The study of ground state and excited state properties of cyanine dyes by using computational chemical methods

Abstract

5,5',6,6'-tetrakloro-1,1',3,3'-tetraetil-benzimidazol-karbosiyanin (TTBC)-iyodür, (kısaca CBIC2(3) veya JC-1) özellikle mitokondri membran potensiyelini ölçmede moleküler prob olarak, mitokondriyi görüntüleyip hücre ölümünün olup olmadığını belirlemek amacıyla kullanılmaktadır.TTBC'nin temel hal yapısı ve uyarılmış hal yapısındaki davranışları kuvantum kimyasal yöntemleri ile incelenmiştir. Temel hal yapısındaki optimizasyon ve frekanslar DFT/6-31G** teorisi B3LYP ve PBEPBE fonksiyonelleri ile hesaplanmıştır. Uyarılmış hal yapısı hesapları için TDDFT/6-31G** ve CIS/6-31G** metodları kullanılmıştır. Bunlara ek olarak çözücü etkisi hesapları CPCM ve IEFPCM ile hesaplanmıştır.TTBC üzerindeki fonksiyonel grupların, konjuge zincirin uzunluğunun, ve alkil gruplarının etkisi incelenmiştir. Optimum yapı üzerinde elektron verici ve alıcı fonksiyonel grupların bile önemli etkisi olmamıştır. Sadece alkil gurupları molekülün düzlemselliğini değiştirmiştir. TTBC geometrisinin çok sıkı bir yapısı vardır. Ama ?max değerini NH2 ve butil/propil ve konjuge polimetin zincirini uzatarak artırmak mümkündür.Floresans spektrumundaki omuzu açıklamak için potansiyel enerji yüzey kesiti elde edilmiştir. TTBC'nin floresans özelliği deneysel sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Birinci uyarılmış halde 90o dönmüş yapı tercih edilir olsa da, kayda değer dipol artması gözlenmemiştir. Bu hesaplamalara göre bükülmüş molekül içi yük transfer durumuna rastlanmamıştır. TTBC'nin farklı çözücülerdeki çözücü etkisi incelenmiştir. Hesaplamalar deneysel olarak da görülen ?max değerinin çözücünün polaritesinden bağımsız olduğunu göstermiştir.

The 5,5',6,6'-tetrachloro-1,1',3,3'-tetraethyl-benzimidazolo carbocyanine (TTBC) iodide, abbreviated CBIC2(3) or JC-1, is used for the molecular probe especially as measuring mitochondrial membrane potential and allows to visualize mitochondria, apoptosis or not.The behaviors of the TTBC at the ground and excited states have been investigated by using quantum chemical methods. DFT/6-31G** levels of theory calculations have been carried out for the optimization and the frequencies with B3LYP and PBEPBE functionals for the ground state structure. TDDFT/6-31G** and CIS/6-31G** methods have been used for the excited state properties. In addition to those, solvation calculations were performed with CPCM and IEFPCM.The effects of the functional groups, length of the conjugated chain, and alkyl groups on TTBC have been analyzed. There is no significant effect of functional groups either as donor or acceptor on the optimum structure. Only the alkyl groups change the planarity of the molecule. TTBC has a very rigid geometry. But it is possible to tune up ?max with NH2 and butyl/propyl and increasing polymethine chain length.To explain the shoulder on the fluorescence spectrum, the PES section was obtained. The fluorescence property of TTBC was compared with the experimental data. Although perpendicular structure is favorable in the first excited state, there is no significant difference in dipoles. The twisted charge transfer state is absent in this dye based on these calculations. The solvent effect on TTBC in different solvents was investigated. The solvation calculations show that, ?max values are independent of the polarity of the solvents as seen experimentally.