Polietilenglikol sübstitüe yeni makromoleküllerin sentezi, fiziksel ve biyolojik özelliklerinin incelenmesi

Makromoleküler sistemler içerisinde uygulama alanları oldukça geniş olan ftalosiyanin (Pc) molekülleri, 18 π-elektronlu düzlemsel aromatik yapılı bileşiklerdir. Makromolekül yapılı ligantların metal atomları ile oluşturduğu koordinasyon bileşikleri ile çok farklı fonksiyonları gerçekleştirebilen yapılar elde etmenin mümkün olabildiği yapılan araştırmalarla kanıtlandıkça amaca yönelik çok sayıda molekül sentezi yapılmıştır. Özellikle biyoinorganik kimya alanında yapılan önemli çalışmalarla birlikte, farklı metal iyonları ile koordine olmuş sentetik makromoleküller olan ftalosiyaninlerin (Pcs), biyolojik açıdan önemli türler için model oluşturabilecekleri görülmüştür. Makrohalkalı ligantlar sahip oldukları iki benzersiz özellik nedeniyle bu derece yaygın ve yoğun ilgi görmüştürler ve görmeye devam etmektedirler. Bu özelliklerden ilki, halka boyutu etkisi olarak tanımlanan, metal iyonu yarıçapına göre birbirine yakın olan metal iyonları arasında ayrım yapabilme kapasitesine sahip olmaları, ikincisi ise makrosiklik etki olarak tanımlanan, açık zincirli analoglarına göre kıyaslandığında gösterdikleri yüksek kompleks kararlılık sabitleridir. Ftalosiyaninlerin son yıllarda geliştirilen araştırmalarla birlikte, yakıt pillerinde, katalitik uygulamalarda, elektrofotografide, yarı iletken ve sıvı kristal malzemelerin üretiminde bu derece yaygın araştırma konusu olması, yapılarındaki zengin π-konjugasyon sisteminden dolayı, elektromanyetik spektrumun UV-Vis bölgesinde absorpsiyon yapabilme kapasitelerinden kaynaklanmaktadır. Absorpsiyon spektrumlarında bu bileşiklere özgü karakteristik Q ve B bantları gözlenir. Bir ftalosiyanin molekülü, ultraviyole veya görünür bölge ışığını absorpladığında, düşük enerjili dolu orbitaldeki bir elektron yüksek enerjili boş orbitale uyarılmış olur. Uyarılmış hale geçen elektronun izleyeceği ışımalı ve ışımasız geçişlere karşılık gelen çeşitli dönüşümler mevcuttur. Ftalosiyaninlerin fotofiziksel özelliklerinin araştırılmasında floresans ve fosforesans olarak adlandırılan ışımaya sebep olan bu dönüşümlerin kuantum verimi verileri hesaplanarak kullanılır. Ftalosiyaninlerin fotokimyasal özelliklerinin belirlenmesinde ise singlet oksijen kuantum verimi ve fotobozunma çalışmaları kullanılır. Ftalosiyanin molekülünün uyarılmış haldeki enerjisini, kimyasal sönümleyici olan bir başka maddeye aktarmasıyla kimyasal sönümleyici bileşiğin singlet oksijen tarafından yükseltgenmesi sonucu UV-Vis spektrumunda değişiklik gözlenir. Singlet oksijen kuantum verimi ise bu değişiklikten yararlanılarak hesaplanır. Özellikle fotodinamik terapi (PDT) gibi medikal uygulamalarda, ftalosiyaninlerin singlet oksijen oluşturabilme kapasiteleri oldukça önemlidir. Varolan tümörlü dokuda tahribata sebep olan singlet oksijen molekülüdür. Ftalosiyaninlerin fotobozunma çalışmaları için, ışık etkisiyle, karakteristik bantların şiddetinde meydana gelen değişiklikler UV-Vis spektrumu alınarak takip edilir. Medikal uygulamalar için ftalosiyaninlerin biyolojik özelliklerinin belirlenmesi de birçok açıdan önemlidir. Bu amaçla ftalosiyaninlerin DNA (deoksiribonükleik asit) ve BSA (bovin serum albumin) gibi biyolojik materyaller ile olan etkileşimi çeşitli araştırmalarla incelenmiştir. Bu gibi biyolojik moleküllerle kolay etkileşim gösteren kimyasal gruplarla sübstitüe edilmiş ftalosiyanin molekülleri ile yapılan araştırmalarda alınan sonuçlar oldukça başarılıdır. Poli(etilen glikol) (PEG) türevleri bu anlamda en iyi sonuç veren sübsititüentlerden olmuştur. Hem fiziksel hem de biyolojik uygulamalarda kullanılabilir ftalosiyanin bileşiklerinin organik çözücülerin yanında suda da çözünebilir olması gerekmektedir. Literatürde farklı uzunlukta poli(etilen glikol) türevleri ile eksenel veya periferal konumlardan sübstitüe edilmiş Pc örnekleri mevcuttur. Ancak zincir uzunluğu 1000'den düşük olan poli(etilen glikol) grupları yerine genellikle poli(etilen glikol) metil eter'in kullanıldığı Pc bileşiklerinin sentezlendiği görülmüştür. Literatürdeki çalışmaların çoğunda elde edilen PEG sübstitüe Pc bileşiklerinin hem fiziksel hem de biyolojik özelliklerinin birlikte araştırıldığı çalışmaların sayısı daha azdır. Dolayısıyla bu tez çalışmasının ilk kısmında hem iki ucunda OH grubu olan hem de zincir uzunluğu ortalama 1000 olan poli(etilen glikol) seçilmiştir. Bu maddeyi benzerlerinden ayıran en önemli özellik her iki ucunda serbest OH gruplarının bulunmasıdır. Çünkü serbest OH fonksiyonel grupları birbirleriyle reaksiyona girerek dimer, trimer veya daha büyük oligomer yapılar oluşturabileceği için sentezin polimerleşme olmadan durdurulabilmesi ancak optimum şartların sağlanmasıyla mümkün olmuştur. Bu şartlar çok fazla sayıda deneme yapılarak bulunmuştur. Bu tez kapsamında, öncelikle hidroksil fonksiyonel grupları ile sonlanmış, ortalama molekül kütlesi 1000 olan poli(etilen glikol) blokları (PEG1000) ile silisyum(IV) ftalosiyanin diklorür bileşiği arasında gerçekleşen kondenzasyon reaksiyonu ile eksenel konumlardan sübstitüe olmuş silisyum ftalosiyanin bileşiğinin (SiPc(PEG1000)2) (2) sentezi gerçekleştirilmiştir. Suda yüksek çözünürlük gösteren yeni ftalosiyanin molekülü 1H-NMR, FT-IR ve UV-Vis spektrofotometri yöntemleri kullanılarak karakterize edilmiştir. Molekülün yapısal tayininde elementel analiz verileri de belirleyici olmuştur. Buna göre, (O-CH2-CH2) ünitelerinin toplam sayısı 44 olarak hesaplanmış, 1H-NMR spektrumundan elde edilen integral alanlar ile SiPc ve PEG1000 arasındaki oran 1:2 olarak belirlenmiştir. 2 no'lu bileşiğin floresans kuantum verimi, floresans ömrü, singlet oksijen kuantum verimi ve fotobozunma kuantum verimi gibi fotofiziksel ve fotokimyasal özellikleri hem DMSO hem de su içerisinde incelenmiştir. Literatürde sentezlenen analoglarına göre, daha uzun zincir ve iki ucunda OH fonksiyonel grubu içeren yeni Pc bileşiği, içerdiği bu uzun zincirlerden dolayı agregasyunu minimum seviyede tutmuş, bu da singlet oksijen veriminin artışına olanak sağlamıştır. Bunun dışında 2 no'lu bileşiğin, HeLa ve HuH tümör hücrelerine karşı gösterdiği fotositotoksisite araştırılmıştır. Elde edilen sonuçlara göre, HeLa tümör hücrelerinin, HuH hücrelerine göre, 2 no'lu bileşikle PDT tedavisine daha iyi yanıt verdiği görülmüştür. Tüm fiziksel ve biyolojik ölçüm sonuçları göz önüne alındığında, SiPc(PEG1000)2 bileşiğinin (2), PDT için iyi bir potansiyel fotoalgılayıcı madde olabileceği görülmüştür. Tezin ikinci kısmında olarak ise, ortalama molekül kütlesi 2000 olan poli(etilen glikol) metil eter (PEGME2000) blokları ile periferal konumlardan tetra-sübstitüe edilmiş çinko (Zn), indiyum (In(III)) asetat ve lutesyum (Lu(III)) asetat içeren yeni Pc moleküllerinin sentezleri hedeflenmiştir. Bu amaçla öncelikle, bu metal iyonlarını içeren tetraiyodo ftalosiyaninlerin sentezi siklotetramerizasyon ile iyodoftalonitril molekülünden yola çıkılarak gerçekleştirilmiştir. Tetraiyodo-çinko(II) ftalosiyanin (3), Tetraiyodo-indiyum(III) asetat ftalosiyanin (4) ve tetraiyodo-lutesyum(III) asetat ftalosiyanin (5) bileşikleri elde edildikten sonra, Sonogashira Kenetlenme Reaksiyonu yardımı ile bu Pc bileşiklerinin periferal konumları, propargil fonksiyonel grubu ile sonlanan PEGME2000 bileşiği (6) ile tetra-sübstitüe edilmiştir. Elde edilen yeni Pc molekülleri, ZnPc(PEGME2000)4 (7), InPc(PEGME2000)4 (8) ve LuPc(PEGME2000)4 (9), 1H-NMR, FT-IR, UV-Vis spektrofotometri yöntemleri kullanılarak karakterize edilmiştir. 7, 8 ve 9 no'lu bu yeni makromoleküller suda ve organik çözücülerin çoğunda yüksek çözünürlük göstermişlerdir. Bileşiklerin fotofiziksel ve fotokimyasal özellikleri DMSO ve su içerisinde araştırılmıştır. Ağır atom etksinden dolayı, In ve Lu içeren Pc'ler emisyon vermediklerinden floresans kuantum verimleri ölçülememiştir. Biyolojik özelliklerin araştırılmasında ise moleküllerin DNA ve BSA gibi biyolojik moleküllerle olan etkileşimleri incelenmiştir. DNA ile yapılan çalışmalarda, moleküllerin suda hazırlanan çözeltileri, CT-DNA ile titre edilerek, Q bantlarında meydana gelen değişiklikler UV-Vis spektrofotometresinde izlenmiştir. Sonrasında bu moleküllerin, DNA yapısının termal denatürasyonuna etksini izlemek için belirli sıcaklıklarda UV absorpsiyonlarında meydana gelen değişiklikler incelenmiştir. Ayrıca termodinamik parametreler kullanılarak yapılan hespalamalarla birlikte, en fazla 8 no'lu bileşiğin DNA ile etkileşime girdiği, 7, 8 ve 9 no'lu bileşiklerin içerdikleri uzun zincirli PEGME2000 bloklarının sulu çözeltideki serbest hareketlerinden dolayı DNA heliksini sarmasıyla kararlı Pc-DNA kompleksleri oluştuğu anlaşılmıştır. Bu bileşikler ve DNA arasında entropi kontrollü spontane bağlanma olduğu görülmüştür. Sonuç olarak yüksek reaksiyon verimleri ile edilen PEGME2000 grupları ile sübstitüe edilmiş üç adet yeni Pc moleküllerinin suda ve DMSO içerisinde agregasyon göstermedikleri, maksimum absorbansa karşı derişim grafiklerinin Lambert-Beer yasasına uygun olması ile ispatlanmıştır. Referans olan maddelerle kıyaslandıklarında singlet oksijen kuantum verimlerinin yüksek olduğu görülmüştür. Çalışma süreleri boyunca ışığa maruz kaldıklarında bozunmadıkları yani kararlı oldukları görülmüştür. BSA ve DNA ile etkileşime girdikleri elde edilen UV-vis, floresans spektrumları, termal deaturasyon grafikleri ve termodinamik parametreler (entalpi, entropi ve Gibbs serbest enerjisi) kullanılarak ispatlanmıştır. Yeni Pc bileşikleri DNA ile PEG gruplarından dolayı non-spesifik ve spontane olarak hidrofobik etkileşime girmişlerdir. Tüm termodinamik parametreler, Pc-DNA bağlanma sabitleri ile DNA termal denaturasyon degerleri göze alındığında lutesyum ve indiyuma bağlı asetat grubunun DNA ile hidrofobik etkileşimi arttırdığı ve dolayısıyla çinko türeve oranla daha yüksek bağlanma özelliği göstermesine sebep olduğu tespit edilmiştir. Yeni bileşiklerin bu özelliklerinin medikal uygulamalar için umut verici olduğu görülmüştür.