляхи реакції в ультразвуково-асистованому синтезі фулеренолу в присутності розб. H2O2 (30%).
джерело: Afreen et al. 2017
Ультразвуковий синтез водорозчинного C60 – покроково
Для швидкої, простої та екологічної підготовки полігідроксилюваного C60, який є водорозчинним, 200 мг чистого C60 додають до 20mL 30% H2O2 і обробляють ультразвуком за допомогою моделей сонікаторів UP200Ht або UP200St. Параметри ультразвукової обробки становили 30% амплітуди, 200 W у імпульсному режимі протягом 1 h при кімнатній температурі. Реакційну посудину поміщають у холодильний циркуляторний водяний баню, щоб підтримувати температуру всередині посудини на рівні кімнатної температури. Перед ультразвуковою обробкою C60 є незмішуваним у водному H2O2 і являє собою безбарвну гетерогенну суміш, яка набуває світло-коричневого кольору після 30 min ультразвукової обробки. Згодом, протягом наступних 30 min ультразвукової обробки, вона перетворюється на повністю темно-коричневу дисперсію.
Донор гідроксильних груп: Інтенсивна ультразвуково генерована (= акустична) кавітація створює радикали, такі як cOH, cOOH та cH, з молекул H2O та H2O2. Використання H2O2 у водних середовищах є більш ефективним підходом для введення груп –OH у каркас C60, ніж використання лише H2O для синтезу фулеренолу. H2O2 відіграє важливу роль в інтенсифікації ультразвукового гідроксилювання.
Ультразвукове гідроксилювання C60 з використанням розб. H2O2 (30%) є легкою та швидкою одностадійною реакцією для підготовки фулеренолу. Потребуючи лише короткого часу для реакції, ультразвукова реакція пропонує екологічний і чистий підхід з низькою енерговитратою, уникаючи використання будь-яких токсичних або корозійних реагентів для синтезу, і зменшуючи кількість розчинників, необхідних для розділення та очищення C60(OH)8∙2H2O.
UP400St (400W, 24kHz) є потужним ультразвуковим диспергатором
Шлях ультразвукового полігідроксилювання
Коли інтенсивні ультразвукові хвилі вводяться в рідину, чергування циклів низького тиску / високого тиску створюють вакуумні бульбашки в рідині. Вакуумні бульбашки зростають протягом кількох циклів, доки вони не можуть поглинати більше енергії, так що вони колапсують насильно. Під час колапсу бульбашки виникають екстремальні фізичні ефекти, такі як високі температури та різниці тисків, ударні хвилі, мікрострумені, турбулентності, зсувні сили тощо. Це явище відоме як ультразвукова або акустична кавітація.Ці інтенсивні сили ультразвукової кавітації розкладають молекули на радикали cOH та cOOH55.
Afreen et al. (2017) припускають, що реакція може протікати одночасно за двома шляхами. Радикали cOH як активні форми кисню (ROS) приєднуються до каркасу C60, утворюючи фулеренол (Шлях I), і/або радикали –OH та cOOH атакують електронно-дефіцитні подвійні зв’язки C60 в нуклеофільній реакції, і це призводить до утворення епоксиду фулерену [C60On] як проміжного продукту на першій стадії (Шлях II), що подібний до механізму реакції Бінгеля. Подальша повторювана атака cOH (або cOOH) на C60O через реакцію SN2 призводить до полігідроксилюваного фулерену або фулеренолу.
Можливе повторюване епоксидування, яке виробляє послідовні епоксидні групи, наприклад, C60O2 та C60O3. Ці епоксидні групи можуть бути можливими кандидатами для генерації інших проміжних продуктів, наприклад, гідроксилюваного епоксиду фулерену під час сонолізу (= сонохімічного розкладання). Додатково, подальше розкриття циклу C60(OH)xOy за допомогою cOH може призвести до утворення фулеренолу. Утворення цих проміжних продуктів під час сонолізу H2O2 або H2O в присутності C60 є неминучим, і їхня наявність у кінцевому фулеренолі (хоча й у сліді) не може залишитися непоміченою. Однак, оскільки вони присутні лише у слідових кількостях у фулеренолі, не очікується, що вони спричинять будь-який значний вплив. [Afreen et al., 2017]
Високопродуктивні соникатори для диспергування фулеренів
Hielscher Ultrasonics постачає соникатори зондового типу для ваших специфічних вимог: чи хочете ви проводити ультразвукову обробку малих об’ємів у лабораторних масштабах, чи виробляти великий об’ємний потік в промислових масштабах, портфель Hielscher високопродуктивних соникаторів пропонує ідеальне рішення для вашого диспергування фулеренів. Висока потужність виходу, точна регульованість та надійність наших ультразвукових апаратів гарантують, що ваші процесні вимоги будуть виконані. Цифрові сенсорні екрани та автоматичний запис даних про ультразвукові параметри на інтегровану SD-картку роблять експлуатацію та контроль наших ультразвукових пристроїв дуже зручними для користувача.
Надійність ультразвукового обладнання Hielscher дозволяє працювати цілодобово (24/7) при важких навантаженнях та в складних середовищах.
Нижче наведена таблиця дає вам уявлення про приблизну пропускну здатність наших ультразвукових апаратів:
| Об’єм партії | Об’ємна витрата | Рекомендовані пристрої |
|---|---|---|
| 1–500 mL | 10–200 mL/min | UP100H |
| 10–2000 mL | 20–400 mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1–20 L | 0,2–4 L/min | UIP2000hdT |
| 10–100 L | 2–10 L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10–100 L/min | UIP16000 |
| n.a. | більше | кластер UIP16000 |
Зв’яжіться з нами! / Запитайте нас!
Високопотужні ультразвукові процесори від лабораторного до пілотного та промислового масштабу.
Література/Посилання
- Sadia Afreen, Kasturi Muthoosamy, Sivakumar Manickam (2018): Sono-nano chemistry: A new era of synthesising polyhydroxylated carbon nanomaterials with hydroxyl groups and their industrial aspects. Ultrasonics Sonochemistry 2018.
- Sadia Afreen, Kasturi Muthoosamy, Sivakumar Manickam (2017): Hydration or hydroxylation: direct synthesis of fullerenol from pristine fullerene [C60] via acoustic cavitation in the presence of hydrogen peroxide. RSC Adv., 2017, 7, 31930–31939.
- Grigory V. Andrievsky, Vadim I. Bruskov, Artem A. Tykhomyrov, Sergey V. Gudkov (2009): Peculiarities of the antioxidant and radioprotective effects of hydrated C60 fullerene nanostuctures in vitro and in vivo. Free Radical Biology & Medicine 47, 2009. 786–793.
- Mihajlo Gigov, Borivoj Adnađević, Borivoj Adnađević, Jelena D. Jovanovic (2016): Effect of ultrasonic field on isothermal kinetics of fullerene polyhydroxylation. 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): Polyhydroxylated C60 Fullerenes Prevent Chondrocyte Catabolic Activity at Nanomolar Concentrations in Osteoarthritis. Journal of Osteoarthritis 2016, 1:115.
[/toggle]
Факти, які варто знати
C60 фулерени
Молекула C60 фулерен (також відома як бакібол або фулерен Бакмінстера) складається з 60 атомів вуглецю, розташованих у формі 12 п’ятикутників і 20 шестикутників. Форма молекули C60 нагадує футбольний м’яч. C60 фулерени є нетоксичними антиоксидантами, що демонструють активність у 100–1000 вищу, ніж вітамін E. Хоча сам C60 не розчинний у воді, було синтезовано багато високо водорозчинних похідних фулеренів, таких як фулереноли.
C60 фулерени використовуються як антиоксиданти та біофармацевтичні засоби. Інші застосування включають матеріалознавство, органічну фотовольтаїку (OPV), каталізатори, очищення води та захист від біологічних загроз, портативні джерела живлення, транспортні засоби та медичні пристрої.
Розчинність чистого C60:
- у воді: не розчинний
- у диметилсульфоксиді (DMSO): не розчинний
- у толуолі: розчинний
- у бензолі: розчинний
Поверхнева структура C60 фулеренів
джерело: Yoshioka et al. 2016
Полігідроксилюваний C60 / Фулереноли
Фулереноли або фулероли є полігідроксилюваними молекулами C60 (гідратований C60 фулерен: C60HyFn). Реакція гідролілації вводить гідроксильні групи (-OH) у молекулу C60. Молекули C60 з більш ніж 40 гідроксильними групами мають вищу розчинність у воді (>50 mg/mL). Вони існують у воді як монодисперсні наночастинки та мають «valiant polishing effect». Вони демонструють superior антиоксидантні та протизапальні властивості. Полігідроксилювані фулерени (фулереноли; C60(OH)n) можуть розчинятися в деяких спиртах, а потім осідати в електрохімічному процесі, створюючи нановуглецеву плівку на аноді. Плівки фулеренолів використовуються як біосумісне покриття, інертне до біологічних об’єктів, і можуть полегшувати інтеграцію небіологічних об’єктів у тканини тіла.
Розчинність фулеренолу:
- у воді: розчинний, може досягати >50 mg/mL
- у диметилсульфоксиді (DMSO): розчинний
- у метанолі: слабко розчинний
- у толуолі: не розчинний
- у бензолі: не розчинний
Колір: Фулереноли, що містять більше 10 –OH груп, мають темно-коричневий колір. Зі збільшенням кількості –OH груп колір поступово змінюється від темно-коричневого до жовтого.
Розчинність Solubility of C60(OH)8.2H2O порівняно з C60 у різних розчинниках. джерело: Afreen et al. 2017
Застосування та використання фулеренолів:
- Фармацевтика: діагностичні реагенти, «super drugs», косметика, ядерний магнітний резонанс (NMR) «with the developer». Спорідненість до ДНК, анти-ВІЛ препарати, протиракові препарати, препарати для хіміотерапії, косметичні добавки та наукові дослідження. Порівняно з первісною формою, полігідроксилювані фулерени мають більше потенційних застосувань завдяки підвищеній розчинності у воді. Було виявлено, що фулероли можуть зменшувати кардіотоксичність деяких препаратів та інгібувати ВІЛ-протеазу, вірус гепатиту C та аномальне зростання клітин. Крім того, вони демонструють excellent здатність до видалення вільних радикалів проти активних форм кисню та радикалів за фізіологічних умов.
- Енергетика: сонячна батарея, паливний елемент, вторинна батарея.
- Промисловість: зносостійкі матеріали, вогнетривкі матеріали, мастила, полімерні добавки, високопродуктивні мембрани, каталізатори, штучний алмаз, тверді сплави, «electric viscous fluid», фільтри для чорнила, високопродуктивні покриття, вогнетривкі покриття, виробництво біоактивних матеріалів, матеріали пам’яті, «embedded molecular and other characteristics», композитні матеріали тощо.
- Інформаційна промисловість: напівпровідникові носії запису, магнітні матеріали, друк чорнила, тонер, чорнило, «paper special purposes».
- Електронні компоненти: надпровідні напівпровідники, діоди, транзистори, індуктори.
- Оптичні матеріали, електронні камери, флуоресцентні дисплейні трубки, нелінійні оптичні матеріали.
- Навколишнє середовище: адсорбція газів, зберігання газів.