Os compostos poliamínicos estudados nesta tese possuem a estrutura base de um quimiossensor, apresentada na Figura I.9. A parte receptora é constituída por uma cadeia poliamínica, que se pode ligar a vários substratos. A parte sinalizadora é constituída por um ou mais grupos aromáticos, sendo o sinal medido a sua emissão de fluorescência. O espaçador foi sempre um grupo metileno.
Figura I.9: Estrutura dos compostos poliamínicos fluorescentes estudados nesta dissertação. Exemplo para o composto A2222L.
I.4.1 Parte receptora
O grupo receptor poliamínico tem diversas características que o tornam um grupo receptor com grandes potencialidades. Por um lado, permite o desenho de moléculas solúveis em água, o que tem interesse por a água ser o solvente onde ocorrem a maior parte dos processos químicos no mundo que nos rodeia.[3, 13] Por outro lado, é também um grupo bastante versátil, uma vez que permite a coordenação de iões metálicos se houver um número suficiente de grupos amina desprotonados disponíveis para coordenação, ou de aniões se houver um número suficiente de grupos amina protonados.[3, 13]
Os compostos estudados neste trabalho têm em comum a característica de serem compostos de cadeia aberta, e não compostos macrocíclicos. Em termos da estabilidade dos complexos, isto deverá significar complexos menos estáveis termodinamicamente, e mais lábeis na complexação ou descomplexação, relativamente aos compostos macrocíclicos, devido à ausência de efeito macrocíclico.[25] Por outro lado, enquanto uma cadeia poliamínica linear apenas se poderia ligar a um grupo sinalizador num composto macrocíclico (já que ambas as pontas estariam ligadas a este), num composto de cadeia aberta pode estar ligada a dois grupos sinalizadores, iguais ou diferentes, o que permite à parte sinalizadora o uso de novas propriedades para a construção do sinal de fluorescência, como a formação de excímeros intramoleculares ou a transferência de energia de um grupo para o outro.
I.4.2 Parte sinalizadora
Nos compostos aqui estudados, o sinal lido é a emissão de fluorescência. Para tal, a molécula do composto poliamínico deve ser dotada de um ou mais fluoróforos (grupos aromáticos fluorescentes). Os fluoróforos utilizados no âmbito desta tese foram o naftaleno, antraceno e pireno.
O uso da emissão de fluorescência como sinal tem as vantagens já referidas, em particular o facto de possibilitar respostas ao estímulo químico de uma forma fácil e rápida, com limites de detecção muito baixos.
A resposta à ligação do substrato à parte receptora é o aumento ou a diminuição da intensidade da emissão de fluorescência na parte sinalizadora. Se a intensidade da fluorescência aumenta, dizemos que estamos perante um “Aumento da Emissão de Fluorescência por Complexação5”, AEFC. Se a intensidade da fluorescência diminui, estamos perante uma “Supressão da emissão de Fluorescência por Complexação”, SEFC6.
Devido à existência do espaçador, constituído por um grupo metileno, entre a unidade receptora (cadeia poliamínica) e a unidade sinalizadora (fluoróforos), a identidade química destas unidades é preservada, verificando-se sempre que o cromóforo é o grupo aromático ou a soma dos grupos aromáticos, e o fluoróforo o resultante do grupo aromático ou da interacção fotoquímica entre os diversos grupos aromáticos
No caso de compostos com um único fluoróforo, vemos sempre simplesmente a fluorescência do seu estado excitado, excepto em casos em que é possível a formação de excímeros e em que a concentração do composto é suficientemente alta para a ocorrência de excímeros intermoleculares.
Se temos no composto dois fluoróforos iguais, a fluorescência observada pode ser devida não apenas ao estado excitado do fluoróforo, mas também devida a excímeros intramoleculares, se o fluoróforo permitir a formação de excímeros (caso do naftaleno e pireno) e se o pH for adequado e não houver outros factores que o impeçam.
Se o composto tiver dois fluoróforos diferentes, a fluorescência observada pode ser não a do fluoróforo excitado, mas a resultante da emissão do outro fluoróforo, que passou a estar excitado por transferência de energia.
5
Sigla em inglês “CHEF” (CHelation Enhancement of Fluorescence).
6
I.4.3 Transferência de Electrão Fotoinduzida (TEF)
A Transferência de Electrão Fotoinduzida (TEF) é um dos mecanismos que pode conduzir à supressão do sinal de fluorescência.
Pode-se descrever a TEF como a transferência de um electrão entre estados excitados e fundamentais de moléculas. Uma explicação simples é de que uma espécie no estado excitado é simultaneamente melhor dador e aceitador de electrões. Melhor dador porque possui um electrão disponível para dar numa orbital de energia mais alta, que logo necessitará de menor energia para sair da espécie excitada. Melhor aceitador porque passou a ter uma orbital de energia mais baixa onde pode receber um electrão, com maior libertação de energia. Assim sendo, podemos ter facilmente transferências de electrão que envolvem espécies no estado excitado, quer como dadores quer como receptores de electrões, que não ocorreriam se essas espécies estivessem no estado fundamental (Figura I.10).
D* A D+ A- D A*
Figura I.10: Possíveis transferências electrónicas fotoinduzidas.
No caso dos compostos estudados neste trabalho (Figura I.11), a parte da molécula que passa ao estado excitado será o fluoróforo. Uma vez que as aminas são típicos dadores de electrões, será de esperar uma transferência de um electrão do par livre da amina no estado fundamental para o fluoróforo excitado. O electrão que foi promovido para a orbital de maior energia no fluoróforo fica assim impedido de voltar à orbital onde se encontrava inicialmente emitindo fluorescência, pelo que esta é suprimida. Este electrão acaba por ser posteriormente transferido de novo para a amina que anteriormente perdera o seu electrão.[3, 13]
Este efeito pode ser inibido se por alguma razão o par de electrões da amina não estiver livre, por exemplo por a amina estar protonada, resultando no aparecimento de emissão de fluorescência. Este é um exemplo do mecanismo AEFC anteriormente referido.[3, 13]
Fluorescência inibida pelos electrões não ligantes das aminas
AEFC pelo H+ hν N N HH H H H N H N H H hν
Figura I.11: Exemplo da inibição da fluorescência por TEF com o composto A2L