Синтез и идентификация фуллеренолов, полученных из нитро- и бромпроизводных С60

3. Мищенко Г. Л., Вацуро К. В. Синтетические методы орга- 6. нической химии. М., 1982. 440 с.

4. Постнов В. Н. Синтез неорганических матриц методом молекулярного наслаивания и исследование их реакционной 7. способности в процессе сорбции аминокислот: Автореф.

дис. ... канд. хим. наук. Л., 1978. 24 с. 8.

5. Wang S. p-Alkoxybenzyl alcohol resin and p-alkoxybenzy-loxycarbonylhydrazide resin for solid phase synthesis of protected peptide fragments // J. Am. Chem. Soc. 1973. N 95 (4). P. 1328-1333.

Improved synthesis of 4-alkoxybenzyl alcohol resin / G. Lu, S. Mojsov, J. Tam and R. Merrifield // J. Org. Chem. 1981. N 46 (17). P. 3433-3436.

Химия полипептидов // Под ред. П. Катсояниса. М.: Мир, 1977. 462 с.

Passive targeting of ischemic-reperfused myocardium with adenosine-loaded silica nanoparticles / M. Galagudza, D. Korolev, V. Postnov, E. Naumisheva [et al.] // International Journal of Nanomedicine. 2012. N 7. P. 16711678.

УДК 06.54.31

К. Н. Семенов, Н. А. Чарыков, В. Н. Постнов, И. В. Мурин

Синтез и идентификация фуллеренолов, полученных из нитро- и бромпроизводных С60

Ключевые слова: фуллеренол, синтез, идентификация, растворимость. Keywords: fullerenols, synthesis, identification, solubility.

Проведен синтез водорастворимых производных — фуллеренола-N, полученного из нитро-производного С60, и малорастворимого в воде фуллеренола-В, полученного из бромпроизводно-го Сб0. Идентификация фуллеренола-N и -В проведена методами электронной и инфракрасной спектроскопии, а также масс-спектрометрии. Актуальность изучения фуллеренолов связана с возможностью их применения в медицине, биологии, косметологии, пищевой промышленности и т. д.

Введение

Легкие фуллерены (С60 и Су0) применяют в самых различных областях науки и техники, а именно: материаловедении, механике, машиностроении, строительстве, электронике, оптике, медицине, фармакологии, пищевой и косметической промышленности и т. п. (см., например, обзорные работы [1, 2]). Однако их широкое применение зачастую тормозится практически полной несовместимостью легких фуллеренов с водой и водными растворами. Например, истинная растворимость фуллерена С6о в воде при 25 °С составляет 1,3х10-11г/л, а фулле-

рена С70 в тех же условиях — 1,1х10-13 г/л [2—4]. То же относится и к большинству производных легких фуллеренов (галоген- [фтор-, хлор-, бром- и иод-], оксо-, амино-, карбоксо- и т. п.) — они, как правило, весьма малорастворимы в воде и водных растворах (см., например, [3, 4]).

Между тем водорастворимые формы производных фуллеренов могут находить самое широкое применение в машиностроении (в водорастворимых охлаждающих и антифрикционных составах), строительстве (в качестве растворимых присадок к цементам и бетонам), медицине и фармакологии (вследствие хорошей совместимости с водой, физиологическими растворами, кровью, лимфой, желудочным соком и т. д.), косметологии (при использовании водных и водно-спиртовых основ), а также в других областях науки и техники.

К фуллеренолам имеет смысл относить не только гидроксилированные производные самого легкодоступного из всех фуллеренов (С60)—Сб0(ОН)^, но и производные всех других индивидуальных фуллеренов Сп(ОН)х (п = 60, 70, 76, 78, 84, 90...), причем, помимо собственно гидроксильных групп, в фуллеренолы могут входить некоторые иные не-гидроксильные группы, например кислородные (=О, -О) Сп(ОН)^Оу, солевого типа, например

[Сга(ОН)^Оу](ОМа)^ и т. д. Наконец, к фуллерено-лам имеет смысл относить смеси индивидуальных фуллеренолов разного состава, или индивидуальные фуллеренолы невысокой чистоты (например, менее 95 мас. %) [5—8].

Экспериментальная часть

С и н т е з ф у л л е р е н о л о в

Синтез фуллеренола-Ы. Для осуществления синтеза был приготовлен насыщенный раствор фуллерена в бензоле (300 мг на 200 мл). Время насыщения составило 8 ч. Такая продолжительность обусловлена необходимостью установления фазового равновесия в бинарной системе С60-бензол. Затем жидкую фазу отделили от твердой посредством фильтрования на фильтре Шотта (пористость 16). Через полученный насыщенный раствор в течение 2 ч пропускали диоксид азота (IV). Под вакуумом отогнали бензол, полученный оранжевый осадок смешанного нитрогидроксифул-лерена высушили.

Вторая стадия синтеза — щелочной гидролиз полученного производного. Для этого к 201 мг полученного производного добавили 10 мл ЗМ-раствора гидроксида натрия. Полученную смесь перемешивали в течение 4 ч при температуре 40 °С. К смеси добавили избыток метанола для высаливания фуллеренола. Осадок фуллеренола отделили от раствора на фильтре «Зеленая лента» и для очистки от примеси щелочи, промыли в аппарате Сокслета метанолом в течение 48 ч и высушили в вакуумном сушильном шкафу при 50 °С и 0,1 мм рт. ст. Выход продукта л ~ 189 мг на 300 мг изначально взятого фуллерена С60. Полученный выход наиболее точно выражен в единицах массы, а не, например, в относительных массовых процентах от теоретически возможного, поскольку получаемый продукт представляет собой не индивидуальное соединение, а сложную смесь полигидроксилиро-ванных производных С60 и их натриевых солей с некоторой примесью дополнительно гидрированных форм (см. ниже). Если все же принять средневзвешенную молекулярную массу фуллеренола-М Мф.м и 900 а. е., можно приближенно определить выход продукта (по обеим стадиям) как Л = 38 отн. масс. % от теоретически возможного, что заметно меньше, чем в случае одностадийного прямого синтеза фуллеренола^ [5, 6, 8].

Фуллеренол-В. Первоначально было синтезировано бромпроизводное фуллерена С60. Для этого к 200 мг индивидуального фуллерена С60 добавили 10 мл брома. Полученная гетерогенная смесь выдержали при комнатной температуре в течение 40 мин, бром отделили от твердой фазы путем фильтрования на фильтре «Зеленая лента».

Осадок высушили в вакууме (0,1 мм рт. ст.) при 30 °С. К полученному бромопроизводному (390 мг) добавили водно-диоксановую смесь (соотношение по объему 1 : 100). Смесь перемешивали при комнатной температуре в течение недели. Из системы отогнали диоксан, для высаливания фуллеренола добавили избыток метанола. Осадок отфильтровали и высушили в вакууме. Выход продукта л = = 120 мг на 200 мг изначально взятого фуллерена С60. С учетом формальной средневзвешенной молекулярной массы фуллеренола-В Мф_В = 848 а. е. можно приближенно определить выход продукта (по обеим стадиям) как Л = 24 отн. мас. % от теоретически возможного.

И д е н т и ф и к а ц и я ф у л л е р е н о л о в

Инфракрасные спектры фуллеренола-Ы и фуллеренола-В. Для идентификации полученных фуллеренола-М и фуллеренола-В на приборе Shimadzu ЕТ1К-84008 были получены ИК-спектры поглощения твердых образцов. В опытах использованы таблетки бромида калия КВг (высушенного в Аг), область приведенных частот V и 500 + 4000 см-1. Полученный спектр представлен на рис. 1.

1. Как видно из рис. 1, ИК-спектры фуллерено-ла-М и фуллеренола-В в коротковолновой области хорошо согласуются друг с другом; для примера — триплеты V 1о2о3 и 3417 о 2926 о 2855±5 см-1 для обоих фуллеренолов -М и -В. Такой же доминантный пик поглощения характеризует и фуллеренол^ [5, 6] — V и 3421 см-1.

2. Более длинноволновые пики фуллеренола-М и фуллеренола-В различаются заметно более значимо, например: Vы и 1619 и Vв и 1637 см-1 или VЫ и 1386 и Vв и 1401 см-1.

3. Наиболее длинноволновые пики фуллеренола-М и фуллеренола-В вообще различны: Vы и 1075,804 и Vв и 1178,1115,909,880 см-1, одновременно существенно отклоняются от основного пика поглощения фуллеренола^ в этой области [5, 6] — V и 1037 см-1.

4. В целом можно утверждать, что ИК-спектры фуллеренола-М и фуллеренола-В информативны и могут быть использованы для идентификации.

Э л е к т р о н н ы е с п е к т р ы

ф у л л е р е н о л а-М и ф у л л е р е н о л а-В

Электронный спектр водного раствора фуллере-нола-М относительно чистой воды в видимой и ближней ультрафиолетовой областях спектра представлен на рис. 2. Также на этом рисунке представлен электронный спектр фуллеренола-В в ДМСО относительно ДМСО (смена растворителя вызвана тем обстоятельством, что фуллеренол-В в отличие от фуллеренола-М нерастворим в воде — подробнее см. ниже).

а)

Т, отн. %

V, см

б)

Т, отн. %

I Ч Ч 1 I Ч Ч 1 I 1 I 1 I 1 I 1 I 1 I 1 I 1 I 1 I 1 I Ч Ч 1 I 1 I 1 I Ч Ч 1 I Ч 1 I 1 I 1 I Ч Ч 1 I 1 I Ч Ч Ч Ч 1 I 1 I 1 I Ч Ч 1 I I 3800 3600 3400 3200 3000 2800 2600 2400 2200 2000 1900 1800 1700 1600 1500 1400 1300 1200 1100 1000 900

I

700 600 500

V, см

Рис. 1

Инфракрасные спектры фуллеренола-N (а) и фуллеренола-В (б): Т — пропускание; V/ — волновое число

Спектры получены с помощью спектрофотометра Specord M-32 в кварцевых кюветах КВ-1 шириной 1 см в области длин волн 300—900 нм.

1. Как видно из рис. 2, во всем изученном спектральном диапазоне: электронный спектр фуллеренола-N и фуллеренола-В не имеет каких-либо видимых полос поглощения. В частности, отсутствуют столь характерные для легких фуллеренов и многих их производных в ароматических и неароматических растворителях пики поглощения в области около 472 нм (для фуллерена Су0), около 335 нм (для обоих фуллеренов С60 и С70), 320—330 нм [для бромфуллеренов C60Brra (n = 6, 8, 24)] и т. д.

2. Сравнение спектров доказывает отсутствие в препарате непрореагировавшего исходного легкого фуллерена С60.

3. Во всех случаях наблюдается монотонно усиливающееся при смещении в коротковолновую часть спектра поглощение.

4. В целом УФ-спектры растворов фуллеренола-М и фуллеренола-В оказались малоинформативными, что тем не менее позволяет их использовать для определения концентрации фуллеренола, например, в водных средах, согласно закону Бугера— Ламберта—Бера на нехарактеристичных длинах волн, например X и 300  350 нм.

5. Спектры фуллеренола-М и фуллеренола-В весьма качественно похожи друг на друга и на спектр ранее полученного фуллеренола^ [5, 6]. Однако в указанных спектрах происходит инверсия: если в коротковолновой области (X и 300 нм) оптическая плотность О и С (концентрации обоих

о

и &

о

Ц

н

и а и

о ф

№

5

6

н о

300 400 500 600 700 800

Длина волны Я, нм

900

Рис. 2

Электронные спектры фуллеренола-N и фуллеренола-В: I — фуллеренола-N в воде относительно воды

фуллеренолов), то в длинноволновой части спектра большему значению С (фуллеренол-В) в ДМСО соответствует меньшее значение О по сравнению с водными растворами фуллеренола-М.

6. Дополнительно можно добавить, что в литературе нами не найдено водных электронных спектров растворов фуллеренола-М и фуллеренола-В, что, по-видимому, связано с их существенной мало-информативностью.

М а с с - с п е к т р ы ф у л л е р е н о л а-М

и ф у л л е р е н о л а-В

Вполне логичным, с точки зрения авторов, и по аналогии с фуллеренолом^ [5, 6] было бы предполагать, что в результате синтеза фуллеренолов-М, -В по указанной методике получаются не индивидуальные фуллеренолы типа Сбо(ОИ)п, а более сложная смесь продуктов. В случае фуллеренола-^ например, синтезируется смесь продуктов «полиспиртов» Сбо(ОИ)га «оксиполиспиртов» Сбо(ОИ)п1Оп2 или их солей Сбо(ОН)га]Ога2(ОМа)газ. Для выяснения указанного вопроса нами был снят масс-спектр образца фуллеренолов-М,-В.

Рассмотрим масс-спектрограммы фуллерено-лов-М, -В, представленные на рис. 3. В работе использован брукеровский масс-спектрометр МГСКОТОЕ (Вгиквг), ионизация электронная. Представленные масс-спектрограммы, естественно, носят качественный характер.

Фуллеренол-Ы. На рис. 3, а хорошо видны масс-спектрометрические рефлексы, отвечающие отношениям образования «полиспиртов» Сбо(ОИ)п (причем п варьируется в широких пределах: 22, ..., 27, ..., 41). На рис. 3, а хорошо видны также рефлексы, отвечающие натриевым формам поли-

спиртов C60(OH)rai(ONa)ra2> например: (n1, n2) = = (1,1)™ (n1, n2) = (2,3)™ (n1, n2) = (6,4)™ (n1, n2) = = (24,4)™ (n1, n2) = (44,4). Следует отметить: все относительные интенсивности рефлексов на рис. 3, а представлены в относительных процентах от интенсивности основного рефлекса при M/z = 847 а. е. Данный рефлекс невозможно соотнести ни с одним из рефлексов, отвечающих полигидроксифуллере-нам или их натриевым солям [5, 6], либо полиги-дроксиоксифуллеренам или их натриевым солям [5, 6]. Характерный инкремент DM/z = 1 а. е. может соответствовать только родственным протони-рованным формам полигидроксилированного фул-лерена С60, в нашем случае C60(OH)7_Hn (n = 8^10). Отметим еще один момент. Так же как и в случае масс-спектров фуллеренола-d [5, 6], масс-спектры фуллеренола-N при электронегативной ионизации содержат двухзарядные ионы (см. рис. 3, а) при M/z < 720 а. е.).

Фуллеренол-В. На рис. 3, в представлен масс-спектр фуллеренола-В. Хорошо виден единственный выраженный рефлекс с максимумом M/z = = 847 а. е. При более подробном анализе он распадается на систему близкорасположенных рефлексов M/z = 847; 848; 849; 850; 851 а. е. (рис. 3, г — фрагмент масс-спектрограммы рис. 3, б со значениями M/z = 740  760 а. е.) с тем же характерным инкрементом M/z = 1 а. е., что соответствует родственным протонированным формам полигидроксилиро-ванного С60, правда более широкого, чем в случае фуллеренола-N качественного состава C60(OH^Hn (n = 8  12). При росте значения n интенсивность рефлексов монотонно снижается. Весьма любопытным является тот факт, что никаких негидриро-ванных форм «полиспиртов» C60(OH)n, их солей C60(OH)n1(ONa)n2, «оксиполиспиртов» C60(OH)n1On2

а)

100 -

80 -

60 -

40 -

20 -

600

б)

M

S

100 _

80

60

40

20

0

1

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000 2200

M/z, a. e.

840 842

844

1—1—I—1—I—1—Г

846 848 850 852

1—1—Г

854 856 858 860 M/z, a. e.

Рис. 3

Масс-спектры фуллеренола-N (а, б — фрагмент) и фуллеренола-В (в, г — фрагмент):

М — масса; z — заряд иона, относительная интенсивность рассчитывается по рефлексу M/z = 847 а. е.

0

или их солей Сб0(0Н)п10п2(0Ма)п3 нами в фулле-реноле-В не обнаружено.

Возникает отдельный вопрос: каким образом произошло гидрирование фуллеренолов-Ы и -В в условиях синтеза в фазе с выраженной окислительной активностью? Казалось бы, никаких условий для прививания к молекуле Сб0 атомов Н

в резко щелочной среде при гидроксилировании или тем более при нитровании либо бромирова-нии при синтезе не реализуется. Остается, правда, еще одна весьма маловероятная возможность потери атомов О из групп —ОН непосредственно при возгонке-ионизации в камере масс-спектрографа.

в)

100 -

80 -

60 -

ÈS 40 -

M

S

20 -

7

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

M/z, a. e.

б)

0

100 -

80

60

M

S

40

20

840

842

844

7

846

7

848

850

Г

852

T

854

856

858 860 M/z, a. e.

Рис. 3 \ Окончание

0

Растворимость фуллеренола-N и фуллеренола-В в воде и ДМСО при 25 °С

Методом изотермического насыщения в ампулах нами была изучена растворимость фуллеренола-N в дистиллированной воде при температуре 25 °С. Время насыщения t = 120 мин. Температура насыщения поддерживалась с точностью ±0,05 °С. Насыщение производилось в условиях шейкер-тер-мостата при частоте встряхивания w = 80 с-1. Со-

держание фуллеренола в водном растворе определяли гравиметрическим методом — по изменению массы при упаривании досуха водного раствора фуллеренола при температуре Т « 50±2 °С и давлении р = 0,1 мм рт ст. В результате получено следующее значение растворимости фуллеренола-N в воде при 25 °С — С « 6 ± 4 г/л (заметно меньше растворимости фуллеренола-d в тех же условиях С « 249 ± 10 г/л [5, 6]). Несмотря на это, вполне можно утверждать, что фуллеренол-N оказался вполне хорошо совместимым с водой.

Напротив, избыточно гидрированный фулле-ренол-В оказался крайне малорастворимым в воде, однако он оказался растворимым в таком условно биосовместимом растворителе, как диметилсуль-фоксид — ДМСО. Растворимость фуллеренола-В в ДМСО аналогична. В результате нами получено следующее значение растворимости при 25 °С: С » 18 ± 1 г/л. Подобная растворимость легких фуллеренов и их производных в неводных растворителях является вполне значимой.

Выводы

В работе проведены синтез и идентификация (методами инфракрасной, электронной спектроскопии и масс-спектрометрии) фуллеренолов-N и -В, полученных из нитро- и бромпроизводных Сб0, определена растворимость фуллеренолов-N в воде и фуллеренолов-В в диметилсульфоксиде при 25 °С. Высокая растворимость полученных производных фуллеренов в биосовместимых растворителях указывает на перспективность их использования в биомедицинских исследованиях.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (№ 12-03-31380-мол_а, 11-08-00219-а), а также при поддержке гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых МК-3151.2013.3.

Литература

1. Сидоров Л. Н., Юровская М. А. Фуллерены. М.: Экзамен, 2005. 688 с.

2. Пиотровский Л. Б., Киселев О. И. Фуллерены в биологии. СПб.: Росток, 2006. 334 с.

3. Семенов К. Н., Чарыков Н. А. Растворимость легких фуллеренов и их производных. Lambert Academic Publishing, 2011. 237 с.

4. Solubility of light fullerenes in organic solvents / K. N. Se-menov, N. A. Charykov, V. A. Keskinov [et al.] / Jurn. Chem. Eng. 2010. Vol. 55, N 7. P. 13-36.

5. Semenov K. N., Charykov N. A., Keskinov V. A. Jurn. Chem. Eng. 2011. Vol. 56. N 2. P. 230-239.

6. Вестник Санкт-Петербургского университета. Сер. Физика, химия / К. Н. Семенов, Н. А. Чарыков, Д. Г. Летенко [и др.]. 2010. № 4. С. 79-86.

7. Cgo fullerol formation catalysed by quaternary ammonium hydroxides / Jurn. Li, A. Takeuchi, M. Ozawa [et al.] // Jurn. Chem. Soc. Chem. Commun. 1993. Vol. 23. P. 1784-1788.

8. Синтез и индентификация фуллеренола, полученного методом прямого окисления / Д. Г. Летенко, Н. А. Чары-ков, К. Н. Семенов [и др.] // ЖПХ. 2010. Т. 83. № 12. С. 1948-1952.

Т. И. Мурашкина

ТЕХНИКА ФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА И МЕТРОЛОГИЯ

ОАО «Издательство "ПОЛИТЕХНИКА" предлагает:

Т. И. Мурашкина

ТЕХНИКА ФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА И МЕТРОЛОГИЯ

Учебное пособие для вузов ISBN 978-5-7325-1051-5 Объем 138 с.

Рассматриваются основные разделы теоретической метрологии: теории измерительных процедур и физического эксперимента, теории обработки экспериментальных данных при проведении измерительного эксперимента, теории планирования физического измерительного эксперимента, с которой тесно связаны такие вопросы, как разработка методик выполнения измерительного эксперимента и метрологическое обеспечение физического эксперимента.

Учебное пособие подготовлено на кафедре «Приборостроение» и предназначено для студентов, обучающихся по направлениям подготовки 200500 «Лазерная техника и лазерные технологии», «Приборостроение», может быть полезно инженерам и научным работникам, занимающимся организацией и проведением измерительного физического эксперимента.

Гриф: Рекомендовано Федеральным государственным автономным учреждением «Федеральный институт развития образования» (ФГАУ «ФИРО») в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям подготовки «Лазерная техника и лазерные технологии», «Приборостроение».

Книгу можно приобрести в издательстве по адресу: 191023, Санкт-Петербург, Инженерная ул., д. 6. Тел.: (812) 312-44-95, тел./факс: (812) 312-57-68. E-mail: sales@polytechnics.ru, gfm@polytechnics.spb.ru http://www.polytechnics.ru/

Возможна отправка книг почтой. Книги высылаются покупателям после 100 % предоплаты