Espectroscopia láser ultrarrápida aplicada al estudio de sistemas nanoconfinados

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(1)UNIVERSIDAD DE CASTILLA-LA MANCHA. INSTITUTO DE NANOCIENCIA, NANOTECNOLOGÍA Y MATERIALES MOLECULARES (INAMOL). Facultad de Ciencias Ambientales y Bioquímica. ESPECTROSCOPIA LÁSER ULTRARRÁPIDA APLICADA AL ESTUDIO DE SISTEMAS NANOCONFINADOS. Noemí Alarcos Carmona Toledo, 2015.

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(3) UNIVERSIDAD DE CASTILLA-LA MANCHA. INSTITUTO DE NANOCIENCIA, NANOTECNOLOGÍA Y MATERIALES MOLECULARES (INAMOL). Facultad de Ciencias Ambientales y Bioquímica. ESPECTROSCOPIA LÁSER ULTRARRÁPIDA APLICADA AL ESTUDIO DE SISTEMAS NANOCONFINADOS. Director: Abderrazzak Douhal Memoria presentada por Noemí Alarcos Carmona para optar al grado de Doctor en Ciencias Químicas, Nanociencia y Nanotecnología por la Universidad de Castilla-La Mancha. Toledo, 2015.

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(5) UNIVERSIDAD DE CASTILLA-LA MANCHA. INSTITUTO DE NANOCIENCIA, NANOTECNOLOGÍA Y MATERIALES MOLECULARES (INAMOL). Facultad de Ciencias Ambientales y Bioquímica D. Abderrazzak Douhal, Catedrático de Química Física de la Universidad de Castilla-La Mancha, CERTIFICA que el presente trabajo titulado “Espectroscopia Láser Ultrarrápida Aplicada al Estudio de Sistemas Nanoconfinados”, realizado por Noemí Alarcos Carmona para optar al grado de Doctor en Ciencias Químicas, Nanociencia y Nanotecnología por la Universidad de Castilla-La Mancha, ha sido realizado bajo su dirección y autoriza la presentación del mismo.. Toledo, Octubre 2015. Fdo. Abderrazzak Douhal.

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(7) “Si quieres entender a una persona, no escuches sus palabras observa su comportamiento” Albert Einstein.

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(9) Prólogo El entorno que nos rodea, la sociedad en la que vivimos y las diferentes situaciones a las que nos enfrentamos, modulan y rigen nuestros comportamientos. De la misma manera, pero desde un punto de vista microscópico o nanoscópico, los comportamientos físico-químicos de las moléculas también se verán condicionados por los diferentes medios que las rodean. La conducta del ser humano está determinada por las diferentes situaciones en las que se encuentre. Según la microsociología, rama de la sociología basada en el estudio de los comportamientos humanos, nuestras relaciones y aptitudes son distintas dependiendo del marco donde nos encontremos, de este modo no mostramos el mismo comportamiento en una reunión de trabajo que en una reunión de amigos o en una reunión familiar. Pues bien, si hacemos una extrapolación de este hecho hacia una escala mucho más pequeña, se puede observar que las moléculas experimentan algo muy parecido, ya que sus comportamientos espectroscópicos y fotodinámicos también están muy afectados por el entorno. Cuando una molécula se encuentra en disolución, donde puede moverse libremente, sus “comportamientos” e “interacciones” no serán las mismas que cuando se encuentre en otro medio más complejo, como por ejemplo, confinada o restringida en la cavidad de otro material. El estudio y la comprensión de estos cambios son de fundamental importancia ya que constituyen la base del conocimiento para el desarrollo de futuros sistemas fotónicos. Por este motivo esta tesis doctoral está dedicada a dicho estudio dónde algunas moléculas son expuestas a diferentes entornos mostrando cambios en sus comportamientos fotoquímicos y fotofísicos. Para una adecuada exposición y una buena discusión de resultados, previamente se han de describir todos los procesos fotofísicos y fotoquímicos que pueden ocurrir en las diferentes moléculas que se van a estudiar. Por este motivo, en el Capítulo 1.0, Antecedentes Bibliográficos, Apartado 1, se detallan tales procesos. Además de conocer los procesos que dichas moléculas pueden experimentar, también es de gran importancia investigar las características de los diferentes entornos donde.

(10) se van a estudiar. A parte de estudiarlas en disolución, las moléculas han sido encapsuladas en diferentes nanomateriales, es por esto se ha dedicado un apartado completo, Apartado 2 del Capítulo 1.0, para hacer una descripción detallada de los nanomateriales empleados. Una vez que conocemos los procesos que pueden tener lugar y las estructuras donde las moléculas van a ser confinadas, se desarrolla teóricamente las técnicas y los instrumentos de medida con los cuales se han llevado a cabo todos los experimentos, Capítulo 2.0, Procedimiento Experimental. Conociendo las bases fundamentales de este trabajo, se procede al análisis y discusión de los resultados obtenidos, los cuales se encuentran dentro del Capítulo 3.0, Resultados y Discusión. Este capítulo ha sido dividido en tres partes en función del entorno que rodea a las moléculas que se estudian. Así pues, en el Apartado 1 se engloban todos los estudios realizados en disolución, en el Apartado 2 aquellos que se han realizado en nanoestructuras con relevancia biológica como ciclodextrinas y proteína humana (HSA) y en el Apartado 3 aparecen todos los estudios realizados con materiales basados en sílice como las zeolitas y algunos materiales mesoporosos tipo MCM41 y SBA15. Por último, en el Capítulo 4.0, Conclusiones y Perspectivas de Futuro, se redactan las conclusiones finales obtenidas de cada uno de los apartados anteriores y se proponen las perspectivas de futuro relativas a dichas conclusiones. Finalmente, en el Capítulo 5.0, Contribuciones Científicas, se enumeran las contribuciones científicas que esta tesis doctoral ha dado lugar..

(11) INDICE Capítulo 1 Antecedentes Bibliográficos ........................... 13 1.Fotofísica y Fotoquímica ................................................... 15 1.1 Origen de los Procesos Fotofísicos y Fotoquímicos. Diagrama de Jablonski .......................................................................... 17 1.2 Otros Procesos Fotofísicos y Fotoquímicos de Gran Interés................................................................................... 18 1.2.1 Transferencia de Energía .................................................. 19 1.2.2 Transferencia Electrónica ................................................. 28 1.2.3 Transferencia Protónica .................................................... 32. 1.3 Factores Condicionantes de la Fotofísica y la Fotoquímica .......................................................................... 41. 2.Nanociencia y Nanotecnología .......................................... .47 2.1 Los Nanomateriales ......................................................... 48 2.2 Sistemas Nanoporosos Tridimensionales .......................... 50 2.2.1 Estructuras con Relevancia Biológica ............................... 51 2.2.1.1 Las Ciclodextrinas y sus Aplicaciones .................................. 51 2.2.1.2 Seroalbúmina Humana (HSA) y sus Aplicaciones ................. 54. 2.2.2 Materiales Nanoporosos: Materiales Basados en Sílice ...... 55 2.2.2.1 Zeolitas .............................................................................. 55 2.2.2.2 Materiales Mesoporosos ...................................................... 58. 3.Referencias ..................................................................... .62. Capítulo 2 Procedimiento Experimental .......................... 75 1.Materiales ........................................................................ .77 1.1 Disolventes ...................................................................... 77 1.2 Sistemas Moleculares ...................................................... 77 1.3 Materiales Nanoporosos ................................................... 79.

(12) 2.Técnicas Utilizadas ...........................................................79 2.1 Técnicas de Espectroscopia de Estado Estacionario .........79 2.1.1 Espectroscopia de Absorción Ultravioleta-Visible ..............80 2.1.2 Espectroscopia de Fluorescencia .......................................81. 2.2 Técnicas de Espectroscopia Resueltas en el tiempo ..........83 2.2.1 Emisión de Fluorescencia Resuelta en el tiempo ...............83 2.2.2 Anisotropía de Fluorescencia Resuelta en el tiempo ..........85. 3.Instrumentación Utilizada .................................................88 3.1 Instrumentación Utilizada para la Espectroscopia del Estado Estacionario .......................................................................... 88 3.2 Instrumentación Utilizada para la Espectroscopia resuelta en el tiempo ............................................................................... 89. 4.Referencias .......................................................................92. Capítulo 3 Resultados y Discusión ................................. 93 1. Estudio Espectroscópico y Dinámico de Sistemas en Disolución........................................................................95 1.1 An Abnormally Slow Proton Transfer Reaction in a Simple HBO Derivative due to Ultrafast Intramolecular-Charge Transfer Events................................................................................. 101 1.2 Switching to a Reversible Proton Motion in a ChargeTransferred Dye................................................................... 141 1.3 Direct Observation of Breaking of the Intramolecular H-bond, and Slowing Down of the Proton Motion and Tuning its Mechanism in a HBO derivative ........................................... 157 1.4 From Intra- to Inter- Molecular Hydrogen Bonds with the Surroundings: Steady-State and Time-Resolved Behaviours .......................................................................... 180.

(13) 2. Estudio Espectroscópico y Dinámico de Sistemas Estructurados con Relevancia Biológica......................... 219 2.1 Proton-Transfer Reaction Dynamics within the Human Serum Albumin Protein .................................................................. 223 2.2 Excited State Intermolecular Proton and Energy Transfer of 1Hydroxypyrene Interacting with the Human Serum Albumin Protein ................................................................................ 240. 3. Estudio Espectroscópico y Dinámico de Sistemas Nanoconfinados en Materiales Basados en Sílice ........... 249 3.1 Photodynamics of a Proton-Transfer Dye in Solutions and Confined within NaX and NaY Zeolites ................................. 255 3.2 A Slowing Down of Proton Motion from HPTS to Water Adsorbed on MCM41 Surface ............................................... 281 3.3 Exploring the Photobehavior of Nanocaged Monomers and Hand J-Aggregates of a Proton-Transfer Dye within NaX and NaY Zeolites ............................................................................... 303 3.4 Spectroscopy and Relaxation Dynamics of Salicylideneaniline Derivative Aggregates Encapsulated in MCM41 and SBA15 Pores ................................................................................... 317. 4.Referencias .................................................................... .335. Capítulo 4 Conclusiones y Perspectivas de Futuro ........ 337 Capítulo 5 Contribuciones Científicas ........................... 343.

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(15) Capítulo 1: Antecedentes Bibliográficos.

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(17) Capítulo 1: Antecedentes Bibliográficos. 1. FOTOFÍSICA Y FOTOQUÍMICA La interacción de la luz con la materia ha sido objeto de gran interés, captando la atención del ser humano desde la antigüedad a la edad contemporánea. Esto ha dado lugar al desarrollo de dos importantes áreas de la ciencia: la fotofísica y la fotoquímica. Simplificando, se puede definir como fotofísica al proceso global R + hν → R* → R, donde R es una molécula que mediante la absorción de un fotón (hν) pasa a su estado excitado R* para posteriormente regresar a su estado fundamental R disipando energía, ya sea en forma de calor o de luz. Por otro lado, se define como fotoquímica al proceso global R + hν → R* → P, siendo R una molécula que pasa a su estado excitado (R*) mediante la absorción de un fotón, y que posteriormente experimenta un cambio químico originando como resultado final un producto (P) distinto al inicial.1 Así, ambas experimentan un mismo proceso fotónico con una única diferencia, la transformación o cambio químico en el estado excitado para el caso de la fotoquímica. Por este motivo, es muy difícil tratar estas áreas por separado, ya que para comprender una de ellas se necesita del entendimiento de la otra. Es por esto por lo que leyes y conceptos fotofísicos y fotoquímicos están íntimamente conectados.1 Desde antes del siglo V a.C. hasta la actualidad son muchos los científicos que han dedicado sus investigaciones al conocimiento de la luz y su interacción con la materia. En el siglo V a. C., griegos, romanos y árabes ya utilizaban la radiación de la luz a través del vidrio para calmar heridas y encender hogueras. Hacia los siglos IV y III a.C, los filósofos de la antigua Grecia intentaban dar explicación a la naturaleza de la luz. Sin embargo, las hipótesis realizadas al respecto se mezclaban con el fenómeno de la visión. Se encuentran por estos tiempos dos grandes vertientes divididas según el origen de la visión; por un lado están “los pitagóricos” los cuales pensaban que ésta era originada por la proyección de imágenes lanzadas desde los objetos a los ojos, por otro “los platónicos”, los que pensaban que eran los propios ojos quienes lanzaban haces de luz hacia los objetos. Pasaron unos cuantos siglos hasta que se encontró una explicación razonable respecto a esto. Hacia el año 1000, Ibn Al-Haytam, propuso y corroboró experimentalmente, que la visión se producía por la llegada a los ojos de haces de luces provenientes de las reflexiones de los objetos. Los métodos científicos y las aportaciones al sistema óptico de este físico, matemático y astrónomo, fueron enormes, motivo por el que en la actualidad Ibn Al-Haytam es considerado como el padre de la óptica moderna. Entre todas sus aportaciones, hizo importantes avances en la óptica de lentes y espejos, descubrió las leyes de la refracción y fue el primero en analizar correctamente los principios de la cámara oscura, en la cual se basan los sistemas fotográficos que se desarrollaron posteriormente. Estos avances realizados por Ibn Al-Haytam fueron la base del desarrollo de muchos de los trabajos postulados por otros científicos de gran relevancia como son Bacon, Kepler e Isaac Newton.. 15.

(18) Capítulo 1: Antecedentes Bibliográficos. Desde la edad media hasta finales del siglo XIX principios del XX son numerosos los estudios que se conocen relacionados con la luz y su interacción con la materia. Por aquellos entonces parecía que el desarrollo científico se encontraba en la cúspide del conocimiento pues prácticamente todos los fenómenos científicos observados desde los diferentes campos de la ciencia (mecánica, óptica, termodinámica, electricidad, magnetismo, etc.) tenían una explicación racional y coherente con las observaciones obtenidas. De esta época cabe destacar a James Clerk Maxwell, el cual estableció el modelo electromagnético mediante el desarrollo de sus ecuaciones, las ecuaciones de Maxwell, publicadas en 1865. Maxwell propuso que la luz consistía en una perturbación electromagnética, a diferencia de la teoría ondulatoria iniciada por Thomas Young (1801).2 Cuando parecía que la teoría de Maxwell era capaz de responder a todas las preguntas relacionadas con la luz, algunos científicos como Albert Abraham Michelson (1881) y Lorentz (1885) comprobaron que esta teoría no era del todo correcta. El problema estaba basado fundamentalmente en que Maxwell necesitaba para el desarrollo de su teoría la existencia de una sustancia que actuara como soporte para transmisión de las ondas luminosas, esa sustancia era el éter. Él intentó demostrar la presencia de éter en la atmósfera y su conexión con la propagación de la luz, sin embargo no tardaron mucho en generarse las controversias entorno a este aspecto.2 Para el estudio de esa radiación electromagnética se utilizaba un objeto ideal conocido como “cuerpo negro” el cual era capaz de absorber toda la energía que incidiera sobre él para luego producir una emisión. El espectro de emisión que producía tal cuerpo también fue motivo de estudio durante unos cuarenta años, desde que fue introducido por primera vez por Gustav Kirchhoff en 1862 hasta Max Planck en 1900. Y es que, aunque fueron muchos los que intentaron describir el comportamiento emisivo del cuerpo negro (Stefan, Boltzmann, Wien, Rayleigh, etc.), no fue hasta 1900 cuando Max Planck encontró una explicación razonable que se ajustase matemáticamente a lo observado. Planck demostró que la materia posee estados de energía discretos y que tanto la energía que se absorbe como la que se emite puede cuantificarse en cuantos de energía (fotones). Se plantea así su primera hipótesis conocida como la “Ley de Planck” la cual constituye el primer paso hacia la teoría cuántica. Cinco años más tarde (1905), y basándose en la teoría cuantificada de Planck, Albert Einstein dedujo matemáticamente otro de los efectos más importante que ocurre cuando la luz incide sobre la materia, “el efecto fotoeléctrico”. Este efecto, basado en la emisión de electrones producidos por la radiación de luz incidente, fue introducido por Hertz en 1887, pero no fue hasta 1905 donde se encuentra una explicación teórica. Einstein propuso un modelo matemático que explicaba como los electrones presentes en los átomos de un metal podían absorben la luz incidente en forma de fotones, para transformarla en energía cinética y después liberarse de dicho metal. Desde entonces hasta la actualidad, muchos han sido los trabajos y muchos los científicos que han investigado y que siguen investigando con el fin de tener. 16.

(19) Capítulo 1: Antecedentes Bibliográficos. mayor conocimiento sobre el comportamiento de los procesos fisicoquímicos que experimentan materiales, partículas o moléculas cuando son irradiadas por la luz. Gracias a estos estudios, el mundo de las telecomunicaciones, la biomedicina y la electrónica, entre otros, sigue en un continuo crecimiento.. 1.1 Origen de los Procesos Fotofísicos y Fotoquímicos Siguiendo con el proceso global R + hν → R*: R es la molécula en el estado fundamental (S0) que por absorción de un fotón pasa a un estado electrónicamente excitado (Sn, donde n = 1, 2, etc) dando lugar a R*, la cual regresa de nuevo al estado fundamental disipando energía de diferentes formas. Los diferentes procesos desactivación que ocurren entre S2 y S0 se muestran de manera esquemática mediante el diagrama de Jablonski (Figura 1.0).3. Figura 1.0 Diagrama energético de Jablonski.. La molécula absorbe el fotón y pasa de su estado fundamental S0 a un estado electrónicamente excitado más alto, como pueden ser el S2 o el S1, en un tiempo muy rápido en la escala de attosegundos 10-18-10-15 s. Suponiendo que la molécula se encuentra en su estado S2, ésta puede relajarse desde los niveles vibracionales más altos liberando su energía en forma de calor. Esa pérdida energética es conocida. 17.

(20) Capítulo 1: Antecedentes Bibliográficos. como relajación vibracional y ocurre en un tiempo de 10-14-10-11 s. La relajación vibracional es producida principalmente por las colisiones entre las propias moléculas y el medio que les rodea. De esta forma, los procesos radiativos ocurrirán a partir del nivel vibracional más bajo por lo que cualquier proceso emisivo será menos energético que el proceso inicial de absorción (desplazamiento de Stokes). Ahora, desde ese nivel vibracional (v=0, S2) la molécula puede pasar a otro nivel vibracional “v=n” de misma energía perteneciente a otro estado singlete de energía inferior (S1), mediante un proceso no radiativo el cual sucede en la misma escala temporal que la relajación vibracional (10 -13-10-11 s). Esto se conoce como conversión interna. Cuando la molécula se encuentra en el nivel vibracional más bajo (v=0) del estado singlete excitado de menor energía (S1) varios procesos pueden ocurrir. El proceso más común es la relajación hacia el S0, la cual puede darse de forma radiativa lo que se conoce como fluorescencia y cuyo tiempo oscila entre 10-10-10-7 s, o de forma no radiativa debido a una conversión interna. Otro de los procesos que pueden ocurrir es un cruce entre sistemas desde el S1 al primer estado triplete (T1) y su posterior relajación. El cruce entre sistemas y las transiciones entre estados con diferente multiplicidad de espín están prohibidas (S1→T1). Solamente el fenómeno de acoplamiento espín-orbita, observado en determinadas moléculas, favorece esa transición aunque de forma poco probable. Por este motivo los procesos radiativos generados a partir de estas transiciones tienen unas constantes temporales con varios órdenes de magnitud menores a los que provienen de transiciones con la misma multiplicidad (Sn→S0). Una vez que se ha producido el cruce entre sistemas, la molécula puede regresar directamente al estado fundamental mediante un proceso radiativo o no radiativo. Al proceso radiativo se le conoce como fosforescencia y su tiempo oscila entre 10-6-102 s.. 1.2 Otros Procesos Fotofísicos y Fotoquímicos de Gran Interés Adicionalmente a los procesos anteriormente descritos por el diagrama de Jablonski, cuando la molécula se encuentra en el estado excitado, ésta puede experimentar otros procesos fotofísicos y fotoquímicos que compiten con el proceso de fluorescencia y/o fosforescencia (Figura 1.1).4 Entre esos procesos destacan la transferencia de energía, la transferencia electrónica y la transferencia protónica (Figura 1.1).. 18.

(21) Capítulo 1: Antecedentes Bibliográficos. Figura 1.1 Posible caminos de relajación de las moléculas excitadas. Figura insertada de la referencia 4.. 1.2.1 Transferencia de Energía En este proceso, una molécula que absorbe un fotón y que se encuentra en su estado excitado (Sn ≠ 0) (molécula dadora, D), puede transferir su energía de forma total o parcial a otra molécula que se encuentra en su estado fundamental (molécula aceptora, A), regresando así la molécula D a su estado fundamental, y promocionando la molécula A a su estado excitado (Sn ≠ 0). 𝐷 ∗ + 𝐴 → 𝐷 + 𝐴∗. Esq. 1.0. Existen dos modelos que permiten explicar los procesos de transferencia de energía: uno de ellos basado en la interacción dipolo-dipolo (transferencia de energía por resonancia o tipo Förster) y otro basado en un proceso de intercambio de electrones (transferencia de energía por intercambio de electrones o tipo Dexter). Aunque ellos pueden ocurrir a la vez, la distancia entre el dador y el aceptor y la naturaleza de las transiciones podrán determinar cuál será el dominante.. -. Transferencia de energía por resonancia o tipo Förster. En este caso la molécula dadora de energía (D) se comporta como un dipolo, produciendo a su alrededor un campo electromagnético donde las moléculas aceptoras están situadas para recibir la energía disponible debido a la excitación fotónica (Figura 1.2). Para que este proceso ocurra de una forma eficiente deben cumplirse las siguientes condiciones: i) debe existir un gran solapamiento entre el espectro de emisión del dador y el de absorción del aceptor, ii) la distancia entre el dador y el aceptor debe ser lo suficientemente corta (10-100 Å) para que el acoplamiento dipolar se produzca, iii) tanto el momento dipolar de transición como el vector de separación de ambos deben poseer una orientación favorable y iv) la. 19.

(22) Capítulo 1: Antecedentes Bibliográficos. emisión del dador debe tener un rendimiento cuántico elevado para poder observar la firma de la transferencia energética.5 En la figura 1.2 se puede ver una representación esquemática de este tipo de proceso:. Figura 1.2 Representación esquemática del proceso de transferencia de energía de tipo Förster, donde después de la excitación: el electrón del dador (D) pasa a su estado excitado (1), desde donde transfiere su energía al orbital LUMO (orbital desocupado de más baja energía) del aceptor (A) (2), para posteriormente relajarse a su estado fundamental (3). Simultáneamente el electrón de A pasa a ocupar su estado excitado (4) para posteriormente relajarse y volver a la situación inicial (5).. La constante de velocidad de transferencia de energía (kTE) por interacción dipolo-dipolo viene descrita por la ecuación de Förster (Ec. 1.1): 1. 𝑘𝑇𝐸 = 𝜏. 𝐷. 𝑅. 6. (𝑟 0 ). Ec. 1.1. 𝑑,𝑎. siendo τD el tiempo de vida del dador en ausencia del aceptor, rd,a la distancia entre el dador y el aceptor y R0 el radio de Förster, distancia a la cual la eficiencia de la transferencia de energía es del 50% y que viene determinado por: 𝑅0 = 9.78 ∙ 10. 3. 𝜅2 𝜑 ( 𝑛4 𝐷 𝐽(𝜈̅ )). 1⁄ 6. 𝜈 𝐹̅𝐷 (𝜈 ̅ )𝑑𝜈 ̅ ̅ )𝜀𝐴 (𝜈 4 ̅ 𝜈 1. 𝐽(𝜈̅ ) = ∫𝜈 2. (𝑒𝑛 Å). Ec. 1.2. Ec. 1.3. donde, κ2 es el factor de orientación el cual describe la orientación dipolar de D y A y que puede tener un valor comprendido entre 0 (orientación perpendicular) y 4 (orientación paralela). El valor de κ2 ha sido causa de mucho debate ya que al tratarse de sistemas dinámicos, en movimiento, su valor no podrá fijarse. Aun así, numerosos estudios muestran que cuando ambas moléculas muestran movimientos isotrópicos rápidos, este valor se aproxima a 2/3, lo cual, ocurre en la mayoría de los casos, por lo que se podrá asumir ese valor para κ2.3, 6 φD es el rendimiento cuántico de fluorescencia del dador en ausencia del aceptor, n el índice de refracción del medio, y J la integral de solapamiento espectral, que viene definida por: el espectro de fluorescencia normalizado FD del dador, el espectro de absorción. 20.

(23) Capítulo 1: Antecedentes Bibliográficos. del aceptor expresado mediante su coeficiente de extinción molar εA y las regiones de solapamiento espectral definidas por v1 y v2. La eficiencia de este proceso, la cual depende de los factores antes mencionados, puede obtenerse experimentalmente mediante los tiempos de vida medios, y el cociente de las intensidades de fluorescencia del dador en ausencia (d, Id) y presencia del aceptor (d,a, Id,a) (Ec. 1.4). También se podría obtener a partir de la constante de transferencia energía kTE (Ec. 1.5) o a partir del radio de Förster (Ec. 1.6), ambos descritos anteriormente: 𝐸 =1−. 𝜏𝑑,𝑎 𝜏𝑑. 𝐸=1. =1− 𝑘𝑇𝐸. ⁄𝜏𝑑 +𝑘𝑇𝐸. E=. R60 6 rd,a +R06. 𝐼𝑑,𝑎 𝐼𝑑. Ec. 1.4 Ec. 1.5. Ec. 1.6. Antes de desarrollar un cálculo matemático, es posible deducir de manera sencilla, por medio de medidas espectroscópicas, si el proceso transferencia de energía está teniendo lugar. Para ello simplemente se podrán efectuar los siguientes experimentos: i) observación del espectro de emisión del dador (D) en ausencia y presencia del aceptor (A), ya que la intensidad de fluorescencia se verá reducida con la presencia de A. ii) Excitación de D en presencia de A, en una región donde A no absorba, pues si la transferencia de energía está ocurriendo, se observará la emisión de A pudiéndose observar también la de D si la eficiencia del proceso no es del 100 %. iii) Registrar el espectro de excitación del par D-A observando en la región donde D no emita pero sí A. Si el proceso tiene lugar, en el espectro de excitación resultante se observará la absorción correspondiente de D. iv) Medida de las vidas medias de fluorescencia de D en ausencia y presencia de A, la aparición de nuevas componentes demostrarán que dicha transferencia está ocurriendo. Uno de los pares dador-aceptor más conocidos por mostrar este tipo de transferencia de energía, es el par formado por un tipo de fluoresceína y rodamina.7, 8. 21.

(24) Capítulo 1: Antecedentes Bibliográficos. Figura 1.3 Espectros de absorbancia y emisión de la fluoresceína isotiocianato (dador) y la rodamina B isotiocianato (aceptor). Figura añadida de la referencia 6.. En ese caso la fluoresceína actúa como D y la rodamina como A y ambos se encuentran situados a una distancia r, la cual debe ser óptima (1-10 nm) para permitir que dicha transferencia ocurra. Cuando se excita la fluoresceína (D) por debajo de 500 nm (480 nm en el caso de la Figura 1.3), ésta transfiere su energía de forma no radiativa a la rodamina B. De esta manera, la rodamina B (A) captará su energía lo cual provocará su excitación y su posterior relajación de forma radiativa dando como resultado un espectro de emisión cuyo máximo está en ~600 nm. Los espectros de emisión de la fluoresceína (λexc= 480 nm) y absorción de la rodamina, poseen un buen solapamiento espectral (J (λ)) lo que demuestra que la transferencia de energía podrá producirse. La distancia de Förster calculada para este sistema es de 55 Å, por lo que su configuración optima será aquella donde r sea menor de esa distancia (r < R0), siempre y cuando la orientación entre ambas moléculas sea la apropiada.6 Estos experimentos se han convertido, entre otras muchas aplicaciones dentro del campo de la biofísica o la fotónica, en una excelente herramienta de bioanálisis ya que permiten obtener y estudiar las distancias y los cambios conformacionales dentro de complejos biomacromoleculares.6, 9. -. Transferencia de energía por intercambio de electrones o tipo Dexter. Al tratarse de un intercambio electrónico, el acoplamiento entre ambos debe ser mucho más fuerte que el que se necesitaba para la transferencia tipo Förster. Para que este proceso ocurra las nubes electrónicas del dador y el aceptor deben encontrarse muy próximas entre sí, con distancias inferiores a 10 Å. En este caso la eficiencia del proceso también depende de: i) el solapamiento entre el espectro de emisión del dador y el de absorción del aceptor y ii) el acoplamiento y la interacción. 22.

(25) Capítulo 1: Antecedentes Bibliográficos. orbital dador-aceptor. A diferencia de la transferencia tipo Förster, ésta tiene lugar en procesos con transiciones de espín prohibidas mezclando estados de diferentes multiplicidad.10 Por ese motivo aparece como mecanismo dominante en la transferencia de energía triplete-triplete.11 En la Figura 1.4 se puede ver una representación esquemática de este tipo de proceso:. Figura 1.4 Representación esquemática del proceso de transferencia de energía de tipo Dexter donde después de la excitación: el electrón del dador (D) pasa al orbital LUMO (1), para después transferirse al orbital LUMO del aceptor (A) (2). Simultáneamente un electrón del orbital HOMO (orbital ocupado de mayor energía) de A pasa al HOMO de D (3) y finalmente el electrón del estado excitado de A pasará a su estado fundamental volviendo así al estado inicial (4).. La constante de velocidad de este proceso (kTed) viene dada por la siguiente ecuación: 𝑘 𝑇𝐸𝑑 =. 2𝜋 ℏ. 𝐾𝐽(𝜆)𝑒. (. −2𝑟𝑑,𝑎 ⁄𝑙). Ec. 1.7. siendo K la constante de interacción específica entre los orbitales implicados de D y A, J la integral de solapamiento, rd,a la distancia entre el D y A y l la distancia del radio Van der Waals entre ambos. En sistemas multicromóforos como algunos polímeros12 y dendrímeros,13 o sistemas con más de un centro metálico como algunos complejos de lantánidos,14 donde se produzca un importante solapamiento espectral, la transferencia de energía que ocurrirá será de tipo Dexter aunque competirá con la de tipo Förster. Que esa transferencia energética ocurra por uno u otro mecanismo, dependerá en gran parte de la distancia entre el dador y el aceptor, de tal forma que si ambos están muy próximos, sus funciones de onda se mezclaran, produciéndose una fuerte interacción electrónica por lo que el mecanismo más probable será el de tipo Dexter, mientras que si la distancia dador-aceptor es más grande, tendrán una débil interacción electrónica y el proceso que ocurrirá de forma mayoritaria será el de tipo Förster.14. 23.

(26) Capítulo 1: Antecedentes Bibliográficos. En algunas ocasiones los grupos que se encuentran entre el dador y el aceptor (grupos espaciadores), pueden favorecer el acoplamiento electrónico permitiendo una fuerte interacción entre los orbitales de D y A, dando como resultado una transferencia energética de este tipo aunque la distancia entre ambos sea superior a la comúnmente establecida (< 10 Å). Esto es lo que se observa en complejos de Rutenio (RuII) y Neodimimio (NdIII) separados mediante un grupo espaciador.14 Cuando el grupo espaciador es un grupo fenilo, la transferencia de energía es muy elevada con una constante kTEd = 1.9 x 107 s-1 y una eficiencia del 91%, debido a que la nube π característica de este grupo posibilita un fuerte solapamiento orbital entre D-A.14 En cambio, en grupos con estructuras más sencillas como el un grupo etilo (-CH2-CH2-), donde el solapamiento orbital no está tan favorecido, la transferencia de energía tiene un valor de k TEd = 2.2 x 106 s-1 y una eficiencia que el del 46 %.14 La observación y el cálculo de ambas transferencias energéticas pueden estar afectados por la existencia de otros procesos donde la molécula puede variar su señal de absorbancia o fluorescencia dando lugar a un resultado equivocado. Esos procesos tales como la reabsorción de fluorescencia, la desactivación por colisiones o la formación de agregados o complejos bimoleculares (excímeros y exciplejos, respectivamente), deberán tenerse en cuenta para la obtención de un resultado adecuado. - Reabsorción de fluorescencia También conocida como transferencia energética trivial. El dador se encuentra en su estado excitado desde donde transfiere su energía en forma de emisión de luz. Esa radiación es reabsorbida por otra molécula (aceptor) presente o incluso por la propia molécula que en este caso actuaría como aceptor ya que se encuentra en el estado fundamental. Esta transferencia es de largo alcance ya que ocurre sin necesidad de que ambas moléculas se encuentren interaccionando. Los parámetros de los que depende son; el solapamiento espectral entre el espectro de emisión del dador y el de absorción del aceptor, el camino medio de la luz emitida y la geometría de la muestra. Este tipo de transferencia de energía es muy común y es lo que se conoce como el denominado “efecto de filtro interno”. Son muchas las situaciones que pueden dar lugar a ese efecto filtro, entre ellas se pueden destacar: - La presencia de sólidos en sistemas heterogéneos, pues las partículas sólidas pueden dispersar parte de la emisión de la molécula. - La presencia de agregados ya que la emisión de la forma monomérica puede ser absorbida por los agregados no fluorescentes. - Moléculas cuyo desplazamiento de Stokes no sea muy grande, donde será la propia molécula quien provoque la reabsorción. En estos casos la longitud de onda excitación, para la obtención del espectro de emisión, coincidirá con el espectro de absorción de la molécula.. 24.

(27) Capítulo 1: Antecedentes Bibliográficos. -. Muestras con altas concentraciones, donde es la propia molécula quien también produce la reabsorción de fluorescencia: Este tipo de procesos pueden caracterizarse de la siguiente manera según la ley de Lambert-Beer: 𝐼 𝐼0. = 10−𝜀𝑏𝑐. Ec. 1.8. donde I0 es la intensidad del haz incidente, I la intensidad del haz después de atravesar la muestra, ε el coeficiente de absortividad molar (M-1 cm-1), b el paso óptico (cm) y c la concentración molar de la molécula (M). Las intensidades de radiación incidente están relacionadas con la radiación de fluorescencia de la siguiente manera: F = K′(I0 − I) Ec. 1.9 −εbc F = K′I0 (1 − 10 ) Ec. 1.10 donde K’ es una constante que depende del rendimiento cuántico de fluorescencia del sistema. Si se desarrolla el término exponencial de la Ec. 1.10 como una serie de Maclaurin, entonces: 𝐹 = 𝐾 ′ 𝐼0 [2.303 𝜀𝑏𝑐 −. (2.303 𝜀𝑏𝑐)2 2!. +. (2.303 𝜀𝑏𝑐)3 3!. ]. Ec. 1.11. Siempre que se cumpla que 2.303εbc < 0.05, la radiación fluorescente será directamente proporcional a la concentración ©: 𝐹 = 𝐾𝑐. 𝑑𝑜𝑛𝑑𝑒 𝐾 = 𝐾′𝐼0 2.303𝜀𝑏. Ec. 1.12. En los casos donde “c” sea elevada, la regla de 2.303εbc < 0.05 no se cumplirá por lo que los términos de mayor orden de la ecuación 1.8 no serán despreciables y la linealidad se perderá. Como resultado se observará una disminución de la radiación de fluorescencia, F. Por lo tanto, será aconsejable realizar los experimentos de fluorescencia a bajas concentraciones evitando así resultados erróneos. Desactivación colisional Se produce cuando el dador, el cual se encuentra en su estado excitado, colisiona con el aceptor transfiriendo su energía a éste. El aceptor en este caso absorbe la energía pero no necesariamente pasará al estado excitado. Si la molécula se encuentra en disolución, este fenómeno estará controlado por la difusión y por tanto dependerá de la temperatura y de la viscosidad del disolvente. -. 25.

(28) Capítulo 1: Antecedentes Bibliográficos. Este proceso está gobernado por la ley de Stern-Volmer ya que supone una disminución tanto en la fluorescencia (Ec. 1.13) como de la vida media de la molécula dadora (Ec. 1.14). 𝐹0 𝐹 𝜏0 𝜏. = 1 + 𝐾𝐷 [𝑄]. Ec. 1.13. = 1 + 𝐾𝐷 [𝑄]. Ec. 1.14. donde F0 y F son las intensidades de fluorescencia a una λ determinada en ausencia y presencia del aceptor (desactivador), respectivamente, τ0 y τ los tiempos de vida del dador en ausencia y presencia del aceptor (desactivador) y KD la constante de desactivación de Stern-Volmer la cual es igual:. 𝐾𝐷 = 𝑘𝑞 𝜏0. Ec. 1.15. siendo kq es la constante de desactivación bimolecular. A modo de ejemplo, el tolueno fue estudiado en presencia de unos sesenta gases diferentes donde se pudo observar y cuantificar las pérdidas energéticas provocadas por las colisiones entre el tolueno y las moléculas de gas.15 Según el peso molecular del gas, así era la perdida que se producía con el choque, pues los gases con alto peso molecular como el undecano (C11H24) provocaban más perdidas energéticas (ΔE = 16 kJ/mol) que otros más sencillos como el metano (CH4) (-ΔE = 3.1 kJ/mol).15 Además también se observó que a medida que se aumentaba la presión de los gases, aumentaba el número de colisiones entre las moléculas, lo que conllevaba a una mayor pérdida energética.15 Formación de agregados, excímeros y exciplejos Hay un gran número de moléculas que se caracteriza por formar agregados, las cianinas,16-19 xantenos,20, 21 rodaminas,22-24 pirenos,25-28 antracenos29, 30 o porfirinas,31-33 son algunos ejemplos. Estas moléculas se caracterizan por formar dos tipos de agregados denominados H- y J-agregados, los cuales se diferencian por el tipo de empaquetamiento entre las moléculas (Figura 1.5).34-37 Ambos agregados muestran características espectroscópicas y dinámicas diferentes a las del monómero.34-37 Por ejemplo, en el espectro de absorción los H-agregados aparecen a longitudes de onda más energéticas propias de una transición S0→ S2, ya que según la teoría excitónica su transición S0→ S1 no está permitida. 34-36 Sin embargo, los Jagregados aparecen a longitudes de onda menos energéticas debido al buen acoplamiento orbital que existe entre las moléculas (Figura 1.5).37 En cuanto a sus dinámicas, ambos suelen tener una vida media menor que la del monómero debido a la propia desactivación que se produce al empaquetarse una molécula con otra. Entre ellos, los H-agregados son los menos emisivos ya que al encontrarse en un estado excitado de mayor energía (S2) su desactivación por vías no radiativas será mayor. 34-37 -. 26.

(29) Capítulo 1: Antecedentes Bibliográficos. Figura 1.5 Representación esquemática de las transiciones electrónicas S0→ S1 y S0→ S2 en un monómero y sus H- y J-agregados. Las transiciones permitidas están representadas mediante flechas sólidas mientras que las no permitidas lo están con flechas discontinuas.. Cuando estos agregados se producen entre dos molécula solamente (dímeros), pueden dar lugar a los excímeros (AA*). Para su formación una molécula que se encuentra en el estado excitado (A*) se debe unir a otra que se encuentra en el estado fundamental (A*).38 Si ambas moléculas no son iguales entonces lo que se forma es un complejo bimolecular denominado exciplejo (AB*). 𝐴∗ + 𝐴 → (𝐴𝐴)∗. Esq. 1.1. 𝐴∗ + 𝐵 → (𝐴𝐵)∗. Esq. 1.2. El pireno y sus derivados son un ejemplo de formación de excímeros, pues cuando una de estas moléculas se encuentra en estado excitado puede asociarse con otra que está en el estado fundamental dando lugar a un excímero. 25, 39, 40 Esos excímeros se forman por interacciones π-π entre ambas moléculas, donde el fotón queda parcialmente deslocalizado.39 La formación de estos dímeros provoca cambios espectrales respecto al del monómero, con la presencia de nuevas bandas en el espectro de absorción y el ensanchamiento y desplazamiento hacia longitudes de onda menos energéticas de la banda de emisión.39 Además la dinámica del monómero (vida media de fluorescencia) se verá reducida debido a la formación de estas especies.25, 39 En otras ocasiones, esos dímeros pueden formarse entre dos moléculas que no sean del mismo tipo, eso es lo que le ocurre a los derivados de antraceno en presencia de N,N-dimetilanilina (Figura 1.5).41 En ese caso, cuando se excita el 9metilantraceno , éste forma complejo con la N,N-dimetilanilina, la cual se encuentra en el estado fundamental dando lugar a un exciplejo.41. 27.

(30) Capítulo 1: Antecedentes Bibliográficos. 1.2.2 Transferencia Electrónica Muchos de los procesos que ocurren en la naturaleza están basados en este tipo de transferencia, donde un electrón es transferido desde una molécula (dadora) a otra (aceptora). La fotosíntesis o la propia respiración son ejemplos de este tipo de proceso.42, 43 Estas reacciones constituyen la forma más fácil de transformar químicamente una sustancia sin necesidad de importantes movimientos nucleares, solo es necesario el movimiento de un electrón para transformar un reactivo en un producto. Estos procesos ocurren de forma fácil y eficiente aunque su estudio a nivel molecular es más complejo. 𝐷 + 𝐴 → 𝐷 + + 𝐴−. Esq. 1.3. En 1956, Marcus desarrolló una teoría que permite determinar el efecto provocado por estos procesos, pues esa separación de cargas conduce a que reactivos, productos y el propio entorno deban adaptarse a una nueva situación.44, 45 Dentro de dicha teoría, la constante de transferencia electrónica (ke) viene definida como: 4𝜋. 1⁄ 2. 𝑘𝑒 = (ℎ2 𝜆𝑘 𝑇) 𝐵. 𝑉 2𝑒. ⧣. (−∆𝐺 ⁄𝑘 𝑇) 𝐵. Ec. 1.16. donde h es la constante de Plank, λ la energía de reorganización, kB la constante de Boltzman, T la temperatura, V el acoplamiento electrónico entre el dador y el aceptor y ΔG⧣ la energía libre de activación del proceso (Figura 1.6 A). Este tipo de reacciones pueden estar controladas por la difusión (k1,2, k2,1 y k3) (esquema de la Figura 1.6) o por la transferencia electrónica propiamente dicha (k2,3 y k3,2) (esquema de la Figura 1.6). Según la velocidad de cada una de las etapas, la reacción total será controlada por una u otra. En el caso de que la reacción se encuentre controlada por la etapa de transferencia electrónica, la energía de activación (ΔG#) será quien determine la velocidad del proceso (Ec. 1.16). En ese caso, el valor de la energía de activación dependerá del acoplamiento entre el dador y el aceptor (V) (Figura 1.6A). En sistemas no adiabáticos donde el acoplamiento es débil, es decir V es pequeño, ΔG# tendrá un valor pequeño. Mientras en sistemas adiabáticos donde el acoplamiento es mucho mayor, valor de V grande, ΔG# será mucho mayor. En ambos casos, los reactivos (D*-A) tendrán que superar el valor de ΔG⧣ para dar lugar a los productos (D+-A-) (Figura 1.6A). Esa barrera energética podrá ser superada o atravesada por efecto túnel (Figura 1.6B).. Esq. 1.4. 28.

(31) Capítulo 1: Antecedentes Bibliográficos. B). D* ̶ A. Energía Potencial. A). D+ ̶ A-. 2V. (2). (1) D* ̶ A. D + ̶ A-. ΔG#. ΔG⁰. Transferencia Electrónica. Figura 1.6 Reacción global de un proceso de transferencia electrónica entre un dador excitado (D*) y un aceptor (A), cuya velocidad puede depender de la difusión (k 1,2, k2,1 y k3) y de la transferencia electrónica propiamente dicha (k2,3 y k3,2). Representación esquemática de A) una reacción de transferencia electrónica general según la Teoría de Marcus donde la etapa limitante del proceso es la propia transferencia de electrones y B) barrera energética (ΔG#), la cual puede ser atravesada por efecto túnel (1) o superada por otra coordenada de reacción (2).. La ecuación de Marcus relaciona la energía libre de activación (ΔG⧣) con la energía libre del proceso (ΔG0, Figura 1.6A) de la siguiente manera:44. ΔG⧣ =. (𝜆+𝛥𝐺 0 )2. Ec. 1.17. 4𝜆. log ke. Si se sustituye ΔG⧣ según la ecuación anterior, en la ecuación 1.16, la relación que hay entre la velocidad y la energía libre del proceso (ΔG0) es cuadrática y viene representada por una parábola:. Región Normal. -ΔGº < λ. Región Invertida. -ΔGº = λ. -ΔGº > λ. Figura 1.7 Parábola de Marcus que representa la relación entre la constante de transferencia electrónica y la variación de la energía libre del sistema.. 29.

(32) Capítulo 1: Antecedentes Bibliográficos. En dicha parábola, según la teoría de Marcus, encontramos tres zonas: a) “región normal” cuando -ΔG0 < λ, en este caso el aumento de la energía libre provoca el aumento de la velocidad del proceso, b) “región invertida” cuando -ΔG0 > λ, en este caso a mayor energía libre menor es la velocidad y c) cuando - ΔG0 = λ, la energía de activación es cero y la velocidad de transferencia electrónica muy rápida. En este último caso, la velocidad está gobernada mayoritariamente por el acoplamiento electrónico entre el dador y el aceptor. La “región normal” de esta teoría funcionaba sin ningún problema. Sin embargo fueron muchos los autores que intentaron demostrar la “región invertida” en sistemas donde ΔG0 tenía valores muy negativos. Durante casi tres décadas ningún científico logró demostrar la teoría de Marcus para esa región. A lo largo de ese tiempo, todos ellos explicaban el comportamiento de estos sistemas mediante la teoría de Rehm-Veller,46 en la cual se observaba un aumento de la velocidad hasta llegar a un punto de saturación donde la reacción era regida por la difusión. En 1984, por primera vez Miller, R. fue capaz de fundamentar de forma inequívoca que la teoría de Marcus para esta región funcionaba de manera correcta.47 Unos ocho años más tarde, en 1992, Marcus fue galardonado por el premio Nobel de Química. A partir de ese momento y gracias a los modelos teóricos, las simulaciones computacionales y el desarrollo de la espectroscopia láser, ha sido posible llevar a cabo el estudio de distintos sistemas complejos de transferencia electrónica llegando incluso al nivel molecular.48 Este tipo de transferencias electrónicas pueden producirse entre distintas moléculas, lo que se conoce como transferencia electrónica intermolecular o bien producirse dentro de la misma molécula, transferencia electrónica intramolecular.. -. Transferencia electrónica intermolecular. La transferencia electrónica intermolecular (TEi) se da entre dos moléculas que forman un par dador-aceptor, donde la molécula dadora posee una alta densidad electrónica, mientras que la molécula aceptora tiene una baja densidad electrónica. El resultado es un nuevo complejo denominado “complejo de transferencia de carga”. La transición del electrón ocurre desde el LUMO del dador al HOMO del aceptor. Este proceso suele tener una dinámica rápida y puede estar controlado por distintos factores en función del medio y la temperatura.49, 50 En disolución, la velocidad de reacción podrá estar determinada por la dinámica del disolvente o por los propios movimientos de los reactivos.51, 52 En aquellos casos donde la velocidad de la reacción tenga un valor próximo al tiempo de relajación del disolvente, la reacción estará controlada por el propio disolvente. Sin embargo, en los casos donde la reacción sea más rápida que el proceso de relajación del disolvente, entonces dicha reacción estará controlada por los movimientos vibracionales inter- o intramoleculares de los reactivos. Uno de los. 30.

(33) Capítulo 1: Antecedentes Bibliográficos. principales problemas que se presentan ante este tipo de reacciones es la difusión, ya que el dador y el aceptor deben estar lo más próximos posibles. El control de la difusión puede conseguirse mediante la fijación por adsorción del aceptor en una superficie fija dadora de electrones, como es el caso de la adsorción de moléculas en proteínas,53 ácidos nucleicos54 o péptidos,55 o bien por el uso directo de un disolvente como dador de electrones donde el contacto entre ambos está asegurado.50, 56, 57 Las oxacinas en presencia de disolventes electro-donadores (dadores) son un buen ejemplo de este tipo de reacciones, ya que estas moléculas (aceptoras) muestran reacciones de TEi con el disolvente.58, 59 El azul de Nilo, un tipo de oxacina (Figura 1.8), en disoluciones de N,N-dimetilanilina (DMA, disolvente electro-dador), presenta una fuerte reducción de su señal de emisión de fluorescencia a consecuencia de una TEi provocada por el DMA.58, 59 En este caso la velocidad de la reacción de la TEi es mucho más rápida (160 fs) que la de la relajación del DMA (~8 ps), por lo que dicha reacción estará controlada por los movimientos vibracionales internos.52. TE. Figura 1.8 Representación esquemática de la transferencia electrónica desde el disolvente dador (N,N-dimetilanilina) a la molécula aceptora Azul de Nilo.. El interés sobre este tipo de reacciones dió lugar a numerosos artículos y revisiones.50-52, 60-66. -. Transferencia electrónica intramolecular. También conocida como transferencia de carga intramolecular (TCI). Este concepto de transición de transferencia de carga fue introducido por Mulliken en la década de los 1950.67-69 En este caso el dador y el aceptor se encuentran en regiones distintas dentro de la misma molécula. Cuando el grupo dador es excitado se produce una transferencia del electrón hacia el grupo aceptor generándose así una separación de cargas dentro de la propia molécula. Esta nueva distribución modifica (incrementa en la mayoría de los casos) el momento dipolar de la molécula así como las conformaciones estructurales y las distribuciones electrónicas. Todas aquellas moléculas que contengan un grupo dador (-OH, NH2, -OCH3, NHCH3) y un grupo aceptor (-NO2, -COOH, -CHO, -Halógeno, -CO, -N(CH3)3+, -. 31.

(34) Capítulo 1: Antecedentes Bibliográficos. NHCOCH3) dentro de su estructura, serán susceptibles de experimentar este tipo de reacción. Por lo tanto, son muchas las moléculas que mostrarán reacciones de transferencia electrónica intramolecular. Los derivados para-sustituidos de N,N-dimetilanilina son un ejemplo de moléculas que experimentan procesos de transferencia electrónica intramolecular (Figura 1.9).70. Figura 1.9 Derivados para-sustituidos de N,N-dimetilanilina.. Estas moléculas están compuestas de una parte dadora (D), el grupo dimetilamino y una parte aceptora (A), el grupo benzeno para-sustituido. Ambas partes se encuentran unidas mediante un enlace sencillo el cual puede girar a través de un ángulo α. La transferencia de carga se produce siempre que exista un fuerte acoplamiento orbital, el cual tiene lugar cuando el ángulo entre el par de electrones desapareados del grupo amino y el anillo de benceno sea igual a cero (α=0º). 70-72 Sin embargo, el solapamiento orbital no sucede siempre ya que hay algunas situaciones intermedias que producen un desacoplamiento y dan lugar a comportamientos anómalos en la fluorescencia de la molécula. Por ejemplo, en este tipo de moléculas las situaciones que producen ese desacoplamiento orbital pueden ser explicadas debido a un giro entre el grupo dimetilamino con respecto al anillo de benceno (α=90º), dando lugar a lo que se conoce como transferencia de carga acoplada a un giro (twisted intramolecular charge transfer),60 o también debido a la piramidalización o cambio de hibridación del nitrógeno del grupo diemetilamino desde sp2 a sp3.73 Los procesos que producen el desacoplamiento orbital no siempre están presentes, todo dependerá de las características estructurales del sistema a estudiar. Aun así, independientemente del camino que siga el electrón al transferirse o la situación final que genere en la molécula, éstos complejos de transferencia electrónica son muy estables.60 1.2.3 Transferencia Protónica “Life would not exist without the making and breaking of chemical bonds, and chemical reactions. Among the most elementary and significant of all reactions is the transfer of a hydrogen atom or a hydrogen ion (proton)”, Ahmed H. Zewail, galardonado por el Premio Nobel de Quimica en 1999.74. 32.

(35) Capítulo 1: Antecedentes Bibliográficos. Las reacciones de transferencia protónica son de las más importantes de la química ya que están presentes en una gran variedad de procesos. Así pues, este proceso se ha observado tanto en moléculas aisladas75, 76 como en clústeres,77 pasando por sistemas confinados,78, 79 superficies,80 ácidos nucleicos,81 enzimas82 y proteínas,83 siendo su estudio de gran importancia para conocer otros procesos básicos como los de ácido-base,84 neutralización,59 catálisis,82 etc. Este proceso ocurre entre un grupo dador de protones como son los grupos OH, -NH2 o –SH, y otro grupo aceptor de protones, los cuales pueden ser grupos como C=O y –N=, algunos disolventes o algunas bases y puede darse tanto en el estado fundamental como en el estado excitado, siendo este último de gran importancia desde el punto de vista fotofísico y fotoquímico. Los primeros estudios basados en la transferencia protónica en el estado excitado se remontan a 1931, a manos de Weber,85 quien observó por primera vez los cambios que experimentaban algunas moléculas con el cambio del pH. Weber propuso que ese tipo de transferencias protónicas estaba definido por un equilibrio de disociación, tal y como se muestra en la siguiente reacción: 86. Esq. 1.5 Más tarde, en 1950, y basado en estas observaciones, Förster propuso un método para estimar el valor del pK* de una molécula en su estado excitado, el cual se obtenía a partir de su pK en el estado fundamental y del espectro de absorbancia y emisión (ciclo de Förster, Figura 1.10).87-89 De esta manera, ambos autores constituyeron y constituyen los inicios en los estudios de las reacciones de transferencia protónica intermolecular en el estado excitado (ESPT). Siguiendo en la historia, en 1955, Weller observó en el espectro de emisión del salicilato de metilo un inusual desplazamiento de Stokes.90 En cambio, cuando el protón del grupo fenol era metilado, el espectro de fluorescencia obtenido era una imagen especular del espectro de absorción.90 Así, Weller propuso que ese desplazamiento se debía a la formación de un isómero resultado de una transferencia protónica intramolecular en el estado excitado (ESIPT).90 Este mismo dió lugar a números trabajos basados sobre éstas y las anteriores reacciones y realizó un método para el cálculo de sus constantes, el cual era un poco más avanzado que el desarrollado previamente por Förster.91-93 Posterior a Weller, son muchos los autores que empezaron a interesarse por este tipo de estudios, como Vander Donckt en 1970,94 el cual estudió las reacciones ESPT mediante las teorías de transferencia de carga, Schulman and Winefordner en 1970,95 los cuales trataron las posibles aplicaciones analíticas de las reacciones ESPT, Ireland and Wyatt en 1976,96 quienes mostraron un extenso estudio sobre la acidez termodinámica en la reacción de ESPT, etc. Hacia la misma época, en 1977, Klöpffer,97 publicó una extensa clasificación de un gran número de moléculas que experimentan reacciones de ESIPT, basada en sus datos espectroscópicos. Sin embargo, en todos estos estudios la cinética de la reacción de. 33.

(36) Capítulo 1: Antecedentes Bibliográficos. transferencia protónica era obtenida mediante el método propuesto por Weller, lo cual solo aportaba datos de una manera aproximada.90 A partir de este momento, (década de los 1980) el desarrollo de los láseres permitió la obtención de las constantes de las reacciones y los tiempos de vida de las diferentes especies formadas a tiempo real en una escala del nano- al picosegundo.51, 98-102 Aproximadamente una década más tarde, la resolución de estos estudios llega hasta el rango del femtosegundo.76, 103-107 Para poder profundizar en la explicación y el desarrollo de cada una de las reacciones ESPT y ESIPT, conviene que ambas sean detalladas por separado.. -. Transferencia protónica intermolecular en el estado excitado (ESPT, por sus iniciales en inglés). Las moléculas que experimentan este tipo de reacciones son capaces de ceder su protón mediante un mecanismo acido-base (Esquema 2.5), en su estado excitado.108 Weber85 y Förster87 observaron que un gran número de moléculas modificaban su pH cuando eran excitadas pasando de comportarse como ácidos débiles a ser ácidos fuertes. La variación del pK desde el estado fundamental al estado excitado de estas moléculas o fotoácidos, como también se les denominó, puede calcularse a partir del ciclo de Förster:87. Figura 1.10 Ciclo de Förster para la determinación del pK.. De acuerdo con esto: 𝑁𝑎 ℎ𝜈𝐴𝐻 + ∆𝐻 0∗ = 𝑁𝑎 ℎ𝜈𝐴− + ∆𝐻 0 𝑁𝑎 (ℎ𝜈𝐴− − ℎ𝜈𝐴𝐻 ) = ∆𝐻 0∗ − ∆𝐻 0. Ec. 1.18 Ec. 1.19. donde Na es el número de Avogadro, h la constante de Planck, νA- y νAH las frecuencias de la transición 0-0 de las especies A- y AH, respectivamente y ΔH0 y ΔH0* las entalpías de disociación en el estado fundamental y excitado, respectivamente. Si se consideran que las entropías de ionización ΔS0 y ΔS0* son iguales, entonces en la ecuación 1.16 las entalpías de disociación (ΔH0 y ΔH0*) podrán ser. 34.

(37) Capítulo 1: Antecedentes Bibliográficos. sustituidas por las energías libres de Gibbs (ΔG0 y ΔG0*). Sabiendo que ΔG0 está relacionada con la constante de equilibrio Ka mediante la siguiente ecuación: ∆𝐺 0 = −𝑅𝑇𝑙𝑛𝐾 = 2.3𝑅𝑇𝑝𝐾 Ec. 1.20 donde R es la constante de los gases ideales y T la temperatura. En condiciones estándar (R= 8.314 J/mol K y T = 298 K), la ecuación 1.18 puede expresarse como: 𝑝𝐾 ∗ − 𝑝𝐾 = 2.1 ∙ 10−3 (ῡ𝐴− − ῡ𝐴𝐻 ) cm-1. Ec. 1.21. El término (ῡA- ̶ ῡAH) se refiere a la transición 0-0 y su determinación no suele ser sencilla. En los casos en los que el desplazamiento de Stokes no sea muy grande, (ῡA ̶ ῡAH) podrá asumirse como el punto de intersección entre el espectro de absorción y emisión normalizados. Sin embargo, en los casos donde el desplazamiento de Stokes sea muy grande y por tanto la intersección entre ambos espectros no se observe, será preferible hacer un promedio entre los números de onda de los máximos de absorción y emisión: ῡ0−0 =. max (ῡmax abs −ῡem ). 2. Ec. 1.22. Sin embargo, estas medidas no eran muy precisas ya que no tenían en cuenta otros procesos en el estado excitado como podrían ser la relajación del disolvente o la propia relajación de la molécula.87, 108 Simplemente estaban basadas en un cambio espectroscópico en el espectro de absorbancia o de emisión donde se suponían, entre otras cosas, que la entropía y la configuración electrónica de las especies en el estado fundamental y el estado excitado era la misma.87 Cinco años más tarde Weller desarrolló otro método que permitía dicho cálculo.90 Sin embargo, este método también conducía a la suposición de grandes aspectos, como que el equilibrio acido-base siempre se alcanzaba en el estado excitado o que la transferencia protónica era el único proceso que afectaba a la emisión de las especies (neutra y aniónica).90, 108 El estudio de estas reacciones mediante técnicas basadas en el bombeo de luz láser puso fin a todos estos problemas, aunque para ello hubiese que esperar casi tres décadas.40, 51, 98, 109-112 Eigen y colaboradores113 introducen un nuevo término (RO---H) al esquema acido-base anteriormente propuesto por Weller90. Este nuevo término introduce en la reacción un factor importante; la difusión (Esquema 2.6). Cuando una molécula posee un carácter fotoácido su desprotonación suele ser muy rápida por lo que dependerá de la difusión de que ese protón no retorne dando un proceso reversible (Esquema 2.6). Si la reacción se produce con una base fuerte, entonces el proceso de recombinación no ocurrirá y el único proceso que tendrá lugar será la. 35.

(38) Capítulo 1: Antecedentes Bibliográficos. transferencia protónica de manera directa.114 Por el contrario, si la transferencia protónica tiene lugar con el disolvente que rodea la molécula, entonces el proceso de reversibilidad o recombinación si será posible y habrá que tenerlo en cuenta. 110-112. Esq. 1.6 donde kd and kr son la constantes de disociación y recombinación y k D y k-D las constantes directa e indirecta de difusión obtenidas a partir de la ecuación de Debye-Smoluchoswski115 (DSE), la cual será detallada a continuación. -. Teoría de Debye-Smoluchowski (DSE). La difusión es un factor muy importante ya que ambos reactivos, ácido y base, deben tener una distancia y orientación bien definida para que la reacción tenga lugar.115 En las reacciones reversibles, tanto la primera etapa de la reacción (K 1= kd/kr) como la etapa de difusión (K2= kD/k-D) deberán tenerse en cuenta. La rapidez de la primera etapa (K1), dependerá de la fotoacidez de la molécula. Una vez que la disociación ha tenido lugar, la separación de ambos estará determinada por la difusión, la cual determinará de algún modo la etapa de recombinación. Todo el proceso está descrito según la ecuación de DSE:115 𝜕𝑝 (𝑟,𝑡) 𝜕𝑡. =𝐷. 𝜕2 𝑝 𝜕𝑟 2. +. 𝐷. 𝜕. 𝑘𝐵 𝑇 𝜕𝑟. (𝑝. 𝜕𝑉 𝜕𝑟. ). Ec. 1.23. donde p(r,t) es la probabilidad de encontrar el protón a un tiempo t y a una distancia r. El primer término hace referencia a la ruptura del enlace entre RO -*---H+, los cuales se encuentran separados a una distancia finita de contacto “a” (Figura 1.11). La velocidad de este proceso está determinada por kd y kr. El segundo término engloba la difusión controlada de H+ lejos de la zona de contacto “a” expresada mediante el potencial de Coulumb (Figura 1.11).. a -. RO *. kd. H. +. DSE. +. -. H +RO *. kr. Figura 1.11 Representación de la difusión controlada según la teoría de DSE.. 36.

(39) Capítulo 1: Antecedentes Bibliográficos. El cálculo y el desarrollo de la ecuación de DSE no era tarea sencilla.115 Por este motivo, Agmon y Krissel116 desarrollaron un programa computacional (SSDP) fundamentado en la difusión de DSE, mediante el cual las contantes de kd y kr se podía obtener. Para ello algunos parámetros debían tenerse en cuenta: a). El potencial de interacción, V(r), entre RO-* y H+ se supone que es. un potencial tipo Coulomb el cual está determinado por el radio de Debye:. V (r )   RD / r. Ec. 1.24. RD  e2 zRO zH+ /( kBT ). Ec. 1.25. donde zRO- y zH+ son las cargas iónicas del anión y del protón, respectivamente, e, la carga del electrón, ε la constante dieléctrica del disolvente, T la temperatura and kB la constante de Boltzmann. b) La distancia de contacto (a) del par acido-base la cual suele tener un valor mínimo de 6.8 Å.116 c) La constante de difusión relativa de RO- y H+ ( 𝐷 = 𝐷𝑅𝑂− + 𝐷𝐻+ ) la cual puede asumirse como la difusión del protón (𝐷 ≈ 𝐷𝐻+ ) ya que la mayoría de moléculas que se mueven serán de disolvente. De este modo la señal de fluorescencia de ROH* queda dependiente de esos parámetros:. 𝐼𝑓𝑅𝑂𝐻 (𝑡) ≅. 𝜋𝑎2 𝑘𝑎 exp[−𝑉(𝑎)] 𝑑 2𝑘𝑃𝑇 (𝜋𝐷𝑡) ⁄2. Ec. 1.26. Gracias al desarrollo de este programa fueron y son numerosos los estudios que se conocen.51, 110-112, 117-125 Caben destacar los trabajos de Agmon, Pines y Hupper, ya que en ellos se encuentra una solución más o menos sencilla a la complejidad de estas reacciones.111, 117, 119-121, 123-128 En este tipo de reacciones la difusión, la presencia de disolvente o base, el tipo de molécula, las interacciones con el disolvente, y la naturaleza adiabática o no adiabática de propias reacciones, son factores que estarán implicados de manera directa con su mecanismo (reversibilidad) y su velocidad.84, 129, 130 Uno de los ejemplos más conocidos por dar este tipo de transferencias, es el 2-naftol en medio acuoso.131, 132 Esta molécula, la cual posee un carácter fotoácido, experimenta dos comportamientos diferentes dependiendo del pH: a pH ácidos (1-4) donde la concentración de H+ es alta, la reacción sigue un mecanismo reversible donde la. 37.

(40) Capítulo 1: Antecedentes Bibliográficos. recombinación del par RO---- H+ es posible, sin embargo a pH neutros (5-7), estabilizados por la presencia de acetato de sodio, la reacción es irreversible y directa.131 Cuando el 2-naftol se encapsulaba en α-, β-ciclodextrinas, su acidez en el estado excitado disminuía por lo que la reacción de ESPT que experimentaba con las moléculas de agua presentes en las cavidades, era más lenta que la que mostraba en agua pura.132 Sin embargo, hay que tener en cuenta que no todas las moléculas que experimentan este tipo de reacciones tienen carácter fotoácido, ya que hay otras muchas que no lo son y también pueden producirla. Una de las moléculas que más se ha estudiado y que no tiene un carácter fotoácido es la 7-hidroxiquinoleína (7HQ) (Figura 1.12).102, 133-142 El interés de su estudio reside en su parecido estructural con algunas bases del ADN (guanina, adenina) y su capacidad para dar y aceptar protones. Esta molécula ha sido estudiada tanto en disolución, como en medios heterogéneos: micelas, polímeros, ciclodextrinas y materiales basados en sílice.102, 133-142. Figura 1.12 Posibles estructuras (Enol (E), Anión (A), Cation (C), Zwitterión (Z) y Keto (K)) de la 7-HQ en medios capaces de dar y recibir protones.. En agua, esta molécula puede protonarse o desprotonarse para dar su forma catiónica (C) o aniónica (A) respectivamente, las cuales posteriormente originarán una forma zwitteriónica (Z) en 30 o 200 ps dependiendo de si la formación es a través de C o de A, respectivamente.137, 140 La forma Z a su vez, está en equilibrio con la forma cetónica (K), cuya diferencia entre ambas es que la primera es generada por el movimiento de un protón, mientras que la segunda es generada por el movimiento de un átomo de hidrógeno (Figura 1.12).137, 140 Cuando 7-HQ es confinada, su proceso de ESPT se ve muy afectado.135, 136, 141, 142 Así, cuando la 7-HQ se incorpora en la cavidad de ciclodextrinas o micelas reversas, la reacción de transferencia protónica está tan impedida que casi no se produce, observando mayoritariamente la emisión de su forma enol (E). 141, 142 En materiales mesoporosos sin embargo, la transferencia protónica con los -OH presentes en la pared del material, da lugar a la formación de Z en un tiempo de 0.75 ps. 135 Por lo tanto y. 38.