Introducción

1 INTRODUCCIÓN

En las dos últimas décadas, se ha producido un incremento significativo de las

investigaciones relacionadas con la interacción entre la luz y compuestos de interés

farmacológico. Así, el estudio de la fotosensibilización por drogas y de la fotoestabilidad de éstas,

es en la actualidad una temática de gran interés para los fotoquímicos y los fotobiólogos. En el

caso de la fotosensibilización por drogas, son importantes un conjunto de fenómenos patológicos

originados por la interacción de éstas con la luz (UVA y/o visible). Entre los fenómenos adversos

asociados a esta interacción, figuran reacciones fototóxicas y fotoalérgicas,1,2 las que según la vía

de ingreso de la droga al organismo, se clasifican en tópicas o sistémicas.3 Entre las posibles

fuentes de sustratos fotosensibles que ingresan por vía externa, tópicos, se pueden mencionar,

entre otros, vegetales, cosméticos, antisépticos y medicamentos como antiacnéicos y

antiinflamatorios.3 Los que lo hacen por vía interna, los sistémicos, corresponden a un número

importante de medicamentos.3

Cuando hay participación activa del oxígeno en las reacciones que tienen lugar

como consecuencia de la interacción de la luz con compuestos farmacológicamente activos, éstas

se denominan fotooxidaciones sensibilizadas, que se traducen en: a) la formación de especies

radicalarias, que posteriormente, por reacción con oxígeno originan especies como el anión

superóxido o radicales hidroxilo,4 (situación conocida como mecanismo Tipo I). b) reacciones de

transferencia de energía, con generación de O2(1g), (fenómeno denominado Tipo II).5,6 Se sabe

que estas especies reactivas del oxígeno participan en una serie de procesos biológicos entre los

que se pueden mencionar las inflamaciones, la carcinogénesis y el envejecimiento. El conjunto de

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estos procesos que significan daño oxidativo de la célula, define lo que se denomina estrés

oxidativo.4 En particular, el oxígeno excitado cumple con todos los requisitos necesarios para

comportarse como un genotóxico. En sistemas biológicos es capaz de reaccionar, en forma muy

eficiente, con el DNA, y dado su carácter no radicálico, lo hace de un modo completamente

distinto al que lo hacen las especies radicalarias. Más aún, al tratarse de daño replicable, se

producen mutaciones que elevan el riesgo de cáncer y hay antecedentes suficientes como para

responsabilizar al O2(1g), o a su presencia, de la aparición en algunos casos de tumores

inducidos por irradiación de sensibilizadores. Los antecedentes mencionados, acompañados del

hecho de que las células cuentan con un conjunto de especies antioxidantes, que son

desactivantes muy eficientes del O2(1g), indicaría claramente que la presencia de esta especie es

un factor directo de riesgo para células en condiciones naturales.7 Además, la presencia de

oxígeno molecular singulete, puede conducir a su reacción con xenobióticos, con la subsiguiente

generación de productos de fotooxidación, potencialmente tóxicos.8 Por otra parte, debe tenerse

en consideración que la fotosensibilización ha sido empleada con fines terapéuticos benéficos,

como por ejemplo en la terapia fotodinámica del cáncer.9-13

La estabilidad de las distintas formulaciones farmacéuticas frente a la irradiación

es otro aspecto crucial, al que todas las farmacopeas mundiales dan importancia, indicando las

precauciones que deben tomarse al transportar y/o manipular estas drogas, para así consumir la

droga como tal y no acompañada de especies que, producidas por la fotodegradación, podrían

tener efectos farmacológicos distintos, no tenerlos o incluso ser tóxicas.14,15 Luego, resulta

apropiado que se realicen investigaciones sistemáticas del comportamiento fotoquímico y

fotobiológico de drogas actualmente en uso o de nuevas drogas, con el fin de determinar tanto los

efectos tóxicos como los benéficos.

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Diversos tipos de moléculas farmacológicamente activas, entre otras

quinolonas,14,16,17 ,dihidropiridinas,18-20 psoralenos,21,22 benzoxazoles,23-26 fenotiazinas,27

dibenzocicloheptatrienos tricíclicos,27 salicilanilidas,28 benzoimidazoles,29 y los llamados oxicams,30-

32 muestran algunos de los efectos fotobiológicos señalados previamente. En principio, tales

observaciones deberían ser explicadas en términos de la fotorreactividad de la molécula que lo

origina, a través de la formación de productos de fotodegradación o por reacción de la especie

excitada con otras moléculas presentes en el medio. Así por ejemplo, se ha mostrado que la

fototoxicidad de las quinolonas es dependiente tanto de la estructura molecular, como de la

presencia de oxígeno. Además, hay antecedentes que indican que en el mecanismo fotodinámico

participan especies activas del oxígeno, como oxígeno molecular singulete y radicales hidroxilo.33

En el caso del piroxicam, la fototoxicidad de esta droga antiinflamatoria no esteroidal, ha sido

asignada a la presencia de fotoproductos y metabolitos.8

Por otra parte, se ha observado que distintas series de moléculas que incluyen al

grupo nitro en su estructura, también presentan efectos fotobiológicos. En algunos casos ese

efecto fotobiológico se ha relacionado con la formación de nitroso derivados,34 del anión radical

nitro,27 o a la pérdida de nitrito,35 aunque estos efectos fototóxicos relacionados con el grupo nitro,

son muy dependientes de la presencia o ausencia de oxígeno.36,37

Sin embargo, para muchos de estos compuestos con actividad farmacológica y que

muestran efectos fotobiológicos, el comportamiento fotoquímico no ha sido estudiado y se

desconocen los mecanismos de fotorreacción involucrados.

De acuerdo con la discusión anterior, se puede aceptar que la presencia de

oxígeno molecular singulete en los organismos vivos es un factor de riesgo, dada la capacidad de

esta especie para participar en fenómenos patológicos asociados al estrés oxidativo, que se

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podría traducir en daños mutagénicos. La capacidad de una especie excitada para transferir su

energía a una molécula de oxígeno en el estado basal y generar oxígeno excitado, depende tanto

de factores estructurales de la molécula, como de factores externos definidos por el microentorno,

de forma análoga, la reactividad y el mecanismo de reacción de un xenobiótico frente al oxígeno

molecular singulete, dependerá de su estructura, particularmente de los grupos funcionales

presentes, y del entorno en el que se localiza, para predecir la importancia de la participación de

un sustrato, en los procesos dañinos para los organismos vivos y/o en la defensa frente a la

agresión por oxígeno molecular singulete, se debe evaluar la capacidad de un xenobiótico

excitado para generar esta especie activa del oxígeno y estudiar su reactividad frente a ella, en

distintos medios.

Además, se propone que la actividad de un fármaco en un sistema biológico bajo

estrés oxidativo, puede ser iniciadora en el caso de ser éste capaz de generar oxígeno excitado,

intermedia, si es que se dan reacciones químicas entre el xenobiótico y O2(1g) y eventuales

interacciones de los productos generados con especies activas del oxígeno y final, cuando las

moléculas exógenas son buenos desactivantes del O2(1g).

La mayoría de los xenobióticos sometidos a estudio en relación al estrés oxidativo

son moléculas polifuncionales que en general presentan problemas de solubilidad, muestran

polimorfismos estructurales en solución y equilibrios ácido-base, entre otras propiedades que

dificultan el análisis de su reactividad química.

Para simplificar la problemática que nace al tener en consideración la

heterogeneidad de los sistemas biológicos y la polifuncionalidad de las moléculas de interés

biológico, con el propósito de obtener un más completo entendimiento de cómo ocurren las

reacciones químicas en estos sistemas, en particular, aquellas reacciones de interés en las que

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participa el oxígeno molecular singulete, se pueden considerar diversas aproximaciones, entre las

cuales se cuentan los estudios de reactividad y distribución de productos de reacción en un

conjunto selccionado de solventes, que represente convenientemente los diferentes microentornos

de un sistema biológico.

Sobre esta base, se puede establecer que la reactividad relativa de diferentes

grupos funcionales en una molécula polifuncional, susceptibles de reaccionar con el oxígeno

molecular singulete y que dada su naturaleza química pueden localizarse en diferentes

microentornos de un sistema biológico complejo, será dependiente del sitio de solubilización, de

las interacciones del solvente con cada uno de estos centros de reacción y de las modificaciones

de densidad de carga sobre un centro en particular, originadas por la demanda o aporte

electrónico de los grupos vecinos.

La hipótesis de trabajo, establece que haciendo uso del análisis del efecto

solvente que da cuenta de la dependencia de la constante de velocidad con los parámetros

microscópicos del solvente, sería posible discriminar qué funcionalidad es la que

predomina en la interacción de moléculas polifuncionales con el oxígeno excitado, en un

determinado sitio de solubilización.

De forma análoga, la eficiencia con que las moléculas de este tipo producen

oxígeno excitado por fotosensibilización, también es dependiente del microentorno donde se ubica

la droga, ya que determina la naturaleza de la forma molecular que predomina en ese medio.

Luego, a partir de mediciones de rendimiento cuántico de formación de oxígeno

molecular singulete, en un conjunto de solventes que permitan homologar los distintos

microentornos de un sistema biológico, se puede lograr un entendimiento más profundo de los

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mecanismos asociados a los procesos fototóxicos y fotoalérgicos causados por estas drogas, y en

consecuencia extrapolar este comportamiento a sistemas biológicos complejos.

Consecuente con las proposiciones anteriores, el objetivo general de esta tesis es

evaluar la eficiencia que tienen algunas familias de biomoléculas sintéticas para generar oxígeno

excitado y dar cuenta mediante estudios cinéticos de su eventual participación en las etapas

intermedia y final de los sistemas bajo estrés oxidativo, información que en definitiva permitirá

establecer qué proporción oxígeno excitado generado, es capaz de participar en procesos

adversos.

Debe tenerse en consideración que la selección de un conjunto apropiado de

moléculas a estudiar con este interés, resulta relativamente complejo pues existe disponible un

muy amplio arsenal terapéutico en la actualidad. La naturaleza química de las distintas familias es

dispar. La participación en procesos fototóxicos y/o fotoalérgicos no siempre se encuentra

claramente establecida. Debido a la alta polifuncionalidad, motivada por razones farmacólogicas,

no es una tarea simple establecer compuestos patrón dentro de cada familia.

Los xenobióticos que se plantea someter a estudio, pertenecen a cuatro familias de

compuestos utilizados habitualmente en formulaciones farmacéuticas cuya característica común

es que son capaces de generar O2(1g) o de encontrarse en microentornos en que esta especie

excitada se encuentra presente: quinolonas de primera y segunda generación, oxicams, derivados

del imidazol y derivados del furano.

Específicamente, en el caso de las quinolonas de primera y segunda generación,

se ha descrito que son capaces de generar O2(1g) y se ha postulado la existencia de una relación

directa entre esta capacidad y su responsabilidad en la existencia de reacciones cutáneas

adversas, como dermatitis.33 La incorporación de grupos sustituyentes que mejoran sus

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características farmacológicas, introduce funcionalidades capaces de reaccionar con el oxígeno

excitado, alterándose la cantidad de O2(1g) generado ‘disponible’.

Para los oxicams, las patologías asociadas a su empleo, dada la baja incidencia no

han sido clasificadas en forma clara y definitiva, pero se ha responsabilizado de estos fenómenos

a la capacidad de generar O2(1g), que presenta uno de los metabolitos de estos

antiinflamatorios.8 Dado que el mismo oxicam es capaz de generar una pequeña cantidad de

oxígeno excitado, es importante analizar la capacidad de estos compuestos para desactivarlo.

Los imidazoles, específicamente los nitroimidazoles, son ampliamente utilizados en

fototerapia dinámica, junto a la tetrafenilporfirina,13 pues por sus características electroaceptoras,

favorecen la formación del catión radical del sensibilizador. La actividad terapéutica ocurre a

través del mecanismo tipo II, pero no es posible descartar la participación del mecanismo tipo I,

por lo que sin duda este tipo de compuestos, tendrá la posibilidad de encontrarse con O2(1g).

Para los derivados del furano se ha descrito la posible capacidad de generar

O2(1g), y cómo la presencia de oxígeno evitando su actividad dañina.

Dentro de este marco general, se pueden plantear los siguientes objetivos

específicos, los que para cada familia de compuestos serán abordados en la siguiente secuencia:

1. Para cada molécula a estudiar, se medirán los rendimientos cuánticos de generación de

oxígeno molecular singulete, O2(1g), en diferentes condiciones experimentales, lo que

permitiría dar cuenta de su capacidad fotosensibilizadora.

2. Se evaluarán las constantes de velocidad para el proceso de desactivación del O2(1g)

por los diferentes sustratos, en diferentes solventes.

3. Se analizará por medio de ecuaciones solvatocrómicas generalizadas la dependencia de

las constantes de velocidad de desactivación total del O2(1g), por diferentes sustratos

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con las características microscópicas de solvente, para dar cuenta de la naturaleza del

complejo de encuentro inicial.

4. Se medirán, cuando proceda, las constantes de velocidad para la reacción química entre

el oxígeno excitado y los compuestos en estudio y se identificarán, cuando sea posible,

los productos de esta reacción.

5. Con los resultados anteriores, se podrá proponer un modelo mecanístico que permita dar

cuenta del camino a través del cual el complejo de encuentro inicial evoluciona hacia la

formación de productos.

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2 Oxígeno Molecular Singulete, O2(1g).

2.1 Antecedentes Históricos

Las primeras observaciones en relación con la participación del oxígeno molecular

en uno de sus estados excitados, en reacciones químicas, datan de la década del treinta. En estos

años, Kautzky propuso, pero sin los fundamentos necesarios para llegar a convencer a la

comunidad científica contemporánea, que en las fotooxigenaciones sensibilizadas con colorantes,

participaba una especie electrónicamente excitada del oxígeno.38 Por ello, su existencia fue

ignorada hasta 1963, año en que Khan y Kasha38,39 propusieron que la luminiscencia roja que

observaban al realizar reacciones entre peróxido de hidrógeno e hipoclorito, tenía su origen en la

desactivación radiativa de alguna especie del oxígeno excitada electrónicamente, esta

interpretación es la que le abrió las puertas del mundo químico al oxígeno excitado. La proposición

original de Kautzky, sobre la participación de esta especie excitada del oxígeno en

fotooxigenaciones sensibilizadas, fue verificada experimentalmente, de forma irrefutable, sólo un

año después de su caracterización espectroscópica, 1964, en forma prácticamente simultánea por

las parejas de investigadores Foote-Wexler40,41 y Corey-Taylor42 Poco tiempo después, Adams y

Wilkinson43 desarrollaron un procedimiento experimental para realizar mediciones resueltas en el

tiempo, observando el consumo de un sustrato altamente reactivo frente al oxígeno excitado. En el

año 1976, Krasnovsky con un fosforoscopio mecánico, fue capaz de observar la luminiscencia

infrarroja de bajísima intensidad del oxígeno excitado, permitiendo por primera vez, dar cuenta en

forma directa del comportamiento de una especie excitada del oxígeno y además, obtener

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información cinética, en la escala temporal de los milisegundos. En la década de los ochenta, los

avances tecnólogicos, en la ciencia de los materiales, hicieron posible el desarrollo de diodos de

germanio, extremadamente sensibles a la radiación infrarroja, con tiempos de respuesta

sumamente cortos. También se desarrollaron sistemas de adquisición, con tiempos de respuesta

muy rápidos. En esta última década se han empezado a utilizar equipos de espectrometría con

transformada de Fourier que han permitido mejorar sensiblemente la precisión en la obtención de

espectros de emisión.44,45 En la actualidad es posible la observación de la emisión del oxígeno

excitado, en procesos en los que el tiempo de vida de esta especie excitada, se encuentra en la

escala temporal de los microsegundos. Este tipo de medidas, en la actualidad rutinarias, permiten

observar en forma directa al O2(1g) en estudios cinéticos y evaluar rendimientos cuánticos

relativos para su formación.

2.2 Propiedades del Oxígeno Molecular Singulete, O2(1g).

2.2.1 Estructura Electrónica.

La configuración electrónica del estado basal de la molécula de oxígeno es:46

O2 : KK (2s)2(*2s)2(2p)2(x2p)2(y2p)2(*x2p)1(*y2p)1

Una de las características más singulares de esta distribución electrónica es que a

pesar de presentar un número par de electrones, muestra características de dirradical. Esta

situación, tiene su origen en la degeneración que presentan sus orbitales moleculares de mayor

energía, HOMO, que corresponden a dos orbitales moleculares antienlazantes *.

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Introducción

Las posibles distribuciones de este par electrones, dan lugar a cuatro

configuraciones distintas, asociadas a cuatro estados, tres de ellos presentan multiplicidad de

espín singulete y uno multiplicidad de triplete. Según la notación espectroscópica y empleando

coordenadas cartesianas, estos cuatro estados corresponden a 3, 1, 1x y 1y. De acuerdo a la

regla de Hund, el estado de máxima multiplicidad, el triplete, es el de menor energía, y por lo tanto

el basal. Este estado, en notación espectroscópica, se representa por 3g. Los dos estados

singulete , son degenerados en la aproximación de orden cero, y son los más próximos en

energía al estado basal. Como símbolo espectroscópico completo se emplea 1g. Por último, el

estado de mayor energía corresponde a 1g. En la Figura 1, se muestra la ocupación de los

orbitales en cada uno de estos estados electrónicos.

Los dos estados , basal y excitado, tienen momento angular cero y presentan

simetría cilíndrica respecto al eje molecular: Al presentar distribuciones electrónicas análogas, en

la aproximación de orden cero, la reactividad del oxígeno en estos dos estados será de carácter

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OO OO

*x *y

*x *y

*x *y *x *y

*x *y

Figura 1 Orbitales moleculares * antienlazantes, correspondientes al HOMO de la molécula de oxígeno. Ocupación orbital de cada uno de los estados electrónicos.

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dirradicálico y muy similar, en procesos independientes de la naturaleza del espín y sin considerar

el exceso de energía de la especie excitada. Cuando el oxígeno se encuentra en el estado 1g,

todos sus electrones se encuentran apareados, mostrando carácter diamagnético. La proximidad

de dipolos externos perturba y polariza esta estructura electrónica, pudiendo mostrar

características de zwitterión.47 En definitiva, la reactividad química del oxígeno, con multiplicidad

singulete, O2(1g), será muy diferente a la que presenta cuando se encuentra en su estado basal.

El carácter triplete del estado basal del oxígeno, impide su participación en un gran número de

reacciones, energéticamente favorables, como consecuencia de las prohibiciones cuánticas

relacionadas con la conservación de espín.7 Por otra parte, la gran mayoría de especies orgánicas

en estado basal presentan multiplicidad de espín singulete, estas restricciones no operan en el

caso del O2(1g), por lo que puede reaccionar en forma muy eficiente con una gran variedad de

sustratos orgánicos.

En relación con la energía de cada uno de estos estados, en la Figura 2 se pueden

ver las curvas de energía potencial asociadas a cada una de ellos. En el diagrama, se observa

que no hay diferencias estructurales significativas para la molécula de oxígeno en cada uno de

estos estados. Se incluyen además, las diferencias de energía entre los niveles vibracionales de

punto cero de cada estado. El oxígeno en el estado 1g, se encuentra a 22,5 Kcal por sobre el

estado basal, esta pequeña diferencia de energía hace posible que éste se forme con relativa

facilidad. El segundo estado singulete, 1g, se encuentra 37,5 Kcal por sobre el estado basal.

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2.2.2 Transiciones Electrónicas.

Las transiciones desde ambos estados excitados al estado basal son prohibidas

por el momento dipolar eléctrico y por espín y permitidas por el momento dipolar magnético. Es

por ello que, en fase gas los tiempos de vida radiativos son relativamente largos, para el O2(1g)

alrededor de 45 min y cercanos a una decena de segundos para el O2(1g).48 La molécula de

oxígeno, no presenta modos normales de vibración asimétricos, capaces de perturbar las

funciones de onda electrónicas y hacer más permitidas las transiciones. La colisión entre

moléculas de oxígeno, puede producir estados de multiplicidad combinados, en los que se rompe

parcialmente la prohibición de momento dipolar eléctrico, haciéndose la transición más permitida.

Por esta razón, se observan transiciones simultáneas o cooperativas, en las que un solo fotón

provoca o proviene de transiciones que involucran la participación de dos moléculas de oxígeno.

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Distancia internuclear / nm

0,10 0,15 0,20 0,25

500

400

300

200

100

0

gg 762 nm = 157 kJ = 37,5 kcal

gg nm = 94 kJ = 22,5 kcalg

g

g

Figura 2 Curvas de energía potencial para el oxígeno molecular en estado basal y en dos de sus estados electrónicamente excitados, 1

g y 1g.

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En la Tabla 1, se muestran las energías involucradas en las transiciones normales

y simultáneas desde estados excitados del oxígeno.

Como la desactivación del O2(1g) es un proceso prohibido por espín, este estado

presenta tiempos de vida relativamente ‘largos’, y en virtud de su exceso de energía, será capaz

de reaccionar eficientemente con moléculas orgánicas. El segundo estado singulete excitado del

oxígeno, O2(1g), a pesar de tener un exceso de energía importante, en fase condensada se

desactiva rápidamente al primer estado singulete, lo que no le permite participar en procesos

reactivos.49

2.3 Generación de O2(1g).

El oxígeno molecular singulete puede generarse a través de diversos

procedimientos, y la selección de uno u otro método, dependerá de las necesidades

experimentales de cada caso particular.

Entre los procedimientos utilizados, que pueden separarse en dos grandes grupos,

están aquellos que involucran la participación de reacciones químicas y aquellos que solamente

corresponden a procesos físicos. Entre los métodos químicos, se pueden mencionar la

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Tabla 1 Energías correspondientes a las transiciones electrónicas del oxígeno.

Transiciones electrónicas Energía1 3 7.882 cm-1 1.270 nm1 3 13.120 cm-1 762 nm

2(1) 2(3) 15.675 cm-1 634 nm1 + 1 2(3) 21.003 cm-1 476 nm

1 2(3) 26.242 cm-1 381 nm

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descomposición de peróxido de hidrógeno en presencia de hipoclorito50,51 (recientemente se ha

reportado una modificación que emplea un molibdato en lugar de hipoclorito52), la descomposición

térmica de ozónidos,53 de dioxetanos54 y de endoperóxidos.55,56 Entre los métodos de tipo físico, se

pueden mencionar la descarga eléctrica sobre una corriente de oxígeno, la descarga de

microondas sobre oxígeno en fase gas57 y diversos procedimientos fotoquímicos, entre los que se

encuentran la fotólisis de ozono,58 la excitación directa del oxígeno,59 que es un proceso muy poco

eficiente y la fotosensibilización. Este último procedimiento, fue utilizado preferentemente en el

trabajo experimental de esta tesis, por lo que se describirá en forma más detallada en la sección

siguiente.

2.3.1 Generación de O2(1g), por Fotosensibilización.

La fotosensibilización corresponde a la generación de oxígeno molecular singulete

por transferencia de energía desde una especie fotoexcitada, al oxígeno en estado basal. Son dos

los procesos principales involucrados, la formación de estados singulete y triplete excitados del

sensibilizador y la transferencia de ese exceso de energía a una molécula de oxígeno basal.

Para ser un buen sensibilizador, el compuesto empleado deberá presentar un alto

coeficiente de extinción a la longitud de onda de excitación y un elevado rendimiento cuántico de

generación de oxígeno molecular singulete, lo que generalmente se asocia a la capacidad de

formar una cantidad importante de estados triplete con tiempo de vida largo y de energía superior

a la de los estados excitados singulete del oxígeno. Además debe ser una especie con poca

tendencia a reaccionar químicamente, pues de lo contrario se consumirá durante el proceso de

fotosensibilización.

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Introducción

En las últimas décadas se ha desarrollado un significativo esfuerzo, para aclarar los

mecanismos a través de los cuales el O2(3g), desactiva los estados excitados, singulete y o

triplete, de las moléculas orgánicas empleadas como sensibilizador y dar cuenta de los factores

que determinan la eficiencia del proceso.60-63

Como ya se mencionó, en la formación del O2(1g), pueden participar tanto el

estado singulete como triplete excitado del sensibilizador. El primer estado singulete excitado del

sensibilizador se genera por absorción directa de luz. Este estado evolucionará de acuerdo a su

fotofísica por vías radiativas y no radiativas.

La posibilidad de desactivación del estado singulete excitado del sensibilizador por

oxígeno dependerá en forma directa del tiempo de vida de este estado, pues si es demasiado

corto, decaerá al estado basal o cruzará al triplete, antes de que ocurra una colisión con las

moléculas de oxígeno presentes en el sistema. A continuación se presentan los mecanismos para

el proceso de desactivación de este estado excitado del sensibilizador por oxígeno, que cumplen

con las reglas de selección y son energéticamente posibles:

1S + O2(3g) (S+ + O2-) Ec. 2-1

1S + O2(3g) 3S + O2(3g) Ec. 2-21S + O2(3g) 3S + O2(1g) Ec. 2-31S + O2(3g) 3S + O2(1g) Ec. 2-41S + O2(3g) So + O2(3g) Ec. 2-5

El estudio teórico de los procesos que involucran transiciones no radiativas,

muestra que las velocidades asociadas a estos procesos dependen del cuadrado del elemento de

matriz integrado sobre todas las coordenadas electrónicas de los estados inicial y final, el y del

factor de Franck-Condon, Fif.64

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Introducción

Tsubomura y Col.,65 al estudiar la intensidad de las bandas de transferencia de

carga entre hidrocarburos aromáticos y oxígeno basal, concluyeron que el mecanismo

predominante en la desactivación de los estados singulete excitado de este tipo de compuestos

por oxígeno, involucra la formación de un complejo de transferencia de carga, Ec. 2-1. La

desactivación del singulete, ha sido descrita como un proceso difusional60,61 con valores para la

constante de velocidad de desactivación, , del orden de 1011 M-1 s-1, e independiente de la

diferencia de energía entre los estados singulete y triplete del sensibilizador,48 véase Tabla 2. Esta

proposición descartaría la ocurrencia del cruce entre sistemas asistido, Ec. 2-3 y Ec. 2-4, como

alternativa para la desactivación. En un estudio más reciente, se propone que para el proceso de

desactivación, la velocidad máxima corresponde al límite controlado por difusión, pero su valor se

reducirá de acuerdo a consideraciones energéticas, dependiendo incluso, de la posibilidad de

mezcla del primer estado singulete excitado con el segundo triplete excitado del sensibilizador.62,63

La interacción del primer estado triplete excitado con oxígeno basal es un proceso

que presenta una mayor probabilidad de ocurrencia, debido a que en general, los tiempos de vida

de estos estados son lo suficientemente largos, como para que haya posibilidad de encuentro.

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Tabla 2 Valores para la constante de velocidad de desactivación por oxígeno basal, de estados singulete y triplete de diversos compuestos y la energía de cada estado.

Compuesto / 1010 M-1 s-1 ES / Kcal mol-1 / 109 M-1 s-1 ET / Kcal mol-1

Benceno 2,0 66 110 66 12,0 48 85 66

Naftaleno 3,0 66 92 66 2,1 48 (2,6 67 ) 60 66,67

Antraceno 3,0 66 76 66 3,0 66

Pireno 3,0 66 2,0 66

Benzofenona 3,0 67 69 67

Bifenilo 4,3 68 2,85 69 Perinaftenona 2,2 70 52,5 70

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Además, la generación de O2(1g) es uno de los procesos más probables en la desactivación de

este estado. En las Ecs. 2-6 a la 2-8 se muestran los posibles procesos involucrados:

3S + O2(3g) So + O2(3g) Ec. 2-63S + O2(3g) So + O2(1g) Ec. 2-73S + O2(3g) So + O2(1g) Ec. 2-8

De acuerdo a medidas experimentales, la constante de desactivación del estado

triplete por oxígeno, , es generalmente alrededor de un orden de magnitud menor que el valor

de la constante de desactivación del estado singulete, véase Tabla 2. De acuerdo a cálculos

teóricos, el para los tres procesos propuestos, es de magnitud similar, por lo que su importancia

relativa dependerá del factor de Franck-Condon y de los factores estadísticos de espín, que

corresponden a 1/9 para los procesos representados por las Ec. 2-6 y Ec. 2-7 y a 1/3 para la Ec.

2-8. No se incluyeron los procesos que involucran quintupletes, motivo por el cual la suma de las

probabilidades no es igual a 1.70 Resultan predominantes, aquellos mecanismos que involucran

transferencia de energía para dar como posibles productos O2(1g) y O2(1g). Es posible

determinar teóricamente una relación entre la cantidad formada de cada una de estas especies,48

la razón 1g / 1g alcanza un valor límite de 10, cuando la energía del triplete del sensibilizador es

superior a 45 Kcal, y para energías del triplete menores, simplemente por razones de

conservación de la energía, la razón empieza a disminuir, hasta formarse sólo O2(1g). De acuerdo

con observaciones experimentales, se puede postular que la desactivación no radiativa71 del

O2(1g), genera cuantitativamente O2(1g), y que en el mecanismo de formación de O2(1g), tras la

desactivación del triplete,72 existe contribución de un complejo de transferencia de carga,69,73-76

dependiente del solvente.

En el caso de hidrocarburos aromáticos, con rendimientos cuánticos de

fluorescencia elevados, se ha observado que éste disminuye con el aumento de la concentración

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Introducción

de oxígeno, lo que es acompañado de un crecimiento simultáneo del rendimiento cuántico de

cruce entre sistemas.77 Este fenómeno se ha visualizado a través de medidas directas, en el caso

de antracenos sustituidos disueltos en ciclohexano. Para estos compuestos, se ha propuesto que

la única vía de desactivación del estado singulete corresponde a un mecanismo de cruce entre

sistemas asistido,67 acompañado de generación de O2(1g), por lo cual, en este caso, ambos

estados excitados del sensibilizador, singulete y triplete, participarían en la generación de

O2(1g).78,79

2.3.2 Rendimiento Cuántico de Generación de O2(1g) en Solución, .

Wilkinson ha propuesto un esquema cinético general,80 (véase Apéndice 1), que

considera todos los procesos elementales involucrados en la generación fotosensibilizada del

oxígeno molecular singulete en solución, y que además incluye los procesos que conducen al

consumo o desaparición del oxígeno excitado, como desactivación por el solvente, por el mismo

sensibilizador o por un sustrato reactivo. La generación del oxígeno excitado involucra o puede

llegar a involucrar, a los dos estados electrónicamente excitados de menor energía del

sensibilizador, el primer estado singulete excitado y el primer estado triplete. Como consecuencia,

el rendimiento cuántico total de generación de oxígeno molecular singulete , para un

sensibilizador dado, corresponderá a la suma de las contribuciones de ambos estados excitados:

Ec. 2-9

donde el primer término de la suma corresponde al número de moles de O2(1g) generados desde

el primer estado singulete excitado, por mol de fotones absorbidos, y el segundo a la misma

proporción, originada por el estado triplete. Con esta ecuación y haciendo uso del esquema

cinético previamente citado, se puede desarrollar una expresión general para dar cuenta de ,

Página 19

Introducción

que incluye todos los procesos que involucran la participación de los estados excitados del

sensibilizador. Como resultado se obtiene una ecuación que toma la forma:

Ec. 2-10

en la Ec. 2-10, corresponde al rendimiento cuántico de generación de estados triplete del

sensibilizador, corresponde a la proporción de estados triplete desactivados por oxígeno

fundamental, es la fracción de tripletes desactivados por oxígeno fundamental, que generan

O2(1g), es un factor análogo, pero relacionado con el estado singulete excitado y los factores

restantes han sido previamente definidos. En este punto resulta conveniente hacer algunas

precisiones cualitativas sobre las implicaciones de la Ec. 2-10. De acuerdo a la misma, , podría

llegar a alcanzar valores iguales a 2,0 bajo ciertas condiciones específicas, es decir, por cada

fotón absorbido por la molécula de sensibilizador, se formarían dos moléculas de oxígeno

excitado. Esta situación se observaría cuando de la interacción entre el estado singulete excitado

del sensibilizador y el oxígeno fundamental resulta sensibilizador en estado triplete y una molécula

de oxígeno singulete. Inmediatamente, todos los estados triplete del sensibilizador, serían

desactivados nuevamente por moléculas de oxígeno fundamental, produciendo sensibilizador en

su estado basal y una segunda molécula de oxígeno excitado. La situación descrita, claramente

corresponde a un caso límite, que sólo sería posible observar en contadas ocasiones, trabajando

a concentraciones de oxígeno disuelto muy elevadas. En las condiciones habituales de trabajo,

con soluciones equilibradas con aire y a temperatura ambiente, la concentración de oxígeno

disuelto es del orden de 1 a 3 mM en solventes orgánicos.80 En agua, la solubilidad de este gas es

bastante menor, y en las condiciones mencionadas, su concentración es igual a 0,29 mM.80

Página 20

Introducción

Teniendo además en cuenta, que para las velocidades específicas de desactivación de estados

singulete excitado por oxígeno fundamental, , se reportan valores entre 2,0 x 1010 y 4,0 x 1010

M-1 s-1 48,66,67 se puede evaluar la proporción de moléculas de sensibilizador en su estado singulete

excitado, que interaccionan con moléculas de oxígeno fundamental, durante su tiempo de vida. El

producto entre la constante de velocidad específica y la concentración de oxígeno presente en el

medio, tomará valores cercanos a 6 x 107 s-1 y 3 x 108 s-1 en soluciones equilibradas con aire y en

soluciones saturadas de oxígeno, respectivamente, luego, de acuerdo a la Ec. 2-11, para que el

oxígeno molecular pueda llegar a desactivar la mitad de los estados singulete excitados presentes,

es decir , en una solución equilibrada con la atmósfera, el tiempo de vida de este estado

debería ser de alrededor de 17 ns, y en una solución saturada de oxígeno de alrededor de 3 ns.

Es importante señalar, que sólo una fracción de los estados singuletes excitados del

sensibilizador, que interactúan con oxígeno, generarán O2(1g), como producto de un proceso de

transferencia de energía.

Ec. 2-11

En la Ec. 2-11, , da cuenta de las velocidades de consumo o desactivación del

estado singulete excitado del sensibilizador por oxígeno fundamental y , es el inverso del

tiempo de vida del estado excitado en cuestión, en ausencia de oxígeno. Por ejemplo en el caso

de cetonas aromáticas, cuyo primer estado singulete excitado es en general n*, con tiempos de

vida relativamente cortos, del orden del centenar de picosegundos, la proporción, , toma

valores menores que 0,05.81 En cambio, en el caso de hidrocarburos aromáticos, la proporción de

Página 21

Introducción

estados singulete excitados desactivados por oxígeno fundamental, , depende en forma

apreciable de la naturaleza y viscosidad del solvente, de la solubilidad del oxígeno y de la

temperatura, por lo que el rendimiento cuántico de generación de oxígeno molecular singulete,

, mostrará la misma dependencia.

En relación con el estado triplete del sensibilizador, las constantes de velocidad de

desactivación de este estado por oxígeno en su estado fundamental, , son alrededor de un

orden de magnitud menores que en el caso del estado singulete excitado, por lo tanto para que la

desactivación por oxígeno sea eficiente, el tiempo de vida del estado, deberá ser

significativamente mayor que el tiempo de vida observado para los estados singulete, situación

que de hecho ocurre como consecuencia del carácter prohibido de la transición desde este estado

al basal.

Hasta aquí sólo se han tomado en consideración aspectos cinéticos. Es

conveniente, también incorporar en la discusión factores energéticos. La proposición hecha por

Ogilby y Col.82 para clasificar las moléculas capaces de generar O2(1g), en tres tipos, tiene en

cuenta estos factores:

Los autores denominan sensibilizadores de categoría III, a aquellas moléculas para

las cuales en el rango de concentraciones de oxígeno normalmente empleado, éste no es capaz

de desactivar sus estados singulete por razones cinéticas, con lo que , o alcanza una

magnitud despreciable. Como consecuencia, el rendimiento cuántico de formación de oxígeno

molecular singulete para este grupo de moléculas toma la forma:

Ec. 2-12

Página 22

Introducción

ecuación que se podrá simplificar en aquellos casos en que . Como ya se mencionó, las

cetonas aromáticas corresponden por lo tanto a sensibilizadores pertenecientes a esta categoría.

El segundo grupo de sensibilizadores, categoría II, corresponde a aquellas

moléculas, para las que ambos estados excitados, singulete y triplete, pueden ser desactivados

por el oxígeno fundamental, generando O2(1g). Para estos sensibilizadores , y la

diferencia de energía entre los estados singulete y triplete es superior a la energía del estado 1g

del oxígeno, es decir . En este caso se debe aplicar para el rendimiento cuántico de

generación de oxígeno molecular singulete, la Ec. 2-10. Cuando la concentración de oxígeno es

muy elevada, condición límite O2 , se da que , y el rendimiento cuántico, ,

toma la forma:

Ec. 2-13

Por último, al tercer grupo, categoría I, pertenecen aquellos sensibilizadores con

estados singulete excitado que tienen tiempos de vida lo suficientemente largos como para poder

ser desactivados por oxígeno fundamental, pero sin la suficiente energía para generar O2(1g), es

decir que la diferencia de energía entre el estado singulete y el estado triplete es menor que la

energía del oxígeno excitado, , en estas condiciones, . Para estas moléculas,

tanto el rendimiento cuántico de generación de tripletes asistido por oxígeno, , como el

rendimiento cuántico de generación de O2(1g), , dependerán de la eficiencia de la

desactivación del primer estado singulete excitado por oxígeno fundamental. La ecuación que da

cuenta del rendimiento cuántico de generación de O2(1g), es en este caso:

Ec. 2-14

Página 23

Introducción

y, si se considera el caso límite de alta concentración de oxígeno en la solución, y tomarán

el valor 1,0 y la expresión para el rendimiento cuántico se reduce a:

Ec. 2-15

2.3.2.1 Determinación de Rendimientos Cuánticos de Generación de O2(1g), .

Son varios los procedimientos reportados en la literatura, apropiados para la

determinación de rendimientos cuánticos de generación de oxígeno molecular singulete en

solución. Diversos autores han evaluado este parámetro a partir de medidas de fotooxidación,

empleando condiciones de irradiación estacionaria83 y de irradiación pulsada.84 También se han

empleado métodos fototérmicos, entre los que se pueden mencionar la fotocalorimetría en estado

estacionario, la relajación térmica dependiente del tiempo y la fotoacústica inducida por láser.83,85,86

Un tercer procedimiento empleado en forma habitual, involucra mediciones de la intensidad de la

luminiscencia del O2(1g).83 Otros procedimientos reportados en la literatura, hacen uso de

medidas que involucran transferencia de energía de especies tales como el -caroteno o el

seguimiento de la desaparición en el tiempo de un sustrato aceptor tras un pulso de láser.87

Dado que en el presente trabajo, se emplearon sólo dos de las técnicas

previamente mencionadas para determinar rendimientos cuánticos de generación de O2(1g), la

fotooxidación bajo irradiación estacionaria y la medida de la intensidad de la luminiscencia

infrarroja del O2(1g), en la discusión siguiente, solamente se considerarán ambos métodos.

2.3.2.1.1 Fotooxidación en Condiciones de Irradiación Estacionaria.

Página 24

Introducción

Para evaluar el rendimiento cuántico de generación de O2(1g), se puede cuantificar

cualquier propiedad que esté directamente relacionada con la cantidad de O2(1g), generada por el

sensibilizador. Una opción, quizás la más simple, es evaluar el rendimiento cuántico de oxidación,

, de una especie altamente reactiva frente al oxígeno excitado a través de una propiedad que

esté directamente relacionada con este proceso. La velocidad de desaparición o consumo de un

sustrato reactivo, A, por reacción con O2(1g), está relacionada en forma directa el rendimiento

cuántico a través de la Ec. 2-16. El factor de proporcionalidad , que relaciona ambos parámetros

vendrá dado por la estequiometría de la reacción entre el sustrato y el O2(1g).

Ec. 2-16

La relación de proporcionalidad entre ambos rendimientos cuánticos, y ,

viene dada por la expresión de la Ec. 2-17:

Ec. 2-17

donde , corresponde a la razón entre la constante de velocidad de reacción química y la

constante de velocidad de desactivación total por A, es la razón entre la constante de

desactivación del O2(1g) por el medio y la constante de velocidad de desactivación total por A y

PA correspondería a la proporción de oxígeno molecular singulete, que reacciona con el sustrato

reactivo, A.

Analizando la expresión, se pueden extraer algunas conclusiones. Cuando la

concentración del sustrato es lo suficientemente elevada, la vía reactiva de desaparición de

Página 25

Introducción

oxígeno excitado, alcanza tal magnitud, que la desactivación por el solvente llega a hacerse

despreciable y el rendimiento cuántico de oxidación pasa a ser directamente proporcional al

rendimiento cuántico de generación de oxígeno molecular singulete. Si además se considera que

todos los encuentros sustrato–oxígeno excitado evolucionan por la vía reactiva, es decir la

constante de velocidad de desactivación física es significativamente menor que la constante de

velocidad de reacción química, ambos rendimientos serán iguales, y el factor de la Ec. 2-18,

será aproximadamente igual a 1,0:

Ec. 2-18

En el otro caso extremo, cuando la concentración de sustrato reactivo es

relativamente baja o tendiente a cero, la desactivación por el solvente pasa a ser la principal vía

de consumo de oxígeno excitado, y ahora , dependerá de la razón entre la velocidad con que

reaccionan el sustrato y el oxígeno excitado y la velocidad con que el solvente lo desactiva. Si

además consideramos la dependencia entre y la variación de la concentración del sustrato en

el tiempo, Ec. 2-17, la expresión toma la forma:

Ec. 2-19

Al aplicar una cinética de primer orden para el consumo del sustrato, se obtendrá una constante

de velocidad experimental, kexp, en la que se encuentra incluido el rendimiento cuántico , como

puede verse en la Ec. 2-20:

Ec. 2-20

Página 26

Introducción

por lo tanto, si se mantienen las condiciones de irradiación exactamente iguales, y se evalúa la

constante experimental, kexp’, para el consumo del sustrato, al irradiar en presencia de un

sensibilizador de conocido (S’), el cuociente entre las constantes experimentales de consumo

de sustrato determinadas con S y S’, nos entregará como resultado, la relación entre los

rendimientos cuánticos de los dos sensibilizadores. De esta expresión se podrá obtener el

rendimiento cuántico de generación de oxígeno molecular singulete por el sensibilizador de interés

(S), referido al sensibilizador de rendimiento conocido (S’):

Ec. 2-21

2.3.2.1.2 Intensidad de la Luminiscencia Infrarroja Resuelta en el Tiempo.

En este caso, se observa la evolución temporal de la intensidad de la luminiscencia

infrarroja del oxígeno molecular singulete, propiedad directamente proporcional a la cantidad de

O2(1g) presente en el medio. Se obtienen concentraciones de O2(1g), apropiadas, al excitar con

pulsos de láser el sensibilizador en estudio. El parámetro fotoquímico que se relaciona con la

intensidad de la emisión, es el rendimiento cuántico de fosforescencia del O2(1g),88,89 y la

expresión que relaciona el rendimiento cuántico de fosforescencia del O2(1g) y el rendimiento

cuántico de generación, se muestra en la Ec. 2-22:

Ec. 2-22

en donde corresponde a la fracción de moléculas de oxígeno molecular excitado, que decaen

por la vía radiativa, es decir con emisión de radiación infrarroja.

Página 27

Introducción

El decaimiento en el tiempo, que presenta la señal de la luminiscencia infrarroja del

O2(1g), responde a una cinética de primer orden y por definición, la intensidad de la luminiscencia

extrapolada a tiempo cero, es proporcional a la cantidad de O2(1g) generada por el sensibilizador

inmediatamente tras el pulso del láser. Si se compara la intensidad de la emisión a tiempo cero

para el sensibilizador en estudio (S), con la obtenida en las mismas condiciones experimentales,

para un sensibilizador de rendimiento cuántico de generación de O2(1g) conocido (S’), se

obtendrá el rendimiento cuántico de generación de O2(1g) para el sensibilizador (S), relativo al

sensibilizador de referencia (S’), de acuerdo a la Ec. 2-23:

Ec. 2-23

Cuando es posible, resulta conveniente extrapolar la razón de intensidades,

evaluada en las condiciones previamente mencionadas, a potencia cero del láser. Con este

procedimiento se elimina cualquier posibilidad de efectos ópticos no lineales, que pueden

distorsionar en forma importante resultados obtenidos en forma puntual.90

En aquellos casos en que el sustrato sometido a estudio, es reactivo o capaz de

asociarse, es conveniente extrapolar los resultados obtenidos con los procedimientos ya

mencionados, a dilución infinita.

2.4 Mecanismos de Desactivación del Oxígeno Molecular Singulete.

Son tres las vías principales a través de las cuales ocurre la desactivación del

O2(1g) en solución: decaimiento radiativo, interacciones con el solvente y por interacciones con

desactivantes presentes en el medio.

O2(1g) O2(3g) + h1270 kP Ec. 2-24

Página 28

Introducción

O2(1g) O2(3g) kd Ec. 2-25O2(1g) + Q O2(3g) + Q o Prods kQ o kT Ec. 2-26

En solución y en ausencia de otras especies, (Q), el tiempo de vida del O2(1g),

corresponderá al inverso de los valores de las constantes de los procesos representados por las

Ec. 2-24 y 2-25:

Ec. 2-27

En presencia de una especie reactiva frente al O2(1g), que puede disminuir su

concentración, tanto por reacción química como por desactivación física, el tiempo de vida de esta

especie en solución, se reduce en una magnitud dependiente de la concentración de desactivante

presente en la solución. Luego la expresión para el tiempo de vida la forma:

Ec. 2-28

2.4.1 Desactivación Radiativa del O2(1g), kP.

El tiempo de vida de una molécula de oxígeno en su primer estado excitado,

aislada y en fase gas, quedará determinado por el inverso de la constante radiativa, Ec. 2-24,

único proceso operativo en estas condiciones. En las primeras evaluaciones de constantes de

decaimiento radiativo, kP, en fase condensada, se mostró que la presencia de solvente significa

un aumento de alrededor de 800 veces en la magnitud de la velocidad de desactivación respecto

al valor reportado para el O2(1g), en fase gas, como consecuencia de la existencia de

interacciones oxígeno-solvente. Además, los valores evaluados para las constantes de

desactivación en diferentes solventes no arrojaron diferencias, y la magnitud de kP, se consideró

independiente del solvente.91,92 En experimentos posteriores, valores de kP obtenidos en una serie

Página 29

Introducción

de solventes, a partir de los espectros de emisión del O2(1g), sí muestran dependencia con el

solvente.93 Autores como Hurst y Col.94 cuestionaron que no exista dependencia, pues observaron

claras diferencias entre los valores evaluados en solventes aromáticos y no aromáticos, y

sugirieron que la polarizabilidad del solvente, es la propiedad que determina esta dependencia.

Trabajos más recientes relacionan kP con la constante dieléctrica del medio.90 Sin duda el aporte

más importante en este ámbito es el que hacen Scurlock y Ogilby, que mostraron que kP presenta

dependencia con la polarizabilidad del solvente. Estos autores explicaron sus resultados en

términos de la formación de un complejo colisional entre el oxígeno y el solvente.95,96 De acuerdo a

experiencias realizadas en condiciones que permiten la evaluación de kP más precisas, se ha

demostrado que la polarizabilidad del solvente afecta el acoplamiento entre los estados y

del oxígeno, favoreciendo la desactivación de la especie excitada, y como consecuencia

teniendo influencia en el valor de kP.88,97 En acuerdo con estos resultados, Darmanyan reporta

una dependencia inversa entre el potencial de ionización de 63 solventes y la kP, estableciendo

que las interacciones de transferencia de carga hacen más permitida la transición.98

2.4.2 Interacción del O2(1g) con el Solvente.

El tiempo de vida del O2(1g) en fases condensadas, depende fuertemente con las

propiedades del medio, variando su valor desde los 4 s en agua, hasta un centenar de

milisegundos en 1,1,2-triclorotrifluoroetano.99

La transición desde el primer estado singulete excitado al estado basal de la

molécula de oxígeno, es un proceso que viola algunas restricciones cuánticas, momento angular,

simetría, espín y paridad. La existencia de perturbaciones originadas en interacciones por colisión

del oxígeno excitado con otras moléculas o en la presencia de campos eléctricos externos, induce

Página 30

Introducción

el mezclado con funciones de onda vibracionales o rotacionales por acoplamiento espín-órbita, lo

que hace más permitida la transición.

Algunas de las características del solvente, que determinan drásticamente la

magnitud del tiempo de vida del O2(1g) en él, son el número de enlaces C-H y O-H que posee, la

presencia de halógenos y la presencia de deuterio. Por ejemplo, se puede ver en la Tabla 3, que

la presencia de un grupo hidroxilo en el alcohol bencílico, reduce el tiempo de vida del O2(1g), a la

mitad del valor que éste presenta en benceno, y que la presencia de deuterio en lugar de átomos

de hidrógeno en el agua, hace que el tiempo aumente su valor en más de diez veces.

Se han desarrollado varias teorías que permiten explicar la dependencia del tiempo

de vida con el solvente. Una de las primeras proposiciones lo relacionó con la polaridad del

medio.100 Posteriormente Merckel y Kearns propusieron que la desactivación del O2(1g), involucra

la transferencia de energía electrónica a los niveles vibracionales del solvente a través de un

mecanismo dipolo-dipolo, hallando una correlación entre el inverso del tiempo de vida y la

Página 31

Tabla 3 Tiempos de vida del O2(1g), en una serie de solventes.

Solvente (O2(1g) ) / sa (O2(1g) ) / sb

Metanol 10 9,9 ± 0,6 (38)Metanol perdeuterado 230 -----Etanol 14 14,4 ± 1,0 (21)n-Propanol 18 15,8 ± 0,4 (10)i-Propanol 25 21,1 ± 0,7 (16)Alcohol Bencílico --- 14,8 ± 0,2 (18)Agua 4,2 4,1 ± 0,3 (12)Formamida 6,7 10,0 ± 0,3 (16)NN-Dimetilacetamida 15 12,0 ± 0,6 (18)Dimetilformamida 19 19,4 ± 1,5 (24)Agua Deuterada 60 58,0 ± 3,0 (10)Acetona 54 51,0 ± 2,8 (42)Benzonitrilo 31 37,7 ± 1,4 (10)Acetonitrilo 75 77,2 ± 5,1 (54)n-Hexano 31 31,5 ± 1,2 (19)Benceno 30 30,7 ± 1,2 (21)Benceno perdeuterado 620 -----Diclorometano 95 93,1 ± 3,7 (14)Cloroformo 200 185,4 ± 14,2 (17)

a Valores reportados en la literatura.101

b Valores determinados en el laboratorio de Cinética y Fotoquímica, de la Universidad de Chile. Entre paréntesis, el número de medidas sobre las que se promedió.

Introducción

intensidad de la absorción de los solventes, a las longitudes de onda correspondientes a los

máximos de las bandas de emisión (0,0) y (0,1) del O2(1g), 1270 nm y 1590 nm,

respectivamente.102

Hurst y Schuster103 han dado una explicación cuantitativa de las interacciones del

solvente con O2(1g), sobre la base de correlaciones entre la concentración de átomos de

hidrógeno o deuterio enlazados a carbonos y el tiempo de vida del O2(1g). En el mecanismo

propuesto por estos autores, que involucra el modelo de intercambio para la transferencia de

energía, la probabilidad de resonancia es mayor cuanto mayor es la energía del modo vibracional

de más alta frecuencia del solvente. En otras palabras, cuanto más cercanos se encuentran estos

modos vibracionales a la transición vibrónica del O2(1g), mayor se hace el factor de Franck-

Condon y más se acorta el tiempo de vida de la especie excitada. El valor de la constante de

desactivación no radiativa, kd, corresponde a la sumatoria de las contribuciones de cada uno de

los osciladores presentes en la molécula de solvente, esto es enlaces C-H, C-D, O-H, O-D, etc,

independientemente del grupo funcional en que se encuentren. Por ello, el tiempo de vida del

O2(1g), aumenta drásticamente con el reemplazo isotópico de hidrógenos por deuterios, véase

Tabla 3, confirmándose el requerimiento energético para la desactivación del O2(1g).100

Rodgers104 mejoró el modelo propuesto por Hurst y Schuster, diferenciado los

osciladores de acuerdo al grupo funcional en que se encuentran, es decir, la contribución de un

enlace C-H, será diferente si este se encuentran en un metilo o en un metileno.

2.4.3 Interacción del O2(1g) con Sustratos Reactivos.

La extensión de la desactivación del oxígeno molecular excitado por cualquier

molécula presente, estará fuertemente influenciada por el tiempo de vida del O2(1g) en el medio,

Página 32

Introducción

independientemente de su constante de velocidad de reacción. Es por ello que el O2(1g), a pesar

de ser altamente reactivo, no se considera participante de las reacciones del oxígeno excitado.49

Las reacciones en que participa el O2(1g), con algunas excepciones, son procesos

sin control difusional, y la extensión de la reacción depende tanto de la concentración estacionaria

de O2(1g) en el sitio de reacción, como de la constante de velocidad de reacción bimolecular. El

O2(1g) es desactivado por un gran número de sustratos orgánicos e inorgánicos,105 el proceso de

desactivación puede ser de naturaleza física o química y en los sistemas vivos podría relacionarse

con los efectos de protección y daño biológico, respectivamente. A partir de estudios

experimentales y teóricos, se ha concluido que las interacciones de transferencia de carga son de

importancia crítica en las reacciones del O2(1g) y que en muchos casos, la reacción química

ocurre vía la formación de un exciplejo (y/o especies zwitteriónicas). Además, se ha demostrado

que la formación del exciplejo es la etapa determinante de la velocidad,106 aunque recientemente

se ha postulado la existencia de un complejo de encuentro previo al exciplejo, cuya generación es

controlada por difusión.107 Luego, se puede describir el proceso de desactivación del O2(1g), por

un sustrato dado, en términos del mecanismo que se muestra en la Figura 3.

Si se considera que el tiempo de vida del exciplejo es muy corto, y que las

concentraciones de desactivante pueden regularse adecuadamente, de modo que

Página 33

Figura 3 Mecanismo para la desactivación del O2(1g), por un sustrato dado.

M + O2(1g) [ M O2(1g) ]

M + O2(3g)

k qM

k rMk D

k - D

Productos

[ M O2(3g) ]

Introducción

, la cinética se simplifica de forma que el proceso se puede describir

en términos de las Ecs. 2-29 y 2-30:

Ec. 2-29

Ec. 2-30

donde k’, es la constante de pseudo primer orden para el decaimiento del O2(1g) y kT es la

constante de velocidad total para el proceso de desactivación. Para desactivantes muy eficientes

y para los poco eficientes , con lo que la Ec. 2-30, se reduce a

la Ec. 2-31 (límite controlado por difusión) y a la Ec. 2-32 (límite del preequilibrio),

respectivamente:

Ec. 2-31

Ec. 2-32

Teniendo en cuenta este mecanismo, es claro que la gran mayoría de valores de kT

determinados a temperatura ambiente deberían corresponder a la situación de preequilibrio,

descrita por la Ec. 2-32. En esta situación, las entalpías de activación experimentales cero y aún

negativas,106 deberían corresponder a un balance entre una entalpía de formación del exciplejo

negativa y una entalpía de activación mayor que cero para que se produzca la desactivación.

2.4.3.1 Desactivación por Transferencia de Energía.

El proceso de transferencia de energía que se muestra en la Ec. 2-33 es permitido

por espín, por el mecanismo de intercambio. Este fenómeno también es posible cuando el sustrato

se encuentra en un estado triplete, para pasar al primer singulete excitado.

Página 34

Introducción

O2(1g) + M(So) O2(3g) + M(T1) Ec. 2-33

El proceso mostrado en la Ec. 2-33, sólo será posible cuando la energía del estado

triplete del sustrato reactivo sea menor o igual que 22,5 Kcal, energía del O2(1g).

Se ha propuesto que en la desactivación del O2(1g) a través de este mecanismo

participan compuestos como Iodo, Complejos metálicos, Ftalocianinas, Naftalocianinas y

Carotenoides.105

Si la velocidad del proceso es controlada por difusión, el efecto que provoca el

solvente sobre esta vía de desactivación, tendría su origen en los cambios de las energías

relativas del O2(1g) y del triplete del desactivante por solvatación, además de posibles efectos de

la viscosidad del medio.

2.4.3.2 Desactivación por Transferencia de Carga.

El O2(1g) es una especie electrofílica, por lo que se espera que su reacción con

compuestos dadores de electrones sea mediada por la formación de un exciplejo con carácter de

transferencia de carga. Este complejo podrá evolucionar hacia la formación de productos después

de la formación de un intermediario zwitteriónico o hacia la desactivación física, vía un cruce entre

sistemas. En general, los compuestos ricos en electrones, desactivan al O2(1g) a través de este

mecanismo, por ejemplo: aminas,107 sulfuros,108 y fenoles109 entre otros.105

2.4.3.2.1 Reacción del O2(1g) con Aminas.

La aminas, son compuestos capaces de desactivar en forma eficiente al O2(1g). Se

ha observado experimentalmente, que la constante de velocidad para la desactivación del O2(1g),

Página 35

Introducción

se reduce con el aumento del potencial de ionización de la amina. Esta dependencia se puede

explicar en términos de la participación de un complejo de transferencia de carga, en el proceso

de desactivación.110 Darmanyan y Col.,107 han reportado que la desactivación del O2(1g), ocurre a

través de un proceso de transferencia de carga reversible, con la formación de un exciplejo con

transferencia parcial de un electrón.

El complejo de transferencia de carga evoluciona por la vía reactiva o a través de la

desactivación física, y la proporción entre ambas vías, dependerá de la estructura química de la

amina. En la Figura 4a, se puede observar, que para aminas primarias o secundarias (cuya

reactividad frente al O2(1g), es en general baja) que presentan hidrógenos al grupo amino, se

produce la abstracción de un hidrógeno, con formación de peróxido de hidrógeno e iminas, 111

mientras que en el caso de las aminas terciarias, Figura 4b, el producto primario es una

hidroperoxiamina.110 Se ha mostrado para aminas terciarias, específicamente la trietilamina, que el

rendimiento cuántico de formación de peróxido de hidrógeno en metanol es aproximadamente

0,2.112 En la literatura hay escasa información sobre la magnitud relativa de la reactividad química

de las aminas, como para establecer qué proporción de los encuentros entre el O2(1g) y la amina

dan origen a productos.

Por otra parte, se han realizado diversos estudios tendientes a caracterizar la

dependencia que muestra la constante de velocidad de desactivación del O2(1g) por aminas, con

el medio de reacción. Datos de la literatura muestran que la velocidad de desactivación depende

en forma directa con la capacidad del solvente para estabilizar cargas o dipolos, es decir del

parámetro *, y que la reactividad decrece con el aumento de la capacidad del solvente para

donar protones, formando puentes de hidrógeno con el sustrato, o sea del parámetro

solvatocrómico .112,113 La dependencia con el parámetro *, es compatible con la formación de un

Página 36

Introducción Página 37

Figura 4 Reacciones químicas entre O2(1g) y aminas con distinto grado de

sustitución:111 a) primarias y secundarias, b) terciarias.

C

H

N H + 1O2 C

H

N H

O O

+

-C

H

N

OOH

C

H

N H + O2C N + H2O2

C

H

N + 1O2 C

H

N H

O O

+

-

C N

OOHC

H

N + O2

C N+

+ HOO-

a)

b)

Introducción

Especies ricas en electrones, como olefinas, dienos y compuestos aromáticos

desactivan químicamente al O2(1g), para generar como productos endoperóxidos, hidroperóxidos

o dioxetanos. Para 1,3-dienos,114 se describen al menos tres rutas reactivas, reacción tipo ene,114

adición [2+2] y adición [2+4]. En la Figura 5, se muestran los intermediarios y/o estados de

transición propuestos para cada una de los tres caminos de reacción. En el caso de la reacción

ene, ruta A en la figura, se muestran los dos posibles estereoisómeros inicialmente formados, que

al evolucionar generarán como productos dos hidroperóxidos diastereoisoméricos. La reacción de

adición 2+2, corresponde a la ruta B. Para la adición 2+4, se consideran dos posibilidades, una en

la que la distribución electrónica simétrica del dieno permite una aproximación con ataque

simultáneo sobre los dos centros, lo que en la Figura 5 se representa por la reacción concertada

C1. Mientras que la segunda posibilidad, involucra una aproximación parcialmente concertada en

que se produce inicialmente un ataque sobre el centro de mayor densidad de carga, para dar C2.

Página 38

Figura 5 Esquema para las posibles reacciones de adición de O2(1g), a 1,3-

dienos. A: Reacción tipo ene con la formación de los dos posibles isómeros. B: Adición 2+2. C: Adición 2+4, concertada, (C1) y parcialmente concertada (C2).

Y

X

X

HY

O

O

X

HY

OO

X

H

OO

Y

X

Y

X

Y

+ +

-

-

O

OO

O

+ 1O2

A

B

C

o

C1 C2

Introducción

La proporción en que, para un sustrato dado, se favorece cada una de las posibles

rutas, queda determinada por algunas características estructurales del dieno como factores

estéricos, pues la presencia de sustituyentes voluminosos limitará el acceso del oxígeno excitado,

la distancia entre el carbono 1 y el 4 del sistema conjugado y de su potencial de ionización, entre

otros.114 En última instancia, la proporción puede llegar a depender de las características del

solvente.105

Gorman postula para este tipo de reacciones, un mecanismo, que inicialmente

involucra la formación reversible de un exciplejo, el que luego evoluciona hacia el cicloaducto

normal de adición 2+4, a través de un proceso concertado, simétrico o asimétrico.106

La magnitud de las constantes de velocidad de reacción para este tipo de

sustratos, varía desde órdenes de 103 M-1 s-1 para olefinas con sustitución 1,1, hasta 108 M-1 s-1 para

1,3-dienos rígidos. En la Tabla 4, se muestra el orden de las constantes de velocidad de reacción

para algunos sustratos.

Tabla 4 Valores para la constante de desactivación del O2(1g), por diferentes sustratos olefínicos.114

Sustrato kT / M-1 s-1

Ciclopenteno 1,0 x 108

2,4-hexadieno 1,0 x 105

1,3-pentadieno 2,4 x 104

Furano 1,2 x 107

1,1,2,2-tetrametiletileno 2,7 x 107

1,1-dimetiletileno 6,4 x 104 4,0 x 103

2.4.3.3.1 Reacción del O2(1g) con Imidazoles.

Las reacciones de imidazoles con oxígeno molecular singulete, son de particular

interés, por la probable participación de sistemas tipo imidazol en procesos de fotoinactivación de

Página 39

Introducción

algunas enzimas y la destrucción de histidina en proteínas.116,117 Aunque la mayoría de los

estudios relativos al tema se basan en el análisis de los productos de fotooxigenación,118-121 en

términos generales se puede establecer que la velocidad de desactivación del O2(1g) por

imidazoles no fusionados, depende de los sustituyentes presentes en el anillo, pues se ha

propuesto que la capacidad de los imidazoles para desactivar al O2(1g), está directamente ligada

a la posibilidad que estos presentan para tautomerizar. El mecanismo de la reacción involucra la

formación de endoperóxidos, como consecuencia de una cicloadición 2+4, entre el anillo

heterocíclico y el O2(1g).120 Dependiendo de la estructura del imidazol, el solvente y las

condiciones de reacción, los intermediarios endoperóxido evolucionarán para regenerar los

reactivos de partida o formar productos. En algunos casos se ha descrito que parte del oxígeno

que pierde el aducto inicial, para regenerar los compuestos de partida, corresponde a O2(1g).

A pesar del interés que tiene esta reacción por su relación con sistemas biológicos,

es importante hacer notar que no se han realizado estudios sistemáticos de la dependencia que

presentan las constantes de velocidad de desactivación del O2(1g) por este tipo de heterociclos,

con la naturaleza del sustrato y del medio de reacción.

2.4.3.3.2 Reacción del O2(1g) con Furanos.

El estudio de la reacción entre O2(1g) y furanos de distinta estructura, ha sido de

particular interés debido a que estos compuestos muestran una alta reactividad química hacia el

oxígeno, algunos de ellos en forma casi exclusiva para dar productos. Por esta razón algunos

derivados del furano, como el 1,3-difenilisobenzofurano y el 2,5-dimetilfurano, son empleados

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Introducción

recurrentemente como actinómetros en experimentos tendientes a determinar la reactividad de

otro tipo de compuestos hacia el O2(1g).122,123

Este tipo de heterociclos interaccionan con el O2(1g) a través de reacciones de

adición que generan como intermediarios endoperóxidos inestables, los que, dependiendo de la

estructura del sustrato, darán origen a distintos productos. La naturaleza de estos últimos, en

general, es dependiente además, del medio en que se realiza la reacción.124 En este caso, las

bajas energías de activación y la dependencia de la constante de velocidad de reacción con los

sustituyentes, han permitido proponer que la generación del endoperóxido, está precedida por la

formación de un exciplejo reversible. De acuerdo los resultados obtenidos de la aplicación de

relaciones lineales de energía libre de Hammett, se ha postulado que para furanos con sustitución

simétrica ocurren reacciones sincrónicas, mientras que para los asimétricamente sustituidos en las

posiciones 2 y 5, se da un continuo de estados de transición estructuralmente asimétricos, véanse

estructuras C1 y C2, respectivamente, de la Figura 5. En este ámbito, Clennan y Col. han

mostrado que la reactividad del anillo, presenta diferencias cuando la sustitución de estos es

simétrica o asimétrica, y postulan que estas diferencias pueden tener su origen en distintos

factores, como la demanda electrónica, la solvatación o la geometría de aproximación.114,125

Por otra parte, se acepta que el solvente no afecta las adiciones concertadas [2+4]

de furanos sustituidos en las posiciones 2 y 5. Un análisis detallado del efecto del solvente en las

reacciones del O2(1g) con furanos asimétricamente sustituidos, podría aportar más evidencias

experimentales que apoyaran el mecanismo asincrónico propuesto para esta reacción

Página 41

Introducción

2.5 Efecto del Solvente sobre Reacciones en las que Participa el O2(1g).

De acuerdo los reportes de la literatura, no cabe duda de que el solvente puede

afectar la constante de velocidad de un proceso que involucra la participación del O2(1g), en la

medida que alguna o varias de sus propiedades microscópicas inhiban, estabilicen o

desestabilicen el complejo de encuentro entre el O2(1g) y el sustrato. Se han hecho diversos

esfuerzos con la intención de cuantificar, correlacionar y racionalizar los múltiples efectos de las

interacciones soluto-solvente con parámetros de reactividad, dada la notable dependencia con el

solvente que muestran variados fenómenos en solución, como solubilidad, reparto, longitudes de

onda de absorción etc.126 Se ha propuesto el empleo de relaciones lineales de energía libre, LFER,

para relacionar la dependencia de la propiedad en cuestión con las propiedades del solvente. Una

de las expresiones que con más frecuencia y buenos resultados se utiliza, corresponde a la

relación lineal de energía de solvatación, propuesta por Kamlet y Taft,127 de la que se obtiene

información detallada de la dependencia del proceso con cada una de las propiedades del

solvente consideradas. Como resultado del tratamiento se obtiene una ecuación solvatocrómica

generalizada, de la forma indicada en la Ec. 2-34.

Ec. 2-34

donde ko corresponde a la constante de velocidad en el solvente de referencia, y a, b y s

corresponden a pesos estadísticos asociados a cada parámetro, los que son indicativos de cuan

sensible es la constante de velocidad, a la propiedad del solvente a la que se asocia. El parámetro

de acidez , corresponde a la capacidad del solvente para compartir protones en interacciones

tipo enlace de hidrógeno con el soluto, o parámetro de basicidad, corresponde a la capacidad

del solvente para aceptar protones del soluto en puentes de hidrógeno o en otras palabras su

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Introducción

capacidad para entregar electrones en enlaces coordinados y * o índice de

dipolaridad/polarizabilidad del solvente, da cuenta de la capacidad del mismo para estabilizar

cargas o dipolos. La ecuación de Taft, puede ser modificada, incorporando otros parámetros, que

den cuenta de otras propiedades del solvente, cuando el proceso en estudio lo requiera. Cuando

cualquiera de los parámetros presenta un coeficiente muy pequeño, la propiedad del solvente

asociada, puede ser removida de la ecuación de correlación, ya que el fenómeno en estudio, es

independiente de esa propiedad.

Los parámetros , y * incluidos en la Ec. 2-34, corresponden a parámetros

solvatocrómicos, es decir, en forma primaria se han determinado a partir de las energías de los

máximos de absorción asociados a las transiciones de menor energía de solutos seleccionados

cuidadosamente, de modo que sólo esté involucrada la propiedad del solvente que se está

intentando evaluar. De este modo se pretende que los conjuntos de valores de los diferentes

parámetros sean ortogonales entre si, es decir no presenten interdependencias mutuas. En

general, esta condición ideal, que cada parámetro dé cuenta de una sola propiedad del solvente

es difícil de cumplir.128 Los parámetros y describen, una sola propiedad del solvente, mientras

que el parámetro * describe una combinación de propiedades, la polaridad y la polarizabilidad del

solvente. Uno de los inconvenientes de este parámetro, es que debe incorporarse un término de

corrección, , para hacer la escala aplicable a la serie completa de solventes, es por ello, que este

parámetro solamente toma valores de 1,0 para solventes aromáticos y 0,5 para solventes

halogenados.

Diversos autores han utilizado el procedimiento propuesto por Kamlet y Taft, para

racionalizar el efecto del solvente observado en reacciones en las que está involucrado el

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Introducción

O2(1g),129 mientras otros hacen uso de la ecuación solvatocrómica, para postular mecanismos

consistentes con las propiedades que afectan la velocidad del proceso.113,130

2.6 Foto y Genotoxicidad del Oxígeno Molecular Singulete, O2(1g).

En la década de los 70, algunos autores sugirieron la posibilidad de que el O2(1g)

se puede generar in vivo, por vía enzimática,131,132 pero sólo en la década de los ochenta, al

observar el espectro o la emisión a 1270 nm del oxígeno excitado, se demostró su presencia en

forma inequívoca e irrefutable, en reacciones enzimáticas.133-135 Se ha propuesto que varias

enzimas, tanto animales como vegetales, acopladas a peróxido de hidrógeno e iones cloruro, son

capaces de generar O2(1g) en organismos vivos,39 además, se ha mostrado que algunos

aminoácidos generan O2(1g), al ser excitados a 266 nm.136 Recientemente, se ha reportado que la

fotoinhibición de la fotosíntesis, in vivo, resulta en la generación de O2(1g).137 La detección in vivo

del O2(1g), en el metabolismo de algunas sustancias reconocidamente fototóxicas, permitiría

adjudicarle cierto grado de responsabilidad directa, en procesos fototóxicos y fotoalérgicos.8,138

En relación con los fenómenos oxidativos a nivel celular, la mayor parte de los

procesos biológicos complejos que toman parte, implicarían la participación o de radicales libres

y/o de especies reactivas del oxígeno. La fotosensibilización3 a nivel celular compromete varios

fenómenos, tales como el acceso y transporte de la especie sensibilizadora al lugar de acción,

donde podrá enlazarse, agregarse o incluso metabolizarse. Luego, tras absorber radiación, se

generarán especies excitadas, que pueden reaccionar con biomoléculas presentes en el ambiente

celular, causando modificaciones en la función celular, entre las cuales puede mencionarse la

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Introducción

formación de células tumorales, la mutagénesis, los procesos de envejecimiento y la aparición de

estados inflamatorios.4,13

Se ha reportado que el tiempo de vida del oxígeno molecular singulete en tejidos,

es algo menor que 0,5 s,139 lo que, en un microambiente celular, le permitiría difundir alrededor

de 1000 Å.140 Se ha informado también, que esta especie excitada, es capaz de difundir distancias

apreciables en membranas, donde se ubican preferentemente los sensibilizadores liposolubles. Se

ha estimado que en monocapas de estearato, la distancia promedio, que puede difundir el O2(1g),

es del orden de 115 Å,141 y que es capaz de cruzar sin dificultad las bicapas de vesículas de

DODAC, de alrededor de 50 Å.142

El O2(1g) se encuentra presente en sistemas biológicos, generado por el mismo

sistema o por agentes externos, y su formación habitualmente va acompañada de especies de

carácter radicalario y vida corta, como radicales hidroxilo, anión superóxido, radicales alcóxido,

radicales hidroperóxido y de otras de naturaleza no radicalaria como el peróxido de hidrógeno. En

general al conjunto de todas ellas, se les denomina especies reactivas del oxígeno.4 Este conjunto

relativamente pequeño de especies reactivas del oxígeno, es capaz de interaccionar con un gran

número de compuestos orgánicos en sistemas biológicos. Cuando el sistema, por un motivo u

otro, es incapaz de mantener el balance normal de este grupo de especies, el fenómeno se

denomina estrés oxidativo.

Como defensa ante los procesos oxidativos, los sistemas biológicos cuentan con

una amplia gama de compuestos desactivantes del O2(1g), entre ellos se encuentran por ejemplo

los carotenoides y los tocoferoles.143 Los primeros, protegen a los organismos fotosintéticos, de los

efectos letales de su propia clorofila, que es un eficiente generador de O2(1g), pero también se

hayan presentes en organismos no fotosintéticos, como protección contra la acción de

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Introducción

fotosensibilizadores endógenos y exógenos.144 En relación con los tocoferoles, estos junto a otros

fenoles, han sido ampliamente estudiados,143 y su reactividad frente al O2(1g), involucra tanto

reacción química como desactivación física, variando la relación entre ambos procesos, aunque

siempre la desactivación física es el proceso predominante. Por ejemplo el -tocoferol es un muy

buen desactivante del O2(1g), con constantes de velocidad total del orden de 108 M-1 s-1. Debe

mencionarse que estos compuestos, protegen a los lípidos del daño oxidativo, causado por el

O2(1g) y otras especies reactivas del oxígeno.144

Los compuestos orgánicos constituyentes del material biológico y capaces de

reaccionar con el O2(1g), corresponden a DNA, ácidos nucleicos, proteínas, aminoácidos y lípidos

entre otros.

El oxígeno molecular singulete, presenta todas las características necesarias para

comportarse como una especie genotóxica.7 Al igual que los radicales hidroxilo y otros radicales

centrados en un átomo de oxígeno, reacciona en forma muy eficiente con el DNA, pudiendo ser

generado en regiones próximas a éste, es decir en el interior de la célula, tanto a través de

mecanismos que involucran oxidación enzimática como aquellos en que se da la

fotosensibilización. La naturaleza del daño suele ser bastante compleja. Como ya se mencionó,

esta especie excitada del oxígeno en su primer estado singulete, a diferencia de su estado basal,

no presenta características dirradicálicas, por lo que las modificaciones que el O2(1g), provoca

sobre el DNA, son de naturaleza totalmente diferente las causadas por el radical hidroxilo. La base

que con mayor facilidad se consume en este tipo de procesos es la guanina, y se reporta que

preferentemente, se generan residuos de guanina modificados,7 especialmente 8-hidroxiguanina,

cuyas propiedades explicarían el tipo predominante de mutaciones observadas en células cuyo

DNA ha sido sometido a modificaciones por la acción del O2(1g). Otras bases como la adenina y

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Introducción

la citosina son estables frente a la oxidación. Por supuesto el daño a nivel del DNA, se traduce en

daño a nivel cromosómico, manifestándose en rupturas cromosómicas, que se observan en

enfermedades como por ejemplo el Lupus Eritomatoso.145

En el daño oxidativo de proteínas y aminoácidos, se ha descrito en la literatura una

serie de procesos reversibles. En el caso de la metionina y de los derivados tiólicos,146 los

productos de la oxidación a través de procesos reductivos enzimáticos regeneran los reactivos de

partida, pero se han reportado otros casos, en que el daño oxidativo provocado es irreversible, por

ejemplo la ruptura de anillos en la histidina y el triptofano.144

Un gran número de fotosensibilizadores son liposolubles, motivo por el cual las

membranas celulares son un blanco importante, incluidas por ejemplo las membranas de las

lizosomas y las mitocondrias.147,33 Los productos generados en el proceso de lipoperoxidación son

muy variados, por ruptura de cadena y oxidación recurrente, se forman alcanos, alquenos,

hidroperóxidos, aldehídos, dicarbonilos; por reordenamiento se forman entre otros hidroxiácidos,

cetoácidos, además de productos de dimerización y polimerización.4

Como consecuencia de todos los antecedentes previamente mencionados, y

sabiendo de la presencia habitual de compuestos que no corresponden en forma natural al

sistema, como los xenobióticos, especialmente aquellos con algún tipo de actividad farmacológica,

es importante e interesante conocer la capacidad que ellos presentan para generar O2(1g). Por

otra parte, si se tiene en cuenta que esta especie excitada del oxígeno puede estar ya presente en

el medio celular, resulta importante conocer la reactividad de estos compuestos frente al O2(1g).

Por una parte, podrían comportarse como buenos desactivantes de éste y contribuir a la

protección del sistema, y por otro lado si la desactivación del O2(1g), por estas especies ocurre

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Introducción

primordialmente a través de la vía reactiva, es importante conocer cuáles son las características

de los nuevos compuestos, formados al interior del sistema.

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Introducción

1 INTRODUCCIÓN..............................................................................................................................................1

2 OXÍGENO MOLECULAR SINGULETE, O2(1G).........................................................................................9

2.1 ANTECEDENTES HISTÓRICOS...........................................................................................................................92.2 PROPIEDADES DEL OXÍGENO MOLECULAR SINGULETE, O2(1G)...................................................................10

2.2.1 Estructura Electrónica.............................................................................................................................102.2.2 Transiciones Electrónicas........................................................................................................................13

2.3 GENERACIÓN DE O2(1G)...............................................................................................................................142.3.1 Generación de O2(1g), por Fotosensibilización......................................................................................152.3.2 Rendimiento Cuántico de Generación de O2(1g) en Solución, ..........................................................19

2.3.2.1 Determinación de Rendimientos Cuánticos de Generación de O2(1g), ....................................................252.3.2.1.1 Fotooxidación en Condiciones de Irradiación Estacionaria......................................................................252.3.2.1.2 Intensidad de la Luminiscencia Infrarroja Resuelta en el Tiempo............................................................28

2.4 MECANISMOS DE DESACTIVACIÓN DEL OXÍGENO MOLECULAR SINGULETE................................................302.4.1 Desactivación Radiativa del O2(1g), kP.................................................................................................302.4.2 Interacción del O2(1g) con el Solvente....................................................................................................322.4.3 Interacción del O2(1g) con Sustratos Reactivos......................................................................................34

2.4.3.1 Desactivación por Transferencia de Energía..................................................................................................362.4.3.2 Desactivación por Transferencia de Carga.....................................................................................................37

2.4.3.2.1 Reacción del O2(1g) con Aminas.............................................................................................................372.4.3.3 Desactivación por Reacciones de Adición......................................................................................................40

2.4.3.3.1 Reacción del O2(1g) con Imidazoles........................................................................................................422.4.3.3.2 Reacción del O2(1g) con Furanos.............................................................................................................43

2.5 EFECTO DEL SOLVENTE SOBRE REACCIONES EN LAS QUE PARTICIPA EL O2(1G).........................................442.6 FOTO Y GENOTOXICIDAD DEL OXÍGENO MOLECULAR SINGULETE, O2(1G).................................................46

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