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Química Nova

Print version ISSN 0100-4042

Quím. Nova vol.33 no.3 São Paulo  2010

http://dx.doi.org/10.1590/S0100-40422010000300036 

REVISÃO

 

Fulereno[C60]: química e aplicações

 

Fullerene C60: chemistry and applications

 

 

Leandro José dos Santos; Guilherme Pereira Rocha; Rosemeire Brondi Alves; Rossimiriam Pereira de Freitas*

Departamento de Química, Universidade Federal de Minas Gerais, 31270-901 Belo Horizonte - MG, Brasil

 

 


ABSTRACT

Fullerene chemistry has become a very active research field in the two last decades, largely because of the exceptional properties of the C60 molecule and the variety of fullerene derivatives that appear to be possible. In this review, a general analysis of fullerene C60 reactivity is performed. The principal methods for the covalent modification of this fascinating carbon cage are presented. The prospects of using fullerene derivatives as medicinal drugs and photoactive materials in light converting devices are demonstrated.

Keywords: fullerene C60; nanomaterials; carbon allotropes.


 

 

INTRODUÇÃO

Os fulerenos constituem uma classe de nanomoléculas esferoidais estáveis formadas exclusivamente por átomos de carbono. Ao contrário das outras formas alotrópicas de carbono, como grafite, diamante e nanotubos, os fulerenos são uma forma molecular de carbono. Até hoje, oito fulerenos estáveis já foram isolados em quantidades significativas, sendo os mesmos denominados [60-Ih], [70-D5h], [76-D2], [78-D3], [78-C2v(I)], [78-C2v(II)], [84-D2(IV)] e [84-D2d(II)] em função do número de carbonos que os formam, do grupo pontual de simetria da molécula e do número do possível regioisômero.1 Dentre estes fulerenos, a molécula de simetria Ih formada por 60 átomos de carbono, o buckminsterfulereno, fulereno[C60] ou simplesmente C60 é, sem dúvida, o mais abundante e representativo. O C60 tem a estrutura de um icosaedro truncado não regular de 32 faces (20 hexágonos e 12 pentágonos) com 30 ligações carbono-carbono situadas nos vértices das fusões entre pentágonos e hexágonos. As ligações entre os anéis de seis membros [6-6] têm características de ligações p e são mais curtas (1,38 Å) do que as ligações [6-5] entre os anéis de seis e cinco membros (1,45 Å) que são melhores descritas como ligações simples (Figura1).

 

 

Este artigo de revisão teve o objetivo de sistematizar as principais informações relacionadas à reatividade singular desta forma de carbono e aos principais métodos até então desenvolvidos para a funcionalização química do fulereno[C60] bem como exemplificar a grande e versátil gama de aplicações encontradas até hoje para esta nanomolécula e seus derivados quimicamente modificados.

 

HISTÓRICO, MÉTODOS DE OBTENÇÃO E PURIFICAÇÃO

Embora desde 1966 cálculos teóricos demonstrassem a possibilidade da existência de "gaiolas" estáveis formadas exclusivamente por átomos de carbono,2 somente em 1985 um experimento realizado por Kroto et al. comprovou experimentalmente a existência de tais compostos.3 Nesse experimento, uma placa de grafite foi submetida a um laser pulsado de alta frequência e os agregados gerados no plasma foram analisados por espectrometria de massas. O experimento mostrou a formação de moléculas grandes constituídas exclusivamente por átomos de carbono, com fórmula Cn onde n= 30-190, sendo C60 e C70 os mais abundantes. Sob condições específicas para a formação destes agregados, o espectro de massas apresentou o pico do C60 como principal. Esta molécula, excepcionalmente estável e simétrica, foi chamada pelos pesquisadores de fullerene em homenagem ao arquiteto americano B. Fuller, responsável pela invenção dos domos geodésicos, forma arquitetônica que segue o mesmo princípio de simetria e estabilidade. Sir H. W. Kroto, R. F. Curl e R. E. Smalley procuravam, neste experimento, mimetizar condições interestelares para comprovar a existência de grandes e excepcionais cadeias de carbono no espaço e não suspeitavam que, graças a sua descoberta, seriam agraciados com o Nobel de Química alguns anos mais tarde, em 1996.

A descoberta destas espécies moleculares de carbono excitou profundamente a comunidade científica. Entretanto, somente em 1990, R. Taylor, um especialista em cromatografia, foi capaz de obter pela primeira vez4 amostras puras de C60 e C70 em quantidades mínimas, mas suficiente para começar a exploração de suas propriedades químicas e espectroscópicas. No mesmo ano, o desenvolvimento por Krätschmer et al.5 de um método para a síntese de C60 em quantidades "macroscópicas" representou uma etapa decisiva para a área que se tornou, nos últimos 20 anos, um tema maior da química contemporânea com reflexos importantes nas áreas de supercondutividade, biologia e ciência dos materiais.

O método desenvolvido por Krätschmer et al. consiste na aplicação de um arco voltaico entre tubos de grafite de alta pureza em uma atmosfera de hélio a uma pressão de 100-200 Torr. A temperatura necessária para a formação dos fulerenos é cerca de 2000 ºC. O rendimento do fulereno[C60] na fuligem produzida pelo processo é de cerca de 5%. Este método permite a obtenção de gramas de C60 e produz, ainda, C70 e fulerenos superiores (o total de fulerenos produzido é cerca de 10-15%). Obviamente, foi necessária a descoberta de métodos eficientes para a extração e purificação do C60 e dos fulerenos superiores da fuligem formada, como mostrado na Figura 2.4

 

 

Além do método de Krätschmer et al. para obtenção de fulerenos, outros métodos menos usuais são descritos na literatura, com destaque para aqueles representados pela combustão do benzeno em uma atmosfera deficiente de oxigênio6 e pela condensação de hidrocarbonetos aromáticos policíclicos por desidrogenação ou desidro-halogenação.7

Propriedades físico-químicas

Desde a disponibilização macroscópica do C60 pelo método de Krätschmer et al., as propriedades físicas desta fascinante forma alotrópica de carbono têm sido intensamente investigadas. Entre as descobertas mais surpreendentes, sabe-se que a molécula de C60, embora rica em elétrons, se comporta como uma espécie eletronegativa capaz de aceitar reversivelmente de um até seis elétrons, formando os ânions correspondentes.8 Isto foi comprovado por cálculos teóricos, sendo que o caráter eletrônico deficitário do C60 foi atribuído aos orbitais moleculares LUMO não-ligantes, que estão num patamar de energia muito baixo. Outra propriedade interessante é que a molécula de C60 pode se tornar supracondutora em espécies do tipo M3C60 (M= metal alcalino)9 além de possuir propriedades ópticas não lineares10 e um estado tripleto de longa duração.11 Muitas das propriedades do C60 estão relacionadas com sua elevada simetria, na qual os 60 átomos de carbono são equivalentes, resultando em um espectro de RMN de 13C com um único sinal em 142,68 ppm (Figura 3).2 O espectro eletrônico de absorção do C60 é caracterizado por várias absorções fortes entre 190 e 410 nm, bem como por algumas transições proibidas na parte visível do espectro, entre 410 e 620 nm, sendo essas últimas responsáveis pela cor púrpura intensa do C60 em solução (Figura 3).2

 

 

Desde a sua descoberta, um dos principais problemas relacionados à molécula de C60 é a sua baixa solubilidade em solventes usuais, sendo essencialmente insolúvel em solventes polares, como mostrado na Tabela 1.

 

 

A difícil manipulação da molécula de C60 devido à sua baixa solubilidade foi, desde sua descoberta, um sério obstáculo para sua aplicação prática. Este obstáculo tem sido superado, nos últimos anos, seguindo duas vertentes principais de pesquisa: a modificação química da superfície da esfera de carbono para obtenção de fulerenos funcionalizados covalentemente13 e a complexação do C60 ou derivados com moléculas como ciclodextrinas14 e calixarenos,15 dentre outras. A maioria dos trabalhos da literatura consiste na síntese de derivados covalentemente modificados, com o objetivo de se produzir novos compostos com solubilidade adequada e/ou propriedades intrínsecas. Assim, nesta parte da revisão se enfatizarão os principais tipos de reação usados para a obtenção de fulerenos exoédricos modificados.

 

REATIVIDADE QUÍMICA DO C60

A molécula de C60 possui seis subunidades, denominadas piracelênicas, constituídas por dois pentágonos e dois hexágonos, sendo que é nesta parte da molécula que ocorrem as reações, geralmente na posição 1,2 (Figura 4). A maioria dos autores considera a molécula do C60 como não sendo aromática e, por isso, não apresenta reatividade típica de arenos.16 A não aromaticidade dos anéis de seis membros é resultado do desvio substancial do ângulo de 120º esperado para os carbonos sp2, que estão consideravelmente "piramidalizados",17 o que faz com que não possa existir uma superfície totalmente planar com possibilidade de circulação de elétrons. A tensão associada à piramidalização dos átomos é a razão da alta reatividade do C60 quando comparado a outras formas de carbono, uma vez que ao reagirem, estes átomos passam a ser sp3. Como já citado, as ligações [6-6] duplas são mais curtas do que as ligações [6-5] simples na molécula. Na verdade os anéis de seis membros se parecem com o ciclo-hexatrieno com duplas localizadas e os anéis de cinco são topologicamente relacionados com o [5]-radialeno.

 

 

A já citada habilidade do fulereno em aceitar elétrons faz com que a molécula se comporte quimicamente como uma olefina eletrodeficiente e praticamente toda a química de fulerenos é baseada nesta importante característica. Assim, o fulereno reage facilmente com nucleófilos em reações de adição, mas não sofre reações de adição eletrofílica típicas de alcenos simples (Esquema 1). Ainda, reações envolvendo espécies radicalares são comuns (Esquema 1). A molécula de C60 pode sofrer ainda várias reações de cicloadição. A cicloadição [4+2] foi um dos primeiros tipos de reação descoberta para este material carbonoso (Esquema 1), mas vários outros tipos têm sido relatados até os dias atuais.2

 

 

Além das reações de adição nucleofílica e radicalar e das cicloadições, hidrogenações, reduções, oxidações e obtenção de complexos com metais de transição são bastante usuais.18 Nesta parte da revisão serão enfatizadas as reações de adição nucleofílica e cicloadições mais utilizadas para funcionalização da molécula de C60.

Reações de adição nucleofílica

O fulereno[C60] reage com uma grande variedade de nucleófilos, incluindo carbânions, compostos fosforados, nitrogenados e oxigenados, dentre outros. Após o ataque inicial do nucleófilo é formado um intermediário NunC60n- que pode ser estabilizado por: a) adição de eletrófilos E+, formando o produto genérico C60EnNun ; b) adição de eletrófilos neutros; c) reação SNi ou reação de adição interna, fornecendo metanofulerenos e ciclo-hexenofulerenos ou, d) reação de oxidação para formação de C60Nu2. Por possuir um grande número de ligações duplas reativas, o C60 possibilita a formação de diferentes produtos de adição. Apesar de vários isômeros serem possíveis na adição, são formados preferencialmente os de adição 1,2. A combinação de fatores estéricos dos grupos adicionados faz com que, em alguns casos, possam ser obtidos preferencialmente os produtos de adição 1,4 ou 1,6 e 1,16 (Esquema 2), mas o aparecimento de ligações duplas endocíclicas no anel de cinco membros (a e b) nos isômeros 1,4; 1,6 e 1,16 faz com que estes sejam energeticamente desfavoráveis em relação ao isômero 1,2.2,17

 

 

As reações de adição são normalmente exotérmicas e favorecidas pela diminuição da tensão na molécula de C60.13 Considerando a variedade de espécies nucleofílicas existentes, este é um método muito utilizado na funcionalização do C60. A seguir, serão apresentados alguns exemplos importantes de adição nucleofílica ao C60.

Ciclopropanação

Uma das metodologias mais utilizadas para a obtenção de fulerenos exoédricos, via adição nucleofílica, é a reação do C60 com compostos contendo metileno ativo na presença de base (Esquema 3).17 Nesta reação o produto é formado seletivamente na posição 1,2 entre os anéis de seis membros.19 O mecanismo desta reação envolve a formação do carbânion 1, promovida pela base, com posterior ataque ao carbono da dupla piracelênica seguido de uma SNi para formação do monoaduto 2.19,20

 

 

Este tipo de ciclopropanação do C60, relatado pela primeira vez na década de 90, ficou conhecido como reação de Bingel.21 Este autor utilizou bromomalonato de dietila (3), NaH como base e tolueno como solvente, obtendo o monoaduto 4 com 45% de rendimento (Esquema 4).

 

 

A metodologia de funcionalização do C60 descrita por Bingel, em 1993, foi modificada ao longo dos anos pelo uso de diferentes substratos contendo metileno ativo (ao invés de α-haloésteres),22-24 iodo molecular (ou CBr4)25 e o uso de outras bases como DBU,26 LDA,27 NEt3 e piridina,28 além de Na2CO3.29 A Tabela 2 apresenta alguns exemplos de reação usando esta metodologia.

 

 

De forma geral, nas reações para formação de monoadutos, é possível obter ainda bis e tris-adutos por meio de reações sequenciais. O C60 monofuncionalizado tem nove ligações duplas distintas entre os hexágonos, que podem reagir em uma segunda adição e formar até nove regioisômeros, conforme representado na Figura 5. Para compostos que possuem dois grupos idênticos a serem adicionados, o número de regioisômeros diminui para oito, sendo que neste caso os adutos nas posições equatoriais e' e e'' serão idênticos. Para a formação de tris-adutos são esperados um total de 46 regioisômeros.13,30

 

 

Bis e tris-adutos foram isolados pela primeira vez em 1994 por Hirsh et al. (Esquema 5).20 Os bis-adutos foram sintetizados a partir do monoaduto 4 usando o protocolo de Bingel, sendo isolados por HPLC sete dos oito regioisômeros possíveis. O isômero cis-1 não foi detectado, possivelmente devido a fatores estéricos. A partir dos regioisômeros 15 e 17, foram obtidos ainda os tris-adutos 16 e 18 (Esquema 5).

 

 

Uma metodologia eficiente para a preparação regiosseletiva de múltiplos adutos do C60 foi introduzida por Diederich et al., em 1994, e baseia-se na direta funcionalização do C60 por compostos que possuem dois ou mais grupos reativos na mesma molécula. Esta seletividade está diretamente relacionada com o espaçamento entre os grupos reativos da molécula que vai reagir com o C60 (Figura 6).30-32

 

 

Utilizando esta metodologia Nierengarten et al. descreveram a obtenção regiosseletiva de bis-adutos a partir da reação de bis/β-cetoésteres com o C60, utilizando-se I2, DBU como base e tolueno como solvente (Esquema 6).33 A bis-funcionalização foi altamente regiosseletiva, obtendo-se apenas um dos possíveis isômeros, em cada caso.

 

 

Além de bis34 e tris-adutos35 podem ser obtidos múltiplos adutos do C60 como, por exemplo, hexaquis adutos. Embora seja considerado um desafio, diversos grupos de pesquisa têm obtido êxito na síntese desses derivados.36 Por exemplo, recentemente, Li et al. relataram um método eficiente para a obtenção de hexaquis adutos do C60 com bons rendimentos.37 Neste método são utilizados um grande excesso de CBr4 (100 eq.), DBU (10 eq.), o malonato 23 (10 eq.) e o-diclorobenzeno como solvente, conforme apresentado no Esquema 7.

 

 

Adição de organometálicos

Uma das primeiras reações envolvendo o C60 e organometálicos foi relatada em 1994 por Komatsu et al..38 Os compostos organolítios 25 e 26 (Esquema 8) foram adicionados ao C60 fornecendo, após elaboração com TFA, os monoadutos correspondentes 27 e 28 com 45 e 33% de rendimento, respectivamente. A obtenção destes monoadutos foi altamente dependente das condições de reação como, por exemplo, eficiência da agitação, ausência de oxigênio e umidade na mistura de reação.

 

 

Além da adição de organolítio,39,40 também são relatadas a adição ao C60 de compostos organomagnésio41,42 e organozinco43 para a formação do correspondente ânion RC60- como intermediário da reação, que pode ser protonado ou alquilado.44 Estas adições podem ser realizadas pela geração in situ do organometálico45,46 ou diretamente pela adição de um reagente organometálico comercial. A Tabela 3 apresenta alguns exemplos destas adições ao C60.

 

 

Além destes organometálicos, também são relatados exemplos de múltiplas adições de compostos organocobre ao C60,47 sendo que uma discussão detalhada destas reações e de sua seletividade pode ser encontrada na revisão escrita por Matsuo e Nakamura.44

Adição de outros nucleófilos

Outros nucleófílos também têm sido adicionados ao C60, sendo que dentre eles podem ser citados o cianeto,48 hidróxidos e alcóxidos,49-51 nucleófilos fosforados,52 silíl-lítios e germanolítios53 (Tabela 4).

 

 

Adição de aminas

Uma das primeiras reações investigadas de adição ao C60 foi a que envolvia aminas alifáticas.54 Embora nestas reações os produtos de adição 1,2 e 1,4 sejam formados majoritariamente, normalmente são obtidas misturas complexas de isômeros, o que faz com que a adição de aminas primárias diretamente ao C60 seja pouco explorada como método de funcionalização. Entretanto, alguns trabalhos com aminas secundárias e terciárias têm se destacado nos últimos anos.54 Evidências experimentais sugerem que o mecanismo envolvido nestas adições passa por um intermediário aniônico ou radicalar e o favorecimento de um processo sobre o outro depende do derivado aminado utilizado e das condições de reação (Esquema 9).55

 

 

Além das aminas, outras adições ao C60 ocorrem provavelmente via mecanismo radicalar56 levando à formação de polímeros e outros materiais com importância tecnológica.2

Reações de cicloadição

O C60 participa de diversas reações de cicloadições, incluindo reações do tipo [2+1], [2+2], [3+2], [4+2], [6+2] e [8+2].57 Dentre estas, as que merecem maior atenção são as cicloadições [3+2] com 1,3-dipolos e a cicloadição [4+2] com dienos. Nestas cicloadições, além de monoadutos também podem ser formados adutos múltiplos por meio de reações sequenciais ou seletivamente pelo uso de espaçadores, da mesma forma que nas reações de ciclopropanações citadas anteriormente. Uma abordagem mais detalhada da formação destes múltiplos adutos pode ser encontrada em alguns artigos de revisão.17,31,58,59

Cicloadição [4+2]

A cicloadição [4+2] envolve a reação regiosseletiva de dienos com a ligação central [6,6] da unidade piracelênica do C60, sendo a reação extremamente dependente da reatividade do dieno.2 Uma das primeiras cicloadições [4+2] ao C60 foi descrita por Schlueter et al..60 Nesta reação foi usado o antraceno como dieno e a reação permaneceu sob refluxo de tolueno durante 3 dias. O monoaduto 53 (Esquema 10), termicamente instável, foi obtido com 13% de rendimento. Para otimizar esta cicloadição, De la Cruz et al. utilizaram a irradiação por micro-ondas (IMO) obtendo após 15 min o monoaduto 53, com 35% de rendimento.61

 

 

Os dienos utilizados nestas cicloadições variam desde os mais simples até os mais complexos e estas reações podem ser realizadas com diferentes fontes de energia. Dentre os dienos utilizados destacam-se os derivados do o-quinodimetano 54 (Esquema 11), gerados in situ por diferentes métodos como, por exemplo, eliminação redutiva 1,4 a partir de derivados do α,α'-dibromo-o-xilenos, pela termólise de derivados do benzociclobutano, eliminação térmica de dióxido de enxofre a partir dos correspondentes sulfinatos cíclicos ou sulfonas e através da eliminação de dióxido de carbono a partir dos derivados de lactonas (Esquema 11).58,59

 

 

A cicloadição [4+2] destaca-se como um dos métodos mais utilizados para a funcionalização do C60. Alguns exemplos são apresentados na Tabela 5.

 

 

Cicloadição [3+2]

Nestas reações o C60 se comporta como dipolarófilo reagindo com diversos 1,3-dipolos como, por exemplo, azidas (a), óxidos de nitrila (b), iminonitrilas (c), diazocompostos (d) e ilídeos de azometina (e), de nitrila (f) e de carbonila (g) (Esquema 12).68

 

 

Os 1,3-dipolos mais usados na cicloadição ao C60 para sua funcionalização são os derivados de azidas (a) e ilídeo de azometina (e).

Adição de azidas

A reação de azidas orgânicas com a ligação dupla [6,6] da esfera do C60 leva à formação de triazolinas 68 (Esquema 13). Estes intermediários podem ser clivados termicamente ou fotoquimicamente para formar o aduto [5,6] (azafuleroide) e/ou o aduto [6,6] (aziridinofulereno), sendo o aduto [5,6] geralmente obtido de forma majoritária. O aduto [5,6] pode ainda ser convertido no aduto [6,6] por clivagem térmica ou fotoquímica (Esquema 13).2,69

 

 

O primeiro exemplo de cicloadição de azidas orgânicas ao C60 foi descrito por Prato et al. em 1993.70 Nestas reações foram usadas quantidades equimolares de silil ou benzil azidas que reagiram com o C60, sob refluxo de clorobenzeno, para formar os derivados triazolínicos 69(a-d) e os azafuleroides 70(a-d), conforme apresentado no Esquema 14. Os derivados triazolínicos 69(a-d) apresentaram-se estáveis à temperatura ambiente, entretanto foram facilmente convertidos nos respectivos azafuleroides 70(a-d), após refluxo com clorobenzeno ou pelo aquecimento do sólido a 180 ºC.

 

 

A partir desta primeira reação e apesar dos baixos rendimentos alcançados, a adição de azidas orgânicas ao C60 tem possibilitado a síntese de monoadutos estruturalmente diversificados, derivados de carboidratos,71 do tetratiafulvaleno,72 de heterociclos,73 de dendrímeros74 além de bis e tris-adutos.75 Como pode ser observado na Tabela 6, além do aquecimento convencional, diferentes fontes de energia também são utilizadas para a obtenção destes derivados como, por exemplo, irradiações na região do UV, das micro-ondas e do ultrassom.

 

 

Adição de ilídeos de azometina

Ilídeo de azometina é um 1,3-dipolo que também reage seletivamente nas ligações [6,6] do C60, formando fuleropirrolidinas com bons rendimentos (Esquema 15).2 Trata-se de uma das reações mais usadas para funcionalização da esfera do C60.

 

 

Os ilídeos de azometina podem ser obtidos, dentre outros métodos, pela condensação de α-aminoésteres ou α-aminoácidos com compostos carbonílicos,82 pela tautomerização de iminas contendo metileno ativo83 e, também, pela clivagem de aziridinas.84 Geralmente estes ilídeos são gerados in situ no meio da reação utilizando o aquecimento convencional,85 irradiação por micro-ondas,86 luz87 ou irradiação ultrassônica.88

Prato et al. descreveram pela primeira vez, na década de 90, a cicloadição de ilídeos de azometina ao C60, sendo estes ilídeos gerados por dois métodos89 (Esquema 16). O primeiro método foi pela reação da N-metilglicina (77) com o formaldeído e subsequente cicloadição com o C60. Esta reação foi realizada sob refluxo de tolueno fornecendo após 2 h a N-metilfuleropirrolidina (78) com 41% de rendimento (82% considerando C60 recuperado). O outro método envolveu a decomposição térmica da aziridina 79 e subsequente cicloadição com o C60, obtendo-se a fuleropirrolidina 80 com 40% de rendimento (73% considerando o C60 recuperado).

 

 

Dentre os compostos que são adicionados ao C60 por este método podem ser citados: porfirinas,90 ferroceno,91 carboidratos,92,93 anilina e seus derivados,94 oligômeros,95 calixarenos,96 aminoácidos,97 dentre outros,98,99 Tabela 7.

 

 

Além do método clássico, outros métodos não usuais para formação de fuleropirrolidinas por cicloadição 1,3-dipolar também podem ser encontrados na literatura.88,102

 

APLICAÇÕES DO FULERENO[C60] E DERIVADOS QUIMICAMENTE MODIFICADOS

Quando os fulerenos foram descobertos há mais de duas décadas, existia uma grande excitação sobre as possíveis aplicações práticas para este novo material molecular. A despeito das especulações iniciais, nos dias atuais os pesquisadores estão muito mais seguros sobre a potencialidade e as limitações deste material. Nesta parte da revisão serão abordados os mais promissores campos de aplicação para os fulerenos funcionalizados, com ênfase no seu uso nas áreas de ciências de materiais e biológica. O objetivo não é fazer uma revisão exaustiva, mas mostrar alguns dos mais ilustrativos exemplos em cada caso.

Aplicação em ciência de materiais

Derivados de C60 como limitadores ópticos

A limitação óptica é um fenômeno não linear no qual a absorção de um material aumenta e a transmissão diminui à medida que a intensidade da radiação incidente aumenta. Materiais ou dispositivos com essas características são chamados de limitadores ópticos e são potencialmente úteis para proteger sensores ópticos (incluindo o olho humano) dos perigosos raios lasers, por exemplo. Durante os últimos anos, têm sido investidos esforços na procura de materiais orgânicos com este comportamento uma vez que estes materiais são, em geral, fáceis de serem manipulados e integrados nos dispositivos ópticos. O C60 tem sido extensamente investigado para aplicação em limitação óptica, pois uma das primeiras descobertas na área foi a de que a transmissão por soluções de fulerenos diminui com o aumento da intensidade da luz incidente.10 Para pulsos mais curtos (ps) a ação é atribuída ao fenômeno de absorção saturada reversa (RSA), enquanto para que pulsos maiores efeitos térmicos parecem estar envolvidos.

Embora soluções de fulerenos funcionem como limitadores ópticos, o uso de dispositivos sólidos é largamente preferido no caso de aplicações práticas para este material. O primeiro problema encontrado pelos pesquisadores da área é que filmes cristalinos de C60 não apresentavam as mesmas propriedades de limitação óptica (provavelmente devido a interações com moléculas de C60 vizinhas na fase sólida), sendo ineficiente contra pulsos maiores que dezenas de ps. Assim, os primeiros estudos visaram a síntese de derivados de C60 solúveis, que pudessem ser incorporados em matrizes sólidas, como vidros ou compósitos vidro-polímeros pelo processo sol-gel. O composto 95 (Figura 7), solúvel em água e, portanto, compatível com o processo sol-gel, foi sintetizado e incorporado de forma eficiente em um material produzido por este processo. A transmissão da amostra a 532 nm mostrou que, com o aumento da energia do pulso do laser incidente, a transmissão diminuiu, o que demonstra que as propriedades de limitação após inclusão na matriz sólida foram mantidas.103

 

 

Vidros sol-gel estáveis também têm sido preparados a partir de derivados de fulerenos modificados com cadeias solubilizantes contendo grupos siloxanos.104 As propriedades ópticas limitantes destes derivados têm sido investigadas em solução e em vidros sol-gel. Por irradiação a 652 nm os compostos 96-99 deram melhores resultados que o C60 (Figura 8).

 

 

No campo da limitação óptica, a combinação de ftalocianinas e fulerenos tem sido explorada por diferentes pesquisadores que procuram um efeito sinérgico, visto que ambos separadamente já apresentam esta propriedade. O comportamento óptico de 100 (Figura 9) foi investigado em solução e em uma dispersão nanoparticulada usando pulsos laser de nanossegundos a 532 nm.105 O melhor resultado foi da amostra constituída por nanopartículas, justificada pelos autores pela formação de agregados especialmente ordenados.

 

 

Vários outros exemplos de aplicação de derivados fulerênicos em óptica não linear podem ser encontrados na literatura destacando-se a síntese de C60-tetratiafulvalenos,106 de fulerodendrímeros107 e de C60-oligo-p-fenilenoetinileno,108 dentre outros.

Derivados de C60 para aplicações fotovoltaicas

A interação do C60 com luz tem atraído os pesquisadores na exploração de aplicações relacionadas às propriedades fotofísicas, fotoquímicas e de transferência de carga fotoinduzida de derivados de C60. Tudo começou após a observação feita por Sariciftci,109 em 1992, de que ocorria uma ultrarrápida transferência fotoinduzida de elétrons de polímeros p-conjugados para o C60 e que esta transferência criava um estado de separação de cargas de longa duração. Após esta descoberta, programas intensivos de pesquisa em todo o mundo têm focado na síntese de derivados de C60 que possam ser usados como aceptores de elétrons em células orgânicas solares. O desenvolvimento destes dispositivos é estimulado pelas vantagens inerentes relacionadas aos materiais orgânicos, como o seu baixo peso, o seu relativo baixo custo e a possibilidade de construir grandes superfícies ativas devido à sua fácil processabilidade.

Tipicamente, uma célula orgânica solar é constituída de no mínimo quatro camadas distintas,110 sem contar o substrato, o qual pode ser vidro ou um polímero transparente e flexível (Figura 10). Sobre o substrato está depositado o anodo. Óxido de índio e estanho (ITO) é o material anódico mais popular devido à sua transparência e porque vidros cobertos com ITO já são disponíveis comercialmente. O catodo é frequentemente alumínio, mas cálcio, magnésio e ouro também são usados. Inserido entre os dois eletrodos está a chamada "camada fotoativa" responsável pela absorção de luz, geração e dissociação dos éxcitons e difusão das cargas. Quando esta camada é constituída por uma p-camada semicondutora doadora (D) de elétrons e uma n-camada semicondutora aceptora (A) dá-se a ela o nome de heterojunção p-n. Sob iluminação, ocorre a transferência de elétrons do doador para o aceptor e a geração de éxcitons, seguida pela separação de cargas e transporte dos carreadores aos eletrodos, o que induz a produção de uma fotocorrente. Nos dias de hoje, um dos aceptores mais usados na heterojunção de células fotovoltaicas são derivados de C60, sendo consenso entre os pesquisadores que estes compostos são os mais importantes candidatos para a expansão das células orgânicas solares como fonte renovável de energia elétrica.

 

 

A primeira heterojunção constituída de um polímero conjugado e de C60 foi relatada em 1993.111 Neste trabalho, o dispositivo ITO/MEH-PPV C60/Au (ou Al) foi fabricado por sublimação do fulereno em uma camada de MEH-PPV [poli[2-metoxi-5-(2'-etil-hexiloxi)-1,4-fenilenovinileno] finamente depositada em um vidro coberto com ITO. Esta célula solar mostrou uma eficiência de conversão de potência (PCE) de 0,04%.

O maior problema associado com tais heterojunções do tipo bi-camadas é que a interação efetiva entre doador e aceptor ocorre somente na interface de contato e é limitada pelo comprimento de difusão do éxciton (próxima a 20 nm). Para superar este problema, dispositivos onde pudesse ocorrer uma rede interpenetrante entre os semicondutores foram propostos. Yu et al.112 desenvolveram o conceito de bulk-heterojunction (heterojunção dispersa) onde ocorre uma mistura de doador e aceptor para formação de uma rede interpenetrante entre os dois, ocorrendo uma interação efetiva em todo o volume do dispositivo. O maior problema nos primeiros dispositivos deste tipo que usavam o C60 é que o mesmo apresentava uma grande tendência em se agregar e se cristalizar. Por esta razão, esforços foram voltados para a construção de heterojunções dispersas formadas por polímeros conjugados e derivados solúveis, como o derivado fulerênico 1-(3-metoxicarbonil)propil-1-fenil-[6,6]metanofulereno ([60]PCBM) 101 (Figura 11). Este composto, inicialmente sintetizado por Wudl et al., mas já disponível comercialmente, é solúvel em solventes orgânicos, o que facilita a construção da rede interpenetrante. O primeiro exemplo de mistura entre MEH-PPV e [60]PCBM 101 exibiu uma PCE de 2,9%.113

 

 

Desde esta descoberta, inúmeros grupos de pesquisa têm trabalhado no desenvolvimento de derivados de fulerenos com potencial aplicação na construção de pilhas fotovoltaicas. Dispositivos constituídos de poli[2-metoxi-5-(3,7-dimetiloctiloxi)]-p-fenilenovinileno (MDMO-PPV) e [60]PCBM obtiveram um PCE de 3%.114 Uma eficiência de conversão de potência de 5% foi conseguida recentemente por alguns grupos em células orgânicas do tipo "heterojunção dispersa" constituídas de [P3HT = poli(3-hexiltiofeno)] (P3HT) e [60]PCBM.115 Um trabalho recente envolvendo a síntese de 37 derivados de C60 inéditos análogos do PCBM mostrou que a solubilidade do derivado fulerênico influencia diretamente na eficiência do dispositivo solar.116

Apesar do avanço, para usos comerciais a eficiência e estabilidade deste tipo de célula têm que ser ainda melhoradas. Em paralelo ao desenvolvimento de heterojunções dispersas formadas por polímeros/fulerenos, uma outra linha de pesquisa investe na síntese de macromoléculas do tipo fulereno ligado covalentemente a cadeias de polímeros para a preparação de células solares do tipo all-polymer (toda polimérica). O composto 102 (Figura 12), no qual uma parte oligofenilenovinileno (OPV) foi quimicamente ligada à esfera do C60, foi o primeiro exemplo de uma heterojunção molecular especificamente planejada para conversão fotovoltaica. Os dispositivos ITO/OPV-C60 102/Al e ITO/OPV-C60 103/Al alcançaram baixos valores de PCE de 0,01 e 0,03%, respectivamente (Figura 12).117 Vários outros trabalhos seguindo esta linha de pesquisa têm sido desenvolvidos desde então.118

 

 

Derivados de C60 para outras aplicações em ciências de materiais

Além das aplicações acima citadas, o uso das propriedades eletroaceptoras do C60 tem sido intensamente investigado por vários grupos na construção de dispositivos fotoeletroquímicos.119 Nestes estudos destacam-se os trabalhos envolvendo derivados fulerênicos modificados com um ou vários núcleos porfirínicos ligados covalentemente à superfície da esfera.119

Outra área que tem sido explorada mais recentemente é o uso de hexa adutos de C60 na obtenção de cristais líquidos, devido à estrutura altamente organizada destes derivados e sua capacidade de formar arquiteturas bem controladas em escalas nano e mesoscópica.120

Aplicações biológicas para derivados do fulereno[C60]

Os primeiros estudos sobre as atividades biológicas de fulerenos tiveram início há 15 anos com os trabalhos de Tokuyama et al.121 e Friedman et al.122 que sintetizaram, respectivamente, os derivados carboxílicos 104 e 105 (Figura 13), solúveis em água. Esses compostos mostraram-se efetivos na clivagem fotoinduzida do DNA e inibição enzimática, apresentando ainda citotoxicidade durante os testes.123

 

 

Desde então, vários grupos de pesquisa têm investigado propriedades biológicas de fulerenos e derivados, tais como, uso em terapia fotodinâmica, atividade neuroprotetora, atividade antimicrobiana, antiviral e outras interações com vários alvos biológicos.

 

USO EM TERAPIA FOTODINÂMICA

A terapia fotodinâmica (TFD) é um processo que necessita da presença de luz para excitar uma espécie capaz de absorver essa energia, a qual é designada fotossensibilizadora. O fulereno apresenta esta propriedade, e quando fotoexcitado, passa do estado fundamental singleto (1C60) para o estado excitado tripleto (3C60), cuja energia pode ser transferida para outras espécies como, por exemplo, para o oxigênio (Figura 14). O oxigênio no estado fundamental tripleto 3O2 é, então, excitado para o estado singleto 1O2, uma espécie muito reativa e citotóxica, que pode reagir com outras espécies do meio ou gerar espécies reativas de oxigênio (EROs), também citotóxicas.

 

 

As espécies reativas de oxigênio podem ser utilizadas, por exemplo, na ruptura do DNA. O primeiro estudo de fotoclivagem do DNA, com o composto 104 (Figura 13), como descrito anteriormente, foi realizado por Tokuyama et al..121 Outros estudos com derivados fulerênicos, visando a aplicação na TFD, foram realizados.119, 124-130 Observa-se claramente que o ponto central destes trabalhos é a busca por compostos mais hidrossolúveis. Neste contexto, podemos destacar os derivados fulerênicos contendo sacarídeos sintetizados por Mikata et al.130 (Figura 15).

 

 

Além deste estudo, podemos citar ainda os trabalhos de Ros et al.125 para aumentar a solubilidade dos fulerenos com o uso de tensoativos, como ciclodextrinas e polivinilpirrolidona (PVP). Estes autores observaram que o derivado de fulereno misturado com a PVP teve sua atividade reduzida devido à competitividade da ligação do DNA com o PVP, enquanto que o derivado de fulereno associado com a g-ciclodextrina teve um aumento de sua atividade. Uma possível alternativa, pesquisada por Yamakoshi e Iwamamoto128 para aumentar a hidrossolubilidade e manter a atividade com a PVP foi a incorporação deste composto covalentemente ao fulereno. O uso de um polímero não iônico, como o PVP, na terapia fotodinâmica é promissor, uma vez que testes demonstraram que esta classe de compostos não apresenta toxicidade.

 

ATIVIDADE ANTIOXIDANTE E NEUROPROTETORA

A formação de radicais livres no meio biológico como superóxidos (O2.-) e radicais hidroxila (.OH) pode danificar estruturas celulares como lipídeos, proteínas, DNA, macromoléculas e causar desordens neurodegenerativas como Parkinson, Alzheimer e Lou Gehrig.126 Assim, o uso de substâncias que possam capturar radicais livres pode diminuir ou, até mesmo, eliminar a morte de células neurais. Como o fulereno é um excelente aceptor de elétrons no seu estado fundamental, possui uma grande habilidade em capturar radicais livres gerados no meio biológico.119 Dugan et al.131 iniciaram estudos envolvendo fuleróis (ou fulerenóis), derivados hidroxilados do C60 que representam uma nova classe de agentes neuroprotetores. Os fuleróis têm solubilidade satisfatória, capacidade de atravessar a barreira hematoencefálica e demonstraram surpreendente atividade antioxidante por reduzir a apoptose em culturas de neurônios. Esses mesmos autores investigaram ainda os carboxifulerenos 110 e 111 e obtiveram resultados satisfatórios na proteção contra neurodegeneração nos estudos in vitro (Figura 16).132,133

 

 

Além dos fuleróis e dos carboxifulerenos, derivados catiônicos foram investigados para a atividade antioxidante. Bosi et al. sintetizaram o derivado catiônico e anfifílico 112 (Figura 17), hidrossolúvel, para investigar a propriedade de capturar radicais livres. Este composto foi testado para prevenir a morte neuronal induzida por glutamato em um teste in vitro. Contudo, essa substância demonstrou ser altamente tóxica, induzindo a morte celular.

 

 

Recentemente, foi lançada uma patente que descreve a incorporação covalente de um derivado do aminoadamantil na superfície do fulereno para o tratamento do mal de Parkinson.133 Derivados do aminoadamantil são eficientes para tratar a fadiga associada à esclerose múltipla, doença de Parkinson e Alzheimer. Assim, derivados híbridos de fulerenos com aminoadamantil constituem potenciais agentes terapêuticos para o tratamento dessas doenças.

Hu et al.134 estudaram o derivado fulerênico 113 contendo cinco resíduos de cistina como possível protetor contra o estresse oxidativo e apoptose (Figura 18). Esta associação oferece vantagens, pois o fulereno é uma "esponja" de radicais, e a cistina tem alta hidrossolubilidade, biocompatibilidade e mantém altos níveis de glutationa, um composto que protege as células do estresse oxidativo e de várias toxinas. O resultado final observado foi uma redução apoptótica das células PC12 na presença do peróxido de hidrogênio, sem evidência de toxicidade.

 

 

ATIVIDADE ANTIMICROBIANA

A atividade antimicrobiana de fulerenopirrolidinas foi demonstrada pela primeira vez por Ros e Prato.135 Na tentativa de associar as propriedades farmacológicas da nicotina e do fulereno em apenas uma molécula sintetizou-se inicialmente a fuleronicotina 114 (Figura 19). Contudo, a insolubilidade desse híbrido em solventes polares gerou a necessidade de produzir novos compostos hidrossolúveis. Os derivados fulerênicos 115(a-c) foram obtidos e se revelaram mais solúveis em solventes polares, o que possibilitou a realização dos primeiros testes biológicos. Estes compostos apresentaram atividade bactericida para alguns micro-organismos.

 

 

Outra importante classe de fulerenos com atividade antimicrobiana é aquela representada por derivados catiônicos. Por exemplo, Mashino et al.136 estudaram a atividade dos regioisômeros do sais de C60-bis(N,N-dimetilpirrolídio) 116-118, 119(a-c) (Figura 20) contra bactérias. Os compostos 116, 117 e 118 apresentaram atividade excelente e semelhante à da vancomicina.

 

 

Além destes pesquisadores, outros grupos têm se interessado pela busca de derivados fulerênicos catiônicos com atividade antimicrobiana.137

 

ATIVIDADE ANTIRETROVIRAL

Os primeiros estudos com fulerenos para atividade antiretroviral foram feitos por Schinazi et al.138 com o derivado fulerênico hidrossolúvel 104 (Figura 13). Este composto mostrou uma atividade seletiva e moderada contra o Vírus da Imunodeficiência Humana tipo 1, (HIV-1) e teve efeito em células infectadas crônica e agudamente. Friedman et al.122 também realizaram estudos pioneiros com modelagem molecular envolvendo derivados fulerênicos e proteínas virais. Nestes estudos, determinou-se que a complexação do fulereno com a enzima protease (HIVP) gera uma ação inibitória desta enzima. Os efeitos inibitórios são causados por interações de van der Waals da estrutura esférica do fulereno e da cavidade catalítica da protease, enzima viral com função fundamental para a sobrevivência do vírus.17,124,139 Estes estudos de atividade antiviral estimularam outros pesquisadores na área.

Bosi et al.126 sintetizaram os compostos fulerênicos 120 e 121 (Figura 21) contendo grupos amino e observaram que a energia de complexação entre a enzima protease e os compostos tiveram resultados promissores. Toniolo et al.140 também obtiveram o derivado 122 (Figura 21) com capacidade de quimiotaxia e inibição da HIVP.

 

 

Brettreich e Hirsch141 sintetizaram o dendrímero 123, um composto altamente hidrossolúvel e com atividade antiprotease, promissor candidato para a terapia da AIDS. A síntese e o uso deste composto foram patenteados e encontra-se em testes clínicos (Figura 22).139

 

 

Além destas aplicações biológicas citadas, outras importantes são descritas na literatura para derivados fulerênicos, tais como terapia da osteoporose, produção de anticorpos monoclonais antifulereno, preparação de agentes de contraste e marcadores radiológicos.126

 

CONCLUSÕES

Os fulerenos, e em particular a molécula de C60, são atualmente um campo de pesquisa bem estabelecido em muitas áreas da química. Muito já se sabe sobre o potencial e as limitações desta classe de nanocompostos. Este artigo procurou mostrar a reatividade ímpar da molécula de C60, bem como ilustrar alguns dos mais promissores campos de aplicação para os seus derivados quimicamente modificados.

 

AGRADECIMENTOS

Ao CNPq e FAPEMIG pelo apoio financeiro concedido para execução de projetos na área de modificação química de fulerenos.

 

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Recebido em 7/5/09; aceito em 22/9/09; publicado na web em 25/2/10

 

 

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