Tổng hợp dễ dàng và quy mô của fullerenol hòa tan trong nước có độ hydroxy hóa cao dưới dạng hạt nano đơn

Nano Research - Tập 4 - Trang 204-215 - 2010
Ken Kokubo1, Shogo Shirakawa1, Naoki Kobayashi1, Hisae Aoshima2, Takumi Oshima1
1Division of Applied Chemistry, Graduate School of Engineering, Osaka University, Suita, Osaka, Japan
2Vitamin C60 BioResearch Corporation, Tokyo, Japan

Tóm tắt

Một fullerenol hòa tan trong nước, tức là một polyhydroxylated fullerene, với 44 nhóm hydroxyl và 8 phân tử nước thứ cấp liên kết, C60(OH)44·8H2O (cấu trúc trung bình được ước lượng), đã được tổng hợp thông qua một phản ứng đơn giản từ C60 nguyên chất bằng cách hydroxyl hóa với hydro peroxide trong sự hiện diện của chất xúc tác chuyển pha, tetra-n-butylammonium hydroxide (TBAH), dưới điều kiện hai lớp hữu cơ/nước. Fullerenol đã thể hiện độ hòa tan trong nước cao, lên đến 64,9 mg/mL, trong điều kiện trung tính (pH = 7). Phân tích tán xạ ánh sáng động (DLS) cho thấy phân bố kích thước hạt hẹp, từ 1–2 nm, cho thấy fullerenol có đặc tính phân tán cao trong nước. Kết quả phân tích kích thước hạt, cả định hướng vào một nanoregion duy nhất và được thực hiện bằng phương pháp tạo nháy cảm ứng (IG) mới và kính hiển vi đo quét (SPM), tương thích với kết quả DLS. Một cơ chế phản ứng khả thi, bao gồm các trung gian fullerene oxide được phát hiện bằng sắc ký lỏng - khối phổ (LC-MS), đã được đề xuất.

Từ khóa

#fullerenol #hydroxylation #C60 #nước #phân tích kích thước hạt #tán xạ ánh sáng động #LC-MS

Tài liệu tham khảo

Jiao, F.; Liu, Y.; Qu, Y.; Li, W.; Zhou, G.; Ge, C.; Li, Y.; Sun, B.; Chen, C. Studies on anti-tumor and antimetastatic activities of fullerenol in a mouse breast cancer model. Carbon 2010, 48, 2231–2243. Xu, J. -Y.; Su, Y. -Y.; Cheng, J. -S.; Li, S. -X.; Liu, R.; Li, W. -X.; Xu, G. -T.; Li, Q. -N. Protective effects of fullerenol on carbon tetrachloride-induced acute hepatotoxicity and nephrotoxicity in rats. Carbon 2010, 48, 1388–1396. Mikawa, M.; Kato, H.; Okumura, M.; Narazaki, M.; Kanazawa, Y.; Miwa, N.; Shinohara, H. Paramagnetic water-soluble metallofullerenes having the highest relaxivity for MRI contrast agents. Bioconjugate Chem. 2001, 12, 510–514. Chen, C.; Xing, G.; Wang, J.; Zhao, Y.; Li, B.; Tang, J.; Jia, G.; Wang, T.; Sun, J.; Xing, L.; Yuan, H.; Gao, Y.; Meng, H.; Chen, Z.; Zhao, F.; Chai, Z.; Fang, X. Multihydroxylated [Gd@C82(OH)22]n nanoparticles: Antineoplastic activity of high efficiency and low toxicity. Nano Lett. 2005, 5, 2050–2057. Aoshima, H.; Kokubo, K.; Shirakawa, S.; Ito, M.; Yamana, S.; Oshima, T. Antimicrobial activity of fullerenes and their hydroxylated derivatives. Biocontrol Sci. 2009, 14, 69–72. Chiang, L. Y.; Lu, F. -J.; Lin, J. -T. Free radical scavenging activity of water-soluble fulerenols. J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1995, 1283–1284. Dugan, L. L.; Gabrielsen, J. K.; Yu, S. P.; Lin, T. -S.; Choi, D. W. Buckminsterfullerenol free radical scavengers reduce excitotoxic and apoptotic death of cultured cortical neurons. Nerobiol. Dis. 1996, 3, 129–135. Sun, D.; Zhu, Y.; Liu, Z.; Liu, G.; Guo, X.; Zhan, R.; Liu, S. Active oxygen radical scavenging ability of water-soluble fullerenols. Chin. Sci. Bull. 1997, 42, 748–752. Lai, H. -S.; Chen, W. -J.; Chiang, L. -Y. Free radical scavenging activity of fullerenol on the iischemia-reperfusion intestine in dogs. World J. Surg. 2000, 24, 450–454. Guldi, D. M.; Asmus, K. -D. Activity of water-soluble fullerenes towards ·OH-radicals and molecular oxygen. Radiat. Phys. Chem. 1999, 56, 449–456. Xiao, L.; Takada, H.; Maeda, K.; Haramoto, M.; Miwa, N. Antioxidant effects of water-soluble fullerene derivatives against ultraviolet ray or peroxylipid through their action of scavenging the reactive oxygen species in human skin keratinocytes. Biomed. Pharmacother. 2005, 59, 351–358. Oberdörster, E. Manufactured nanomaterials (fullerenes, C60) induce oxidative stress in the brain of juvenile largemouth bass. Environ. Health Perspect. 2004, 112, 1058–1062. Chiang, L. Y.; Wang, L. -Y.; Swirczewski, J. W.; Soled, S.; Cameron, S. Efficient synthesis of polyhydroxylated fullerene derivatives via hydrolysis of polycyclosulfated precursors. J. Org. Chem. 1994, 59, 3960–3968. Li, J.; Takeuchi, A.; Ozawa, M.; Li, X.; Saigo, K.; Kitazawa, K. C60 Fullerol formation catalysed by quaternary ammonium hydroxides. J. Chem. Soc. Chem. Commun. 1993, 1784–1785. Schneider, N. S.; Darwish, A. D.; Kroto, H. W.; Taylor R.; Walton, D. R. M. Formation of fullerenols via hydroboration of fullerene-C60. J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1994, 463–464. Arrais, A.; Diana, E. Highly water soluble C60 derivatives: A new synthesis. Fuller. Nanotub. Carbon Nanostruct. 2003, 11, 35–46. Wang, S.; He, P.; Zhang, J. -M.; Jiang, H.; Zhu, S. -Z. Novel and efficient synthesis of water-soluble [60]fullerenol by solvent-free reaction. Synth. Commun. 2005, 35, 1803–1807. Vileno, B.; Marcoux, P. R.; Lekka, M.; Sienkiewicz, A.; Fehér, T.; Forró, L. Spectroscopic and photophysical properties of a highly deivatized C60 fullerol. Adv. Funct. Mater. 2006, 16, 120–128. Kokubo, K.; Matsubayashi, K.; Tategaki, H.; Takada, H.; Oshima, T. Facile synthesis of highly water-soluble fullerenes more than half-covered by hydroxyl groups. ACS Nano 2008, 2, 327–333. Zhang, G.; Liu, Y.; Liang, D.; Gan, L.; Li, Y. Facile synthesis of isomerically pure fullerenols and formation of spherical aggregates from C60(OH)8. Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 5293–5295. Husebo, L. O.; Sitharaman, B.; Furukawa, K.; Kato, T.; Wilson, L. J. Fullerenols revisited as stable radical anions. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 12055–12064. Takaya, Y.; Tachika, H.; Hayashi, T.; Kokubo, K.; Suzuki, K. Performance of water-soluble fullerenol as novel functional molecular abrasive grain for polishing nanosurfaces. CIRP Ann.-Manuf. Tech. 2009, 58, 495–498. Saotome, T.; Kokubo, K.; Shirakawa, S.; Oshima, T.; Hahn, H. T. Polymer nanocomposites reinforced with C60 fullerene: Effect of hydroxylation. J. Compos. Mater., in press. Saitoh, Y.; Xiao, L.; Mizuno, H.; Kato, S.; Aoshima, H.; Taira, H.; Kokubo, K.; Miwa, N. Novel polyhydroxylated fullerene suppresses intracellular oxidative stress together with repression of intracellular lipid accumulation during the differentiation of OP9 preadipocytes into adipocytes. Free Radic. Res. 2010, 44, 1072–1081. Matsubayashi, K.; Kokubo, K.; Tategaki, H.; Kawahama, S.; Oshima, T. One-step synthesis of water-soluble fullerenols bearing nitrogen-containing substituents. Fuller. Nanotub. Carbon Nanostruct. 2009, 17, 440–456. Xing, G.; Zhang, J.; Zhao, Y.; Tang, J.; Zhang, B.; Gao, X.; Yuan, H.; Qu, L.; Cao, W.; Chai, Z.; Ibrahim, K.; Su, R. Influences of structural properties on stability of fullerenols. J. Phys. Chem. B 2004, 108, 11473–11479. She, Y. -M.; Tu, Y. -P.; Liu, S. -Y. C118 from fullerenols: Formation, structure and intermolecular nC2 transfer reactions in mass spectrometry. Rapid Commun. Mass Spectrom. 1996, 10, 676–678. Chiang, L. Y.; Upasani, R. B.; Swirczewski, J. W.; Soled, S. Evidence of hemiketals incorporated in the structure of fullerols derived from aqueous acid chemistry. J. Am. Chem. Soc. 1993, 115, 5453–5457. Troyanov, S. I.; Troshin, P. A.; Boltalina, O. V.; Ioffe, I. N.; Sidorov, L. N.; Kemnitz, E. Two isomers of C60F48: An indented fullerene. Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 40, 2285–2287. Tuinman, A. A.; Mukherjee, P.; Adcock, J. L.; Hettich, R. L.; Compton, R. N. Characterization and stability of highly fluorinated fullerenes. J. Phys. Chem. 1992, 96, 7584–7589. Rivelino, R.; Malaspina, T.; Fileti, E. E. Structure, stability, depolarized light scattering, and vibrational spectra of fullerenols from all-electron density-functional-theory calculations. Phys. Rev. A 2009, 79, 013201. Ros, D. T.; Prato, M. Medicinal chemistry with fullerenes and fullerene derivatives. Chem. Commun. 1999, 663–669. Bolskar, R. D.; Benedetto, A. F.; Husebo, L. O.; Price, R. E.; Jackson, E. F.; Wallace, S.; Wilson, L. J.; Alford, J. M. First soluble M@C60 derivatives provide enhanced access to metallofullrenes and permit in vivo evaluation of Gd@C60[C(COOH)2]10 as a MRI contrast agent. J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 5471–5478. Mohan, H.; Palit, D. K.; Mittal, J. P.; Chiang, L. Y.; Asmus, K. -D.; Guldi, D. M. Excited states and electron transfer reactions of C60(OH)18 in aqueous solution. J. Chem. Soc., Faraday Trans. 1998, 94, 359–363. Wada, Y.; Totoki, S.; Watanabe, M.; Moriya, N.; Tsunazawa, Y.; Shimaoka, H. Nanoparticle size analysis with relaxation of induced grating by dielectrophoresis. Opt. Express 2006, 14, 5755–5764. Everett, A. J.; Minkoff, G. J. The dissociation constants of some alkyl and acyl hydroperoxides. Trans. Faraday Soc. 1953, 49, 410–414. Gao, X.; Ishimura, K.; Nagase, S.; Chen, Z. Dichlorocarbene addition to C60 from the trichloromethyl anion: Carbene mechanism or Bingel mechanism? J. Phys. Chem. A 2009, 113, 3673–3676. Zhang, P.; Pan, H.; Liu, D.; Guo, Z. -X.; Zhang, F.; Zhu, D. Effective mechanochemical synthesis of [60]fullerols. Synth. Commun. 2003, 33, 2469–2474. Li, T.; Li, X.; Huang, K.; Jiang, H.; Li, J. Synthesis and characterization of hydroxylated fullerene epoxide—An intermediate for forming fullerol. J. Cent. South. Univ. Technol. 1999, 6, 35–36. Wang, F. F.; Li, N.; Tian, D.; Xia, G. F.; Xiao, N. Efficient synthesis of fullerenol in anion form for the preparation of electrodeposited films. ACS Nano 2010, 4, 5565–5572. Tajima, Y.; Takeuchi, K. Discovery of C60O3 isomer having C 3v symmetry. J. Org. Chem. 2002, 67, 1696–1698.