Photophysics and photochemistry of singlet oxygen precursor chromophores: insights from static calculations and molecular dynamics
Author
Martínez Fernández, LaraAdvisor
Corral Pérez, InésEntity
UAM. Departamento de QuímicaDate
2014-11-14Subjects
Fotoquímica - Tesis doctorales; Dinámica molecular - Tesis doctorales; QuímicaNote
Tesis doctoral inédita leída en la Universidad Autónoma de Madrid, Facultad de Ciencias, Departamento de Química. Fecha de lectura: 14-11-2014Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional.
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
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