Photochemical and photophysical reaction dynamics of chemical and biological systems
- Autores: Felipe Zapata Ruiz
- Directores de la Tesis: Luis Manuel Frutos Gaite (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Alcalá ( España ) en 2014
- Idioma: inglés
- Tribunal Calificador de la Tesis: Enrique Lomba García (presid.), Obis Dionisio Castaño González (secret.), Manuel Pastor Maeso (voc.), José Manuel García de la Vega (voc.), Michael Bearpark (voc.)
- Materias:
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- Resumen
- español
El proyecto realizado en esta Tesis consiste en el desarrollo y aplicación de metodologías teóricas y computaciones, usadas en la descripción estática y dinámica de procesos fotofísicos y fotoquímicos de compuestos químicos y de interés biológico. Estas metodologías computacionales fueron implementadas aplicando técnicas punteras usadas en el campo de la ciencia de la computación. La presente Tesis se compone de 4 bloques principales. El primero de estos bloques estudia el proceso de transferencia de energía intermolecular, especialmente transferencia de energía triplete. Por su parte, el segundo bloque examina los mecanismos y comportamiento dinámico de dos procesos biológicos fotoinducidos de intereses tecnológico. Mientras el tercer bloque, consiste en el estudio del efecto de fuerzas externas sobre las propiedades espectroscópicas de los sistemas moleculares. Finalmente, el último bloque considera el diseño de dispositivos moleculares que usan cambios conformacionales fotoinducidos en la generación de movimiento controlado. En la sección de transferencia de energía ha sido estudiado el problema de encontrar las principales coordenadas moleculares que modulan de forma eficiente el proceso de transferencia de energía triplete. Así mismo, se llevó a cabo una aproximación dinámica al proceso de transferencia energía triplete a temperatura constante, que completa el estudio estático llevado a cabo en la primera parte de la sección. En la primer parte del segundo bloque, se lleva a cabo la caracterización estática y dinámica de modelos moleculares en el estudio de los fenómenos de quimioluminiscencia y bioluminiscencia. Donde se analiza en detalle el mecanismo de descomposición concertado de la familia de 1,2-dioxetanes, Por su parte, en la segunda sección de este bloque es analizado el efecto del ambiente proteico en la emisión de fluorescencia de la proteína fluorescente IrisFP. En el tercer bloque de la presente Tesis ha sido explorado la respuesta fotodinámica de sistemas moleculares al efecto de una fuerza externa. Discutiendo en detalle el efecto sobre el cambio de la reactividad química a causa de la disrupción del sistema molecular por parte de la fuerza externa. Simultáneamente, se muestran los resultados obtenidos con respecto al cambio en las propiedades espectroscópicas debidos a la fuerza externa y se plantea su posible aprovechamiento en aplicaciones tecnológicas Finalmente en el último bloque del presente trabajo, se expone el diseño y operación de dispositivos moleculares como motores e interruptores controlados mediante ciclos fotoinducidos, controlado la rotación unidireccional en el caso de los motores moleculares a través de puentes de hidrógenos.
- English
In this thesis we present a set of theoretical methodologies focused on photophysical and photochemical phenomena, which were implemented and subsequently applied to a collection of chemical and biological relevant systems.
The developments and applications are divided in four sections which are: energy transfer, dynamical studies of photoreactivity in biological systems, photochemical response to external forces and finally dynamical behaviour of molecular devices.
In the energy transfer section it is tackle the problem of finding which molecular coordinates modulates more efficiently the triplet energy transfer process (i.e. the triplet energy transfer reaction coordinate), together with a dynamical approach to the energy transfer at constant temperature.
The photochemical dynamics section firstly deals with the static and dynamical characterization of a minimal molecular model to study the phenomena of chemiluminescence and bioluminescence. Then the preliminary results of the simulations of fluorescence in the IrisFP are shown.
Subsequently the photodynamical response to external forces section contains a discussion on the effect of external forces in the reactivity of molecular systems, as well as change of spectroscopic properties.
Finally it is considered the design and operation of molecular motors control by light irradiation, where molecular simulations are used as a characterization tool of their properties.
Additionally, it was developed a set of programs focused on modularity, parallelism and readability, aiming to perform the numerical simulations described in this thesis.
- español
