Solvation and Protonation of Coumarin 102 in Aqueous Media - a Fluorescence Spectroscopic and Theoretical Study

The ground and excited state protonation of Coumarin 102 (C102), a fluorescent probe applied frequently in heterogeneous systems with an aqueous phase, has been studied in aqueous solutions by spectroscopic experiments and theoretical calculations. For the dissociation constant of the protonated form in the ground state, was obtained from the absorption spectra, for the excited state dissociation constant was obtained from the fluorescence spectra. These values were closely reproduced by theoretical calculations via a thermodynamic cycle – the value of also by calculations via the Förster cycle - using an implicit-explicit solvation model (polarized continuum model + addition of a solvent molecule). The theoretical calculations indicated that (i) in the ground state C102 occurs primarily as a hydrogen bonded water complex, with the oxo group as the binding site, (ii) this hydrogen bond becomes stronger upon excitation; (iii) in the ground state the amino nitrogen atom, in the excited state the carboxy oxygen atom is the protonation site. A comprehensive analysis of fluorescence decay data yielded the values kpr = 3.271010 M-1 s 1 for the rate constants of excited state protonation, and kdpr = 2.78108 s-1 for the rate constant of the reverse process (kpr and kdpr were treated as independent parameters). This, considering the relatively long fluorescence lifetimes of neutral C102 (6.02 ns) and its protonated form (3.06 ns) in aqueous media, means that a quasi-equilibrium state of excited state proton transfer is reached in strongly acidic solutions

Solvent Induced Shifts in the UV Spectrum of Amides

Solvent effects on the electronic spectra of formamide and trans-N-methylacetamide are studied using four different levels of theory: singly excited configuration interaction (CIS), equations of motion coupled-cluster theory with singles and doubles (EOM-CCSD), completely renormalized coupled-cluster theory with singles and doubles with perturbative triple excitations (CR-EOM-CCSD(T)), and time-dependent density functional theory (TDDFT), employing small clusters of water molecules. The simulated electronic spectrum is obtained via molecular dynamics simulations with 100 waters modeled with the effective fragment potential method and exhibits a blue-shift and red-shift, respectively, for the n → π* and πnb → π* vertical excitation energies, in good agreement with the experimental electronic spectra of amides

Labelling of proteinaceous binders in art

Easel paintings are important Cultural Heritage assets with significant historic and cultural value. They usually possess a multi-tiered structure, composed of different layers, some of which may present protein binders. Proteins have been commonly used as paintings medium, adhesives and coating layers in easel paintings. Hence, their recognition is a crucial step for easel painting’s conservation and restoration processes. The present work presents a novel fluorescent labelling methodology, using a coumarin derivative chromophore, C392STP (sodium (E/Z)-4-(4-(2-(6,7- dimethoxycoumarin-3-yl)vinyl)benzoyl)-2,3,5,6-tetrafluorobenzenesulfonate) as a fluorophore probe to bond proteinaceous binders used in paintings. The method was developed and optimized using commercial proteins and proteins extracted from hen’s egg yolk and white, bovine milk, and rabbit skin. In order to mimic the real conditions, paint models of easel paintings have been prepared by mixing proteins such as ovalbumin, casein and rabbit glue with different pigments (lead white, chrome yellow and black bone) and the fluorescent labelling method was miniaturized and tested. The results revealed that proteins in concentration as low as 6.0 μg/ml could be detected. Finally, for validation methodology, real micro samples of easel paintings were analyzed. The extracted proteins were submitted to the fluorescent labelling method developed and clearly identified in electrophoretic profiles. The results evidence the applicability of this methodology as an effective and useful analytical tool for the identification of protein binders obtained from easel paintings and, possibly in other art work. Additionally, theoretical quantum chemical calculations based on the Density Functional Theory (DFT) and Time Dependent Density Functional Theory (TD-DFT) have been performed in the C392STP coumarin and in a related coumarin derivative ((E/Z)-4-(2-(6,7- dimethoxycoumarin-3- yl)vinyl)-N-propylbenzamide), that mimics the coumarin bonded to lysine. The calculations confirm the experimental trends in absorption wavelengths and are in good agreement with the experimental absorption spectra, providing a comprehensive characterization of the main spectral features of the studied compounds; RESUMO: Identificação de ligantes proteicos em arte As pinturas de cavalete são um componente importante do Património Cultural, com um significativo valor histórico e cultural. Geralmente possuem uma estrutura composta por diferentes camadas, algumas das quais podem apresentar ligantes proteicos. As proteínas surgem geralmente em pinturas de cavalete como meio de suporte da pintura, adesivos e camadas de revestimento. A sua identificação é, portanto, um passo crucial para os processos de conservação e restauração da pintura de cavalete. O presente trabalho apresenta uma nova metodologia de marcação fluorescente, utilizando um cromóforo derivado da cumarina, C392STP ((E/Z)-4-(2-(6,7- dimetoxicoumarin-3-yl)vinil)-N-propilbenzamida) como sonda fluorescente para marcar os ligantes proteicos usados em pinturas. O método foi desenvolvido e otimizado utilizando proteínas comerciais e proteínas extraídas da gema e clara de ovo de galinha, de leite de bovino e de pele de coelho. Para simular as condições reais, foram preparados modelos de pintura de pinturas de cavalete, misturando-se proteínas como ovalbumina, caseína e cola de coelho, com diferentes pigmentos (branco de chumbo, amarelo de crómio e negro de osso) e o método de marcação fluorescente foi miniaturizado e testado. Com base nos resultados obtidos, o método revelou-se capaz de detetar proteínas a concentração tão baixa quanto 6,0 μg / ml. Finalmente, para validação do método, foram analisadas micro amostras reais de pinturas de cavalete. As proteínas extraídas foram submetidas ao método de marcação fluorescente desenvolvido, tendo sido claramente identificadas em perfis eletroforéticos. Os resultados evidenciam a aplicabilidade desta metodologia como uma ferramenta analítica eficaz e útil para a identificação de ligantes proteicos extraídos de pinturas de cavalete e, possivelmente, de outras obras de arte. Adicionalmente, foram realizados cálculos quânticos baseados na Teoria Funcional da Densidade (DFT) e na Teoria do Funcional da Densidade Dependente do Tempo (TD-DFT) da cumarina C392STP de um derivado desta cumarina, ((E/Z)-N-propyl-4-(2-(6,7-dimethoxy-2-oxo-2H-chromen-3-yl)vinyl)benzamide)), que modela a cumarina ligada a lisina. Os cálculos confirmam as tendências experimentais observadas nos comprimentos de onda de absorção e estão de acordo com os espectros de absorção experimentais, fornecendo uma caracterização abrangente das principais características espectrais dos compostos estudados

Advanced functional materials based on liquid crystal dendrimers: novel dendritic architectures for applications in material science and biomedicine

Los dendrímeros constituyen en la actualidad un área de extraordinario interés en la investigación de materiales funcionales. El uso de los cristales líquidos como agentes capaces de promover la ordenación de las unidades activas presentes dentro de la estructura dendrítica puede dar lugar a la creación de un nuevo tipo de materiales orgánicos con aplicaciones tanto en Ciencia de Materiales como en Biomedicina.El objetivo principal de esta tesis ha sido la obtención de nuevos materiales funcionales a partir de dendrímeros cristales líquidos para su aplicación como semiconductores orgánicos, para la obtención de materiales conductores de protones, para la preparación de membranas nanoporosas y para aplicaciones biomédicas.CAPÍTULO 1: SEMICONDUCTORES ORGÁNICOS BASADOS EN DENDRÍMEROS CRISTALES LÍQUIDOS CON NÚCLEO DE PORFIRINALos materiales orgánicos resultan muy atractivos en el campo de la electrónica molecular para la fabricación de celdas fotovoltaicas (OPVs), diodos orgánicos emisores de luz (OLEDs) o transistores orgánicos de efecto campo (OFETs). Estos dispositivos, cuya capa activa está basada en moléculas orgánicas π-conjugadas, requieren de una estructura interna bien organizada para poder desempeñar óptimamente su función. Los cristales líquidos pueden ser empleados como una valiosa herramienta para el desarrollo y procesado de materiales funcionales en los que el control de la organización molecular sea esencial para la mejora de determinadas propiedades.En este contexto, se sintetizaron y caracterizaron dendrímeros que poseen un núcleo de porfirina y unidades funcionales de cumarina en la periferia mediante química covalente. Estos sistemas, que son mucho más estables en comparación con los supramoleculares, presentaron un comportamiento cristal líquido nemático discótico. Además, presentaron efecto antena, con una eficiencia de aprox. 20%, donde las cumarinas de la periferia actúan como dadores al núcleo central de porfirina. También estos compuestos presentaron altos valores de movilidad de carga (los más altos descritos hasta la fecha para este tipo de mesofase).Pese a los buenos resultados obtenidos, los sistemas covalentes presentan una síntesis y purificación laboriosa. Por ello, se buscó la mejora de su síntesis por medio de química ‘click’, obteniendo una nueva familia de productos con rendimientos superiores al 75%. Utilizando esta nueva aproximación, se sintetizaron dendrímeros con núcleo de porfirina y con unidades de carbazol en la periferia. Así mismo, la modificación de la estructura química de la cumarina permitió aumentar la eficiencia del efecto antena (>90%).CAPÍTULO 2: DENDRÍMEROS CRISTALES LÍQUIDOS IÓNICOS COMO MATERIALES CONDUCTORES DE PROTONESEl desarrollo de sistemas de almacenamiento electroquímico de energía fácilmente transportable es un área de intensa investigación hoy en día. Para la construcción de este tipo de dispositivos es necesario el desarrollo de nuevos electrolitos que proporcionen un eficiente transporte de iones. La nanosegregación presente en las organizaciones cristal líquido es una prometedora estrategia para la preparación de nuevos electrolitos sólidos ya que las moléculas con comportamiento mesógeno pueden tener partes iónicas, que puedan dar lugar a canales iónicos, permitiendo un transporte de iones.En este capítulo se evaluó por primera vez el uso de dendrímeros cristales líquidos iónicos para la preparación de materiales conductores uni- y bidimensionales de protones. Para ello, se sintetizó una nueva familia de dendrímeros cristales líquidos iónicos basados en la unión de núcleos de poli(amidoamina) (PAMAM) con un dendron bifuncional que contiene unidades fotodimerizables de cumarina. La preparación se ha realizado siguiendo una aproximación supramolecular (enlace iónico), que ha demostrado ser sencilla, cuantitativa y versátil si se compara con la preparación mediante química covalente. Todos los dendrímeros presentaron comportamiento cristal líquido que puede ser modulado modificando la generación del núcleo de PAMAM utilizado, dando lugar a mesofases esmécticas A para generaciones bajas y a mesofases columnares hexagonales al aumentar la generación.La reacción de fotodimerización de las unidades de cumarina se utilizó como reacción de entrecruzamiento para obtener redes poliméricas cristal líquido. Todos los materiales preparados presentaron buenas propiedades de conducción ya que el orden cristal líquido lleva a la formación de áreas nanosegregadas que favorecen el transporte de protones.CAPÍTULO 3: MATERIALES NANOPOROSOS BASADOS EN DENDRÍMEROS CRISTALES LÍQUIDOS SUPRAMOLECULARESLos materiales nanoporosos despiertan un gran interés debido a sus aplicaciones en campos diversos como son la filtración y purificación de aguas, procesos de separación, catálisis o almacenamiento de gases. Para preparación de sistemas con poros del orden de 1 nm o inferior, los cristales líquidos suponen una prometedora herramienta ya que combinan una autoorganización en dimensiones nanoscópicas junto con un fácil procesado en dimensiones macroscópicas.Con este objetivo, se sintetizaron y caracterizaron complejos supramoleculares (via enlaces de hidrógeno) a partir de diferentes moléculas plantilla y un dendrón funcional que contiene unidades fotodimerizables de cumarina. Estos complejos supramoleculares presentaron mesomorfismo columnar hexagonal y con ellos fue posible obtener redes poliméricas mediante un proceso de fotodimerización de las unidades de cumarina. Las redes obtenidas conservaron el mesomorfismo columnar exhibido por los complejos supramoleculares.Posteriormente, tras la eliminación de las moléculas plantilla por tratamiento químico, se obtuvieron polímeros porosos con poros de tamaño controlado que mantienen el orden inducido por el empaquetamiento cristal líquido presente en las redes poliméricas precursoras. Los materiales porosos obtenidos demostraron ser capaces de discriminar entre distintas moléculas en función de su tamaño. Además, debido a la presencia de ácidos carboxílicos en la superficie del poro, fue posible modificar la “química del poro”, pudiendo variar la selectividad de la membrana hacia determinados analitos.CAPÍTULO 4: NUEVAS ARQUITECTURAS DENDRÍTICAS PARA APLICACIONES BIOMÉDICASEl transporte y liberación de fármacos permite tratar diversas enfermedades de forma más específica reduciendo de esta forma los efectos secundarios de los tratamientos. Para ello se requiere el uso de nano-transportadores poliméricos. De entre todas las variedades de polímeros capaces de autoensamblarse en agua, los dendrímeros son unos prometedores candidatos ya que han sido descritos como “cajas moleculares” con varias aplicaciones farmacéuticas como potenciadores de la solubilidad, agentes de contraste en imagen por resonancia magnética, transporte de fármacos, terapia fotodinámica, etc.En este contexto, se sintetizaron y caracterizaron dendrímeros híbridos covalentes e iónicos a partir de dendrímeros comerciales de poli(amidoamina) (PAMAM) y un dendrón bifuncional que contiene cumarina. La naturaleza hidrófila de estos dendrímeros les confiere un carácter anfífilo que les permite autoensamblarse en agua generando micelas esféricas. Además, la incorporación en la estructura química de los dendrímeros de un cromóforo fluorescente (cumarina) dota a estas micelas de luminiscencia sin necesidad de un marcador externo.<br /

Turn on fluorescence sensing of Zn2+ based on fused isoindole-imidazole scaffold

Optical chemosensors caused a revolution in the field of sensing due to their high specificity, sensitivity, and fast detection features. Imidazole derivatives have offered promising features in the literature as they bear suitable donor/acceptor groups for the selective analytes in the skeleton. In this work, an isoindole-imidazole containing a Schiff base chemosensor (1-{3-[(2-Diethylamino-ethylimino)-methyl]-2-hydroxy-5-methyl-phenyl}-2H-imidazo[5,1-a]isoindole-3,5-dione) was de-signed and synthesized. The complete sensing phenomena have been investigated by means of UV-Vis, fluorescence, lifetime measurement, FT-IR, NMR and ESI-MS spectroscopic techniques. The optical properties of the synthesized ligand were investigated in 3:7 HEPES buffer:DMSO medium and found to be highly selective and sensitive toward Zn2+ ion through a fluorescence turn-on response with detection limit of 0.073 µm. Furthermore, this response is effective in gel form also. The competition studies reveal that the response of the probe for Zn2+ ion is unaffected by other relevant metal ions. The stoichiometric binding study was performed utilizing Job’s method which indicated a 1:1 sensor–Zn2+ ensemble. Computational calculations were performed to pinpoint the mechanism of sensin