Excited state intramolecular proton transfer reactions coupled with non adiabatic processes: electronic structure and quantum dynamical approaches

Abstract

Els enllaços d'hidrogen són d'importància universal en química i bioquímica. Les propietats dels enllaços d'hidrogen en l'estat electrònic fonamental han estat estudiades durant molt anys. Malgrat tot, molt poc es coneix sobre les reaccions químiques on intervenen enllaços d'hidrogen en els estats electrònics excitats. Una de les reaccions més interessants són les transferències protòniques intramoleculars en estat excitat (ESIPT de les seves sigles en anglès), ja que juguen un paper crucial en una gran varietat de reaccions químiques fotoquímiques de gran rellevància.<br/>Les tècniques més modernes de cinètica química disponibles avui dia, permeten la monitorització dels processos ESIPT fins l'escala de temps del femtosegond. Tot i això, els resultats experimentals acostumen a ser difícils d'interpretar, especialment quan es veuen involucrats processos competitius. Aquests processos addicionals suposen un desafiament extra en l'estudi d'aquestes reaccions. En aquest sentit, la química teòrica i computacional representa una molt versàtil eina de treball, donat l'absolut control que els investigadors poden imposar a sistemes modelitzats aïllats.<br/>Els sistemes moleculars recollits en la present tesi representen exemples directes dels diferents ordres de complexitat que l'estudi teòric (des del punt de vista del càlcul electrònic i dinàmic) del processos ESIPT poden representar: des de la comprensió del aspectes fonamentals del procés, fins a la necessitat d'adoptar estratègies teòriques eficients per tractar la presència de processos no adiabàtics.

Hydrogen Bonds are of universal importance in chemistry and biochemistry. The properties of hydrogen bonds in the electronic ground state have been investigated since long ago. Nevertheless, much less is known about the chemical reactions involving hydrogen bonds in excited electronic states. One of the most interesting reactions are the excited state intramolecular proton transfer (ESIPT) processes, as they play a crucial role in a plethora of photochemical reactions of chemical and biochemical relevance.<br/>The most modern kinetic experimental techniques available today, allow the monitoring of ESIPT processes up to the order of the femtosecond. However, the experimental results are usually difficult to analyze, specially when competitive processes are involved. Those additional processes suppose an extra challenge in the study of this topic. In this sense, theoretical and computational chemistry represents a powerful tool of interpretation, given the absolute control that researchers can impose on modelized isolated systems.<br/>The molecular systems collected in the present thesis represent direct examples of the different orders of complexity that the theoretical study (both from the electronic and dynamical points of view) of ESIPT can represent: from the comprehension of the essentials of the process, to the need of adoption of efficient theoretical strategies to treat the presence of non adiabatic processes.