Estudio AB initio de mecanismos de reacción en sistemas moleculares fotosensibles

Abstract

Esta tesis se enmarca dentro del trabajo que se realiza en el Grup de Química Quàntica de la Universitat Rovira i Virgili y en ella se ha abordado el estudio teórico de varios sistemas moleculares fotosensibles de interés sintético y tecnológico. El uso de métodos ab initio ha permitido evaluar la naturaleza de los estados excitados implicados, las geometrías y energías de las especies que se forman y los mecanismos que conducen a sus transformaciones fotoquímicas, así como examinar el efecto producido en el mecanismo de reacción por factores como la variación de los grupos sustituyentes o el medio de reacción. Para ello, ha sido necesario el análisis de las superficies de energía potencial de los estados excitados de menor energía en cada uno de los sistemas en los que se producen las reacciones fotoquímicas estudiadas. Es esencial localizar puntos críticos (mínimos y estados de transición), caminos de reacción y puntos de interacción entre superficies, como son intersecciones cónicas, cruces reales y cruces evitados. Una condición imprescindible, que implica una dificultad importante añadida, es que es necesario llevar a cabo estos cálculos con una precisión similar a la del estado fundamental, por lo es indispensable el uso de una metodología ab initio que proporcione una descripción precisa de las superficies de energía potencial de los estados excitados implicados. <br/>Esta memoria se ha estructurado de la siguiente forma: el capítulo 2 consiste en una introducción general que incluye los aspectos básicos a considerar en las reacciones fotoquímicas, mientras que en el capítulo 3 se describen los métodos teóricos que se han utilizado en el estudio de las reacciones estudiadas. El capítulo 4 está dedicado al estudio de los mecanismos de las diferentes transformaciones fotoquímicas que sufren los derivados de biciclo[3.1.0]-3-hexen-2-onas, se han comparado las reacciones competitivas y se ha determinado la naturaleza electrónica de los intermedios de reacción que se generan. En este capítulo se incluyen también la tautomerización ceto-fenólica, ya que es la última etapa de reacción de una transposición de las biciclohexenonas, y el mecanismo de interconversión entre los isómeros más importantes del fenol. Se ha evaluado además la entalpía de disociación del enlace O&#61485;H en la molécula de fenol y su barrera de rotación interna. En el capítulo 5 se han estudiado diferentes sistemas con grupos &#61552; donor-aceptor en los que se pueden producir reacciones de transferencia intramolecular de carga. Se ha determinado el mecanismo por el cual transcurren estas reacciones, la naturaleza electrónica de las especies implicadas y el papel que juega el medio de reacción en el fenómeno de la fluorescencia dual. El capítulo 6 aborda los procesos que se producen en moléculas cuyas propiedades cromáticas se pueden intercambiar reversiblemente mediante el uso de una fuente de radiación. En concreto se han estudiado los isómeros cis y trans de la molécula de merocianina y se ha establecido el mecanismo de la reacción fotoquímica que conduce a la formación de la molécula de benzopirano. Por último, en el capítulo 7 se presentan las principales conclusiones extraídas de los capítulos anteriores.

This thesis is in the line with the work performed in the Grup de Química Quàntica of the Universitat Rovira i Virgili and it covers the theoretical study of several photosensitive molecular systems with synthetic and technological interest. The use of ab initio methods has allowed to evaluate the nature of the excited states implied in the reactions, the geometries and energetics of the species that are formed and the mechanisms that lead to the photochemical transformations, as well as to examine the effect produced in the reaction mechanism by factors like the variation of the substituent groups or the reaction field. For this reason, it has been necessary the analysis of the potential energy surfaces of the lower energy excited states in each of the systems in those it is produced the photochemical reactions studied. It is essential to locate critical points (minima and transition states), reaction pathways and interaction points between surfaces, as it is the case of conical intersections, real crossings and avoided crossings. An indispensable condition, which implies an important added difficulty, is that it is necessary to carry out these calculations with a precision similar to that of ground state, for it the use of an ab initio methodology has been indispensable because it provides an accurate description of the potential energy surfaces of the excited states involved in the reaction. <br/>This memory is organized in the following way: chapter 2 consists of a general introduction that includes the basic aspects that one has to take in consideration regarding to the photochemical reactions, whereas chapter 3 collects a description of the theoretical methods that have been used in the study of these photochemical reactions. Chapter 4 is dedicated to the study of the reaction mechanisms of the different photochemical transformations that suffer the bicyclo[3.1.0]-3-hexen-2-ones and their derivatives. The competitive reactions have been compared and it has been possible to elucidate the electronic nature of the reaction intermediates generated in the rearrangement. This chapter includes also the keto/phenol tautomerism, since it is the last step of the bicyclohexenones rearrangement, and the interconversion mechanism between the most important isomerics of phenol. There has been evaluated the O&#61485;H bond dissociation enthalpy (BDE) in phenol molecule and the rotation barrier through the O&#61485;H bond. Chapter 5 involved the study of different systems with &#61552; groups donor-acceptor united by a single bond that can produce intramolecular charge transfer reactions. It has been possible to establish the mechanism for which there pass these reactions, the electronic nature of the species involved and the role that the polar medium plays in the phenomenon of the dual fluorescence. Chapter 6 raises the processes that take place in molecules whose chromatic properties can be reversibly interchanged by the use of a radiation source. More specifically, it has been studied the cis/trans isomerism in a merocyanine molecule and it has been established the photochemical ring-closure mechanism that leads to the formation of the benzopyran molecule. Finally, in chapter 7 there are collected the main conclusion extracted from the previous chapters.