Solvent effects on de-excitation channels in the p-coumaric acid methyl ester anion, an analogue of the photoactive yellow protein (PYP) chromophore

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Title: Solvent effects on de-excitation channels in the p-coumaric acid methyl ester anion, an analogue of the photoactive yellow protein (PYP) chromophore
Author: Muñoz Losa, Aurora; Fernández García-Prieto, Francisco; Sánchez Mendoza, María Luz; Martín Navarro, María Elena; Aguilar Espinosa, Manuel Ángel
Abstract: En un intento por arrojar luz sobre los efectos ambientales en los canales de desactivación del cromóforo PYP, se comparan los mecanismos de desactivación radiativa y no radiactiva del éster metílico del ácido p- cúmico aniónico (pCE - ) en la fase gaseosa y la solución acuosa en el CASPT2 // CASSCF / cc-pVDZ nivel y, cuando sea necesario, a nivel CASPT2 // CASPT2 / cc-pVDZ. Encontramos que el solvente produce modificaciones dramáticas en el perfil de energía libre del estado S1. Dos estructuras retorcidas que son mínimas en la fase gaseosa no pudieron ser localizadas en solución acuosa. Además, la estabilidad relativa de los mínimos y las intersecciones cónicas (IC) se revierte con respecto a los valores de la fase gaseosa, lo que afecta a las rutas de desactivación prevalentes. Como consecuencia de estos cambios, se abren tres canales de de-excitación competitivos en solución acuosa: la emisión de fluorescencia desde un mínimo planar en S1, la fotoisomerización trans - cis a través de un IC que implica la rotación del doble enlace de vinilo y el no desvitación radiativa, no reactiva, a través de la IC asociada a la rotación del enlace simple adyacente al grupo fenilo. En la fase gaseosa, los mínimos son las estructuras con menor energía, mientras que en solución la estructura CI β , caracterizada por una gran separación de cargas, se estabiliza fuertemente mediante interacciones con moléculas de agua y se convierte en la estructura con la energía más baja en S1. Estos hechos explican la baja señal de fluorescencia de pCE - en solución acuosa y la presencia de fotoisomerización trans - cis parcial en este sistema.In an attempt to shed light on the environmental effects on the deactivation channels of the PYP chromophore, radiative and non-radiative deactivation mechanisms of the anionic p-coumaric acid methyl ester (pCE−) in the gas phase and water solution are compared at the CASPT2//CASSCF/cc-pVDZ level and, when necessary, at the CASPT2//CASPT2/cc-pVDZ level. We find that the solvent produces dramatic modifications on the free energy profile of the S1 state. Two twisted structures that are minima in the gas phase could not be localized in aqueous solution. Furthermore, the relative stability of minima and conical intersections (CIs) is reverted with respect to the gas phase values, affecting the prevalent de-excitation paths. As a consequence of these changes, three competitive de-excitation channels are open in aqueous solution: the fluorescence emission from a planar minimum on S1, the trans–cis photoisomerization through a CI that involves the rotation of the vinyl double bond and the non-radiative, non-reactive, de-excitation through the CI associated with the rotation of the single bond adjacent to the phenyl group. In the gas phase, the minima are the structures with lower energy, while in solution the CIβ structure, characterized by a large charge separation, is strongly stabilized by interactions with water molecules and becomes the structure with the lowest energy on S1. These facts explain the low fluorescence signal of pCE− in aqueous solution and the presence of partial trans–cis photoisomerization in this system.
URI: http://hdl.handle.net/10662/7573
Date: 2016


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