En la figura 6.1 se resumen mediante un esquema los resultados CASPT2 obtenidos para las tres bases pirimidínicas del ADN/ARN. La química fotoinducida más relevante para las nucleobases aisladas empieza con la absorción de energía del sistema que le conduce al estado singlete
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(ππ* HL), calculado verticalmente a 5.02 (en el caso del uracilo), 4.89 (T) y 4.41 eV (C), con una fuerza de oscilador cerca de 0.2 (0.09 para C), en
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concordancia con los datos teóricos previos y experimentales en fase gas, 5.1 (U), 4.8 (T) y 4.6 eV (C).1,39,40 La absorción directa de los estados próximos nπ* se encuentra esencialmente prohibida, por tanto, dichos estados se poblarán sólo a través de los procesos de conversión interna que suceden a lo largo del camino de relajación del estado 1(ππ* HL), no esperándose que jueguen un papel importante en el proceso fotoquímico primario.
Figura 6.1. Esquema global de la fotoquímica del uracilo (U), timina (T) y citosina (C) sugerido por cálculos CASPT2.
Después de la fotoexcitación, el camino de relajación a lo largo del estado
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(ππ* HL) en los tres sistemas conduce, sin barrera energética, a una intersección cónica (gs/ππ*)CI del tipo eteno, en la que los átomos de
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hidrógeno (o de carbono en T) unidos al C5 adquieren un ángulo cercano a
120º. Esta CI se encuentra a 3.9 (U), 4.0 (T) y 3.6 eV (C) adiabáticamente desde el mínimo del estado fundamental. La mayor parte de la energía absorbida decaerá, por tanto, no radiativamente al estado fundamental a través del embudo de la intersección cónica, (gs/ππ*)CI, en un proceso de
relajación ultrarrápido, que asignamos al tiempo del decaimiento medidos experimentalmente en 130 fs (C), en 150 fs (T) y en 160 fs (C).4
A continuación se detalla cómo se ha obtenido el perfil de decaimiento de cada una de las bases.
Uracilo
A día de hoy, solamente los métodos multiconfiguracionales son capaces de describir correctamente las intersecciones cónicas y las barreras energéticas encontradas en los caminos de desexcitación de los estados excitados de las nucleobases. Sin embargo, hay que tener presente que la utilización de estos métodos no garantiza la correcta descripción de los diferentes caminos que puede experimentar el sistema, pues su descripción depende de la cantidad de correlación energética aportada por cada uno. Por ejemplo, en el U una optimización geométrica CASSCF/6−31G(d,p) (espacio activo π de valencia) del estado 1(ππ* HL) realizada a partir de la geometría FC, lleva directamente a una estructura plana. Sin embargo, cuando la misma optimización geométrica se realiza tras la adición de tres orbitales de correlación activos extra, se alcanza directamente la CI del tipo eteno, (gs/ππ*)CI.
La figura 6.2 muestra la evolución del estado fundamental y los dos estados excitados singlete más bajos de la molécula de U desde la geometría FC a lo largo del MEP 1(ππ* HL) calculado a nivel CASSCF(10,11)/ANO−S, con un espacio activo que incluye la adición de tres orbitales extra de correlación requeridos para describir adecuadamente el carácter “steepest descendent” del MEP (cuando el cálculo se realizó empleando bases 6−31 G(d) se llegó a la misma conclusión). A cada punto del MEP se calcularon las energías CASPT2//CASSCF(14,10)/ANO−S para los estados de interés.
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El perfil del camino de desactivación del estado espectroscópico 1(ππ* HL) (adiabáticamente S1) en el uracilo se considera, pues, sin barrera energética
hacia la intersección cónica tipo eteno (gs/ππ*)CI, cónica relacionada con el
decaimiento medido en femtosegundos y que representa el camino más efectivo para la desactivación energética en las nucleobases.
Figura 6.2. Evolución del estado fundamental y estados excitados más bajos a lo largo del MEP 1(ππ* HL) desde la geometría FC del uracilo.
Timina
En el caso de la timina, tal como ocurre en el uracilo, una optimización geométrica CASSCF/6−31G(d,p) del estado 1(ππ* HL) realizada tomando como punto de partida la geometría FC, con espacios activos reducidos, hacía imposible que el sistema evolucionara hacia la cónica tipo eteno, desembocando, sin embargo, en un mínimo plano. En este sentido, la adición de orbitales de correlación extra mejora el nivel de tratamiento
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CASSCF, llevando a resultados coincidentes con los obtenidos con métodos más correlacionados como es el MRCI.15
La mejora de la base monoelectrónica también apunta en la misma dirección en la timina. Las optimizaciones de geometría CASSCF para el estado más bajo 1(ππ* HL) usando el espacio activo π de valencia y bases 6−31G(d) ó 6−31G(d,p) conducen directamente desde la región FC al mínimo plano del estado 1(ππ* HL), mínimo localizado en una región totalmente diferente de la hipersuperficie. Sin embargo, la optimización con bases ANO−S lleva a la intersección cónica del tipo eteno. Está demostrado que estas bases tienen en cuenta de mejor forma la energía de correlación, proporcionando mejores resultados que las bases segmentadas con el mismo número de funciones contraídas.30,37,41
Ambas mejoras, el incremento de la calidad del conjunto de base o la adición de orbitales de correlación extra al espacio activo, compensa parcialmente la falta de correlación dinámica del método CASSCF π de valencia. -0.95 -0.85 -0.75 -0.65 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 MEP coordinate / au E + 4 5 2 / a u 1 (gs)min 1 (nπ*) 1 (ππ* HL) (gs/ππ*)CI
Figura 6.3. Evolución de los estados fundamental y singletes excitados más bajos a lo largo del MEP 1(ππ* HL) desde la geometría FC de la timina.
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Para asegurar un perfil sin barrera en la relajación de la timina, se analizó la evolución de los estados fundamental y singletes excitados más bajos a lo largo del MEP 1(ππ* HL), desde la geometría de FC hasta la CI tipo eteno, evolución que se muestra en la figura 6.3. Como puede observarse el MEP obtenido muestra un perfil sin barrera desde FC hasta la (gs/ππ*)CI.
Citosina
Los problemas encontrados en la descripción de los posibles caminos de relajación en la citosina son más serios. En un trabajo previo,34 mostrábamos que el MEP calculado a nivel CASSCF (espacio π de valencia) para la citosina, discurre directamente desde la geometría FC hasta el mínimo plano 1(ππ* HL)min, y que las optimizaciones energéticas
añadiendo orbitales de correlación extra, o mejorando la base, no cambiaba el resultado, al contrario de lo ocurre en el uracilo y la timina.
Se nos plantea, pues, la pregunta de si la citosina es diferente a las otras bases pirimidínicas y de si, en este caso, existe realmente una barrera energética en el camino desde FC a la CI tipo eteno. La respuesta es, que probablemente no. A diferencia de lo que ocurre para los otros sistemas, los dos puntos críticos, la cónica tipo eteno (gs/ππ*)CI y el mínimo plano 1
(ππ* HL)min, están en la citosina casi degenerados (véase figura 6.1), con
valores de 3.62 y 3.6 eV, respectivamente. Este hecho puede afectar a la descripción de las posibles barreras, que depende altamente de efectos casi imperceptibles relacionados con el nivel de correlación usado en la optimización. Las evidencias apuntando en dicha dirección quedaron claras cuando se realizó una Interpolación Lineal de Coordenadas Internas (Linear Interpolation in Internal Coordinates, LIIC) entre las geometrías optimizadas FC y (gs/ππ*)CI de la citosina. La figura 6.4 muestra la
evolución de su estado singlete excitado ππ* más bajo desde la geometría FC hasta la intersección cónica tipo eteno (gs/ππ*)CI a lo largo del LIIC
144 -0.90 -0.85 -0.80 -0.75 -0.70 -0.65 -0.60 0 1 2 3 4 5 6 7 LIIC E + 3 9 3 / a u 1 (gs)min 1 (ππ* HL) 1 (nOπ*) (gs/ππ*)CI
Figura 6.4. Evolución del estado singlete ππ* más bajo en la citosina desde la geometría FC hasta la geometría de la intersección cónica tipo eteno, (gs/ ππ*)CI, al
realizar la interpolación lineal en coordenadas internas, LIIC.
Las geometrías, FC inicial y (gs/ππ*)CI final, se determinaron en cálculos
separados. Como puede observarse, el perfil de energía obtenido a lo largo del estado 1(ππ* HL) en dicho proceso LIIC tiene una pequeña barrera de 2.5 kcal/mol a nivel CASPT2 al principio de la interpolación, en la que el ángulo diedro HC5C6H (véase figura 5.1) tiene un valor de 16º. Si se
aumentan las bases a ANO−S (C, N, O [4s3p1d]/H[2s1p])31 y ANO−L (C, N, O [4s3p2d]/H[3s2p])42 también se encuentran barreras en la misma sección inicial de la interpolación, pero de menor energía, 1.0 y 1.1 kcal/mol a nivel CASPT2, respectivamente. Estas barreras, sin embargo, son mucho mayores en cálculos CASSCF, aunque nunca superiores a 6.6 kcal/mol al incrementar los espacios activos. Esto es indicativo de lo difícil que es describir el camino desde FC a la cónica tipo eteno a nivel CASSCF, ya que el camino hacia el mínimo plano sería el elegido por el sistema, quedando patente la necesidad de usar correlación dinámica en la optimización de la citosina.
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Las barreras encontradas en las interpolaciones lineales, en particular cuando se usa un conjunto de puntos muy ajustado, representan un límite superior de la verdadera barrera existente. Por tanto, en la citosina se puede concluir también que el camino descrito es sin barrera energética y que la falta de correlación dinámica en la optimización impide una descripción más precisa.
Para comprobar este aspecto, se hicieron interpolaciones en sistemas demostrados previamente “sin barrera”, tales como el uracilo y la timina, y se calcularon, con ambas moléculas, los caminos LIIC (véase figuras 6.5 y 6.6) al mismo nivel de cálculo que el empleado para realizar los MEPs (véase figuras 6.2 y 6.3). -0.77 -0.67 -0.57 -0.47 0 1 2 3 4 5 6 7 8 LIIC E + 4 1 3 / a u 1 (gs)min 1 (nOπ*) 1 (ππ* HL) (gs/ππ*)CI
Figura 6.5. Evolución de los estados excitados singletes más bajos en el uracilo, entre las estructuras FC y la CI tipo eteno, (gs/ ππ*)CI, al realizar la interpolación
lineal en coordenadas internas, LIIC.
Las figuras 6.5 y 6.6 muestran la evolución del estado singlete excitado ππ* más bajo 1(ππ* HL) en el uracilo y la timina, respectivamente, desde la
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geometría FC hasta la geometría de la intersección cónica (gs/ππ*)CI a lo
largo del LIIC, calculadas a nivel CASPT2//CASSCF(14,10)/ANO−S. El perfil obtenido muestra en el uracilo una barrera energética de cerca de 5 kcal/mol para un ángulo diedro HC5C6H cercano a 30º y en la timina una
barrera de cerca de 12 kcal/mol con un ángulo de 16º. Estas barreras energéticas pueden asociarse con el carácter “sin barrera” de los MEPs realizados en ambos sistemas. Como la barrera energética derivada del LIIC en la citosina es mucho más baja que la obtenida para el uracilo y la timina, se puede asumir, casi con total garantía, que el carácter del camino de relajación para la citosina es también sin barrera energética.
-1.00 -0.90 -0.80 -0.70 0 1 2 3 4 5 6 7 8 LIIC E + 4 5 2 / a u 1 (gs)min 1 (nOπ*) 1 (ππ* HL) (gs/ππ*)CI
Figura 6.6. Evolución de los estados excitados singletes más bajos en la timina, entre las estructuras FC y la CI tipo eteno, (gs/ ππ*)CI, al realizar la interpolación
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