Theoretical studies of the excited state of organic molecules in solvent

Absorção e Emissão de radiação eletromagnética por moléculas na região do UV-Vis fornece informações sobre os estados eletrônicos excitados, sendo propriedades de grande interesse devido a sua relação com processos biológicos, bem como suas possíveis aplicações em diagnósticos e tecnologia. Essas propriedades são sensíveis ao meio em que as moléculas se encontram, tornando-se assim natural a busca por métodos teóricos que possibilitam descrever essas interações. Neste trabalho, nós usamos a metodologia Sequential-Quantum Mechanics/Molecular Mechanics para estudar o espectro de absorção e de emissão de moléculas de relevância biológica, quando em solução. Simulações clássicas Monte Carlo foram usadas pra construir uma configuração eletrostática média do líquido para posterior cálculo das propriedades, feito através dos métodos multiconfiguracionais CASSCF e CASPT2. Cuidados especiais foram tomados para incluir a polarização eletrônica que o soluto sofre devido à presença do solvente. Nossa contribuição é a adaptação do método do Gradiente de Energia Livre para permitir a obtenção de geometrias de estados excitados do soluto em solução. A técnica foi implementada em um programa e aplicada com sucesso nos sistemas estudados. As perspectivas agora se abrem para a obtenção de intersecções cônicas em meio solvente, permitindo assim o estudo de decaimentos não-radiativos em sistemas solvatados.Absorption and emission of electromagnetic radiation by molecules in the UV-Vis region yields information about the electronic excited states, being properties of great interest due its relation with biological process, as well as its possible applications in diagnostics and technology. These properties are sensible to the environment in which the molecules are, making natural the search for theoretical methods that describe these interactions. In this work, we have used the Sequential-Quantum Mechanics/Molecular Mechanics methodology to study the spectrum of absorption and emission of molecules of biological relevance, when in solution. Classical Monte Carlo simulations were carried out to construct an average solvent electrostatic configuration and used to represent the liquid in posterior quantum mechanics calculation of the properties, performed by using the multiconfigurational methods CASSCF and CASPT2. Special cares were taken to include the electronic polarization of the solute due the solvent. Our contribution is the adaptation of the Free Energy Gradient method to allow the determination of the solute excited states geometries in solution. The method was implemented in a computer program and successfully applied in the systems studied. The perspectives are now open to the calculation of conical intersection in solvent environment, enabling the study of nonradioactive decays in solvated systems

Solvent Effect on the 5-fluorouracil absorption spectrum, Analysis od different theoretical procedures

A molécula 5-fluorouracil (5FU) é muito utilizada em tratamentos de câncer. Seu espectro de absorção é caracterizado por duas bandas de diferentes intensidades, as transições n-p* e p-p*, e seu estudo em diferentes solventes é de considerável importância para compreender a fotofísica do estado excitado. Este é o primeiro passo essencial para obter a caracterização da dinâmica de emissão. Neste trabalho, nós estudamos teoricamente o espectro de absorção da 5FU em dois solventes, água e acetonitrila, usando o método Sequential Quantum Mechanics/ Molecular Mechanics (SQM/MM). Uma etapa importante para uma simulação realista é a polarização do soluto pelo solvente. Neste estudo, esta polarização foi obtida usando dois modelos: Polarizable Continuum Model (PCM), que é uma alternativa simples e um método iterativo usando Average Solvent Electrostatic Configuration (ASEC). Após isso, simulações usando Monte Carlo Metrópolis no ensemble NVT em condições normais de temperatura e pressão foram realizadas e configurações estatisticamente descorrelacionadas separadas para subsequentes cálculos de Mecânica Quântica usando diversos métodos: Configuration Interaction (CI), Time Dependent Density Functional Theory (TD-DFT) e um método semi-empírico (INDO/CIS). Os espectros calculados em ambos os solventes foram obtidos em mais de uma aproximação: contínua, discreta e explícita. Os resultados estão em boa concordância com os valores experimentais e enfatizam a importância da inclusão de moléculas de solvente explícitas nos cálculos. Nós especialmente notamos que em solventes, a transição n-p* é deslocada para o azul enquanto a transição p-p* é deslocada para o vermelho, indicando uma tendência para reversão dessas duas bandas se comparadas à fase gasosa. Isto aponta para diferenças na fotofísica, dependendo da polaridade do solvente. Os resultados também permitem uma avaliação dos diferentes procedimentos teóricos utilizados.The 5-fluorouracil molecule is very used in cancer treatment. Its absorption spectrum is characterized by two broad bands of different intensities, the n-p* and p-p* transitions, and its study in different solvents is of considerable importance for the understanding of the photophysics of the excited state. It is the first essential step for obtaining the characterization of the emission dynamics. In this work we have theoretically studied the absorption spectrum of 5FU in two solvents, water and acetonitrile, using the Sequential Quantum Mechanics/Molecular Mechanics method (SQM/MM). An important step for a realistic simulation is the polarization of the solute by the solvent. In this study, this polarization was obtained by using two models: Polarizable Continuum Model (PCM), which is a simple alternative, and an iterative method using the Average Solvent Electrostatic Configuration (ASEC). After this, Monte Carlo Metropolis simulations in the NVT ensemble in normal conditions of temperature and pressure were made and statistically uncorrelated configurations sampled for the subsequent Quantum Mechanics calculations using several methods: Configuration Interaction (CI), Time Dependent Density Functional Theory (TD-DFT) and a semiempirical method (INDO/CIS). The calculated spectra in both solvents were obtained using more than one approach: continuum, discrete and explicit. The results are in good agreement with experimental values and emphasize the importance of explicitly including solvent molecules. We specially note that in solvents, the n-p* is blue-shifted and the p-p* transition is red-shifted leading to a tendency for reversal of these two bands compared to gas phase. This points to differences in the photophysics, depending on the solvent polarity. The results also allow an evaluation of the different theoretical procedures used