Estudio fotofísico y fotoquímico de furil derivados del 2-vinilnaftoxazol

Abstract

Los procesos que involucran al oxígeno molecular singulete, O2(1Δg), son importantes en los sistemas biológicos, donde pueden ser tanto benéficos como dañinos. Por otra parte, la naturaleza microheterogénea y compleja de los sistemas biológicos, hace que la detección y cuantificación del oxígeno excitado en estos sistemas sea un real desafío y dificulta los estudios relacionados a la generación, distribución y reactividad del O2(1Δg) en estos sistemas. Algunas de las técnicas de detección de oxígeno molecular singulete han sido bien establecidas, por ejemplo la resonancia paramagnética electrónica, espectroscopia de emisión en el infrarrojo cercano y el uso de sondas espectrofotométricas fluorescentes y quimioluminiscentes. Las sondas fluorescentes y quimioluminiscentes tienen muy alta sensibilidad y ventajosa selectividad. Los tiempos de vida cortos de las sondas y la resolución espacial que se obtiene usando técnicas de microscopía, pueden proporcionar información detallada del sitio de generación y la cinética de producción o decaimiento del oxígeno molecular singulete. Debido a estas razones, la síntesis de nuevas sondas con características analíticas mejoradas es un reto actual y varios grupos de investigación están dedicados a esta tarea. Basándonos en la experiencia previa, obtenida en el Laboratorio de Cinética y Fotoquímica, relacionada al comportamiento fotofísico y fotoquímico de dos familias de colorantes hidrófobicos, ariloxazinonas y ariloxazoles, en esta memoria, se propone estudiar sensores fluorescentes de oxígeno excitado del tipo "apagado-encendido". Las moléculas estudiadas usando técnicas de fotólisis estacionaria y resueltas en el tiempo, ( E)-2-(2-(furan-2-il)vinil)nafto[1,2- d]oxazol, FVNOX y (E)-2-(2-(5-metilfuran-2-il)vinil)nafto[1,2-d]oxazol, MFVNOX, tienen un comportamiento fotofísico atípico cuando se los compara con vinilnaftoxazoles sustituidos que no tienen al anillo furano como sustituyente. Ambos compuestos tienen una banda de absorción de menor energía que corresponde a una transición π,π*, centrada alrededor de 370 nm. Los espectros de emisión se muestran centrados alrededor de 450 – 460 nm y el máximo de emisión depende muy poco con la polaridad del solvente. En el conjunto de solventes representativos de la escala de polaridad utilizado en esta memoria, los rendimientos cuánticos de emisión son muy bajos. La irradiación de nuevo azul de metileno, NMB, con luz visible > 500 nm, en metanol como solvente y en presencia de FVNOX o MFVNOX, origina cambios importantes en el comportamiento fotofísico, apreciándose un aumento muy significativo en la fluorescencia del sustrato. La constante total de desactivación para la reacción de oxígeno molecular singulete con furilvinilnaftoxazoles en metanol, toma valores iguales a (0,27 ± 0,01) x 107 M-1 s-1 y (5,71 ± 0,14) x 107 M-1 s-1 para FVNOX y MFVNOX, respectivamente. Además, se encontró que los furilvinilnaftoxazoles no reaccionan con H2O2 y/o anión radical superóxido, generan menor cantidad de oxígeno excitado en relación al único sensor comercial de esta especie “singlet oxygen sensor green”, SOSG, cuando se irradian con pulsos de láser a 355 nm y tienen un mayor rendimiento cuántico de fluorescencia que SOSG. Los resultados obtenidos, muestran que el comportamiento fotofísico de las moléculas estudiadas, está modulado por un proceso intramolecular de transferencia de carga cruzada, que desactiva el estado singulete excitado y disminuye el momento dipolar de este estado respecto al calculado para el estado basal. Este proceso, es muy probablemente el origen de la baja dependencia del máximo de emisión con la polaridad del solvente y de los bajos rendimientos cuánticos de fluorescencia. La aparición de fluorescencia cuando se irradia con luz visible un sensibilizador de oxígeno molecular singulete en presencia de los compuestos estudiados, es compatible con la reacción química entre el oxígeno excitado y el sustituyente furano en el vinilnaftoxazol, generándose productos de reacción en los que el furano ha perdido su carácter aromático y en consecuencia, la transferencia de carga desde este sitio de la molécula al anillo oxazol no es eficiente y el mecanismo de desactivación intramolecular ya no opera. Por otra parte y como es predecible, la molécula que incluye a un grupo metilo en la posición 5 del anillo furano, es más reactiva frente al oxígeno excitado. Esta mayor reactividad produce un aumento más rápido de la fluorescencia del compuesto heterocíclico cuando reacciona con oxígeno molecular singulete. El comportamiento fotoquímico y fotofísico de furilvinilnaftoxazoles, sumados a su baja reactividad frente a otras especies activas de oxígeno, el elevado rendimiento cuántico de fluorescencia observado después de la reacción con oxígeno molecular singulete y su estabilidad cuando se irradia con pulsos de láser en la banda de absorción de menor energía, sugiere que estos compuestos podrían utilizarse como sensores del tipo “apagado – encendido” para detectar al oxígeno molecular singulete en entornos de distinta naturaleza.

Processes involving singlet molecular oxygen, (O2 (1Δg)), are important in biological systems, where these processes can be beneficial or deleterious. On the other hand, the microheterogeneous and complex nature of biological systems, make detection and quantification of excited oxygen in these systems a real challenge and hinders studies related to the generation, distribution and reactivity of O2(1Δg) in these systems. Some detection techniques have been well established, for example, electron paramagnetic resonance spectroscopy, emission spectroscopy in the near infrared and fluorescent and chemiluminescent spectrophotometric probes. Fluorescent and chemiluminescent probes have favorably high sensitivity and selectivity. The short lifetimes of the probes and the spatial resolution obtained using microscopic techniques, can provide detailed information on the site and the production and/or decay kinetics of singlet molecular oxygen. Because of these reasons, the synthesis of new probes with improved analytical characteristics is an actual challenge and several research groups are dedicated to this task. Based on our previous experience gained in the Laboratory of Kinetics and Photochemistry, related to the photophysical and photochemical behavior of two families of hydrophobic dyes, ariloxazoles and ariloxazinonas, in this thesis the study "on-off" fluorescent sensors of excited oxygen is proposed. Molecules studied using steady-state and time-resolved photolysis techniques, (E) -2 - (2 - (furan-2-yl) vinyl) naphtho [1,2 - d] oxazole, FVNOX and (E) -2 - (2 - (5-methylfuran-2-yl) vinyl) naphtho [1,2-d] oxazole, MFVNOX show an atypical photophysical behavior when compared with substituted vinylnaphthoxazoles in which the furan ring is not present. Both compounds, have a lowest energy absorption band centered around 370 nm corresponding to a π,π* transition. The emission spectra is centered around 450 - 460 nm and the emission maximum is nearly independent on the solvent polarity. In the solvent set representative of the polarity scale used herein, the emission quantum yields are very low. Irradiation of a singlet oxygen sensitizer such as new methylene blue, NMB, with visible light > 500 nm in methanol as solvent in the presence of FVNOX or MFVNOX, causes significant changes in the photophysical behavior, appearing a significant increase in the system fluorescence. The total deactivation constant for reaction of furylvinylnaphthoxazoles with singlet molecular oxygen in methanol, takes values equal to (0.27 ± 0.01) x 107 M-1 s-1 and (5.71 ± 0.14) x 107 M-1 s-1 for FVNOX and MFVNOX, respectively. Furthermore, it was found that furylvinylnaphthoxazoles, do not react with H2O2 and superoxide radical anion, generates less excited oxygen than the commercial sensor en "singlet oxygen sensor green" SOSG, when irradiated with laser pulses at 355 nm and have a higher fluorescence quantum yield than SOSG. The results show that the photophysical behavior of the molecules studied, is modulated by a cross intramolecular charge transfer process, which deactivates the excited singlet state and decreases the dipole moment of this state, compared to the estimate for the ground state. This process is very likely the origin of the low dependency of the emission maximum on the solvent polarity and the low fluorescence quantum yields. The appearance of fluorescence when a singlet oxygen sensitizer is irradiated with visible light in the presence of the studied compounds, is compatible with a chemical reaction between singlet oxygen and the furan substituent, generating reaction products in which furan lost its aromatic character. Therefore, the charge transfer from the furan moiety to the oxazole ring does not occur and the intramolecular deactivation mechanism no longer operates. Moreover and as is predictable, the molecule which includes a methyl group in position 5 of the furan ring is more reactive towards excited oxygen. This greater reactivity produces a more rapid increase in fluorescence when the heterocyclic compound reacts with singlet molecular oxygen. The photophysical and photochemical behavior of furylvinylnaphthoxazoles, together their low reactivity against other reactive oxygen species, the high fluorescence quantum yield observed after reaction with singlet oxygen and its stability when irradiated with laser pulses in the lower energy absorption band suggests that these compounds could be used as sensors of the type "off - on" to detect singlet molecular oxygen in environments of different nature.