CN107556166A - 羟基富勒烯及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了羟基富勒烯及其制备方法。该方法包括：将固体富勒烯与过氧化氢溶液以及碱溶液混合以便形成混合溶液并反应，以便获得所述羟基富勒烯。该方法直接利用固液反应制备羟基富勒烯，获得的羟基富勒烯具有下列优点的至少之一：水溶性好、粒径小、产率较高、易于扩大生产规模、适用于生物医疗领域。
Description
技术领域
本发明涉及材料领域。具体地，本发明涉及富勒烯衍生物的制备，更具体的，涉及羟基富勒烯及其制备方法。
背景技术
富勒烯是由不同数目的碳原子组成的具有封闭结构的原子团簇。富勒烯由于具有稳定性好、强度高、比表面积大等优点，在生物医药、储能、贮氢、催化等方面的应用中都表现出优异的性能。然而富勒烯本体只能溶于部分有机溶剂，无法溶于水，因此不能直接应用于生物体系。因此，需要对富勒烯进行修饰改性，制备水溶性的富勒烯衍生物以满足生物医药应用的需求。
然而，目前水溶性的富勒烯衍生物及其制备方法仍有待改进。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
本发明是基于发明人的以下发现而完成的：
目前制备羟基富勒烯的方法，普遍存在难以实现大批量制备、纯化过程繁琐复杂、安全稳定性差、难以满足生物医药需求等问题。发明人经过深入研究以及大量实验发现，这主要是由于目前制备水溶性富勒烯衍生物的方法主要有两大类：通过聚合物对富勒烯分子进行包覆；或者将水溶性基团如羟基、羧基通过化学反应键合到富勒烯碳笼上。聚合物包覆法不仅存在富勒烯泄露的潜在危险，而且包覆后的颗粒较大很难被细胞吞噬。而化学键和法多需要将富勒烯溶解在有机溶剂中进行反应，而富勒烯在有机溶剂中的溶解度有限，因此难以大规模量产，并且后期纯化过程繁琐。
有鉴于此，本发明本发明提供了一种固液反应制备水溶性羟基富勒烯的方法。该方法使用固体的富勒烯直接与氧化剂在碱的催化下反应，可以方便地通过调节反应温度或者反应时间，控制获得的羟基富勒烯中的羟基数量。该方法具有下列优点的至少之一：获得的羟基富勒烯水溶性好、粒径小、产率较高、易于扩大生产规模、适用于生物医疗领域。
在本发明的一个方面，本发明提出了一种制备羟基富勒烯的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：将固体富勒烯与过氧化氢溶液以及碱溶液混合以便形成混合溶液并反应，以便获得所述羟基富勒烯。该方法直接利用固液反应制备羟基富勒烯，获得的羟基富勒烯具有下列优点的至少之一：水溶性好、粒径小、产率较高、易于扩大生产规模、适用于生物医疗领域。
根据本发明的实施例，所述固体富勒烯包括空心富勒烯C2n、M@C2n、M2@C2n、MA@C2n、M3N@C2n、M2C2@C2n、M2S@C2n、M2O@C2n和MxA3-xN@C2n中的至少之一，其中，M和A分别独立的选自Sc、Y和镧系金属元素，30≤n≤60，0≤x≤3。上述空心富勒烯或金属内嵌富勒烯能够较好地在过氧化氢以及碱溶液混合物中反应，从而可以进一步提高该方法的产量以及产率。
根据本发明的实施例，所述碱溶液包括氢氧化钠水溶液、氢氧化钾水溶液以及四丁基氢氧化铵水溶液的至少之一。由此，可以较好地催化氧化剂过氧化氢与富勒烯的反应，从而可以进一步提高该方法对富勒烯进行羟基化的效率以及效果。
根据本发明的实施例，基于所述碱溶液的总质量，所述碱溶液中碱的含量为8～15wt％。由此，可以进一步提高该方法对富勒烯进行羟基化的效率以及效果。
根据本发明的实施例，基于所述过氧化氢溶液的总质量，所述过氧化氢溶液中过氧化氢的含量为20～40wt％。由此，可以进一步提高该方法对富勒烯进行羟基化的效率以及效果。
根据本发明的实施例，所述混合溶液中所述过氧化氢以及所述碱溶液的体积比为7:(1～4)。由此，可以进一步提高该方法对富勒烯进行羟基化的效率以及效果。
根据本发明的实施例，所述反应是在加热搅拌处理下进行的，所述加热搅拌处理的加热温度为50～80摄氏度，搅拌速率为600～1500rpm/min。由此，可以控制获得的羟基富勒烯表面修饰的羟基的数量，并且可以加快反应速率，从而可以进一步提高该方法对富勒烯进行羟基化的效率以及效果。
根据本发明的实施例，所述加热搅拌处理的时间为15～36小时。由此，可以控制获得的羟基富勒烯表面修饰的羟基的数量。
根据本发明的实施例，该方法进一步包括：对经过所述反应的所述混合溶液进行提纯处理。由于该方法在水溶液中进行，因此只需简单的后续过滤、透析等提纯处理，即可获得羟基富勒烯在水溶液中的分散液，从而可以简化该方法的制备流程，缩短生产周期。
在本发明的另一方面，本发明提出了一种制备羟基富勒烯的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：(a)将质量百分含量为30％的过氧化氢水溶液和质量百分含量为40％的氢氧化钠溶液按照体积比为7:3混合，加入200mg富勒烯固体，使用磁力搅拌器搅拌24h，温度：70℃，转速：1000r/min，过滤，保留滤液。(b)将所述滤液加离心管中，再加入过量的浓度为95％的乙醇。经过离心后收集沉淀，离心转速：10000r/min，离心时间：4min，将所述沉淀溶于水。(c)将(b)步骤得到的溶液进行透析处理，透析至所述溶液的电导率小于1μs/cm。(d)将经过所述透析后的所述溶液冷冻干燥，以便获得羟基富勒烯固体。冻干温度：-29℃，真空度：55Pa，冻干时间：48h。该方法直接利用固液反应制备羟基富勒烯，获得的羟基富勒烯具有下列优点的至少之一：水溶性好、粒径小、产率较高、易于扩大生产规模、适用于生物医疗领域。
在本发明的又一方面，本发明提出了一种羟基富勒烯。根据本发明的实施例，所述羟基富勒烯是利用前面所述的方法制备的。由此，该羟基富勒烯具有合成简单、水溶性好、粒径小、产率较高、易于扩大生产规模、适用于生物医疗领域等优点的至少之一。
附图说明
图1显示了根据本发明实施例1制备的C60(O)5(OH)12的红外吸收谱；
图2显示了根据本发明实施例1制备的C60(O)5(OH)12的X射线光电子能谱C1s峰拟合曲线；
图3显示了根据本发明实施例1制备的C60(O)5(OH)12的水合粒径(图3a)和zeta电位(图3b)；以及
图4是使用HEK-a细胞测试本发明实施例1制备的C60(O)5(OH)12的细胞毒性结果。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的一个方面，本发明提出了一种制备羟基富勒烯的方法。根据本发明的实施例，该方法直接将固体富勒烯与氧化剂溶液以及碱溶液混合反应，使富勒烯在碱的催化下与氧化剂反应，以便获得羟基富勒烯。该方法直接利用固液反应制备羟基富勒烯，获得的羟基富勒烯具有下列优点的至少之一：水溶性好、粒径小、产率较高、易于扩大生产规模、适用于生物医疗领域。
下面对该方法的具体操作进行详细说明。根据本发明的实施例，在该方法中所采用的固体富勒烯可以包括空心富勒烯C2n、M@C2n、M2@C2n、MA@C2n、M3N@C2n、M2C2@C2n、M2S@C2n、M2O@C2n和MxA3-xN@C2n中的至少之一，其中，M和A分别独立的选自Sc、Y和镧系金属元素，30≤n≤60，0≤x≤3。例如，根据本发明的具体实施例，固体富勒烯可以为C70、C76、C78、C84等空心富勒烯，也可以为内嵌金属M为Y、Ho、Lu等金属元素的M@C82或者M为Sc、Y、Lu等元素的M3N@C80。上述空心富勒烯或金属内嵌富勒烯能够较好地在过氧化氢以及碱溶液混合物中反应，从而可以进一步提高该方法的产量以及产率。
根据本发明的实施例，可以采用过氧化氢溶液作为氧化剂，在水溶液体系中完成上述反应。具体地，基于过氧化氢溶液的总质量，过氧化氢的含量可以为20～40wt％。由此，可以进一步提高该方法对富勒烯进行羟基化的效率以及效果。根据本发明的实施例，碱溶液可以包括氢氧化钠水溶液、氢氧化钾水溶液以及四丁基氢氧化铵水溶液的至少之一。基于碱溶液的总质量，碱溶液中碱的含量可以为8～15wt％。发明人经过大量实验发现，当碱溶液中碱的含量在上述范围内时，可以较好地催化氧化剂过氧化氢与富勒烯的反应。碱含量过低时，无法有效催化富勒烯表面的羟基修饰反应，而碱含量过高，不仅不能够大幅提高催化效率以及效果，而且将延长后续纯化处理所需要的时间。根据本发明的实施例，混合溶液中过氧化氢以及碱溶液的体积可以为7:(1～4)。例如，根据本发明的具体实施例，过氧化氢与碱溶液的体积比可以为7:3。由此，可以进一步提高该方法对富勒烯进行羟基化的效率以及效果。
根据本发明的实施例，可以对含有固体富勒烯的混合溶液进行加热搅拌处理，使富勒烯以及氧化剂在加热搅拌处理下进行反应。例如，根据本发明的具体实施例，加热搅拌处理的加热温度可为50～80摄氏度，搅拌速率可以为600～1500rpm/min，反应时间可以为15～36小时。控制加热温度以及反应时间可以控制获得的羟基富勒烯表面修饰的羟基的数量。发明人经过大量实验发现，由此，可以控制获得的，并且可以加快反应速率，从而可以进一步提高该方法对富勒烯进行羟基化的效率以及效果。
根据本发明的实施例，该方法进一步包括：对反应后的混合溶液进行提纯处理。具体地，根据本发明的实施例，上述提纯处理可以包括：对经过反应的混合溶液进行过滤处理，以便除去未反应完全的富勒烯固体并收集滤液。在滤液中加入过量乙醇，使滤液中的羟基富勒烯沉淀析出，对加入过量的乙醇溶液进行离心处理，保留离心后的沉淀，再加水溶解沉淀，并对上述含有沉淀的水溶液进行透析处理。由此，可以除去未完全反应的过氧化氢、碱以及加入的过量乙醇，即可获得含有羟基富勒烯的水溶液。由于该方法在水溶液中进行，因此只需简单的后续过滤、透析等提纯处理，即可获得羟基富勒烯在水溶液中的分散液，从而可以简化该方法的制备流程，缩短生产周期。对上述含有羟基富勒烯的水溶液进行干燥处理，即可获得羟基富勒烯固体。该固体具有较好的水溶性，可以均匀分散于水溶液中。本领域技术人员能够理解的是，上述提出处理的具体操作不受特别限制，只要能够除去反应后混合溶液中未完全反应的富勒烯固体、氧化剂以及碱即可。例如，对上述含有羟基富勒烯的水溶液进行干燥处理以便获得羟基富勒烯固体的操作中，干燥处理可以为冷冻干燥，也可以为普通加热处理或者旋转蒸干处理。
在本发明的另一方面，本发明提出了一种制备羟基富勒烯的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：
(a)将质量百分含量为30％的过氧化氢水溶液和质量百分含量为40％的氢氧化钠溶液按照体积比为7:3加入100mL圆底烧瓶，加入200mg富勒烯固体，使用磁力搅拌器搅拌24h，温度：70℃，转速：1000r/min，过滤，保留滤液。
(b)将滤液加离心管中，再加入过量的浓度为95％的乙醇。经过离心后收集沉淀，离心转速：10000r/min，离心时间：4min，将沉淀溶于水。
(c)将(b)步骤得到的溶液进行透析处理，透析至溶液的电导率小于1μs/cm。
(d)将透析后的溶液冷冻干燥，以便获得羟基富勒烯固体。冻干温度：-29℃，真空度：55Pa，冻干时间：48h。
在本发明的又一方面，本发明提出了一种羟基富勒烯。根据本发明的实施例，该羟基富勒烯是利用前面所述的方法制备的。因此，该羟基富勒烯具有前面描述的方法制备的羟基富勒烯所具有的全部特征以及优点，在此不再赘述。总的来说，该羟基富勒烯具有合成简单、水溶性好、粒径小、产率较高、易于扩大生产规模、适用于生物医疗领域等优点的至少之一。
下面将结合实施例对本发明的方案进行解释。本领域技术人员能够理解，下面的实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
实施例1：制备C60富勒醇
(a)将7mL质量百分含量为30％的过氧化氢(分析纯，购于国药试剂)水溶液和3mL质量百分含量为40％的氢氧化钠(分析纯，国药试剂)加入100mL圆底烧瓶，加入200mg富勒烯C60固体(纯度：99％，厦门福纳新材料科技有限公司)，再加入磁力搅拌子(型号：B200)，使用磁力搅拌器搅拌24h(温度：70℃，转速：1000r/min)，使用溶剂过滤器(容积：1L，滤膜孔径：200nm，津腾公司)过滤得到棕黄色溶液。
(b)将(a)步骤得到的溶液加入50ml的离心管中，再加入过量的浓度为95％的乙醇(分析纯，国药试剂)。经过离心(转速：10000r/min，时间：4min)后去除上层无色溶液，将收集的沉淀溶于超纯水中，得到黄色澄清溶液。
(c)将(b)步骤得到的溶液装入透析袋(截止分子量为3500)放入超纯水中透析，透析至超纯水的电导率小于1μs/cm，得到黄色溶液。
(d)将(c)步骤透析后的溶液装入50mL塑料离心管中，使用液氮冷冻后放入冷冻干燥机中冷冻干燥(温度：-29℃，真空度：55Pa，时间：48h)，将得到的黄色固体装入棕色样品瓶中备用。
将固体样品溶于超纯水再滴于银镜上，自然干燥后用于红外光谱(IR)测试，如图1所示，样品在3400nm左右的红外特征吸收(-OH的伸缩振动吸收峰)证明羟基被键合到碳笼；同时在800-1500nm红外特征吸收(碳笼上C-C和C＝C的伸缩振动峰)属于富勒烯碳笼的特征振动吸收峰；特征振动峰为1750nm-1归属于-C＝O伸缩振动，这是由于-C-OH过度氧化或者频哪醇重排产生的。将固体样品直接用于X射线光电子能谱分析，如图2所示，对样品中C元素光电子能谱进行分峰拟合，键能为284.68eV的峰属于C-C和C＝C，键能为285.91eV的峰属于C-O，键能为288.58eV的峰属于C＝O，根据积分面积可以确定样品的化学组成是C60(O)5(OH)12。将样品溶液直接用于动态光散射(DLS)测试，如图3所示，样品水合粒径在145nm左右且表面带负电荷，能够长期稳定地存在于水溶液中。将固体样品用于CHN元素分析(EA)，取样品中两个随机位置(1#以及2#)进行元素分析。结果见表1。根据表1中的C含量可以对样品中的富勒醇进行定量。
表1：C60富勒醇元素分析结果
通过调整(a)步骤中过氧化氢和C60的反应温度和反应时间，可以调控键合的羟基的数量(C60(O)5(OH)n，n＝16-30)。
实施例2：制备Cn(n＝70、76、78、84)富勒醇
制备方法和制备条件同实施例1，所不同的是，在步骤(a)中，分别采用C70、C76、C78以及C84替代C60。
实施例3：制备金属富勒烯M@C82富勒醇
制备方法和制备条件同实施例1。所不同的是，在步骤(a)中，分别采用Y@C82、Ho@C82、以及Lu@C82替代C60。
实施例4：制备M3N@C80富勒醇
制备方法和制备条件同实施例1。所不同的是，在步骤(a)中，分别采用Y3N@C82、Sc3N@C82、以及Lu3N@C82替代C60。
细胞毒性测试
(1)使用成人表皮角质细胞(HEK-a)测试实施例1中制备的C60(O)5(OH)12的细胞毒性：
使用含15％小牛血清的DMEM培养基对HEK-a细胞进行孵育传代，使用胰蛋白酶消化细胞后，以5*104/mL细胞密度种96孔板(以6孔为1个实验组)，每孔加200μL细胞分散液，周围一圈的孔中加入磷酸盐缓冲溶液(PBS)在孵箱中孵育24小时；更换为90μL新鲜培养基，分别加入10μL PBS(作为对照组-Control)和浓度为1000、2000和4000μmol/L的C60(O)5(OH)12溶液，在避光条件下孵育3小时；更换为200μL新鲜培养基孵育24小时；更换为90μL无色的培养基和10μL的CCK-8(细胞活性检测剂)，孵育120min至颜色变成亮橙色时，用酶标仪检测细胞活性。细胞活性结果见图4，C60(O)5(OH)12样品在100、200和400μmol/L浓度下都没有表现出任何细胞毒性，而且较对照组细胞活度还有所提高，说明C60(O)5(OH)12具有很好的细胞保护作用。
(2)测试金属富勒醇的细胞毒性
实验方法和实验条件与使用成人表皮角质细胞(HEK-a)测试C60(O)5(OH)12的细胞毒性相同，所不同的是，采用实施例3以及实施例4中制备的金属富勒醇替换C60(O)5(OH)12。实验证明金属富勒醇在400μmol/L的高浓度下也没有表现出任何细胞毒性，并且具有较好的细胞保护作用，适合应用于生物医药领域。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“另一个实施例”等的描述意指结合该实施例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (11)
1.一种制备羟基富勒烯的方法，其特征在于，包括：将固体富勒烯与过氧化氢溶液以及碱溶液混合以便形成混合溶液并反应，以便获得所述羟基富勒烯。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述固体富勒烯包括空心富勒烯C2n、金属富勒烯M@C2n、M2@C2n、MA@C2n、M3N@C2n、M2C2@C2n、M2S@C2n、M2O@C2n和MxA3-xN@C2n中的至少之一，
其中，M和A分别独立的选自Sc、Y和镧系金属元素，30≤n≤60，0≤x≤3。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述碱溶液包括氢氧化钠水溶液、氢氧化钾水溶液以及四丁基氢氧化铵水溶液的至少之一。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，基于所述碱溶液的总质量，所述碱溶液中碱的含量为8～15wt％。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于所述过氧化氢溶液的总质量，所述过氧化氢溶液中过氧化氢的含量为20～40wt％。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述混合溶液中所述过氧化氢以及所述碱溶液的体积比为7:(1～4)。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述反应是在加热搅拌处理下进行的，所述加热搅拌处理的加热温度为50～80摄氏度，搅拌速率为600～1500rpm/min。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述加热搅拌处理的时间为15～36小时。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括：对经过所述反应的所述混合溶液进行提纯处理。
10.一种制备羟基富勒烯的方法，其特征在于，包括：
(a)将质量百分含量为30％的过氧化氢水溶液和质量百分含量为40％的氢氧化钠溶液按照体积比为7:3混合，加入200mg富勒烯固体，使用磁力搅拌器搅拌24h，温度：70℃，转速：1000r/min，过滤，保留滤液。
(b)将所述滤液加离心管中，再加入过量的浓度为95％的乙醇。经过离心后收集沉淀，离心转速：10000r/min，离心时间：4min，将所述沉淀溶于水。
(c)将(b)步骤得到的溶液进行透析处理，透析至所述溶液的电导率小于1μs/cm。
(d)将经过所述透析后的所述溶液冷冻干燥，以便获得羟基富勒烯固体。冻干温度：-29℃，真空度：55Pa，冻干时间：48h。
11.一种羟基富勒烯，其特征在于，所述羟基富勒烯是利用权利要求1～10任一项所述的方法制备的。
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