СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ФУЛЛЕРЕНОЛОВ

Предлагаемое изобретение относится к синтезу водорастворимых биоактивных производных углеродных нанокластеров - фуллеренов, а именно к синтезу фуллеренолов. Фуллеренолы являются многообещающими материалами для использования не только в различных областях техники, но и в медицине, биологии и косметологии. Фуллеренолы обладают нейропротективными свойствами, антиоксидантной активностью, способны улавливать нитроксильный радикал, проявлять свойства ловушек для свободных радикалов и т.д.

К фуллеренолам изначально относились исключительно гидроксилированные производные самого легкого из фуллеренов С₆₀, имеющие общий состав С₆₀(ОН)_х (х=6, 12, 24, 36…).

К настоящему времени к фуллеренолам уже относят не только производные самого легкодоступного из всех фуллеренов (С₆₀) - С₆₀(ОН)_х, но и производные всех других индивидуальных фуллеренов C_n(ОН)_х (n=60, 70, 76, 78, 84, 90…). Это, прежде всего, относится к гидроксилированному фуллерену С₇₀ общего состава С₇₀(ОН)_x (M.S.Meier, J.Kiegiel. Preparation and characterization of the fullerene diols 1,2-C₆₀(OH)₂, 1,2-C₇₀(OH)₂, and 5,6-C₇₀(OH)₂. Org. Lett. 2001. V.3. P.1717-1719).

Более того, помимо собственно гидроксильных групп, в класс фуллеренолов могут согласно принятой терминологии входить также соединения фуллеренов с некоторыми иными негидроксильными группами, например кислородными (=O, -О-) C_n(ОН)_хО_у, солевого типа, например [C_n(OH)_xO_y](ONa)_z и т.д. Так, фуллеренол, полученный реакцией С₆₀ с гидроксидом тетрабутиламмония в толуоле в присутствии кислорода и водного раствора едкого натрия, в действительности представляет собой не просто полигидроксилированную молекулу С₆₀, а стабильный радикал-анион молекулярной формулы , где n=2-3, х=7-9, у=12-15 (Husebo L.O., Sitharaman B., Furukawa K., Kato T., Wilson L.J. Fullerenols revisited as stable radical anions // J. Am. Chem. Soc. 2004. Vol.126. P.12055-12064).

Наконец, к фуллеренолам также имеет смысл относить смеси индивидуальных фуллеренолов разного состава или индивидуальные фуллеренолы невысокой чистоты (например, менее 95 мас.%). Цены на индивидуальные фуллеренолы в настоящее время настолько высоки, что это делает их промышленное применение практически невозможным. Поэтому на практике весьма часто используются заметно более дешевые так называемые смешанные фуллеренолы, т.е. фуллеренолы с различным числом и типом функциональных групп, т.е. не только гидроксильного типа, а также фуллеренолы, содержащие компоненты с разным числом атомов С в фуллереновой основе (как правило, от 60 и до 96).

В патентной и научно-технической литературе описано большое количество различных методов синтеза фуллеренолов.

Фуллеренол С₆₀(ОН)₂₄ может быть получен щелочным гидролизом полибромзамещенного фуллерена C₆₀Br₂₄ (A.Djordjevic, М.Vojinovic-Miloradov, N.Petranovic, A.Devecerski, G.Bogdanovic, J.Adamov "Synthesis and characterization of water-soluble biologically active C₆₀(OH)₂₄" (Archive of Oncology, 1997; 5(3): 139-41). Методика заключалась в двухстадийном синтезе С₆₀(ОН)₂₄: первая стадия - бромирование С₆₀ до C₆₀Br₂₄ под действием элементарного брома в присутствии катализатора FeBr₃; вторая стадия - получение С₆₀(ОН)₂₄ замещением атомов брома гидроксильными группами в щелочной среде. Главным недостатком указанного метода является необходимость синтеза и очистки первичного бромпроизводного фуллерена состава C₆₀Br₂₄.

В статье K.Kokubo, K.Matsubayashi, H.Tategaki, H.Takada, T.Oshima "Facile Synthesis of Highly Water-Soluble Fullerenes More Than Half-Covered by Hydroxyl Groups" (ACS Nano. 2008. V.2 N2. P.327-333) описан процесс, в котором гидроксильным донором являлась перекись водорода, исходным материалом - ограниченно растворимая в воде производная фуллерена С₆₀ - С₆₀(ОН)₁₂. Процесс интенсифицировался воздействием кислорода воздуха при 60°С при интенсивном перемешивании. Таким образом, были синтезированы фуллеренолы с различным брутто-составом и структурой, в частности С₆₀(ОН)₃₆·8Н₂О и С₆₀(ОН)₄₀·9H₂O. На поверхности присутствовали различного рода кислородсодержащие группы - карбонильные, карбоксильные, пероксидные, однако определяющими являлись именно гидроксильные группы. Главным недостатком указанного метода является необходимость синтеза первичного соединения состава С₆₀(ОН)₁₂.

В работе Gustavo Catão Alves, Luiz Orlando Ladeira, Ariete Righi, Klaus Krambrock, Hállen Daniel Calado, Rossimiriam Pereira de Freitas Gil, Maurício Veloso B. Pinheiro "Synthesis of С₆₀(ОН)_18-20 in aqueous alkaline solution under O₂-atmosphere" (J. Braz. Chem. Soc. vol.17 no.6 São Paulo Sept./Oct. 2006) представлен способ-аналог, включающий взаимодействие фуллерена С₆₀ с гидроксильным донором и катализатором. Синтез основан на процессе, в котором полиэтиленгликоль используется как катализатор фазового переноса между фуллереновым/бензольным и водным раствором едкого натрия. С целью увеличения выхода реакции полигидроксилирование фуллеренов происходит в растворе едкого натрия в непрерывном потоке кислорода. Недостатком способа является необходимость использования бензола - токсичного и канцерогенного ароматического углеводорода.

Наиболее близким к заявляемому решению признан способ получения фуллеренолов (патент JP 7048302 А от 21.02.1995, авторы Kitazawa Koichi., Araki Toshishige), включающий взаимодействие фуллерена с гидроксильным донором в присутствии катализатора. Этот же способ описан в статье Li Jing, Takeuchi Atsuo, Ozawa Masaki, Li Xinhai, Saigo Kazuhiko, Kitazawa Koichi. C₆₀ fullerol formation catalysed by quaternary ammonium hydroxide. J.Chem. Soc. Chem. Commun. 1993. P.1784-1785. Фуллерен C₆₀ приводили в контакт с гидроксильным донором - щелочным водным раствором в присутствии катализатора при нормальной температуре. Авторы отмечали важную роль кислорода, и в частности кислорода воздуха, при синтезе фуллеренола. Среди опробованных для синтеза фуллеренола катализаторов (гидроксид тетрабутиламмония, гидроксид тетраэтиламмония, гидроксид тетраметиламмония) наилучшие результаты показал гидроксид тетрабутиламмония. В соответствии с примером сначала был приготовлен раствор фуллерена С₆₀ в бензоле. Далее к раствору фуллерена в бензоле при перемешивании на воздухе добавили раствор гидроксида натрия и раствор гидроксида тетрабутиламмония. В результате синтеза и последующего выделения и очистки получали продукт - фуллеренол 1.

В работе Семенова К.Н., Летенко Д.Г., Чарыкова Н.А., Никитина В.А., Матузенко М.Ю., Кескинова В.А., Постнова В.Н., Копырина А.А. "Синтез и идентификация фуллеренола, полученного методом прямого окисления" (Журн. прикл. химии, 2010, т.83, 12, с.1948-1952) описан процесс, включающий взаимодействие фуллерена с гидроксильным донором в присутствии катализатора. Первоначально был приготовлен раствор фуллерена С₆₀ в бензоле, затем к отфильтрованному раствору фуллерена в бензоле при перемешивании добавили раствор гидроксида натрия и раствор гидроксида тетрабутиламмония. В результате синтеза и последующего выделения и очистки получили продукт - фуллеренол 2.

Необходимо отметить, что высокую стоимость фуллеренов определяет помимо их низкого выхода при сжигании графита также и сложность выделения, очистки и разделения фуллеренов различных масс из фуллереновой сажи. В частности, выделение легкого фуллерена С₆₀ из фуллерита, т.е. из смеси фуллеренов, полученной экстракцией из фуллереновой сажи, ведут с помощью жидкостной хроматографии, после чего необходимо произвести также удаление остатков растворителя из твердого образца фуллерена.

Фуллерит содержит исключительно фуллерены состава C_n (n=60, 70 - легкие фуллерены; n>70 - тяжелые фуллерены). Фракционный состав фуллерита может варьироваться в некоторых пределах в зависимости от способа синтеза фуллереновой сажи и способа экстракции фуллереновой смеси из последней. Однако практически без какого-либо ущерба общности можно утверждать, что фуллерит содержит 97-99 мас.% легких фуллеренов и соответственно 1-3 мас.% тяжелых фуллеренов, причем массовое соотношение легких фуллеренов в смеси отвечает значениям С₆₀/С₇₀~3/1. Таким образом, типичный фракционный состав фуллерита (в мас.% от суммы фуллеренов) имеет следующее значение: С₆₀~75±10, С₇₀~23±10, С₇₆+С₇₈+С₈₄+…~2±1.

Недостатками способа-прототипа по сравнению с заявляемым способом являются необходимость проведения при получении фуллерена С₆₀ из фуллерита дорогостоящих операций (жидкостная хроматография и удаление остатков растворителя из твердого образца фуллерена) и использование токсичного и канцерогенного ароматического углеводорода - бензола.

Задачей настоящего технического решения является создание более малопередельной и, следовательно, более дешевой технологии получения фуллеренолов, а также исключение из технологического цикла бензола. Это достигается тем, что синтез фуллеренолов происходит при взаимодействии смеси фуллеренов, полученной экстракцией из фуллереновой сажи и содержащей 97-99 мас.% легких фуллеренов и 1-3 мас.% тяжелых фуллеренов с гидроксильным донором - гидроксидом щелочного или щелочноземельного металла, в присутствии катализатора - гидроксида тетрабутиламмония или гидроксида тетраизопропиламмония.

Сравнительные данные способа-прототипа и заявляемого способа получения фуллеренолов представлены в таблице. Из таблицы следует, что заявляемый способ по сравнению с прототипом является более дешевым и безопасным за счет исключения из технологического цикла не только дорогостоящих операций, но также и токсичного и канцерогенного ароматического углеводорода - бензола.

В проанализированной патентной и научно-технической литературе, относящейся к подаваемой заявке на изобретение, авторы не обнаружили технических решений, включающих взаимодействие смеси фуллеренов, полученной экстракцией из фуллереновой сажи и содержащей 97-99 мас.% легких фуллеренов и 1-3 мас.% тяжелых фуллеренов, с гидроксильным донором - гидроксидом щелочного или щелочноземельного металла, в присутствии катализатора - гидроксида тетрабутиламмония или гидроксида тетраизопропиламмония.

На основании этого был сделан вывод о новизне предлагаемого решения.

Изобретение поясняется следующими фигурами:

- на фигуре 1 представлен инфракрасный спектр фуллеренола 1

- на фигуре 2 представлен инфракрасный спектр фуллеренола 2

- на фигуре 3 представлен инфракрасный спектр фуллеренола 3

Примеры

Пример 1

Получение фуллеренола из фуллерена С₆₀ в соответствии с прототипом

1. Был приготовлен раствор С₆₀ в бензоле (80 мг С₆₀ в 60 мл бензола).

2. Раствор С₆₀ в бензоле был перемешан с водным раствором NaOH (2 г на 2 мл воды), содержащим гидроксид тетрабутиламмония при комнатной температуре на воздухе. Раствор бензола, первоначально темно-фиолетовый, превратился в бесцветный, и выпал коричневый осадок.

3. Смесь разделили при пониженном давлении и полученный осадок перемешивали 10 часов с 10 мл воды. После окончания реакции был получен прозрачный коричневый водный раствор фуллеренола и нерастворимый осадок.

4. Фильтрат был сконцентрирован и был добавлен метанол, чтобы выделить коричневый осадок. Осаждение было повторено три раза. После сушки выделенного осадка под уменьшенным давлением было получено 115 мг коричневого твердого продукта следующего состава: 61,47% С, 2,25% Н, <0,01% N. Состав фуллеренола 1: С₆₀(ОН)_n, где n - приблизительно 26. Инфракрасный спектр фуллеренола 1 представлен на фигуре 1.

Пример 2

Получение фуллеренола из фуллерена С₆₀ (из статьи Семенова и др.)

1. Был приготовлен раствор фуллерена С₆₀ в бензоле - 600 мг С₆₀ на 800 мл бензола.

2. После фильтрации к раствору фуллерена в бензоле при перемешивании добавили раствор NaOH (20 г на 20 мл) и раствор гидроксида тетрабутиламмония до обесцвечивания раствора (~1,5-2 мл).

3. Из реакционной смеси под вакуумом отогнали бензол, после чего к реакционной смеси добавили воду. Полученную смесь перемешивали - при этом происходила экстракция образовавшегося фуллеренола в водную фазу. После этого к реакционной смеси дополнительно добавили воду для окончания реакции. Полученную смесь отфильтровали.

4. Фильтрат упаривали на роторном испарителе и далее к полученному раствору добавили метанол, при этом фуллеренол высаливался из водного раствора в виде коричневого хлопьевидного осадка (процедура переосаждения повторялась 3 раза). Осадок отделили от жидкой фазы и дополнительно многократно промыли метанолом до нейтрального значения рН. После сушки осадка в вакуумном сушильном шкафу было получено 600 мг фуллеренола 2 в виде мелкодисперсных красно-коричневых кристаллов. Выход фуллеренола 2 составил 72% от теоретически возможного. При расчете авторы использовали следующую формальную усредненную формулу молекулы фуллеренола 2 - [С₆₀(ОН)_18÷20О_0÷3](ONa)_2±1. Инфракрасный спектр фуллеренола 2 представлен на фигуре 2.

Как следует из сравнения фигур 1 и 2, полученные инфракрасные спектры хорошо согласуются друг с другом. Убедительно согласуются пики поглощения на приведенных частотах ~3420-3440 см^-1, пики на частоте ~1590-1600 см^-1, даже слабо выраженный длинноволновой пик ~1040-1060 см^-1. На обеих фигурах присутствует дуплет на частотах в диапазоне ~1300-1600 см^-1.

Пример 3

Получение фуллеренола в соответствии с заявляемым способом

1. Для синтеза была взята свежеприготовленная фуллереновая смесь (фуллерит) со следующим фракционным составом (в мас.% от суммы фуллеренов): С₆₀≈73±2, С₇₀≈25±2, С₇₆+С₇₈+С₈₄+…~1,5±0,5).

2. К определенной массе фуллереновой смеси 0,12±0,01 г добавили аликвоту раствора NaOH объемом 100±0,2 мл с концентрацией 20±0,5 мас.%. Далее к полученной смеси добавили межфазный катализатор - раствор гидроксида тетрабутиламмония объемом 0,5±0,05 мл с концентрацией 10±1 мас.%. После перемешивания при 20°С раствор отделили от остатков твердой фазы методом фильтрации.

3. Смесь легких фуллеренолов высаживали из раствора избытком метанола, после чего фильтрацией отделяли от раствора. Процесс перекристаллизации (растворение в воде, осаждение избытком метанола) повторяли 3-4 раза. Осадок фуллеренола высушивали и промывали при атмосферном давлении. На заключительной стадии полученный осадок смеси легких фуллеренолов сушили в вакуумном сушильном шкафу. Было получено 120 мг фуллеренола 2. Условный выход продукта составил 63 отн. мас.% от теоретически возможного. Условный расчет выхода продукта, здесь и далее, проводился исходя из образования формальной смеси легких фуллеренолов [С₆₀(ОН)_15÷31О_0÷3]+[С₇₀(ОН)_13÷24О_0÷1], взятой в массовом соотношении 3/1. Инфракрасный спектр фуллеренола 3 представлен на фигуре 3.

Инфракрасные спектры поглощения фуллеренола 2 и фуллеренола 3 были получены на приборе SHIMADZU FTIR-8400S. В опытах использованы таблетки бромида калия - KBr (высушен в Ar), область приведенных частот составила 400÷4400 см^-1, Т - пропускание в отн. %. Как следует из сравнения фигур 2 и 3, инфракрасные спектры фуллеренолов 2 и 3 достаточно хорошо согласуются друг с другом. В частности, согласуются пики поглощения на приведенных частотах ~3420-3440 см^-1, выраженный длинноволновой пик ~1445 см^-1.

На всех трех представленных фигурах (инфракрасные спектры фуллеренолов 1, 2, 3) присутствуют пики поглощения на приведенных частотах ~3420-3440 см^-1 (частота поглощения гидроксида ОН).

Пример 4

Полностью аналогичен примеру 3, однако аликвота раствора NaOH заменена на аликвоту раствора KOH с той же концентрацией C_KOH=20±0,5 мас.%. В результате выход фуллеренола 3 остался практически неизменным: 127 мг. Условный выход продукта составил 67 отн. мас.% от теоретически возможного. При этом в ходе идентификации полученного фуллеренола 3 инфракрасные спектры качественно сохранялись.

Пример 5

Полностью аналогичен примеру 3, однако аликвота раствора NaOH заменена на аликвоту раствора LiOH с той же концентрацией C_LiOH=20±0,5 мас.%. В результате выход фуллеренола 3 заметно уменьшился и составил 59 мг. Условный выход продукта составил 31 отн. мас.% от теоретически возможного. При этом в ходе идентификации полученного фуллеренола 3 инфракрасные спектры качественно сохранялись.

Пример 6

Полностью аналогичен примеру 3, однако аликвота раствора NaOH заменена на аликвоту раствора Ва(ОН)₂ с той же концентрацией C_Ba(OH)2=20±0,5 мас.%. В результате выход фуллеренола 3 уменьшился кардинально и составил 11 мг. Условный выход продукта составил 5 отн. мас.% от теоретически возможного. При этом в ходе идентификации полученного фуллеренола 3 инфракрасные спектры качественно сохранялись.

Пример 7

Полностью аналогичен примеру 3, однако был заменен межфазный катализатор (раствор гидроксида тетрабутиламмония на раствор гидроксида тетраизопропиламмония) с той же массовой концентрацией. В результате выход фуллеренола 3 также изменился весьма слабо и составил 109 мг. Условный выход продукта составил 57 отн. мас.% от теоретически возможного. При этом в ходе идентификации полученного фуллеренола 3 инфракрасные спектры качественно сохранялись.