Fotólisis de N-óxidos heterocíclicos. Caracterización de los estados excitados, reactividad frente a dadores de electrones y generación de oxígeno atómico

Abstract

The general aim of the present thesis is to undertake a thorough photochemical study on a family of aromatic N-oxides. Specifically, the selected compounds are 4-desoxytirapazamine (DTPZ) and 4-nitroquinoline N-oxide (NQNO), and the study is focused on their photophysical and photochemical characterization, as well as on the interaction of their excited states with other molecules of interest. Both the singlet and triplet excited states of DTPZ have been spectroscopically characterized. Thus, using laser flash photolysis in the femtosecond time scale the transient absorption spectrum corresponding to 1DTPZ* has been observed. In addition, laser flash photolysis in the nanosecond time scale has allowed us to obtain the transient spectrum corresponding to 3DTPZ*. From the fluorescence and phosphorescence emission spectra, the energies of the singlet and triplet excited states have been estimated. Moreover, in the nano-FDL experiments a negative band has been observed and assigned as "P-TYPE delayed fluorescence" based on the influence of different experimental conditions. As regards NQNO, its singlet excited state of (1NQNO*) has also been characterized by different spectroscopic techniques, combining transient absorption with steady state and time-resolved emission spectroscopy. The energy of 1NQNO* has been established from the fluorescence spectrum, whereas its lifetime in the femto-FDL experiments, where a characteristic S1-Sn absorption band is observed. In a first stage, the triplet excited state of NQNO (3NQNO*) has also been characterized by emission spectroscopy. Thus, from the steady-state phosphorescence spectrum the triplet energy has been estimated. Formation of 3NQNO* by intersystem crossing has been monitored by femto-FDL, giving rise to an isosbestic point. The characterization of 3NQNO* has been completed by nano-LFP, using oxygen as well as ¿-carotene as quenchers. In addition, quenching of 3NQNO* electron donors is also observed in aprotic solvents, leading to the radical anion of NQNO (¿-NQNO). If there is a proton source in the medium, protonation of the radical anion results in formation of the neutral radical of NQNO (¿NQNOH). In general, all processes are slower in protic solvents because of the solvation sphere. Moreover, it has been observed by nano-FDL that 3NQNO* is quenched by tryptophan (Trp) via an electron transfer mechanism. In the presence of human serum albumin protein a similar interaction is observed, pointing to a close proximity between NQNO and the Trp residue of HSA and revealing that the N-oxide is indeed located in inside the protein cavities. The singlet excited state of Trp is also quenched by NQNO, leading to formation of an exciplex that emits at longer wavelength than the non-complexed amino acid. The same process is observed in HSA, providing further evidence in support of the proximity between NQNO and the Trp residue of the protein and NQNO. Thus, it is proven that NQNO enters into the protein and is hosted close to the Trp unit of HSA. Finally, pyridine N-oxide, PDZNO and NQNO have been used to generate atomic oxygen (O(3P)) through photochemical cleavage of the N-O bond. Although it has not been possible to achieve the direct detection of this reactive oxygen species, its generation has been evidenced by nano-LFP, using acetonitrile for chemical trapping. Under these conditions, formation of the nitrilium oxide MeCNO is monitored at 340 nm. Alternatively, using PDZNO as source of O(3P) and benzene as solvent, atomic oxygen is trapped by benzene to give phenol, which can be analyzed by gas chromatography. Following this approach, it has been demonstrated that O(3P) is efficiently scavenged by the solar filter BEMT . Incorporation of oxygen to the UV-filter has been demonstrated and occurs mainly at the methoxylated ring. Therefore, BEMT has a double function, acting both as UV-filter and as antioxidant.

Profundizar en el estudio de los N-óxidos es el objetivo de la presente tesis. Así pues, se han seleccionado los compuestos 4-desoxitirapazamina (DTPZ) y 4-nitroquinolina N-óxido (NQNO) para su caracterización fotofísica y fotoquímica y el estudio de las interacciones con diversas moléculas. Se han caracterizado los estados excitados singlete y triplete del compuesto conocido como 4-desoxitirapazamina. Además, por FDL se ha caracterizado las bandas de absorción transitoria S1-Sn y T1-Tn,. También, por espectroscopía de emisión se han caracterizado, las energías de los estados excitados singlete y triplete. Así mismo, se ha descrito una banda adicional observada por nano-FDL y asignada, como fluorescencia retardada de Tipo P. Por otro lado, se ha caracterizado el estado excitado singlete del compuesto 4-nitroquinolina N-óxido por distintas técnicas espectroscópicas de absorción y emisión en estado estacionario y con resolución temporal. Se ha registrado su espectro de fluorescencia y calculado la energía del estado excitado singlete, y por femto-FDL se ha podido caracterizar el espectro de absorción S1-Sn,, así como el tiempo de vida del estado excitado singlete. También, se ha caracterizado el estado excitado triplete de 4-nitroquinolina N-óxido, por espectroscopía de emisión, obteniendo su espectro de fosforescencia y calculando la energía de 3NQNO* y su tiempo de vida. Para completar la caracterización del estado excitado triplete se han utilizado como desactivadores: oxígeno y ¿-caroteno. Siguiendo con la caracterización de NQNO, se ha identificado la reactividad de su estado excitado triplete desde su formación a su desactivación, desencadenando diversos comportamientos según las condiciones. Así se observa que el triplete en presencia de dadores de electrones y en disolvente aprótico da lugar al radical anión tras una transferencia electrónica. Mientras que si en el medio existe un dador de protones, se produce una protonación del radical obteniendo el radical anión protonado de NQNO. Los procesos en disolvente prótico están ralentizados debido a su esfera de solvatación. Por otra parte, se ha observado que el estado excitado triplete de NQNO se desactiva al ser excitado por nano-FDL en presencia de triptófano por un mecanismo de transferencia electrónica, dando lugar al radical protonado de NQNO. En presencia de proteína transportadora albúmina sérica humana se observa una interacción similar, lo que indica que el N-óxido se sitúa dentro de la proteína y mantiene una proximidad espacial con el Trp de la cadena peptídica. Por lo que respecta al estado excitado singlete del Trp, éste se desactiva en presencia de NQNO, dando lugar a la formación de un exciplejo que emite a longitudes de onda mayores a las del singlete del aminoácido. Dicho proceso también ocurre con la albúmina, lo que nos vuelve a indicar que la molécula de NQNO se sitúa dentro de la estructura terciaria de la proteína y próxima a la posición del aminoácido Trp. De forma paralela, se han usado los N-óxidos heterocíclicos PYRNO, PDZNO y NQNO para obtener oxígeno atómico (O(3P)) a partir de la ruptura fotoquímica homolítica del enlace N-O. Aunque no ha sido posible la detección directa de oxígeno atómico, , sí se han desarrollado dos métodos para identificar los productos resultantes de la captura química de O(3P). Así, mediante nano-FDL se ha observado la formación del óxido de acetonitrilo como especie transitoria en las disoluciones de PYRNO, PDZNO y NQNO en acetonitrilo. Por otra parte, a través de la irradiación de PDZNO disuelto en benceno en estado estacionario, se ha detectado la formación de fenol por cromatografía de gases. Además se ha demostrado la gran afinidad del filtro solar bemotrizinol por el oxígeno atómico. También se ha evidenciado la incorporación de oxígeno a la estructura del filtro solar, teniendo lugar la oxidación preferentemente en el sust

Aprofundir a l'estudi dels N-òxids es l'objectiu de la present tesi. Així donç, s'han seleccionat els compostos 4-desoxitirapazamina (DTPZ) y 4-nitroquinolina N-òxid (NQNO) per a la seua caracterització fotofísica i fotoquímica i l'estudi de les interaccions amb diverses molècules. S'han caracteritzat els estats excitats singlet i triplet del compost conegut com a 4-desoxitirapazamina. A més a més, s'han observat per FDL les bandes d'absorció transitòria S1-Sn i T1-Tn. També, s'han caracteritzat les energies dels estat excitats singlet i triplet, així com el temps de vida de fosforescència. Així, s'ha descrit una banda addicional observada com a fluorescència retardada de Tipo P. També, s'ha caracteritzat l'estat excitat singlet del compost 4-nitroquinolina N-òxid per tècniques espectroscòpiques d'absorció y emissió en estat estacionari i amb resolució temporal. S'ha registrat el seu espectre de fluorescència, i per FDL a l'escala ultrarràpida de femtosegons s'ha pogut caracteritzar l'espectre de absorció S1-Sn,, així com el temps de vida. També, s'ha caracteritzat l'estat excitat triplet de 4-nitroquinolina N-òxid, per espectroscopia d'emissió, obtenint el seu espectre de fosforescència y calculant l'energia de 3NQNO* i el seu temps de vida. Per a completar la caracterització del estat excitat triplet s'ha utilitzat desactivadors de l'estat excitat triplet (oxigen y ¿-caroten). Seguint amb la caracterització de NQNO, s'ha identificat la reactivitat del seu estat excitat triplet des de la seua formació (com s'observa a l'isosbèstic per femto-FDL) a la seua desactivació observada per nano-FDL, desencadenant diversos comportaments segons les condicions. Així s'observa que e triplet en presència de donadors d'electrons amb dissolvents apròtics dona lloc al radical anió després d'una transferència electrònica. Mentre que si al medi existeixen donadors de protons, es produeix una protonació del radical i s'obté el radical anió protonat de NQNO. Els processos en dissolvents pròtics està enrederits degut a l'esfera de solvatació. D'altra banda, s'ha observat que l'estat excitat triplet de NQNO es desactiva al ser excitat per nano-FDL en presencia de triptòfan (Trp). Això ocorre per un mecanisme de transferència electrònica, donant lloc al radical protonat de NQNO. En presència de proteïna transportadora albúmina sèrica humana s'observa una interacció similar, el que indica que l' N-òxid es situa dintre de la proteïna i es manté una proximitat espacial amb el Trp de la cadena peptídica. Pel que fa a l'estat excitat singlet de Trp, es desactiva en presencia de NQNO donant lloc a la formació d'un exciplex que emitix a longituds d'ona majors a les del singlet de l'aminoàcid. Aquest procés també ocorre amb la albúmina, el que torna a indicar que la molècula de NQNO es situa dins de la estructura terciària de la proteïna pròxima a la posició del aminoàcid Trp. De forma paral¿lela s'han gastat els N-òxid heterociclics piridina N-òxid (PYRNO), piridazina N-òxid (PDZNO) i NQNO per a obtindre oxigen atòmic (O(3P)) a partir de la ruptura fotoquímica homolítica de l'enllaç N-O. Encara que no ha sigut possible la detecció directa de l'oxigen atòmic, s'han desenvolupat dos mètodes per a identificar els productes resultants de la captura química de O(3P). Així, amb la tècnica espectroscòpica de FDL s'ha observat la formació de l'òxid d'acetonitril com a espècie transitòria a les dissolucions de PYRNO, PDZNO i NQNO en acetonitril. D'altra banda, a través de l'irradació de PDZN dissolt en bencé en estat estacionari s'ha detectat la formació de fenol per cromatografia de gasos. Amés s'ha demostrat la gran afinitat del filtre solar bemotrizinol per l'oxigen atòmic i s'ha evidenciat la incorporació d'oxigen a la estructura del filtre solar a través, produint-se l'oxidació preferentment al substituent metoxilat. Per tant, bemotrizimol utilitzat general