A TFD está baseada no uso de um fármaco fotossensível que, uma vez ativado por luz visível e na presença do oxigênio, induz a produção de espécies reativas de oxigênio tais como o radical peroxila, o ânion radical superóxido e o radical hidroxila (Tipo I) ou oxigênio singlete (Tipo II), que atuam diretamente sobre os sistemas biológicos, induzindo a morte da célula por processo necrótico ou apoptótico. A maioria dos tipos de tumores responde ao tratamento e os resultados são promissores. Entretanto, órgãos altamente pigmentados e vísceras maciças (fígado, baço, rins e medula óssea) impedem a penetração da luz visível para o tratamento, o que representa um tipo de resistência aos protocolos da Terapia Fotodinâmica. Torna-se necessário, portanto, procurar por novos agentes fotossensibilizadores. Estudos mostraram que a ação fotodinâmica induz mudanças diretas na membrana celular que levam a um desequilíbrio na homeostase iônica celular (íons sódio, potássio e cálcio), o que certamente leva a um dano no transporte de proteínas da membrana plasmática e, em última análise, a um stress osmótico irreversível. Neste trabalho, procurou-se determinar a potencialidade do uso da 5,10,15,20-tetrakis[4-(1,4,7,10,13-pentaoxaciclopentadecane-2-aminometil)2,3,-5,6-tetrafluoro)fenil]-porfirina (H2C4P), e o Zn(II)5,10,15,20-tetrakis[4-(1,4,7,10,13-pentaoxaciclopentadecane-2-aminometil)2,3,5,6-(tetrafluoro)fenil]-porfirinato (ZnC4P) como fármaco fotossensível. Avaliou-se também a zinco ftalocianina associada ao éter de coroa onde, graças à presença do éter de coroa, pôde-se observar uma potencialização da ação fotodinâmica. Nos estudos fotofísicos e fotoquímicos, observou-se que os fármacos porfirínicos possuem importantes propriedades espectroscópicas para a TFD. O rendimento quântico de produção de oxigênio singlete foi medido e o valor encontrado para H2C4P ( = 0,62) foi maior que o valor encontrado para ZnC4P ( = 0,46). Os valores de rendimento quântico de produção dos estados excitado tripletes (T) para ZnC4P foi da ordem de 0,73 ± 0,06 e para H2C4P foi da ordem de 0,63 ± 0,05, mostrando que o mecanismos Tipo II para a porfirina base livre H2C4P é dominante e para o fotossensibilizador metalado ZnC4P tem-se Tipo I dominante. Ambos os sistemas apresentaram uma eficiente ação fotodinâmica nos estudos com a linhagem de células J774-A.1. Fez-se uso de sondas fluorescentes para monitorar a distribuição e alteração na homeostase de íons através da membrana plasmática. Esses estudos mostraram que a presença dos ligantes éter de coroa na estrutura da porfirina, atuando concomitantemente à ftalocianina, potencializa a ação fotodinâmica. Observou-se que o 18-crow-6 éter de coroa minimiza a diferença de potencial da mesma ordem de magnitude de quando está associado à ZnPc em uma formulação lipossomal (da ordem de 50%), o que mostra que a ZnPc não interfere na formação dos canais de íons potássio formados. Os resultados indicaram um grande potencial de aplicação do ligante éter de coroa associado ou ligado covalentemente ao fármaco no uso da TFD, visto que o éter de coroa não modificou as características fotofísicas e fotoquímicas dos fotossensibilizadores, uma nova perspectiva no que chamamos de Terapia Fotodinâmica Sinérgica. / Photodynamic Therapy (PDT) is based on the use of a photosensitive drug which, once activated by visible light and in the presence of oxygen, induces the production of several reactive species of oxygen, such as the peroxyl radical, superoxide anion and hydroxyl radical (Type I) or singlet oxygen (Type II), which act directly over the biological systems inducing the cell death, through a necrotic or apoptotic process. Most of the types of tumor respond to the treatment and the results are prosperous. However, highly pigmented organs and massive viscera (kidneys, spleen, liver and bone marrow) block the penetration of the visible light for the treatment, what represents a kind of resistance towards the Photodynamic Therapy protocols. Hence, it is necessary to look for new phosensitizing agents. Studies have shown that the photodynamic action induces direct changes in the cell membrane that lead to an unbalance in the cell ionic homeostasis (sodium, potassium and calcium ions), what certainly causes damage to the plasmatic membrane protein transport, and in a final analysis, irreversible osmotic stress. In this work, we aimed at determining the potentiality of the use of the 5,10,15,20-tetrakis[4-(1,4,7,10,13-pentaoxacyclopentadecane-2-aminometil)2,3,- 5,6-(tetrafluoro)phenyl] porphyrin (H2C4P), and the Zn(II)5,10,15,20-tetrakis[4- (1,4,7,10,13-pentaoxacyclopentadecane-2-aminomethyl)2,3,5,6-(tetrafluoro)- xvi phenyl]-porphyrinate (ZnC4P) as a photosensitive drug. We evaluated also the phytalocianine zinc associated to the crown ether where, due to the presence of the crown ether, we could observe a potentialization of the photodynamic action. In the photophysical and photochemical studies, we observed that the porphyirinic drugs present important spectroscopic properties to PDT protocol. The singlet oxygen production quantum yield was measured and the value found for H2C4P (FD = 0.62) was higher than that one found for ZnC4P (FD = 0.46). The value of the quantum yield of the production of the triplet excited states (FT) for ZnC4P was 0.73, and for H2C4P it was 0.63, showing that the mechanism Type II for the free-base porphyrin H2C4P is the dominant effect, and for the ZnC4P metallated photosensitizer, Type I process is the dominant one. Both systems present an efficient photodynamic action in the studies with the J774-A.1 cell strain. We used fluorescent probes to monitor the distribution and alteration of the ionic homeostasis through the plasmatic cell membrane. These studies showed that the presence of the crowned-ether ligants in the structure of the porphyrine, acting together with the dye structure, potentializes the photodynamic action. We observed that the 18-crow-6 crown ether decrease the difference in the transmembrane electrical potential in the same order of magnitude when it is associated to the ZnPC in a liposome formulation, (around 50%), what shows that the ZnPC does not interfere in the action of the potassium ion channels. xvii These results indicated a great potential of application of the crowned-ether ligant associated or covalently connected to the drug in the use of PDT, protocol once the crown ether structure did not modify the photophysical and photochemical characteristics of the photosensitizers, a new perspective in what we call Synergic Photodynamic Therapy.

A TFD está baseada no uso de um fármaco fotossensível que, uma vez ativado por luz visível e na presença do oxigênio, induz a produção de espécies reativas de oxigênio tais como o radical peroxila, o ânion radical superóxido e o radical hidroxila (Tipo I) ou oxigênio singlete (Tipo II), que atuam diretamente sobre os sistemas biológicos, induzindo a morte da célula por processo necrótico ou apoptótico. A maioria dos tipos de tumores responde ao tratamento e os resultados são promissores. Entretanto, órgãos altamente pigmentados e vísceras maciças (fígado, baço, rins e medula óssea) impedem a penetração da luz visível para o tratamento, o que representa um tipo de resistência aos protocolos da Terapia Fotodinâmica. Torna-se necessário, portanto, procurar por novos agentes fotossensibilizadores. Estudos mostraram que a ação fotodinâmica induz mudanças diretas na membrana celular que levam a um desequilíbrio na homeostase iônica celular (íons sódio, potássio e cálcio), o que certamente leva a um dano no transporte de proteínas da membrana plasmática e, em última análise, a um stress osmótico irreversível. Neste trabalho, procurou-se determinar a potencialidade do uso da 5,10,15,20-tetrakis[4-(1,4,7,10,13-pentaoxaciclopentadecane-2-aminometil)2,3,-5,6-tetrafluoro)fenil]-porfirina (H2C4P), e o Zn(II)5,10,15,20-tetrakis[4-(1,4,7,10,13-pentaoxaciclopentadecane-2-aminometil)2,3,5,6-(tetrafluoro)fenil]-porfirinato (ZnC4P) como fármaco fotossensível. Avaliou-se também a zinco ftalocianina associada ao éter de coroa onde, graças à presença do éter de coroa, pôde-se observar uma potencialização da ação fotodinâmica. Nos estudos fotofísicos e fotoquímicos, observou-se que os fármacos porfirínicos possuem importantes propriedades espectroscópicas para a TFD. O rendimento quântico de produção de oxigênio singlete foi medido e o valor encontrado para H2C4P ( = 0,62) foi maior que o valor encontrado para ZnC4P ( = 0,46). Os valores de rendimento quântico de produção dos estados excitado tripletes (T) para ZnC4P foi da ordem de 0,73 ± 0,06 e para H2C4P foi da ordem de 0,63 ± 0,05, mostrando que o mecanismos Tipo II para a porfirina base livre H2C4P é dominante e para o fotossensibilizador metalado ZnC4P tem-se Tipo I dominante. Ambos os sistemas apresentaram uma eficiente ação fotodinâmica nos estudos com a linhagem de células J774-A.1. Fez-se uso de sondas fluorescentes para monitorar a distribuição e alteração na homeostase de íons através da membrana plasmática. Esses estudos mostraram que a presença dos ligantes éter de coroa na estrutura da porfirina, atuando concomitantemente à ftalocianina, potencializa a ação fotodinâmica. Observou-se que o 18-crow-6 éter de coroa minimiza a diferença de potencial da mesma ordem de magnitude de quando está associado à ZnPc em uma formulação lipossomal (da ordem de 50%), o que mostra que a ZnPc não interfere na formação dos canais de íons potássio formados. Os resultados indicaram um grande potencial de aplicação do ligante éter de coroa associado ou ligado covalentemente ao fármaco no uso da TFD, visto que o éter de coroa não modificou as características fotofísicas e fotoquímicas dos fotossensibilizadores, uma nova perspectiva no que chamamos de Terapia Fotodinâmica Sinérgica. / Photodynamic Therapy (PDT) is based on the use of a photosensitive drug which, once activated by visible light and in the presence of oxygen, induces the production of several reactive species of oxygen, such as the peroxyl radical, superoxide anion and hydroxyl radical (Type I) or singlet oxygen (Type II), which act directly over the biological systems inducing the cell death, through a necrotic or apoptotic process. Most of the types of tumor respond to the treatment and the results are prosperous. However, highly pigmented organs and massive viscera (kidneys, spleen, liver and bone marrow) block the penetration of the visible light for the treatment, what represents a kind of resistance towards the Photodynamic Therapy protocols. Hence, it is necessary to look for new phosensitizing agents. Studies have shown that the photodynamic action induces direct changes in the cell membrane that lead to an unbalance in the cell ionic homeostasis (sodium, potassium and calcium ions), what certainly causes damage to the plasmatic membrane protein transport, and in a final analysis, irreversible osmotic stress. In this work, we aimed at determining the potentiality of the use of the 5,10,15,20-tetrakis[4-(1,4,7,10,13-pentaoxacyclopentadecane-2-aminometil)2,3,- 5,6-(tetrafluoro)phenyl] porphyrin (H2C4P), and the Zn(II)5,10,15,20-tetrakis[4- (1,4,7,10,13-pentaoxacyclopentadecane-2-aminomethyl)2,3,5,6-(tetrafluoro)- xvi phenyl]-porphyrinate (ZnC4P) as a photosensitive drug. We evaluated also the phytalocianine zinc associated to the crown ether where, due to the presence of the crown ether, we could observe a potentialization of the photodynamic action. In the photophysical and photochemical studies, we observed that the porphyirinic drugs present important spectroscopic properties to PDT protocol. The singlet oxygen production quantum yield was measured and the value found for H2C4P (FD = 0.62) was higher than that one found for ZnC4P (FD = 0.46). The value of the quantum yield of the production of the triplet excited states (FT) for ZnC4P was 0.73, and for H2C4P it was 0.63, showing that the mechanism Type II for the free-base porphyrin H2C4P is the dominant effect, and for the ZnC4P metallated photosensitizer, Type I process is the dominant one. Both systems present an efficient photodynamic action in the studies with the J774-A.1 cell strain. We used fluorescent probes to monitor the distribution and alteration of the ionic homeostasis through the plasmatic cell membrane. These studies showed that the presence of the crowned-ether ligants in the structure of the porphyrine, acting together with the dye structure, potentializes the photodynamic action. We observed that the 18-crow-6 crown ether decrease the difference in the transmembrane electrical potential in the same order of magnitude when it is associated to the ZnPC in a liposome formulation, (around 50%), what shows that the ZnPC does not interfere in the action of the potassium ion channels. xvii These results indicated a great potential of application of the crowned-ether ligant associated or covalently connected to the drug in the use of PDT, protocol once the crown ether structure did not modify the photophysical and photochemical characteristics of the photosensitizers, a new perspective in what we call Synergic Photodynamic Therapy.

abstract: Solar energy is a promising alternative for addressing the world's current and future energy requirements in a sustainable way. Because solar irradiation is intermittent, it is necessary to store this energy in the form of a fuel so it can be used when required. The light-driven splitting of water into oxygen and hydrogen (a useful chemical fuel) is a fascinating theoretical and experimental challenge that is worth pursuing because the advance of the knowledge that it implies and the availability of water and sunlight. Inspired by natural photosynthesis and building on previous work from our laboratory, this dissertation focuses on the development of water-splitting dye-sensitized photoelectrochemical tandem cells (WSDSPETCs). The design, synthesis, and characterization of high-potential porphyrins and metal-free phthalocyanines with phosphonic anchoring groups are reported. Photocurrents measured for WSDSPETCs made with some of these dyes co-adsorbed with molecular or colloidal catalysts on TiO2 electrodes are reported as well. To guide in the design of new molecules we have used computational quantum chemistry extensively. Linear correlations between calculated frontier molecular orbital energies and redox potentials were built and tested at multiple levels of theory (from semi-empirical methods to density functional theory). Strong correlations (with r2 values > 0.99) with very good predictive abilities (rmsd < 50 mV) were found when using density functional theory (DFT) combined with a continuum solvent model. DFT was also used to aid in the elucidation of the mechanism of the thermal relaxation observed for the charge-separated state of a molecular triad that mimics the photo-induced proton coupled electron transfer of the tyrosine-histidine redox relay in the reaction center of Photosystem II. It was found that the inclusion of explicit solvent molecules, hydrogen bonded to specific sites within the molecular triad, was essential to explain the observed thermal relaxation. These results are relevant for both advancing the knowledge about natural photosynthesis and for the future design of new molecules for WSDSPETCs. / Dissertation/Thesis / Ph.D. Chemistry 2014