Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/1843/65954
Type: Dissertação
Title: Estudo teórico do efeito do solvente na fotofísica e na geração de oxigênio singleto de derivados porfirínicos
Other Titles: Theoretical study of the effect of the solvent on the photophysics and singlet oxygen generation of porphyrinic derivatives
Authors: Rodrigo Oliveira Malheiros
First Advisor: Willian Ricardo Rocha
First Co-advisor: Gilson de Freitas Silva
First Referee: Hélio Anderson Duarte
Second Referee: Dayse Carvalho da Silva Martins
Abstract: A terapia fotodinâmica, usada como forma de tratamento para diversas doenças, consiste em excitar com luz um fotossensibilizador; como consequência, ocorre a geração de espécies citotóxicas no local afetado seletivamente, destruindo as células doentes ou aquelas causadoras da doença. As espécies citotóxicas geradas podem ser: i) oxigênio molecular excitado para um estado eletrônico singleto, ou, ii) radicais denominados espécies reativas de oxigênio. Nesse sentido, recentemente, um estudante do grupo de Porfirinas, porfirazinas e catálise da UFMG avaliou as propriedades fotofísicas e a atividade antitumoral (in vitro) de dois derivados porfirínicos hidrossolúveis. Dos dois compostos, a porfirina H2T(3EPy)P4+ foi capaz de gerar oxigênio singleto em acetonitrila e água, enquanto a porfirazina, H2(3EPy)8Pz8+, gerou essa espécie apenas em acetonitrila. A fim de explicar esses resultados, este trabalho de mestrado foi realizado, com foco na execução de cálculos DFT e TDDFT para explicar os mecanismos fotofísicos associados a esses dois derivados porfirínicos e a razão pela qual a porfirazina não é capaz de gerar oxigênio singleto em água. Otimizações de geometrias dos estados eletrônicos fundamentais e excitados foram feitas no nível B3LYP/def2-SVP e cálculos de energia, dipolos de transição e acoplamento spin-órbita dos estados eletrônicos foram realizados no nível ωB97X-D3/def2-TZVP com solvatação explícita em acetonitrila e água pelo modelo CPCM. Resultados desses cálculos foram analisados com base no modelo de Gouterman, na teoria de Marcus e no modelo de Einstein, para estudar a estrutura eletrônica, o cruzamento intersistema e a fluorescência dos compostos estudados, respectivamente. Cálculos de dinâmica de estado excitados com uma porfirazina modelo sem substituintes, mas com ligações de hidrogênio explicitas também foram realizados para estudar o cruzamento intersistema considerando acoplamento spin-órbita vibrônico. Resultados para a H2T(3EPy)P4+ e a H2(3EPy)8Pz8+ mostraram que o efeito do solvente nos processos fotofísicos não foi adequadamente representado pelo modelo CPCM e que a teoria de Marcus subestima a velocidade do cruzamento intersistema entre estados excitados singletos e tripletos desses compostos. Os cálculos de dinâmica de estado excitado demonstram uma grande redução da velocidade de cruzamento intersistema da porfirazina modelo causada pela presença de ligações de hidrogênio. Resultados para a porfirazina modelo concordam com padrões já observados experimentalmente na literatura, portanto é proposto que a baixa geração de oxigênio singleto em água por porfirazinas seja causada por ligações de hidrogênio que inibem o acoplamento spin-órbita vibrônico.
Abstract: Photodynamic Therapy, used as a form of treatment for various diseases, consists of exciting (with light) a photosensitizer; as consequence, the generation of cytotoxic species occurs, destroying the affected or disease-inducing cells. The cytotoxic species generated can be: i) molecular oxygen excited to a singlet electronic state, or, ii) radicals called reactive oxygen species. In this sense, recently, a student of the Group of Porphyrins, Porfirazines and Catalysis of UFMG evaluated the photophysical properties and antitumor activity (in vitro) of two porphyrinic derivatives. Between these two compounds, the porphyrin, H2T(3EPy)P4+, was capable of singlet oxygen generation in acetonitrile and water, the porphyrazine, H2(3EPy)8Pz8+, however, generated this species only in acetonitrile. To better understand these results, this work was carried out, focusing on DFT and TDDFT calculations to explain the photophysical mechanisms associated with these porphyrinic compounds and the reason for why the porphyrazine isn’t capable of singlet oxygen generation in water. Geometry optimizations of the ground and excited electronic states were carried out at the B3LYP/def2-SVP level and energy, transition dipole and spin-orbit coupling calculations were carried out at the ωB97X-D3/def2-TZVP level with implicit solvation through the CPCM model. Results of these calculations were analyzed with the Gouterman model, Marcus theory and Einstein model to study the electronic structure, the intersystem crossing and fluorescence rates of the studied compounds, respectively. Excited state dynamics calculations on a model porphyrazine without substituents, but with explicit hydrogen bonds were carried out to study intersystem crossing considering vibronic spin-orbit coupling. Results for H2T(3EPy)P4+ and H2(3EPy)8Pz8+ showed that the solvent effect on the photophysical processes was not adequately represented using the CPCM model and that Marcus theory underestimates the intersystem crossing speed of these compounds between the singlets and triplets excited states. The excited state dynamics calculations showed a large reduction in the intersystem crossing rate for the model porphyrazine caused by the presence of hydrogen bonds. Results for the model porphyrazine are in agreement with patterns already observed in the literature, therefore it is proposed that the low singlet oxygen generation by porphyrazines in water is caused by hydrogen bonds that inhibit vibronic spin-orbit coupling between states.
Subject: Físico-química
Porfirina e compostos de porfirina
Fotoquimioterapia
Funcionais de densidade
Estados excitados – Química
Química quântica
language: por
metadata.dc.publisher.country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
metadata.dc.publisher.department: ICX - DEPARTAMENTO DE QUÍMICA
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação em Química
Rights: Acesso Restrito
URI: http://hdl.handle.net/1843/65954
Issue Date: 6-Mar-2024
metadata.dc.description.embargo: 6-Mar-2026
Appears in Collections:Dissertações de Mestrado

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