Photophysics and photochemistry of singlet oxygen precursor chromophores: insights from static calculations and molecular dynamics

Abstract

Aunque especies reactivas oxigenadas (oxígeno singlete (1O2) y ROS) han sido identificadas como las principales responsables del proceso de fotoxidación de la piel, sus propiedades oxidativas se han usado también con fines terapéuticos en tratamientos contra el cáncer. Por ello, muchos esfuerzos se han centrado en el descubrimiento de cromóforos capaces de producir 1O2 después de ser tratados con luz y así eliminar las células tumorales. Entender el mecanismo por el cual estos cromóforos producen 1O2 y ROS es fundamental para el diseño de nuevos sistemas capaces de maximizar las propiedades beneficiosas y eliminar sus efectos nocivos para la salud. Dos tipos de cromóforos han sido estudiados durante esta tesis perimiendo obtener mayor información a cerca de su mecanismo de acción. Bases de ADN en las que un carbonilo a sido sustituido por un azufre, tiobases, han sido usadas como fotosensibilizadores durante décadas pero los efectos nocivos descubiertos en pacientes tratados con estas bases a largo plazo (alta incidencia de cáncer) han abierto la búsqueda de nuevas generaciones de fotosensibilizadores. Se conoce que estas tiobases son capaces de generar 1O2 cuando son activadas con luz y en presencia de oxígeno molecular en la zona a tratar. El segundo tipo de sistemas estudiados son los endoperoxidos, sistemas aromáticos con un puente O-O. Este tipo de sistemas han sido propuestos como eficientes fotosensibilizadores bajo su excitación con luz incluso en ausencia de oxígeno molecular en el medio. Es en el contexto arriba descrito en el que se enmarca esta tesis cuyo principal objetivo es el estudio de dichos mecanismos desde un punto de vista estático y también dinámico. Los mecanismos elucidados en la primera parte de esta tesis se comprobarán mediante estudios dinámicos que permiten una resolución temporal de los mismos así como obtener rendimientos para los distintos fotoproductos, en otras palabras, permiten obtener información acerca de los tiempos y la eficiencia de dichos fotosensibilizadores para obtener 1O2. Finalmente, las propiedades fotofísicas de la base libre purina han sido investigadas tratando de revelar como los diferentes sustituyentes alteran dichas propiedades y como pueden cambiar la fotoestabilidad de las bases de ADN hacia la fototoxicidad de algunos derivados.

Despite reactive oxygen species (ROS and 1O2) have been identified as responsible for the skin photo-oxidation processes, their oxidative properties have been also used with therapeutically anticancer effects. Thereby, tons of efforts have been done towards finding chromophores able to produce 1O2 after being treated with light and then destroy tumoral cells. Understanding, the mechanism by which this chromophores produce 1O2 and ROS is fundamental for the design of new systems that ideally will only present beneficial properties but not detrimental effects. Two types of chromophores have been studied along this thesis providing important information about their mechanism of action. DNA bases where a carbonyl oxygen atom has been substituted by a sulfur, thiobases, have been used as therapeutical photosensitizers during decades. However, detrimental effects have been discovered in patients after years of treatment with this bases (high skin cancer incidence) and have led to the search of new generation of photosensitizers. These thiobases generate 1O2 after being activated with light and in presence of molecular oxygen in the media. The second type of studied systems is endoperoxides, aromatic systems carrying an O-O bridge. These systems have been proposed as prototype of effective photosensitizers, which are able to produce 1O2 even in the absence of molecular oxygen in the media. In the above context this Thesis aims to elucidate the photodeactivation mechanism of the mentioned systems both from static high-level multiconfigurational calculations and semiclassical dynamics. This approach allows knowing at molecular level all energetically possible competing relaxation mechanism and evaluating their relative importance according to the outcome of the time resolved picture provided by the dynamics Moreover, the combined static and dynamic analysis allows a more reliable interpretation of the experimental results od the systems considered in this thesis by estimating photoproduct yields and time scales for different processes. Finally, the photophysical and photochemistry of purine free base have also been investigated aiming to provide insight on how the nature and position of different substituents affect the absorption properties and the photostability of these systems