Hekzadeka sübstitüe ftalosiyaninlerin X-ışını kristallografisi ve NMR spektroskopisi ile yapısal özelliklerinin incelenmesi

Tetrapirol türevleri olan porfirinler, porfirazinler ve ftalosiyaninler son yıllarda hem temel bilim, hem de uygulamalı çalışmalar için üzerinde yoğun bir şekilde araştırmalar yapılan konulardan birini oluşturmaktadır. Tamamen sentetik bileşikler olan ftalosiyaninler sahip oldukları mavi veya yeşil renkleri dolayısıyla pigment ve boyar madde olarak kullanım alanı yanında enerji dönüşümü, optik veri depolanma, gaz sensör, sıvı kristal ve tümörlere karşı fotodinamik terapi uygulamaları gibi pek çok kullanım alanları vardır. Sübstitüe olmamış 18-π elektron sistemine sahip aromatik ftalosiyanin molekülünün çözünürlüğü çok düşüktür ve herhangi bir organik çözücüde çözünürlüğe sahip değildir. Periferal veya nonperiferal konumlardan sübstitüe edilerek ftalosiyaninler çözünür hale getirilebilirler. Ftalosiyanin makrohalkası tamamen sübstitüe edildiğinde sekiz periferal ve sekiz nonperiferal toplam 16 konumdan sübstitüe edilebilir. Literatürde hekzadeka sübstitüe ftalosiyaninler üzerine yapılan çalışmalara tetra ve okta sübstitüe türevlerine göre daha az rastlanmaktadır. Bu anlamda bu tip ftalosiyanin bileşiklerinin sentezi ve yapısal özelliklerinin incelenmesi önemlidir. Günümüzde ftalosiyaninlerin uygulama alanlarından biri Fotodinamik Terapide (PDT) fotoalgılayıcı ajan olarak kullanımlarıdır. Ftalosiyaninler ikinci nesil PDT ajanları olarak bu alanda yerini almıştır. PDT uygulamasında kullanılacak bileşiğin suda çözünür olması ve yüksek singlet oksijen üretimi kuantum verimine sahip olması istenmektedir. Suda çözünürlük ftalosiyanin makrohalkasını katyonik, anyonik veya iyonik olmayan gruplar ile sübstitüe ederek sağlanabilir. Ftalosiyaninlerin sudaki çözeltilerinde agregasyon eğilimlerinin yüksek olması, singlet oksijen quantum verimlerini düşürdüğü için istenmeyen bir durumdur. Bu açıdan hekzadeka sübstitüe ftalosiyaninlerde sterik olarak halkanın etrafı kalabalık olduğundan agregasyon eğilimlerinin düşük olması beklenmektedir. Bu çalışmada nonperiferal konumlarda alkoksi grupları ve peripheral konumlarda kuaternize edilebilir 3-(diethylamino)phenoxy grupları içeren hekzadeka sübstitüe metalli ve metalsiz ftalosiyanin bileşiklerinin sentezlenmiştir. Sonraki aşamada sentezlenen ftalosiyanin komplekslerindeki dietilamino grupları kuaternize edilerek PDT ajanı olarak uygulama potansiyeli olan suda çözünür amfifilik karaktere sahip ftalosiyanin türevleri elde edilmiştir. Hedeflenen ftalosiyanin kompleklerinin eldesi için gerekli olan ftalonitril türevlerinin sentezi üç basamakta gerçekleştirilmiştir. İlk basamakta 2,3-dikloro-5,6-disiyano-1,4,benzokinon bileşiği 4,5-dikloro-3,6-dihidroksiftalonitrile indirgenmiştir. Ardından -OH grubu alkil iyodürler (n-iyodohekzan, n-iyodobütan ve iyodoetan) ile alkillenerek 4,5-dikloro-3,6-dialkoksiftalonitril bileşikleri elde edilmiştir. Son adımda ise 4,5-dikloro-3,6-dialkoksiftalonitril bileşiğindeki bir tane veya iki tane klor grubunun 3-(dietilamino)fenol bileşiğinin -OH fonksiyonu ile nükleofilik aromatik yerdeğiştirme reaksiyonundan hedeflenen bileşikler elde edilmiştir. Reaksiyon oda sıcaklığında gerçekleştirildiğinde klor gruplarından sadece birinin yerdeğiştirdiği ürünler 6 ve 7 bileşikleri, 110 oC de gerçekleştirildiğinde ise ana ürün olarak iki tane klor grubununda yer değiştirdiği ürünler 8, 9 ve 10 ftalonitril türevleri elde edilmiştir. Elde edilen ftalonitril bileşiklerinin yapıları FT-IR, EI-MS, MALDI-TOF MS, 1H ve 13C NMR spektroskopik metodları ile karakterize edilmiştir. 8 ve 9 bileşiklerinin yapıları ayrıca tek Kristal X-Işını kırınımı ile de aydınlatılmıştır. 6, 7, 8 ve 10 ftalonitril bileşiklerinin ftalosiyanin türevlerinin sentezi n-pentanol içerisinde katalitik miktarda DBU ve çinko asetat varlığında mikrodalga ile ısıtılarak gerçekleştirilmiştir. 9H2 ftalosiyanin türevinin sentezi ise Linstead metodu ile gerçekleştirilmiştir. Bu reaksiyonda çözücü olarak n-pentanol kullanıldığında nonperiferal konumlarındaki bütoksi gruplarının reaksiyon ortamındaki lityum-pentoksit ile transeterifikasyonundan n-pentoksi veya n-bütoksi içeren ftalosiyanin bileşiklerinin karışımı olarak elde edildiği belirlenmiştir. Elde edilen ürünler karışımı normal kromotoğrafik yöntemlerle ayrılamadığından bu reaksiyonda çözücü olarak n-bütanol kullanılmıştır. Önce n-bütanol içerisinde lityum metali ile 9 bileşiğinin siklotetramerizasyonu gerçekleştirilmiştir, ardından asetik asit ile lityum metali çıkarılarak 9H2 bileşiği elde edilmiştir. 9Zn, 9Ni, 9Co, 9Cu, 9Mn ve 9Mg metalli ftalosiyanin türevleri 9H2 bileşiğinin DMF içerisinde ilgili metal tuzları (Zn(OAc)2, NiCl2, CoCl2, CuCl2, MnCl2 and MgCl2) ile kaynatılması ile elde edilmişlerdir. 9H2, 9Zn, 9Ni ve 10Zn bileşiklerinin metil iyodür ile kuaternizasyonu sonucu oktakatyonik suda çözünür türevleri 9H2Q, 9ZnQ, 9NiQ ve 10ZnQ bileşikleri elde edilmiştir. Bu bileşikler periferal konumdaki sekiz tane katyonik kuaternize amonyum grubu ve nonperiferal konumlarda n-hekziloksi veya n-butoksi gibi alkoksi grupları içerdiğinden amfifilik karaktere sahiptirler. Bu çalışmada sentezlenen ftalosiyanin kompleksleri tamamen sübstitüe olduğundan farklı polaritedeki birçok organik çözücüde çözünürlükleri oldukça yüksektir. Sentezlenmiş olan tüm ftalosiyanin kompleksleri FT-IR, UV-Vis, MALDI-TOF, 1H and 13C NMR spectroskopik yöntemlerle karakterize edilmişlerdir. MALDI-TOF kütle spektrumlarından ftalosiyanin bileşiklerine ait moleküler iyon pikleri gözlenmiştir. Bu çalışmadaki metalli ftalosiyaninlerin mangan ftalosiyanin kompleksi hariç diğerlerinin kloroform çözeltilerinde UV-Vis spektrumlarında Q bandı 740 nm civarında gözlenmiştir. 9Mn kompleksinde ise Q bandı 823 nmde gözlenmiştir. 9H2 bileşiğinde sübstitüsyon deseninden dolayı Q bandında bir yarılma gözlenmemiş olup, 765 nmdeki maksimum absorbansa eşlik eden 740 nmde bir omuz gözlenmiştir. Sentezlenen bütün çinko ftalosiyanin kompleksleri 6Zn, 7Zn, 8Zn, 9Zn, 10Zn ve 9Mg ftalosiyanin kompleksi çözelti halinde yüksek proton ilgisi göstermiştir. Bu bileşiklerin mezo konumlarındaki azot atomlarının protonlanması ile UV-Vis spektrumlarında Q bandından daha kırmızı bölgede ayrıca bir absorbans daha gözlenmiştir. Benzer davranış diğer metal komplekslerinde (9Ni, 9Cu, 9Co, 9Mn) gözlenmemiştir. Koordine olan metalin ftalosiyanin halkasının protona karşı olan ilgisine etkisini incelemek amacıyla hesaplamalı kimya yöntemleriyle sübstituentsiz bakır(II), çinko(II), nikel(II) ve mağnezyum(II) ftalosiyanin kompleksleri modellenerek termodinamik hesaplar yapılmıştır. Teorik hesapların sonucunda elde edilen veriler çinko(II) ve mağnezyum(II) ftalosiyanin için halkanın protonlanması istemli iken bakır(II) ve nikel(II) komplekslerinde istemsiz olduğunu göstermiştir. Bu durum deneysel olarak UV-Vis spektrumlarında gözlenen davranışın teorik olarak elde edilen sonuçlarla uyumlu olduğunu göstermiştir. İzomer karışımı olarak elde edilen 6Zn ve 7Zn komplekslerinin NMR spektrumları sübstitüsyon açısından simetrik olan 9Zn ve 10Zn türevlerine göre daha karışıktır. Metalsiz ftalosiyaninlerde halka içindeki N-H protonları genelde TMS e göre daha yüksek alanda yani eksi ppm bölgesinde yayvan olarak gözlenir. 9H2 metalsiz ftalosiyanin bileşiğindeki halka içi N-H protonları yapı tüm konumlardan sübstitüe olduğu için ftalosiyanin halkasının aromatikliğinin azalmasından 0,4 ppm de gözlenmiştir. Bu maddelerin 13C NMR spektrumlarına bakıldığında 9Zn ve 9Mg kompleksleri birbirine çok benzerken 9Ni ve 9H2 türevlerinde özellikle halka üzerindeki karbon atomlarının kimyasal kaymalarında farklılık olduğu görülmektedir. Paramanyetik metal içeren 9Co kompleksinin simetrik yapıda olması, düşük agregasyon eğiliminin olması, paramanyetik merkezin anizotropiye sahip olması ve paramanyetik merkezin elektron durulma süresinin kısa olması (10-11 s) bu kompleksi yüksek çözünürlük NMR araştırmalarının yapılabilirliği açısından uygun kılmaktadır. 9Co kompleksinin 1H NMR spektrumunda bütün protonlar gözlenmiştir, 13C NMR spektrumunda ise paramanyetik merkeze en yakın olan karbon atomu hariç yapıdaki diğer bütün karbon sinyalleri gözlenmiştir. 9Co bileşiğinde yapıdaki bütün protonlar pozitif paramanyetik kimyasal kayma gösterirken 13C NMR spektrumunda halka içi karbon atomları negatif paramanyetik kimyasal kayma göstermiştir. Yapıdaki bütün protonlar sübstitüentler üzerinde bulunmaktadır ve paramanyetik merkeze en yakın proton kobalt atomuna göre yedi bağ uzaklığında bulunmaktadır. Bu yüzden proton NMR spektrumunda gözlenen paramanyetik kimyasal kaymalar temelde dipolar etkileşimlerden ileri geldiği yani pseudokontakt kayma oldukları söylenebilir. Ancak karbon NMR da ise özellikle halka üzerinde bulunan karbon atomları için paramanyetik kimyasal kaymalarda her iki mekanizmanın (dipolar etkileşimler ve Fermi-kontakt etkileşimler) katkısı bulunmaktadır. 9Co kompleksinin CDCl3 içerisindeki NMR çözeltisine piridin damlatıldığında proton NMR spektrumunda gözlenen sinyallerinin dimanyetik türevindeki kimyasal kayma değerlerine doğru gittiği gözlenmiştir. Bu durum merkez kobalt atomuna piridin ile etkileştiğini ve spin yoğunluğunun piridin üzerine dağılarak merkezin anizotropisinin düştüğünü göstermektedir. Çözeltiye piridin ilavesi ile aynı zamanda paramanyetik moleküle ait sinyallerin yanında ikinci bir tür olarak diamanyetik bir maddeye ait başka bir grup NMR sinyallerininde oluştuğu gözlenmiştir. Bu çözelti aerobik şartlarda yaklaşık iki hafta bekletildiğinde paramanyetik bileşiklere ait sinyallerin tamamen kaybolduğu ve ortamda diamanyetik türlere ait sinyallerin oluştuğu görülmüştür. Bu durum bazik ortamda kompleksteki kobalt merkezinin kimyasal olarak kobalt(II) den kobalt(III) e yükseltgendiğine işaret etmektedir. Bu çalışmada sentezlenen kuaternize ftalosiyanin kompleksleri 9H2Q, 9ZnQ, 9NiQ ve 10ZnQ sudaki çözeltisinin UV-Vis spektrumunda DMSO ve DMF çözeltilerinde olduğu gibi keskin Q bandı göstermiştir. Bu durum kompleklerin sulu ortamda bile agregasyon eğilimlerinin düşük olduğunu göstermektedir. Suda çözünür ve düşük agregasyon eğilimlerinin olmaları bu maddeleri potansiyel PDT ajanı olarak uygulanabilirliği açısından avantajlı kılmaktadır. Bu anlamda özellikle çinko kompleksleri önem kazanmaktadır. 9ZnQ ve 10ZnQ komplekslerinin ışık ile uyarıldığında singlet oksijen ürettikleri kalitatif olarak belirlenmiştir. 9H2, 9Ni, 9Zn and 8Zn komplekslerinin yapıları tek kristal X-ışını kırınımı yöntemiyle aydınlatılmıştır. Bütün yapıların kristallerinde birim hücreleri tirkilinik sistemde olup uzay gruplarıda P_1 dir. Sadece 9Zn kompleksi birim hücrede iki molekül içerirken diğerleri birim hücrede bir molekül içermektedir. Bir başka deyişle 9Zn kompleksinde asimetrik ünite molekülün kendisine tekabül ederken diğerlerinde molekülün yarısına takebül etmektedir. 8Zn kompleksinde merkez çinko atomuna eksenel konumlardan iki tane THF molekülü koordine olmuşken 9Zn kompleksinde ise eksenel konumdan bir tane piridin molekülü koordine olmuştur. 9Zn kompleksinde merkez çinko metali beşinci koordinasyon dolayısıyla ftalosiyanin halkasındaki sekiz azot atomunun oluşturduğu düzlemin 0,5 Å yukarısında olduğu görülürken 8Zn kompleksinde çinko aynı düzlem içerisinde bulunmaktadır. 9H2 ve 9Ni komplesleri benzer birim hücreye sahipken ftalosiyanin halkası etrafındaki sübstitüentlerin yönelimlerinin aynı olmadığı görülmüştür. Elde edilen ftalosiyanin kompleksleri tüm konumlardan sübstitüe olduğu için sübstitüentlerin düzlemsel ftalosiyanin yapısı üzerindeki sterik baskısı nedeni ile bu tür komplekslerde düzlemsellikten sapmaları beklenmektedir. Bu anlamda çözümlenmiş olan kristal yapılarının analizi yapıldığında sübstitüentlerin yönelimine göre ftalosiyanin halkası üzerindeki sekiz azot atomunun oluşturduğu düzleme göre benzo ünitelerinin 7-12 derece civarında bir açıyla burkulduğu veya eğildiği görülmüştür. Diğer önemli bir noktada kristal yapıdaki istiflenmeye bakıldığında ftalosiyanin merkezleri arasındaki en kısa π-π uzaklığı örneğin 9H2 bileşiği için 9,89 Å olduğu görülmektedir. Yani sübstitüentlerin makrohalka etrafında oluşturduğu sterik kalabalık dolayısıyla ftalosiyanin halkaları yakın etkileşime girememektedir. Burada gözlenen durum bu bileşiklerin çözelti halinde de agregasyon eğilimlerinin düşük olmasını açıklamaktadır.