Mechanical constraint enables room temperature near infrared emission and triplet reactivity in nickel(II) chromophores

Resumen Técnico: El control mecánico permite la emisión en el infrarrojo cercano a temperatura ambiente y la reactividad de triplete en cromóforos de Níquel(II)

Planteamiento del problema
Se buscan complejos de metales de transición de la primera serie como alternativas sostenibles y abundantes en la tierra a los cromóforos de metales preciosos (p. ej., Ru, Ir, Pt) para la fotoquímica y el bioimágenes. Sin embargo, su utilidad se ve severamente limitada por estados excitados de carácter metal-centrado (MC o d–d) de baja energía. En los complejos de Ni(II) de geometría plano-cuadrada, la fotoexcitación típicamente puebla estos estados MC, los cuales debilitan la preferencia por la geometría plano-cuadrada e inducen una distorsión estructural fuera del plano. Esta relajación estructural facilita la desactivación no radiativa ultrafast, lo que convierte a la mayoría de los cromóforos de Ni(II) moleculares en no emisivos y químicamente inactivos a temperatura ambiente. Mientras que las estrategias de fortalecimiento del campo de ligandos han mejorado la fotofísica de otros metales de la primera serie (Fe, Co, Cr, Cu), el Ni(II) sigue siendo una excepción notable donde la desactivación del estado excitado está acoplada a un movimiento nuclear de gran amplitud.

Metodología y estrategia de diseño
Los autores plantearon la hipótesis de que la supresión mecánica de las distorsiones en el estado excitado podría complementar el ajuste electrónico para permitir estados de Ni(II) emisivos y reactivos. Para probar esto, diseñaron un ligando macrocíclico rígido, unido por nitrógeno, TNBD (derivado de benzotripirrina), que impone una penalización energética a la distorsión fuera del plano mientras mantiene el acoplamiento electrónico.

• Síntesis: El ligando TNBD se sintetizó mediante la condensación de dibromodi(pentafluorofenil)tripirrina con N1,N3-dimetil-1,3-diaminobenceno. La metalización con Ni(OAc)₂ produjo Ni-TNBD.
• Controles: Para desacoplar la preorganización macrocíclica de los efectos electrónicos dependientes del puente, los autores sintetizaron y caracterizaron los análogos unidos por O (Ni-TOBD) y por C (Ni-TCBD). Además, se preparó un análogo deuterado (Ni-TNBD-D6) para evaluar las contribuciones vibracionales a la desactivación no radiativa.
• Caracterización: El estudio empleó difracción de rayos X de monocristal, absorción UV-vis, espectroscopía de emisión de estado estacionario y de resolución temporal, absorción transitoria de femtosegundos y nanosegundos (fs/ns-TA), espectroelectroquímica (SEC) y cálculos de la teoría del funcional de la densidad (DFT).
• Aplicaciones: El complejo Ni-TNBD fue encapsulado en nanopartículas de DSPE-PEG2000 (Ni-TNBD@DSPE) para evaluar su rendimiento en entornos biológicos, incluyendo la conversión fototérmica, la imagen fotoacústica y la terapia fotodinámica (PDT).

Resultos clave

1. Restricciones estructurales y geometría:
   La cristalografía de rayos X reveló que el andamiaje TNBD impone una geometría de coordinación de forma de silla de montar distorsionada en el Ni-TNBD. A diferencia del acortamiento (doming) observado en Fe-TNBD o las interacciones apicales en Cu-TNBD, el Ni-TNBD mantiene una geometría cuasi-planar con un ángulo diedro de 154.5° entre el plano de nitrógeno de la tripirrina y el anillo de fenilo puente. Esta geometría "bloqueada" minimiza la energía de reorganización requerida para alcanzar el estado excitado.

2. Emisión en el infrarrojo cercano (NIR) a temperatura ambiente:
   El Ni-TNBD exhibe una emisión distintiva en el infrarrojo cercano centrada aproximadamente en 1000 nm a temperatura ambiente (298 K) con un rendimiento cuántico de ~0.2%. En contraste, los análogos unidos por O y C (Ni-TOBD, Ni-TCBD) no muestran emisión a temperatura ambiente, emitiendo solo bajo condiciones criogénicas (77 K). Esto confirma que el puente de nitrógeno proporciona una combinación única de ajuste electrónico (desestabilizando el HOMO) y restricción mecánica necesaria para la emisión ambiental. Los estudios de deuteración (Ni-TNBD-D6) mostraron un aumento de 1.54 veces en la intensidad, indicando que, aunque las distorsiones de gran amplitud están suprimidas, las vibraciones de alta frecuencia C–H aún contribuyen a la desactivación no radiativa residual.

3. Dinámica del estado excitado y mecanismo:
   La espectroscopía de resolución temporal y los cálculos teóricos elucidaron un mecanismo cooperativo:

• Estado inicial: La fotoexcitación crea un estado singlete centrado en el ligando (estado LC, Estado A).
• Cruce entre sistemas (ISC): En aproximadamente 7.8 ps, el sistema evoluciona hacia un estado triplete mixto metal-centrado/de transferencia de carga (Estado B), facilitado por el acoplamiento espín-órbita (SOC) potenciado por el centro de Ni(II).
• Formación del triplete: El sistema se relaja hacia un estado triplete de larga vida (Estado C, T1) con un tiempo de vida de 23.6 ns en tolueno desgasificado. Esto es inusualmente largo para complejos de Ni(II) plano-cuadrados.
• Estabilidad estructural: Los cálculos de DFT confirman que el estado T1 retiene la geometría de silla de montar del estado fundamental con una relajación estructural mínima (RMSD de 0.4 Å), evitando el acceso a los canales de desactivación no radiativa típicos de los estados d–d.

4. Reactividad de triplete y fotoquímica:
   El estado de triplete de larga vida permite la fotoquímica bimolecular productiva bajo irradiación NIR (808 nm):

• Aniquilación de triplete-triplete para upconversion (TTA-UC): El Ni-TNBD sensibiliza con éxito un aniquilador (AnTIPS2), produciendo una emisión de upconversion azul.
• Sensibilización de oxígeno: El complejo genera tanto oxígeno singlete (Tipo II, ΦΔ = 0.12) como superóxido (Tipo I), demostrando una reactividad de modo dual.
• Catálisis sintética: El Ni-TNBD cataliza la oxidación de aminas secundarias a iminas y la migración 1,2-alquilo de enaminonas bajo luz NIR.

5. Prueba de concepto biológica:
   El complejo nanoformulado Ni-TNBD@DSPE (aprox. 130 nm) retuvo la absorción/emisión NIR y exhibió:

• Imagen: Eficiente contraste de fluorescencia NIR y fotoacústica in vitro e in vivo.
• Conversión fototérmica: Una eficiencia de conversión fototérmica del 66.7%.
• Eficacia terapéutica: En ratones HeLa con tumores, el tratamiento combinado de fotodinámica y fototermia resultó en una supresión significativa del tumor (IC50 = 1.8 μM) con una toxicidad fuera de objetivo mínima.

Significancia y afirmaciones
El artículo afirma establecer el control mecánico del movimiento nuclear del estado excitado como una estrategia viable para activar la fotofísica de los metales de transición de la primera serie. Específicamente, demuestra que:

• Los estados excitados de Ni(II) convencionalmente no emisivos pueden redirigirse hacia estados de triplete luminiscentes en el NIR y químicamente reactivos mediante la supresión mecánica de las distorsiones estructurales.
• El éxito de Ni-TNBD depende de un equilibrio preciso entre la estructura electrónica (proporcionada por el puente de nitrógeno) y la restricción mecánica (proporcionada por la topología macrocíclica), más que por la macrociclación por sí sola.
• Este enfoque ofrece una vía para la obtención de cromóforos y fotosensibilizadores de NIR sostenibles y abundantes en la tierra para aplicaciones en fotoquímica, upconversion, detección y terapia guiada por imágenes, evitando la necesidad de metales preciosos.

Los autores mantienen un tono modesto, señalando que, si bien el diseño molecular es exitoso, se requieren más estudios farmacocinéticos y de bioseguridad a largo plazo para su plena traslación biológica. Enfatizan que el principio de "bloquear" la geometría del estado excitado puede ser aplicable a otros metales de transición de la primera serie limitados por la desactivación impulsada por vibraciones.