C60 được polyhydroxyl hóa bằng siêu âm (Fullerenol)

• Fullerene C60 được polyhydroxyl hóa tan trong nước, được gọi là fullerenol hoặc fullerol, là chất bắt giữ gốc tự do mạnh và do đó được sử dụng làm chất chống oxy hóa trong thực phẩm bổ sung và dược phẩm.
• Hydroxyl hóa bằng siêu âm là phản ứng một bước nhanh chóng và đơn giản, được sử dụng để sản xuất C60 được polyhydroxyl hóa tan trong nước.
• C60 tan trong nước được tổng hợp bằng siêu âm có chất lượng vượt trội và được sử dụng trong lĩnh vực dược phẩm và các ứng dụng hiệu năng cao.

Tổng hợp C60 được polyhydroxyl hóa bằng siêu âm trong một bước

Xâm thực siêu âm là kỹ thuật ưu việt để sản xuất fullerene C60 được polyhydroxyl hóa chất lượng cao, tan trong nước và do đó có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng trong lĩnh vực dược phẩm, y học và công nghiệp. Afreen và cộng sự (2017) đã phát triển phương pháp tổng hợp bằng siêu âm nhanh chóng và đơn giản để tạo ra C60 được polyhydroxyl hóa không chứa tạp chất (còn được gọi là fullerenol hoặc fullerol). Phản ứng một bước bằng siêu âm sử dụng H2O2 và không sử dụng thêm các tác nhân hydroxyl hóa, cụ thể là NaOH, H2SO4 và các chất xúc tác chuyển pha (PTC), vốn gây ra tạp chất trong fullerenol được tổng hợp. Điều này khiến quá trình tổng hợp fullerenol bằng siêu âm trở thành một phương pháp sạch hơn để sản xuất fullerenol; đồng thời, đây cũng là cách dễ dàng hơn và nhanh hơn để sản xuất C60 tan trong nước có chất lượng cao.

Các con đường phản ứng có thể xảy ra trong quá trình tổng hợp fullerenol có hỗ trợ siêu âm với sự hiện diện của H2O2 loãng (30%).
nguồn: Afreen và cộng sự 2017

Tổng hợp C60 tan trong nước bằng siêu âm – Từng bước

Để điều chế C60 được polyhydroxyl hóa tan trong nước một cách nhanh chóng, đơn giản và thân thiện với môi trường, thêm 200 mg C60 tinh khiết vào 20mL H2O2 30% và xử lý bằng siêu âm với các mẫu thiết bị UP200Ht hoặc UP200St. Các thông số xử lý siêu âm là biên độ 30%, công suất 200 W ở chế độ xung trong 1 h ở nhiệt độ phòng. Bình phản ứng được đặt trong bể nước tuần hoàn có làm lạnh để duy trì nhiệt độ bên trong bình ở nhiệt độ môi trường. Trước khi xử lý siêu âm, C60 không hòa lẫn trong dung dịch H2O2 trong nước và tạo thành hỗn hợp không đồng nhất, không màu; hỗn hợp này chuyển sang màu nâu nhạt sau 30 min xử lý siêu âm. Sau đó, trong 30 min xử lý siêu âm tiếp theo, hỗn hợp chuyển thành hệ phân tán hoàn toàn có màu nâu sẫm.
Chất cho nhóm hydroxyl: Hiện tượng xâm thực mạnh do siêu âm tạo ra (= xâm thực âm học) tạo thành các gốc tự do như cOH, cOOH và cH từ các phân tử H2O và H2O2. Sử dụng H2O2 trong môi trường nước là phương pháp hiệu quả hơn để đưa các nhóm –OH lên khung lồng C60 so với chỉ sử dụng H2O để tổng hợp fullerenol. H2O2 đóng vai trò quan trọng trong việc tăng cường quá trình hydroxyl hóa bằng siêu âm.

Hydroxyl hóa C60 bằng siêu âm sử dụng H2O2 loãng (30%) là phản ứng một bước đơn giản và nhanh chóng để điều chế fullerenol. Chỉ cần thời gian phản ứng ngắn, phản ứng siêu âm mang lại một phương pháp xanh và sạch với nhu cầu năng lượng thấp, tránh sử dụng bất kỳ tác nhân độc hại hoặc ăn mòn nào trong quá trình tổng hợp, đồng thời giảm số lượng dung môi cần thiết để tách và tinh chế C60(OH)₈∙2H₂O.

Con đường polyhydroxyl hóa bằng siêu âm

Khi sóng siêu âm cường độ cao được truyền vào chất lỏng, các chu kỳ áp suất thấp / áp suất cao luân phiên tạo ra các bọt chân không trong chất lỏng. Các bọt chân không phát triển qua nhiều chu kỳ cho đến khi không thể hấp thụ thêm năng lượng, rồi sụp đổ dữ dội. Trong quá trình bọt sụp đổ, các hiệu ứng vật lý cực mạnh xuất hiện, chẳng hạn như chênh lệch nhiệt độ và áp suất lớn, sóng xung kích, các tia chất lỏng vi mô, dòng chảy rối, lực cắt, v.v. Hiện tượng này được gọi là xâm thực siêu âm hay xâm thực âm học. Các lực mạnh này của hiện tượng xâm thực siêu âm phân hủy các phân tử thành các gốc cOH và cOOH55.
Afreen và cộng sự (2017) cho rằng phản ứng có thể diễn ra đồng thời theo hai con đường. Các gốc cOH, với vai trò là các dạng oxy hoạt tính (ROS), gắn vào cấu trúc lồng C60 để tạo thành fullerenol (Con đường I), và/hoặc các gốc –OH và cOOH tấn công các liên kết đôi thiếu electron của C60 trong một phản ứng ái nhân, dẫn đến sự hình thành epoxit fulleren [C60On] làm chất trung gian ở giai đoạn đầu tiên (Con đường II), tương tự cơ chế của phản ứng Bingel. Tiếp đó, sự tấn công lặp lại của cOH (hoặc cOOH) vào C60O thông qua phản ứng SN2 tạo ra fulleren đa hydroxyl hóa hay fullerenol.
Quá trình epoxi hóa lặp lại có thể diễn ra, tạo ra các nhóm epoxit kế tiếp, ví dụ C60O2 và C60O3. Các nhóm epoxit này có thể là những tiền chất tiềm năng để tạo ra các chất trung gian khác, ví dụ epoxit fulleren đã hydroxyl hóa, trong quá trình phân hủy bằng siêu âm (= phân hủy hóa siêu âm). Ngoài ra, quá trình mở vòng tiếp theo của C60(OH)xOy với cOH có thể dẫn đến sự hình thành fullerenol. Sự hình thành các chất trung gian này trong quá trình phân hủy H2O2 hoặc H2O bằng siêu âm khi có mặt C60 là không thể tránh khỏi, và sự hiện diện của chúng trong fullerenol cuối cùng (mặc dù chỉ ở lượng vết) không thể bị bỏ qua. Tuy nhiên, vì chúng chỉ hiện diện ở lượng vết trong fullerenol nên dự kiến chúng sẽ không gây ra bất kỳ ảnh hưởng đáng kể nào. [Afreen et al., 2017]

Máy siêu âm hiệu suất cao để phân tán fulleren

Hielscher Ultrasonics cung cấp các máy siêu âm dạng đầu dò đáp ứng yêu cầu cụ thể của bạn: Dù bạn muốn xử lý siêu âm các thể tích nhỏ ở quy mô phòng thí nghiệm hay tạo ra dòng có thể tích lớn ở quy mô công nghiệp, danh mục máy siêu âm hiệu suất cao của Hielscher đều mang đến giải pháp hoàn hảo cho việc phân tán fulleren của bạn. Công suất đầu ra cao, khả năng điều chỉnh chính xác và độ tin cậy của các máy siêu âm của chúng tôi bảo đảm đáp ứng các yêu cầu quy trình của bạn. Màn hình cảm ứng kỹ thuật số và chức năng tự động ghi dữ liệu thông số siêu âm vào thẻ SD tích hợp giúp việc vận hành và điều khiển các thiết bị siêu âm của chúng tôi trở nên rất thân thiện với người dùng.
Độ bền của thiết bị siêu âm Hielscher cho phép vận hành 24/7 ở chế độ tải nặng và trong các môi trường khắc nghiệt.
Bảng dưới đây cho biết năng lực xử lý gần đúng của các máy siêu âm của chúng tôi: