Naftoksi veya kinolinoksi grupları içeren yeni hegzadeka sübstitüe ftalosiyaninler

Tetrapirol bileşiklerinin en yaygın ve önemli üyesi olan ftalosiyanin (Pc) ve porfirinler (P), yüzyılı aşkın bir süredir birçok bilim dalının ilgisini çekmiştir. Porfirinler ya moleküler sistemlerde doğal olarak bulunmakta ya da orijinal sentetik ürünlerdir, ftalosiyaninler ise laboratuar çalışmalarından elde edilen tamamen sentetik maddelerdir. Ftalosiyaninler 20. yüzyılın başlarında bir rastlantı sonucu bulunmuşlardır. Ftalosiyanin sözcüğü, "nafta (kaya yağı)" ve "siyanin (koyu mavi)" sözcüklerinin Yunanca karşılıklarından türetilmiş olup "ftalosiyanin" (Pc) ismi ilk kez 1933 yılında Imperial Bilim ve Teknoloji Kolejinde çalışan Profesör Reginald P. Linstead tarafından yeni bir organik bileşikler sınıfını tanımlamak için kullanılmıştır. Ftalosiyaninler, 1,3 konumundan aza köprüleriyle birbirine bağlı dört izoindol ünitesinden oluşan 18 -elektron sistemine sahip aromatik marosiklik yapılardır. Fonksiyonel organik malzeme olan ftalosiyaninler ve türevleri yaygın olarak yeşil ve mavi boyar madde kullanılmalarının yanında eşsiz optik, elektronik, katalitik ve yapısal özellik gösterirler. Boyar madde ve pigment olarak kullanımların yanı sıra, son yıllarda fotokopi makinelerinde ve lazer yazıcılarda fotoaktif iletken, kimyasal sensör, optik kayıt ortamı, Langmuir-Blodgett filmlerinde gaz sensörü, fotokromik/elektrokromik malzemeler, katalizör, sıvı kristaller, nonlineer optik maddeler ve fotodinamik terapi gibi farklı bilimsel ve teknolojik alanlarda yaygın olarak kullanılmaktadırlar. Ftalosiyaninlerin pek çok uygulamaları, onların karakteristik -konjugasyonlarından kaynaklanmaktadır. Boyar madde özelliği, molar soğurma (ε) kapasitesinin çok yüksek olması nedeniyle çok az bir miktarının bile oldukça şiddetli renkler vermesinden, fotodinamik terapi aracı olması ise sahip olduğu 18-π elektron sisteminin kırmızı lazer ışığıyla aktifleşmesi-pasifleşmesi yeteneğinden ileri gelmektedir. Katalizör özelliği, özellikle petrol ürünlerinde istenmeyen kükürtlü bileşiklerin disülfid, sülfat gibi zararsız ürünlere dönüştürülüp uzaklaştırılmasında kullanılmaktadır. Şiddetli renk veren bu bileşikler Hückel kuralına uygun olan belirgin aromatik özellik gösterirler. Aromatikliğin 4 benzen ünitesi ile çoğalması sadece görünür bölgedeki yüksek absorpsiyon için değil aynı zamanda çoğunlukla düzlemsel olan katı haldeki ftalosiyaninlere yüksek termal ve kimyasal kararlılık için de gereklidir. Ftalosiyaninler, halka boşluklarında 2 hidrojen atomu veya farklı oksidasyon basamaklarında 70'e yakın metal ve yarı metal katyonunu içerebilirler. Tetra ve okta-sübstitüe ftalosiyaninlerle kıyaslandığında, herbir benzen ünitesinde üç farklı sübstitüent taşıyan hegzadeka-sübstitüe ftalosiyaninler daha nadir olarak çalışılmışlardır. Bu tez çalışması kapsamında, benzen halkasına bağlı iki veya üç farklı sübstitüenti içeren metalli ve metalsiz hegzadeka-sübstitüe ftalosiyaninlerin hazırlanması mikrodalga enerjisi kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Ftalosiyaninlerde hekziloksi, naftoksi ve kinolinoksi gruplarının olması hem polar hem de apolar çözücülerde çözünmelerini sağlar. Kinolinoksi gruplarının kuaternize edilmesiyle de amfifilik ftalosiyaninlere ulaşılır. Bu grupların sübstitüent olarak ilave edilmesi yalnızca ftalosiyaninlerin çözünürlüğünü arttırmaz, aynı zamanda sterik engel oluşturarak, moleküllerinin çözücü içindeki agregasyonunu önler bu da PDT uygulamaları için üstün fotofiziksel özellikler sağlar. Tezin birinci aşamasında, non-periferal konumlarında hekziloksi ve periferal konumlarında klor gruplarını taşıyan çinko ve metalsiz ftalosiyaninlerin sentezi ve karakterizasyonu gerçekleştirilmiştir. Bunun için öncelikle 2,3-dikloro-5,6-disiyano-1,4- hidrokinon'un Na2S2O5 ile indirgenme reaksiyonu sonucunda 3,6-dihidroksi-4,5-dikloroftalonitril bileşiği elde edilmiştir. Sonrasında, tetrabutilamonyum bromür varlığında KOH çözeltisi içinde 6 saat boyunca 120 oC'deki, 3,6-dihidroksi-4,5-dikloroftalonitril ve hekziliyodür'ün yer değiştirme reaksiyonuyla 3,6-bis(hekziloksi)-4,5-dikloroftalonitril (1) bileşiği sentezlenmiştir. Bu reaksiyon şartları, çeşitli alkil ve alkoksi ftalonitril türevlerinin sentezinde etkili olarak kullanılmaktadır. Kloro ile naftoksi sübstitüentlerin floresans verimliliğine olan etkilerini araştırmak ve aralarında bir karşılaştırma yapabilmek için, 1 bileşiğinin de ftalosiyanin türevleri sentezlenmiştir. Çinko ftalosiyanin (2), 1 bileşiğinin siklotetramerizasyon reaksiyonu ile 1-hegzanol, susuz çinko tuzu (Zn(CH3COO)2) ve DBU varlığında 160 oC'de 18 saat tutularak sentezlenmiştir. Bileşik 2 silika jel üzerinden 1:5 etilasetat/n-hekzan karışımı kullanılarak kolon kromatografisiyle saflaştırılmış ve %15.5 verim ile elde edilmiştir. Bileşiğin IR spektrumunda, başlangıç maddesine ait CN pikinin kaybolması siklotetramerizasyonun gerçekleştiğini kanıtlanmıştır. Çinko ftalosiyanin 2 bileşiğinin THF içinde alınan UV-Vis spekturumunda keskin Q bandı absorpsiyonu 728 nm'de gözlenmiştir. Dinitril 1 bileşiğinin metalsiz (3) ftalosiyanine dönüştürülmesi 1-hegzanol çözücüsü içinde ve lityum metali varlığında gerçekleştirilmiştir. Li2Pc kompleksi su ve asit karşısında kararsızdır ve kolaylıkla metalsiz hale geçebilir. 2 ve 3 bileşiğinin 1H NMR spektrumunda, hekziloksi gruplarından kaynaklanan kimyasal kaymalar beklendiği gibi 4,94-0,91 ppm aralığında gözlenmiştir. Amaçlanan hegzadeka sübstitüe ftalosiyaninlerin sentezindeki ikinci aşama 3,6-bis(hekziloksi)-4-kloro-5(naftalen-2-iloksi) ftalonitril (4)'i elde etmektir. 4 bileşiği 3,6-bis(hekziloksi)-4,5-dikloroftalonitril'deki bir klor grubu ile 2-naftol'deki -OH grubunun 45 oC'de ve N2 atmosferinde 24 saatte yer değiştirme reaksiyonu ile sentezlenmiştir. Ürün sıcak etanolde kristallendirilerek saflaştırılmış ve %48 verim ile açık sarı iğne kristaller halinde elde edilmiştir. Yüksek sıcaklık durumunda, her iki klor grubu da ayrılmış ve 3,6-bis(hekziloksi)-4,5-bis(naftalen-2-iloksi) ftalonitril (11) bileşiği sentezlenmiştir. Bu reaksiyon, kuru DMF içinde azot gazı altında ve 110 oC'de, 3,6-bis(hekziloksi)-4,5-dikloroftalonitril ile 2-naftol arasındaki baz katalizli nükleofilik aromatik yer değiştirme reaksiyonu ile potasyum karbonat kullanılarak %51 verimle gerçekleştirilmiştir. 4 no'lu ftalonitril türevinin, 1,8-diazobisiklo[5,4,0]-7-ene varlığında, 1-hegzanol ve susuz metal tuzları [Zn(CH3COO)2, CoCl2, Cu(CH3COO)2, MnCl2, InCl3] kullanılarak 160 oC 'de 20-30 dakika süresince mikrodalga enerjisi altındaki siklotetramerizasyonu, sırasıyla (5-9) no'lu metalli ftalosiyaninleri vermiştir. 4 bileşiğinin 1-hegzanol içinde ve lityum metali varlığındaki halka kapanması gerçekleştirilmiş sonrasında HCl ile asitlendirilerek metalsiz türevi (10) elde edilmiştir. Sentezlenen ürünlerin karakterizasyonu FT-IR, kütle spektroskopisi, UV-Vis spektroskopi, 1H NMR ve 13C NMR gibi yapısal analiz yöntemleri ile gerçekleştirilmiştir. Yapısal olarak simetrik olan hegzadeka sübstitüe metalli ftalosiyaninler (Zn(II), Co(II), Cu(II)) (12-14) ilgili metal tuzları (Zn(CH3COO)2, CoCl2 ve Cu(CH3COO)2), DBU ve 1-hegzanol kullanılarak 11 no'lu ftalonitrilden sentezlenmiştir. Metalsiz türevi (15) ise 11 bileşiğinin 1-hegzanol içinde ve lityum metali varlığındaki halka kapanması gerçekleştirilmiş sonrasında HCl ile asitlendirilerek elde edilmiştir. Ürünler, silikajel üzerinden THF/n-hekzan, CHCl3, ve CHCl3/n-hekzan gibi çözücü karışımları kullanılarak kolon ve/veya preparatif kromatografisi sonrasında saf olarak elde edilmişlerdir. Elde edilen koyu yeşil renkli ürünler dietileter, aseton, CHCl3, CH2Cl2, THF, DMF ve DMSO gibi polar ve apolar organik çözücülerde yüksek çözünürlüğe sahiptirler. Bu çalışmanın üçüncü kısmında, non-periferal konumlarında hekziloksi ve periferal konumlarında 6-kinolinoksi gruplarını taşıyan hegzadeka sübstitüe ftalosiyaninlerin sentezi ve karakterizasyonu gerçekleştirilmiştir. Son bölümde sentezlenen bu ftalonitriller, kinolinoksi gruplarının kuaternize edilmesiyle Pc'lerin suda çözünürlük kazanması için tasarlanmıştır. Suda çözünür ftalosiyaninlerin sentezi için ilk aşama 3,6-bis(hekziloksi)-4-kloro-5(kinolin-6-iloksi) ftalonitril (16)'in elde edilmesidir. 16 bileşiği, 3,6-bis(hekziloksi)-4,5-dikloroftalonitril'in bir klor grubunun 6-hidroksikinolin'in -OH grubuyla, kuru DMF içerisinde 45 oC'de azot atmosferi altında 24 saatte, yer değiştirmesi sonucunda elde edilmiştir. Bileşik 16 silika jel üzerinden 1:1 THF/n-hekzan karışımı kullanılarak kolon kromatografisiyle saflaştırılmış ve %49 verim ile elde edilmiştir. Yüksek sıcaklık durumunda, her iki klor grubu da ayrılmış ve 3,6-bis(hekziloksi)-4,5-bis(kinolin-6-iloksi) ftalonitril (22) bileşiği sentezlenmiştir. Bu reaksiyon, kuru DMF içinde azot gazı altında ve 110 oC'de, 3,6-bis(hekziloksi)-4,5-dikloroftalonitril ile 6-hidroksikinolin arasındaki nükleofilik aromatik yer değiştirme reaksiyonu ile potasyum karbonat kullanılarak %52 verimle gerçekleştirilmiştir. Hegzadeka sübstitüe metalli ftalosiyaninler (Zn (II), Mn(III) ve In (III)) (17, 19, 20), ftalonitril türevinin (16) 1-hegzanol içerisinde uygun metal tuzları ve DBU katalizörlüğünde mikrodalga enerjisi ile sentezlenmişlerdir.17-21 no'lu bu ftalosiyanin türevleri izomer karışımı halinde elde edilmiştir. Yapısal olarak simetrik olan hegzadeka sübstitüe metalli ftalosiyaninler (Zn(II), Mn(III)) (23, 25) ilgili metal tuzları (Zn(CH3COO)2, ve MnCl2), DBU ve 1-hegzanol kullanılarak 22 no'lu ftalonitrilden sentezlenmiştir. Çinko ftalosiyanin (17, 23) türevlerinin kuaternizasyonu kloroformun çözücü ve metil iyodürün aşırısının metilleme ajanı olarak kullanıldığı, karanlıkta oda sıcaklığında 5 gün süren reaksiyon ile gerçekleştirilmiştir. Dört ve sekiz adet kuaterner amonyum grubuna sahip higroskopik ftalosiyanin türevleri (18, 24) % 50 gibi yüksek bir verimle elde edilmiştir. Kuaternize ürünler su, metanol ve DMSO' da çözünürlük göstermekte, kloroformda çözünürlük göstermemektedirler. Sonuç olarak, bu çalışmada 4 yeni ftalonitril türevi ile bunlara ve 1 no'lu ftalonitril türevine ait toplam 21 ftalosiyanin bileşiği olmak üzere 25 yeni bileşik sentezlenmiştir. 2 ve 5 no'lu çinko ftalosiyanin ile 3 ve 10 no'lu metalsiz ftalosiyaninlerde görülen floresans emisyon şiddetindeki değişim ve naftoksi grubu ile ftalosiyanin halkası arasında gerçekleşen enerji transferi prosesi araştırılmıştır. Redoks aktif ve redoks inaktif metal iyonuna sahip olan 6-9 no'lu metalli ftalosiyaninlerin ise elektrokimyasal ve spektroelektrokimyasal davranışları incelenmiştir. Ayrıca 23 no'lu çinko ftalosiyanin türevi ile bu kompleksin kuaterner türevi olan 24 no'lu suda çözünür çinko ftalosiyanin türevinin floresans verimliliği araştırılmış, floresansta yaptığı sönümlenme ile DNA ve BSA (bovine serum albumin) gibi biyolojik moleküllere bağlanabilme kapasitesi incelenmiştir. 24 bileşiğinin floresans spektroskopisinde gerçekleştirilen titrasyon ölçümleri ve alınan olumlu sonuçlar biyolojik uygulamalar için umut vericidir.