Tras ser irradiada con luz UV, la isoaloxacina, como ya hemos analizado, se promueve al estado S1, con una energía de transición vertical, de 3.09 eV y
con una fuerza de oscilador de alrededor de 0.2. Para analizar la evolución del decaimiento de este estado, se realizó un MEP CASSCF a lo largo de la coordenada de reacción de S1. Para cada punto del MEP se calcularon,
posteriormente, las energías CASPT2//CASSCF de los correspondientes estados excitados singlete y triplete. En la figura 4.4 se muestra el MEP-S1 y
como puede observarse, el primer punto de cruce aparece cerca de la región FC, donde se lleva a cabo un cruce singlete-triplete (S1/TN)STC, mientras que
el estado T1 se encuentra siempre por debajo de S1.
Figura 4.4. Evolución CASPT2 del estado fundamental y estados excitados a lo largo del MEP-S1.
En las inmediaciones del (S1/TN)STC, el mecanismo de ISC está favorecido
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grande. El SOC electrónico calculado en esta región tiene un valor de alrededor de 10 cm-1.
Por tanto, se puede prever que tras la absorción de un fotón, el anillo isoaloxacina, que ha sido promovido al estado excitado singlete más bajo, S1, se desactiva, en menos tiempo que el tiempo de resolución experimental,
a un intermediario relacionado con TN. La población de este estado se
produce antes de que se alcance el mínimo de S1, lo cual es consistente con
el hecho de que el rendimiento cuántico de fluorescencia de los compuestos flavínicos es más bajo que el rendimiento cuántico de cruce entre sistemas y de formación del triplete.42 Los disolventes polares parece que aumentan los rendimientos cuánticos de ISC y disminuyen el de fluorescencia en isoaloxacinas.12,40 A causa de su naturaleza, S1 y TN estarían, en un medio
polar, estabilizado y desestabilizado, respectivamente, con respecto a los valores in vacuo. Esto daría lugar a una disminución de la diferencia de energía vertical, que favorecería que se diera, con mayor probabilidad, un cruce singlete-triplete en la región FC, explicando las tendencias observadas experimentalmente.
En la figura 4.5.a se muestra un esquema con la representación de los principales procesos fotoquímicos que tienen lugar a lo largo de la hipersuperficie de S1. En dicha figura se muestran las estructuras de la
isoaloxacina con los orbitales π y el par solitario del N5 involucrados en el
cambio de espín. Un análisis comparativo de población de Mulliken, de las estructuras 1(π,π*)min y 3(nN,π*)min, nos lleva a concluir que el N5 es el
centro directamente implicado en ese cambio de espín.
A partir del (S1/TN)STC se ha estudiado la evolución del estado 3(nN,π*),
siguiendo una estrategia de cálculo similar. Se realizó el MEP a lo largo del estado 3(nN,π*), TN (véase figura 4.6) y, posteriormente, a las
correspondientes coordenadas del MEP del TN se calcularon las energías
CASPT2 de los estados singlete y triplete. Los resultados de esta parte de la investigación se resumen en la figura 4.5.b.
Una vez el estado TN ha sido poblado, se lleva a cabo una rápida conversión
interna desde este estado a T1, mediada por la intersección cónica (TN/T1)CI,
que se encuentra a 2.5 kcal/mol (0.11 eV) por encima de 1(π,π*)min, siendo
ésta la estructura de referencia elegida para representar las energías de la figura 4.5.b.
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Figura 4.5. Representación esquemática de la fotoquímica de la isoaloxacina después de la absorción de luz y promoción vertical al estado S1. (a) Población del
estado TN, cerca de la región FC, por un mecanismo de cruce entre sistemas. (b)
Conversión interna hacia el estado triplete, T1, mediado por una cónica (TN/T1)CI
que lleva, en última instancia, a la estructura 3
(ππ*)min. Las energías se dan en
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El MEP de TN conduce, en última instancia, a la estructura de equilibrio del
estado T1, 3(π,π*)min, localizada 12.9 kcal/mol (0.56 eV) por debajo de la
estructura de equilibrio del estado excitado 1(π,π*)min.
Figura 4.6. Evolución CASPT2 del estado fundamental y estados excitados a lo largo del MEP-TN desde el cruce (S1/TN)STC.
Desde el estado relajado T1 tres eventos fotoquímicos diferentes pueden
tener lugar: la emisión radiativa (fosforescencia), la reactividad del estado T1 de la isoaloxacina con diferentes residuos de la proteína, y el decaimiento
no radiativo al estado fundamental a través de un (T1/S0)STC.
Con el fin de explorar esta última posibilidad, se obtuvo la estructura del cruce (T1/S0)STC. Con el sistema localizado en el punto 3(π,π*)min de la
hipersuperficie, la barrera de energía, calculada a nivel CASPT2, que se debe superar para acceder al cruce (T1/S0)STC es de 37.6 kcal/mol. Por tanto,
la desactivación el estado T1 de la isoaloxacina al estado fundamental, de
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instancia, del exceso de energía vibracional del sistema en este punto; de lo contrario la molécula solamente emite. Como se observa en la tabla 4.2, el tiempo de vida radiativo del estado T1 se encuentra en el orden de 116 ms,
consistente con la naturaleza del estado. Dentro de la fototropina se sabe que, después de la formación de T1, el FMN reacciona con el átomo de
azufre de la cisteína-39 para formar un aducto, pero para comprender mejor este proceso, se requiere realizar estudios de reactividad del estado T1 de la
isoaloxacina en el interior de la proteína con metodología, por ejemplo QM/MM, que queda fuera de los objetivos del presente trabajo de Tesis.
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Conclusiones del capítulo 4
Se han estudiado los estados electrónicos excitados del anillo de la isoaloxacina mediante cálculos ab initio mecano-cuánticos CASPT2//CASSCF.
Las energías de excitación vertical se calcularon a nivel CASPT2 utilizando la geometría optimizada CASSCF del estado fundamental. El estudio engloba a los estados excitados singlete hasta 5.5 eV. Se han caracterizado once estados singlete y cinco estados triplete. El panorama general de los espectros obtenidos muestra un acuerdo
satisfactorio con los datos experimentales disponibles en cuanto a: la naturaleza de los estados, las direcciones de polarización de las transiciones y la intensidad relativa de absorción de las principales bandas. Las principales bandas del espectro de absorción, in vacuo, se computan a 3.09, 4.28, 4.69, 5.00 y 5.37 eV, sólo ligeramente desplazadas hacia el azul con respecto a los datos experimentales en disolución.
La fosforescencia en el anillo de isoaloxacina es debida a una transición de carácter ππ* calculada a 2.52 eV. El origen de banda se encuentra a 2.03 eV.
Hemos analizado con detalle la posibilidad de que el estado triplete más bajo, T1, de la isoaloxacina se pueble a lo largo del camino de
relajación del estado singlete más bajo, S1. Para ello, se han
calculado las energías potenciales de las distintas hipersuperficies y los correspondientes acoplamientos espín-órbita entre los estados implicados. El análisis teórico revela que el mecanismo intrínseco para la población fotoinducida de T1 tiene dos etapas. En primer
lugar, en la región cercana a la transición vertical de S0-S1, se
produce un STC singlete-triplete entre S1 y un estado triplete de tipo
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hipersuperficie del triplete nπ* en su camino de relajación, se produce una CI que implica la intersección de los dos estados triplete más bajos y que conduce directamente al mínimo del estado T1,
principal responsable de la reactividad del anillo de isoaloxacina y, por tanto, de la activación del ciclo fotoquímico de las flavinas. Finalmente, por los presentes resultados in vacuo, se puede concluir
que la formación del estado triplete, T1, es una propiedad intrínseca
de la molécula de isoaloxacina. A pesar de que el efecto del entorno proteico aumenta la tasa de ISC,42 y que es claramente necesario para la formación de los aductos, el mismo cromóforo se convierte en el actor principal en la fase inicial del fotociclo, mostrando una capacidad implícita para poblar de forma muy eficiente el estado triplete más bajo.
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