Elucidating deactivation and reaction paths of photosensitive organic systems through computational methods

Abstract

Aquesta tesis estudia computacionalment els processos que expliquen les propietats fotoquímiques de certs compostos orgànics. Per això s’han fet servir mètodes ab initio multiconfiguracionals, CASSCF i CASPT2, amb els que es descriu la topografia de les superfícies d’energia potencial dels estats de més baixa energia i es localitzen els camins de reacció.

S’ha estudiat primerament el mecanisme de fotoisomerització del azobenzè i el seu derivat, la fenilazopiridina. El mecanisme de reacció obtingut explica satisfactòriament perquè el rendiment quàntic de la isomerització depèn de l’excitació inicial i del grau de restricció de la rotació interna en aquests sistemes. També s’ha analitzat un protocol computacional per la reproducció de l’espectre d’absorció en solució de sistemes flexibles, fent servir com a exemple la fenilazopiridina.

S’ha estudiat també la 9-fenilfenalenona. A diferencia del sistema del que deriva, la fenalenona que presenta un alt rendiment quàntic de sensitització de oxigen singlet, el rendiment quàntic de la 9-fenilfenalenona és molt baix. S’ha demostrat que aquest fet es deu a que en el segon compost la fotoexcitació produeix la formació d’un fotoproducte metaestable per ciclació que ràpidament reverteix al compost original. Aquest estudi ha suposat un repte pel mètodes computacionals que s’han fer servir per la seva gran mida.

Per últim s’ha estudiat el dehidroescualè, un carotenoide que intervé en processos d’absorció d’energia lumínica d’organisme vegetals. L’estudi determina l’estructura dels estats excitats de baixa energia i la influència de la flexibilitat d’aquest compost en les energies d’aquests estats. Es demostra que l’aproximació de fer servir tan sols la conformació més simètrica proporciona bons resultats a nivell qualitatiu però que, si es busca la reproducció quantitativa de les observacions experimentals, s’ha de tenir en conta la flexibilitat molecular.

Esta tesis estudia computacionalmente los procesos que explican las propiedades fotoquímicas de ciertos compuestos orgánicos. Para ello se han usado métodos ab initio multiconfiguracionales, CASSCF y CASPT2, con los que se describe la topografía de las superficies de energía potencial de los estados de más baja energía y se localizan los caminos de reacción.

Se ha estudiado primeramente el mecanismo de fotoisomerización del azobenzeno y su derivado, la fenilazopiridina. El mecanismo de reacción obtenido explica satisfactoriamente por qué el rendimiento cuántico de la isomerización depende de la excitación inicial y del grado de restricción de la rotación interna en estos sistemas. También se ha analizado un protocolo computacional para poder reproducir el espectro de absorción en disolución de sistemas flexibles, usando como ejemplo la fenilazopiridina.

Se ha estudiado también la 9-fenilfenalenona. A diferencia del sistema del que deriva, la fenalenona, que presenta un alto rendimiento cuántico de sensitización de oxígeno singlete, el de la 9-fenilfenalenona es muy bajo. Se ha demostrado que eso se debe a que en el segundo la fotoexcitación produce la formación por ciclación de un fotoproducto metaestable que rápidamente revierte en el compuesto original. Este estudio ha supuesto un reto para los métodos computacionales empleados debido a su gran tamaño.

Por último se ha estudiado el dehidroescualeno, un carotenoide que interviene en procesos de absorción de energía lumínica de organismos vegetales. El estudio determina la estructura de los estados excitados de baja energía y la influencia de la flexibilidad de este compuesto en las energías de estos estados. Se demuestra que la aproximación de utilizar sólo la conformación más simétrica proporciona buenos resultados a nivel cualitativo pero que, si se busca la reproducción cuantitativa de las observaciones experimentales, se debe tener en cuenta la flexibilidad molecular.

This thesis develops a computational work to study the processes that explain the photochemical properties of some organic compounds. Multiconfigurational ab initio methods, CASSCF and CASPT2 have been used to determine the topography of the potential energy surfaces of the low energy states and locate reaction paths.

We have studied first the mechanism of photoisomerization of azobenzene and its derivative phenylazopyridine. The reaction mechanism obtained explains satisfactorily why the isomerization quantum yield depends on the initial excitation and on the degree of the restriction on the internal rotation of these systems. We have also analysed the performance of a computational protocol to reproduce the absorption spectrum of flexible systems in solution, using phenylazopyridine as target system.

We have also studied 9-phenylphenalenone. Its parent system, phenalenone, shows a high quantum yield in the process of singlet oxygen sensitization, but the quantum yield of this phenyl derivate for the same process is very low. Our study shows that this difference is due to a side reaction induced by the initial photoexcitation, which produces a metastable photoproduct by cyclisation that turns back quickly to the initial reactant. This study has been a challenge for the computational methods used due to its big size.

Finally, we have studied dehidrosqualene, a carotenoid involved in light harvesting processes in vegetables. Our study determines the structure of the low energy excited states and the influence of the flexibility of this compound in the energy of these states. We show that to use only the most symmetric conformation on this flexible compound to calculate the energy of the excited states, give results that qualitatively agree with the experimental observations but, if quantitative agreement is required, the molecular flexibility must be taken into account.