Sintesi di nuovi derivati fullerenici idrosolubili

 presenti in tracce (C
76
,C
78
,C
84
,...C
190
). 
 
 
 
 
 
 
Figura 1.1 C
60 
e C
70 
 
La struttura a gabbia chiusa tipica dei fullereni isolati fino a questo momento soddisfa il 
teorema di Eulero, secondo il quale per formare uno sferoide chiuso sono necessari 
esattamente 12 pentagoni e un numero variabile M di esagoni. Ogni fullerene contiene 
2(10+M). A partire dal fullerene C
20
 ogni aggregato che possiede un numero pari di atomi di 
carbonio e una struttura chiusa, fatta eccezione per il C
22
, può formare almeno una struttura 
di tipo fullerenico. All’aumentare di M il numero di strutture isomeriche di tipo fullerene 
cresce vertiginosamente. Un importante fattore di stabilità riscontrato in tutti i fullereni noti è 
dato dalla “regola del pentagono isolato” (RPI), 
2
 secondo cui, in composti aromatici stabili, 
due anelli a cinque atomi non possono avere spigoli in comune e questo per evitare la 
formazione di strutture tipo pentalene energeticamente sfavorite perché introducono una 
maggiore tensione molecolare e un sistema elettronico 8p destabilizzante. Sulla base di tale 
principio i fullereni C
60 
e C
70
 sono i primi due fullereni stabili possibili. 
La struttura tridimensionale del C
60
 è stata determinata solo dopo aver ottenuto i cristalli di 
un suo derivato. 
3
 La sua forma totalmente simmetrica (del diametro di circa 10Å) non 
permette di ottenere cristalli in cui il fullerene risulti bloccato. La continua rotazione crea 
disordine nella struttura cristallina e preclude la determinazione della posizione specifica dei 
suoi atomi. La struttura ai raggi X ha permesso di confermare la presenza degli esagoni e dei 
pentagoni e di una serie di legami singoli e doppi (90 legami C-C). I legami doppi hanno una 
lunghezza di 1.38Å e contraddistinguono la giunzione tra due esagoni (legame 6-6), mentre i 
legami singoli con lunghezza di 1.45Å sono presenti nelle giunzioni tra un pentagono e un 
esagono (legame 5-6). Grazie alla produzione di quantità macroscopiche di C
60
 si sono potute 
studiare le sue proprietà fisiche
4
 e chimiche. 
2
 Nonostante la notevole stabilità termodinamica, 
il C
60
 è una molecola molto reattiva e viene utilizzata in un’ampia serie di reazioni chimiche, 
 costituendo la base per molecole di sempre maggiore interesse in chimica organica. 
5
 
 
1.38 Å (6,6)
1.45 Å (5,6)
 
Figura1.2 I diversi legami nel C
60
. 
 
Nel 1990 Wolfgang Krätschamer e Kostantinos Fostiropoulos dell’Istituto per la Fisica nucleare 
Max Planck ad Heidelberg, in Germania, e i fisici Donald Huffman e Lowell Lamb 
dell’Università dell’Arizona a Tucson, 
6
 riuscirono a produrre per la prima volta 
buckminsterfullerene in quantità visibili. Il crogiolo per i loro sforzi non era complesso come 
quello usato da Smalley per i suoi studi sui clusters, ma una semplice camera a vuoto in cui 
veniva fatto passare un arco elettrico tra due elettrodi di carbonio. Sul punto di contatto degli 
elettrodi di grafite una corrente di circa 100 Å creò un vapore di carbonio che successivamente 
condensò su particolari superfici e anche sulle pareti della camera stessa. I ricercatori 
riscontrarono che se il vuoto e la distanza erano corretti la nube di fuliggine conteneva una 
miscela estraibile di fullereni, tra cui il C
60
 e altri composti di natura fullerenica a maggior 
peso molecolare in un rapporto percentuale variabile tra 5 e 10%.
2
 
Successivamente è stato introdotto un altro metodo più conveniente per produrre fullereni su 
larga scala; questo, che opera in accordo con la tecnica messa a punto da Krätschamer e 
Huffman, consiste nel generare, in un’atmosfera di 140 mbar di elio, un arco elettrico di 40-60 
Å tra due elettrodi di grafite, 
7
 la corrente elettrica nel passaggio attraverso le barre dissipa la 
maggior parte della sua energia ohmica, che viene convertita in calore, con riscaldamento della 
grafite in stretta prossimità dei punti di contatto. L’aumento di temperatura che si registra in 
tali punti è di circa 2500-3000° C. Nello stesso tempo si sviluppa un vapore nel punto di 
contatto che per convezione raggiunge i punti più freddi dell’apparecchio. Dopo pochi minuti 
la barra risulta quasi del tutto consumata ai punti di contatto tanto da non poter più essere 
utilizzata; allora si procede nell’aprire il circuito elettrico e i fullereni vengono estratti dalla 
fuliggine per mezzo di solventi organici in grado di solubilizzare adeguatamente questi 
composti. Con questo metodo si ottengono fullereni con rese attorno al 20% in peso rispetto al 
carbonio vaporizzato. Metodi alternativi per la produzione di fullereni prevedono l’uso di 
archi riscaldati di grafite, riscaldamento per induzione della grafite, uso dell’energia solare, 
sintesi di fullereni in combustione e pirolisi di naftaleni ed altri composti aromatici. 
Attualmente i fullereni più comuni si possono reperire anche commercialmente. Il prodotto 
grezzo ricavato dall’evaporazione della grafite si presenta fuligginoso e sporco, infatti, oltre 
che ai fullereni, la fuliggine contiene altri composti carboniosi chiusi, come i fullereni giganti 
ed i nanotubi (microscopiche fibre di carbonio cave, in cui gli atomi di carbonio sono disposti 
 su strati concentrici “a cipolla”) oltre, ovviamente, a carbonio amorfo. 
I fullereni di maggior uso possono essere isolati dalla fuliggine mediante sublimazione o 
estrazione. L’estrazione è preferibile in quanto le elevate temperature che accompagnano il 
processo di sublimazione possono produrre stress termici ai composti, inducendo parziale 
decomposizione. Nell’estrazione il solvente di maggior utilizzo è il toluene, grazie alla sua 
elevata capacità di solubilizzare i fullereni, alla facile reperibilità e alla moderata tossicità. 
Sono possibili anche estrazioni a caldo, con successiva filtrazione della fuliggine o estrazione 
mediante Soxhlet. 
Il colore caratteristico della soluzione toluenica è il magenta, se è presente solo C
60
, rosso per il 
solo C
70
. L’estratto di norma contiene C
60
 all’80%, C
70
 al 10%, e fullereni ad alto peso 
molecolare in tracce. Utilizzando altri solventi organici quali piridina, 1,2,3,5-
tetrametilbenzene, è stato possibile isolare anche clusters di altissimo peso molecolare 
(fullereni giganti) superiori al C
466
, individuabili mediante spettrometria di massa. Per la 
purificazione dei singoli fullereni il metodo più usato è la cromatografia che prevede come 
fase stazionaria una miscela di carbone attivo e allumina o silice e, come eluente, il toluene. 
Il riscaldamento di archi di grafite in presenza di grafite impregnata con lantanidi ha permesso 
anche la produzione di composti chiamati endrohedrals, in cui atomi diversi vengono 
intrappolati nella gabbia carboniosa (a esempio La@C
60
). Non essendo tutti questi processi di 
separazione selettivi per il C
60, 
è indispensabile una purificazione più specifica quale 
estrazione, sublimazione o cromatografia mediante fasi stazionarie come miscele di silice e 
grafite o allumina oppure altri materiali (C
18
 reversed phase, γ -ciclodestrine, policiclici 
aromatici). Anche la formazione di complessi tipo host-guest può essere sfruttata per 
purificare il C
60
. La miscelazione di una soluzione di p-Bu
t
-calix[8]arene in toluene con una di 
fullerene porta alla precipitazione del complesso fullerene-calixarene. Tale complesso è 
formato da una molecola di C
60 
e da una di calixarene e la separazione dei due diversi 
componenti avviene per semplice aggiunta di cloroformio. Questo tipo di calixarene ha 
dimostrato una particolare affinità per il C
60 
rispetto al C
70
 e ciò lo rende selettivo nella 
purificazione delle miscele di produzione. 
2
 
Il calore di formazione del C
60
, determinato mediante calorimetria, risulta essere 10.16 
Kcal/mol per atomo di carbonio, l’80% del quale è costituito dall’energia tensionale (circa 8 
Kcal/mol per carbonio). Il fullerene è termodinamicamente sfavorito rispetto alle altre due 
forme allotropiche del carbonio, i cui calori di formazione sono rispettivamente 0.0 Kcal/mol 
per la grafite e 0.4 Kcal/mol per il diamante. E’ un solido cristallino nero, forma cristalli cubici 
a faccia centrata, è stabile sino circa 400°C, possiede caratteristiche di isolante, si decompone 
per azione della luce e dell’ossigeno; è parzialmente solubile in solventi apolari e aromatici e 
completamente insolubile in solventi polari. 
Dà forti assorbimenti UV tra i 190 e i 410 nm, dovuti a transizioni permesse 
1
T
1u
-
1
Ag, e bande 
più deboli tra 410 e i 620 nm, dovuti a transizioni non permesse singoletto-singoletto. 
Nonostante il tripletto si formi con alte rese per intersystem crossing dal singoletto (il cui 
 tempo di vita è circa 1.3 ns), non si evidenziano né fenomeni di fluorescenza né di 
fosforescenza a temperatura ambiente, sia in esano che in benzene. Il tempo di vita del tripletto 
è di circa 40±4 µ s in normali condizioni sperimentali mentre è di 330±25 ns in benzene saturo 
d’aria poiché è efficacemente annullato dall’ossigeno molecolare. Il fullerene infatti produce 
ossigeno singoletto con rese quantiche unitarie e tale formazione avviene per trasferimento di 
energia tra il suo stato di tripletto più popolato e l’ossigeno molecolare [Schema 1.1]. 
Fortunatamente il C
60 
non reagisce con l’ossigeno singoletto e quindi non viene consumato 
alla fine del ciclo. 
 
 
C
60
1
C
60
3
C
60
C
60 
+ 
3
Q
hν 'hν "
1
O
2
Fluorescenza Fosforescenza
hν
Intersystem 
crossing
k
q 
 (O
2
)
Triplet  
quencher 
(Q)
Energy transfer
 
Schema 1.1 Processo di fotoeccitazione del fullerene. 
 
La sua simmetria icosaedrica fa sì che tutti gli atomi siano equivalenti e lo spettro 
13
C-NMR 
riporta un solo segnale a 143.2 ppm.  
Calcoli teorici sui livelli molecolari hanno dimostrato che il C
60 
possiede tre orbitali LUMO a 
bassa energia, triplamente degeneri e ciò permette di spiegarne l’elettronegatività. Questo dato 
è stato confermato elettrochimicamente quando è stato dimostrato che il C
60 
può essere 
ridotto sino all’esaanione. Studi di voltametria ciclica infatti evidenziano sei onde di riduzione 
generate dal processo di trasferimento elettronico ed è alquanto interessante notare che tale 
processo è perfettamente reversibile. I potenziali di riduzione sono scarsamente sensibili alle 
variazioni di solvente e alla presenza di elettroliti, ma sono fortemente influenzati dalla 
temperatura. Gli anioni sono stabili in soluzione, soprattutto a basse temperature e ciascuna 
specie anionica presenta un caratteristico spettro UV-Vis e NIR, che riflette i cambiamenti delle 
energie degli orbitali LUMO e LUMO+1 con una diminuizione della degenerazione. 
 
 
 
 1.2 La solubilità del fullerene 
 
I campi di ricerca applicativa per il fullerene sono numerosi e spaziano dai combustibili per 
razzi ai toner per fotocopiatrici, ma certamente uno tra quelli di maggior interesse è dato dalle 
possibili applicazioni biofarmaceutiche di questa molecola senza eguali in natura e di grande 
impatto biologico, essendo per ora l'unica struttura nota di forma sferica, totalmente 
idrofobica, reattiva e pertanto facilmente funzionalizzabile. Il principale problema che bisogna 
però affrontare è causato dalla scarsa solubilità del C
60
 nei solventi utilizzati in campo 
biologico. 
La solubilità del fullerene in solventi organici è stata oggetto di numerosi studi, al fine di 
trovare metodi di purificazione meno onerosi di quelli attualmente utilizzati, per riuscire a 
estrarre i fullereni superiori dalle miscele di produzione e per poter eseguire più agevolmente 
le caratterizzazioni di questa molecola e dei suoi derivati (ad esempio 
13
C-NMR). 
7,8
 
Contrariamente agli altri soluti che possono assumere conformazioni diverse e meglio 
adattarsi ai solventi, il fullerene ha una geometria ben definita che disturba la struttura dei 
solventi, scompaginando la regolarità dei legami di tipo polare a cui non può partecipare data 
la caratteristica apolarità che lo contraddistingue. Infatti sebbene la superficie molecolare, cioè 
l'area disponibile per le interazioni con i solventi, sia piuttosto considerevole, le interazioni di 
tipo idrofobico sono deboli. 
Alcuni lavori hanno dimostrato che vi è uno scattering della luce laser a 790 nm in soluzione di 
benzene e ciò è causato da una lenta e reversibile aggregazione del fullerene anche a basse 
concentrazioni. Tomiyama e collaboratori
9 
hanno evidenziato che, mentre in toluene il 
coefficiente di assorbimento non dipende dalla concentrazione della soluzione, in CS
2
 questo 
varia: a 440 nm diminuisce all'aumentare della concentrazione stessa. Questo si spiega con il 
fatto che in soluzioni diluite il C
60
 è presente in uno stato monodisperso mentre all'aumentare 
della concentrazione si ha la formazione di aggregati.  
L'aumento della solubilità del fullerene diventa quindi un requisito indispensabile per 
un'attenta analisi delle sue proprietà: in particolare per quanto riguarda la solubilizzazione a 
scopo di diagnostica farmaceutico-biologica sono state adottate due tecniche principali: 
1 - la formazione di complessi, micelle o liposomi;  
2 - la derivatizzazione chimica.