LEE- Kimya-Doktora
Bu koleksiyon için kalıcı URI
Gözat
Son Başvurular
1 - 5 / 46
-
ÖgeKarbazol sübstitüye ftalosiyanin içeren nanoajanların ve indirgenmiş grafen oksit süperkapasitör nanokompozitlerin tasarımı(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2025-06-17)Karbazol ve türevleri, azot içeren aromatik heterosiklik bileşiklerin önemli bir türüdür, arzu edilen elektronik ve yük taşıma özelliklerinin yanı sıra büyük π-konjuge sisteme sahiptir ve çeşitli fonksiyonel gruplar karbazolil halkasına kolayca eklenirler. Bu özellikleri, karbazol bazlı türevlerin kimya, boyalar, supramoleküler tanıma ve tıbbi kimya (antitümör, antimikrobiyal, antihistaminik, antioksidatif, anti-enflamatuar, psikotropik ajanlar vb.) alanlarında geniş potansiyel uygulamalarına yol açar. Karbazol halkasına sahip karbazomisin türevlerinin, anti-bakteriyel ve anti-fungal aktivite gösterdiği ve fitopatojenik mantarların büyümesini engellediği bilinmektedir. Literatürdeki araştırmaların çoğu doğal karbazol bileşiklerinin ve onların alkaloidlerin sentezi ve biyolojik özellikleri ile ilgilidir. Son zamanlarda, antibiyotik olarak yeni yapay sentetik karbazol türevleri, karbazol bazlı makrosiklik karbazolofanların önemli antibakteriyel ve antifungal aktiviteler gösterdiğinin bulunmasıyla özel ilgi çekmiştir. Çoğu karbazol türevleri, ticari antimikrobiyallerin bazılarına (tetrasiklin, setilpiridinyum klorür ve benzalkonyum klorür) kıyasla daha iyi aktivite göstermiştir. Tetrapirol türevi tamamen sentetik bileşikler olan ftalosiyaninler oldukça yüksek elektron transfer özelliğine sahiptirler. Bu özellikleri Pc'lerin moleküler elektronik, fotonik ve optoelektronik gibi bir çok alanda kullanılmasını mümkün kılmıştır. Çözünürlüklerin olmaması veya çok az olması Pc'ler için bir dezavantaj olsa da, alkil, fenoksi, alkoksi ve alkiltiyo grupları gibi grupların sübstitüe edilmesiyle bu sorun aşılabilir. İlaveten, Pc halkasının merkezi boşluğunda yer alan iki H atomunun yetmişten fazla metalle yer değiştirebilme yeteneği, Pc'lere daha fazla gelişmiş özellikler kazandırır bu da Pc'lerin uygulama alanlarının genişlemesine yol açar. Sentetik bir tetrapirol türevi olan Pc'ler doğal porfirin benzeri ve kararlı yapıları sayesinde antikanser, antimikrobiyal, antibakteriyel, fotodinamik tedavi (PDT) ve patolojik bakteri/mantarların fotoinaktivasyonu için uygun malzemeler olarak kullanım alanı bulurlar. Ayrıca, ftalosiyanin merkezine metal iyonlarının, özellikle de yüksek oksidasyon sayılarına sahip metal katyonlarının eklenmesi de ftalosiyanin halkaları arasındaki mesafeyi artırabilir ve böylelikle agregasyonu azaltarak çözünürlüğü artırabilir. Bu tür yapısal modifikasyonlar Pc'lere mükemmel kimyasal, fiziksel, tıbbi, biyolojik, optik özellikler kazandırabilir, onları çok çeşitli bilimsel ve endüstriyel uygulamalar için uygun malzemeler haline getirebilir. Örneğin, karbazoller kolay işlevselleştirmenin yanı sıra yüksek yük taşıma kabiliyeti, çevresel direnç ve kimyasal stabilite sergiler. Özellikle, poli-karbazoller elektrolüminesan, ışık yayan ve şarj edilebilir enerji cihazları için talep edilen yüksek foto-iletken ve elektrokimyasal özelliklere sahiptir. Karbazollerin elektropolimerizasyon olasılığı nedeniyle, karbazol içeren türevler konjuge sistemler ve polimer film oluşumu ile dikkat çekmektedir. Son zamanlarda, grubumuz biyolojik ve elektrokimyasal uygulamalar için karbazol içeren ftalosiyaninlerin tasarımıyla ilgilenmektedir. Moleküler problar ve ilaçların soy metal nanopartiküllerin yüzeyiyle biyokonjugasyonu, nanoteknolojinin tıp ve biyoloji alanındaki uygulamalarının gelişmesine katkı sağlamıştır. Bu renkli ve parlak nanoparçacıklar, sahip oldukları plazmon rezonansı sayesinde benzersiz optik özellikler sergiler. Yüzey plazmon rezonansının yeri elektron yoğunluğu, morfoloji, parçacıklar arası etkileşimler ve dielektrik özellikler ile etkilenir. Sentez ve üretim kolaylığı, ayarlanabilir fotofiziksel davranış ve optik özellikleri nedeniyle gümüş nanopartiküller, özellikle biyolojik ve tıbbi alanlarda olmak üzere çok çeşitli yüksek teknoloji ve bilimsel alanda dikkat çekici ilgi görmektedir. Ayrıca, metal ftalosiyaninlerin yarı iletken özellikleri nedeniyle optoelektronikte elektrokimyasal sensörler, elektrokromizm ve enerji dönüşüm/depolama sistemleri (ECSS) olarak potansiyel kullanımları uzun yıllardır kapsamlı olarak araştırılmaktadır. MPc'ler kararlı ve dayanıklı yapılarının yanında sınırlı aktivitelere sahiptirler. Bu özellikler MPc'ler için, sert koşullar gerektiren redoks reaksiyonları esnasında elektrolit ortamda makrohalka yapısından metal iyonunun ayrılması (demetalasyon) nedeniyle ciddi endişelere yol açmaktadır. Metal koordineli ftalosiyaninler, içerdikleri metal atomlarının redoks aktif özelliklerine göre katalizör olarak kullanılmaktadır. MPc bazlı elektrokatalizörlerin performansları, uygun sübstitüentlerle modifiye edilerek ve grafen türevleri gibi farklı iletken fonksiyonel malzemelerle kompozit yapıların hazırlanmasıyla geliştirilebilinir. MPc'lerin elektrokimyasal uygulamalarına ek olarak, MPc'lerin konjuge 18π-elektronik yapılarından kaynaklanan yüksek elektrokimyasal performans göstermelerinden dolayı son yıllarda süperkapasitif aktiviteleri üzerine araştırmalar yapılmaktadır. İlaveten, metal ftalosiyaninlerin grafen oksitlerle kombinasyonu, ftalosiyaninlerin kapasitif performansını ve iletkenliğini artırabilir. Bu tez kapsamında 5 yeni ligand, 5 yeni ligandlardan 9 adet metalli ftalosiyanin bileşikleri sentezlenip, anti-kanser, anti-mikrobiyal, anti-oksidan gibi biyolojik özellikleri incelenerek, ileri teknolojide kullanılabilme potansiyelleri araştırılmıştır. Çalışmanın ilk aşamasında, 3-nitro-ftalonitril ve 9H-karbazol-9-etanolün nükleofilik aromatik sübstitüsyon reaksiyonu sonucu 3-[9H-karbazol-9-etoksi-] ftalonitril (1) hazırlanmıştır. Sentezlenen ftalonitrilin (1) CoCl2 , Zn(CH3COO)2 ve MnCl2 ile n-heksanol varlığında siklotetramerize edilip hedeflenen CoPc (1a), ZnPc(1b) ve Mn(Cl)Pc(1c) elde edilmiştir. Tezin ikinci aşamasında 4,5 dikloroftalonitril ile 9H-karbazol-9-etanol'ün nükleofilik aromatik sübstitüsyon reaksiyonu sonucu 4,5-bis(9H-karbazol-9-etoksi)ftalonitril (2) bileşiği elde edilmiştir. 2 nolu bileşiğin uygun koşullarda Zn(CH3COO)2 metal tuzu ile siklotetramerizasyonu sonucu periferal-okta-sübstitüye metalli ftalosiyanin (ZnPc2a) sentezlenmiştir. Tezin üçüncü aşamasında 4,5 dikloroftalonitril ve 9H-karbazol-9-etanol'ün nükleofilik aromatik sübstitüsyon yoluyla birleşmesiyle 4-(2-(9H-karbazol-9-etoksi-]-5-kloroftalonitril (3) sentezlenmiştir. 3 nolu bileşiğin uygun koşullarda ilgili metal tuzlarıyla ( CoCl2 , Zn(CH3COO)2 ve MnCl2 ) ile muamele edilmesiyle periferal-okta-sübstitüye metalli ftalosiyaninler (CoPc3a, ZnPc3b, Mn(Cl)Pc3c) sentezlenmiştir. Tezin son aşamasında 3-nitro-ftalonitril ve 4-nitro-ftalonitril başlangıç bileşiklerinin 9H-karbazol-2-ol(2-hidroksikarbazol) ile aromatik nükleofilik sübstitüsyon reaksiyonundan 3-((9H-karbazol-2-yl)oksi)ftalonitril (4) ve 4-((9H-karbazol-2-yl)oksi)ftalonitril (5) dinitril türevleri sentezlenmiştir. Non-periferal konumda sübstitüye olan Mangan (III) ftalosiyanin (Mn(CI)Pc4a) içeren hibrit elektrotların, indigenmiş grafen oksit (rGO) varlığında artan iletkenliği sayesinde daha yüksek spesifik kapasitans ve döngü kararlılığı sergilediği gözlemlenmiştir.
-
ÖgeNew approaches for photoinduced step-growth polymerizations(Graduate School, 2023-08-07)Photoinduced reactions are receiving a tremendous interest recently due to the global need for renewable and more efficient procedures over conventional methods. Several photoinduced approaches were developed and applied over conventional techniques to increase the ecological and economical benefits of the industrial productions since it provides more efficient reaction conditions by involving lesser chemicals. All of the polymerization mechanisms including radical, anionic and cationic polymerizations have benefited over the advancements in the photochemistry. Scientists across the globe have developed novel photoinitiators or sensitizing systems to create successful polymerization methods to be adapted over conventional techniques. Thus, enhanced the growing speed of industries including dentistry, additive manufacturing, coatings and electronics. However, most of the reactions that utilized photochemical methods were chain or ring opening polymerizations. Step-growth polymerizations on the other hand, were investigated scarcely compared to the previously mentioned alternatives. Step-growth polymerizations are mechanistically differ from the chain polymerizations. Photochemistry can be used to generate reactive species either in radical or cationic form to initiate the corresponding polymerizations using suitable monomers. However, for the step-growth polymerization, two different bifunctional monomers have to be used or generated in order to obtain polymers which limits the options for scientists. In the scope of the thesis, novel perspectives towards step-growth polymerizations involving substitution reactions have been presented and developed. SN1 type substitution reactions can occur in the presence of a good leaving group, heat, polar solvents and may be strong acid catalysts. Conditions tend to be very susceptible to humid and other nucleophilic impurities. Also applied heat catalyzes elimination reactions that is generating impurities. All the mentioned conditions brings up a challenge to obtain a pure product and safe conditions. However, this reactions can be conducted under ambient conditions by photochemical means using the harmony between dimanganese decacarbonyl chemistry and iodonium salts. Dimanganesedecacarbonyl chemistry has been investigated thoroughly by Bamford et al. They have revealed its affinity towards halogens that is directly bonded to organic structures. With a quantum efficiency that is close to unity, dimanganese decacarbonyl absorbs light at visible region and disassociates from Mn–Mn bond to create manganese pentacarbonyl radical which can homolytically abstract halogens. Organoradicals generated by halogen abstraction can be oxidized to corresponding carbocations to initiate cationic polymerization or in this case, used as electrophiles to react with the nucleophiles present in the reaction media. Diols were used as nucleophiles initially to obtain polyethers derivatives. Later on, this approach was further extended to the aromatics to obtain Friedel-Crafts type electrophilic aromatic substitution reactions yielding poly(phenylene methylene) (PPM) derivatives. Iodonium salts are known for their ability to initiate cationic polymerizations under irradiation with the suitable light. However, their oxidizing characteristic can be experienced even without light but under the presence of oxidizable organo radicals. Diphenyliodoniumhexafluorophosphate (DPI) was selected as the iodonium salt for this synthesis method since it contains a small chromophore group that is transparent in visible light region and bearing non nucleophilic counter anion. As the nucleophilic counteranions are known to terminate the living cations to halt the ongoing cationic reactions, counter anions like PF6–, BF4– or AsF6– are preferred since they are unable to make a covalent bond with the living cations. Dibromoxylene and dimethoxybenzene were initially used as the electrophile and nucleophile respectively for the reaction. Fluorescent polymers have been obtained from the reactions. Even though no direct conjugation is present through the polymer chain, arising from the hyperconjugation, varying fluorescence properties occurred due to electron density of the benzene rings. By taking advantage of the benzylic bromines at the polymer chain ends, radical polymerizations have been done and block copolymers consisting of PPM and poly(methyl methacrylate) (PMMA) were synthesized and fibers of the blocks were prepared using electrospinning technique. Later on dibromomethane has been utilized in the synthesis of the PPM derivatives. Generated bromomethylenium cation after the abstraction of the bromine and oxidation to the corresponding cation, resulting electrophile is susceptible to be attacked by the dimethoxybenzene nucleophile. Subsequently generated dimethoxybromomethyl benzene is a more reactive species compared to dibromomethane which increases the rate of polymerization through the process. After the kinetic investigation with different concentrations, a shift to the novel chain-growth condensation (CCP) mechanism has been observed. Resulting in easier reactions to be conducted and higher molecular weights. The approach in this thesis is the first application of photochemistry in the CCP mechanism.
-
ÖgeTetrapirol türevlerinin sentezi ve enerji alanındaki uygulamaları(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2023-08-01)Günlük yaşantımızın vazgeçilmezlerinden biri de çoğu faaliyetin gerçekleşmesi hususunda gerekli olan enerjidir. Artan enerji talebi ve fosil yakıtların tükenme durumuna gelmesi insanları, alternatif enerji kayanağı bulmak konusunda motive etmektedir. Doğada serbest halde bulunmayan hidrojen, bitkilerin yapısında ve özellikle suda, metanol, metan gibi bileşikleri halinde bulunur. Farklı enerji kaynaklarından elde edilebilen yakıtlara örnek olarak H2 verilebilir. Hidrojenin depolanabilen ve taşınabilen bir kaynak olması, onu çok önemli bir malzeme konumuna getirmektedir. Pozitif özelliklerine rağmen, hidrojenin bazı üretim yöntemlerinin sera gazı etkisine sahip olduğu da bilinmektedir. Bu etkiden kurtulmak için çevreye zararlı olmayan alternatif üretim yöntemlerinin keşfi çok önem taşımaktadır. En çok bilinen yöntem olan suyun elektrolizinin maliyet, verimlilik ve gerilim bakımından çeşitli olumsuzlukları olduğu bilinmektedir. Dünya şu anda birbirine çok yakından bağlı iki sorunla karşı karşıya bulunmaktadır. Bunlar atmosferdeki yüksek CO2 seviyelerine bağlı iklim değişiklikleri ve artan küresel enerji talebidir. Bu zorlukların üstesinden gelmek için, düşük karbonlu bir ekonomiyi sürdürürken yenilenebilir enerjileri entegre etmek ve enerji sistemini yerelleştirmek çok önemlidir. Bu nedenle, CO2'i hammadde olarak kullanan ve elektrik enerjisini diğer yararlı enerji biçimlerine dönüştüren teknolojilerin geliştirilmesi gerekmektedir. CO2'nin elektrokimyasal indirgenmesi, bu gereklilikleri karşılama ve atmosferdeki CO2 miktarının azaltılmasına aktif olarak katkıda bulunma potansiyeline sahiptir. Bu tez kapsamında yapılan çalışmalar ftalosiyanin ve porfirin bazlı elektrot üretimi olmak üzere iki ana gruba ayrılabilir. Bunlardan biri karboksilik asit ile fonksiyonlandırılmış bakır-ftalosiyaninlerin rGO ile birlikte hibrit nanokompozitlerinin hazırlanması, karakterizasyonu, GCE yüzeyine kaplanması ve HER için elektrokatalizör olarak kullanımlarının araştırılmasıdır. Porfirin tabanlı çalışmaların biri, iki tienil ve iki fenil grubu içeren yeni metalsiz ve kobalt(II) porfirin sentezi, karakterizasyonu, CO2 indirgeme katalizörleri olarak kullanılmalarının araştırılması şeklinde planlanmıştır. Diğeri ise, 3 fenil ve 1 tiyofenli elektropolimerleşebilen grup içeren asimetrik porfirin sentezi, karakterizasyonu ve enerji alanında elektrokatalizör olarak kullanım verimliliğinin araştırılması üzerinedir. Bu amaçla çalışmalardan birinde; hidrojenin elektrokatalitik üretimindeki katalizör etkinliğinin ölçülmesi amacıyla çevresel ve çevresel olmayan pozisyonlarda tetra ve okta sübstitüye olmak üzere üç ftalosiyanin sentezlenip indirgenmiş grafen oksit ile nanokompozit elde edilmiştir. Elde edilen nanokompozit yapılarının ileri karakterizasyon yöntemleri (SEM, XRD, Raman, XPS, FT-IR, UV-Vis ve ICP-MS) kullanılarak yapısal karakterizasyonları yapılmıştır. Alınan elektrokimyasal ölçümler sonucunda çevresel pozisyonlardan sübstitüye edilmiş ftalosiyaninler ile elde edilen nanokompozitlerin daha iyi sonuç verdiği görülmüştür. Sentezlenen üç yapının sonuçları mukayese edildiğinde en iyi sonucun okta sübstitüye ftalosiyaninden elde edilmiş nanokompozitte olduğu, ikinci sırada çevresel pozisyonda sübstitüye olmuş ftalosiyanin ile elde edilen nanokompozitin olduğu ve son sırada ise çevresel olmayan pozisyonda sübstitüye olmuş ftalosiyanin ile elde edilen nanokompozitin olduğu görülmüştür. Tez içerisinde gerçekleştirilen diğer çalışmada elektropolimerleşebilen grup içeren bir porfirin sentezlenip, kalem ucu elektrot üzerine elektropolimerleşme yöntemi ile kaplanmasıyla oluşturulan elektrotların karbondioksitin elektrokimyasal indirgenmesinde ki katalizör olarak kullanımlarının verimliliği incelenmiştir. Sentezlenen maddelerin karakterizasyonları FT-IR, UV-Vis, Raman ve SEM yöntemleri kullanılarak yapılmıştır. Farklı döngü sayılarında (10, 30, 50, 100) yapılan kaplamalar ile elde edilen metalsiz ve kobalt metali içeren elektrotların yapılan elektrokimyasal ölçümler sonucunda alınan verilere göre verimlilikleri sıralandığında, 100 döngüde kaplanan kobalt porfirin içeren elektrotun en verimli sonuç verdiği görülmüştür. Bir diğer porfirin içeren çalışmada ise, tiyofen grubu içeren bir asimetrik porfirin sentezlenerek elektropolimerleştirme yöntemiyle elektrot oluşturulup enerji alanlarındaki elektrokatalizör verimlilikleri incelenmesi planlanmıştır. Bu tez kapsamında elektrokimyasal hidrojen üretiminde ve karbondioksitin elektrokimyasal indirgenmesinde elektrot olarak kullanılmaya aday yeni tetrapirol türevi mazemelerin sentezi ve karakterizasyonu gerçekleştirilmiş, ayrıca uygulamaya dair özellikleri incelenerek literatüre katkı sağlanması amaçlanmıştır.
-
ÖgeKobalt kompleksleri üzerinden kimyasal yolla tersinir moleküler oksijen depolanması(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2023-07-19)Salisilaldimin'in kobalt kompleksi (CoSalene) ile tersinir oksijen bağlanabileceğinin keşfi, daha verimli oksijen depolama sistemleri için araştırmaların yapılmasını tetiklemiştir. CoSalene, oksijenle 2/1 katılma bileşiği oluşturarak uzun yıllar uçak ve denizaltılarda temiz hava sağlamak için kullanılmıştır. Araştırmalar genellikle CoSalene esaslı sistemler üzerinde yoğunlaşsa da diğer pek çok ligandın kobalt kompleksleri yüksek kapasiteli oksijen bağlayıcı cihazlarında kullanılmaktadır. Bununla birlikte havadan oksijen ve azot elde edilme prosesleri için, seçici geçirgen membranların üretiminde bu komplekslerin yararlı olduğu gösterilmiştir. Diğer taraftan ligandın hidrolize uğraması ve 50 ºC üstündeki sıcaklıklarda oksijen bağlamış kobalt komplekslerin kararlılıklarının düşük olması mevcut sistemlerin dezavantajlarıdır. Bu tez çalışmasında, yukarıda verilen bilgilerden yola çıkarak, kobalt kompleksleri üzerinden hava oksijenini bağlamak için farklı polimerik ligandlar geliştirilmiş ve oksijen bağlama özellikleri incelenmiştir. Dört farklı başlık altında yapılan çalışmalar, biri küçük molekül esaslı ligand olmak üzere, farklı polimerik ligandlar ve bunların kompleksler kullanılarak gerçekleştirilmiştir. İlk çalışmada, trietilen tetraminin glisidol ile reaksiyonu sonucu suda çözünebilir 1,1,4,7,10,10-hekzakis bis (2,3 dihidroksipropil)-1,4,7,10 tetraazadekan (HEPTETA) ligandı sentezlenmiş ve kobalt kompleksi elde edilmiştir. Bu kompleksin oksijen bağlama özellikleri gaz-volumetrik, titrasyon, oksijen sensörü, otoklav ve çözünür oksijen ölçme yöntemleri kullanılarak incelenmiştir. İkinci çalışmada metillenmiş poli(vinil amin) ile diallildimetil amonyumklorür (DADMAC) kopolimeri, N-vinil formamid (NVF) polimerizasyonu veya DADMAC ile kopolimerizasyonu yoluyla hazırlanmıştır. Polimerlerin asit hidrolizi ve ardından metilasyonu, ilgili poliaminlerin elde edilmesini sağlamıştır. Kobaltın karşı iyonları hidroksil iyonları ile değiştirildiğinde, poliaminlerin Co(II) kompleksleri, moleküler oksijen bağlanmasında oldukça hızlı olduğu gösterilmiştir. Oksijenasyon testleri, oksijen sensörü, FT-IR ve gaz volumetrik yöntemlerle yapılmış ve [amin]/[Co] oranları 4/1 veya 2/1 olan komplekslerin, 1:1 moleküler oksijen katılma ürünleri verdiği ortaya çıkmıştır. Hızlı oksijenasyon (yaklaşık 2-4 dakika), yüksek depolama kapasitesi ve 70-120 °C arasında düzgün oksijen salımı, oksijenasyon-deoksijenasyonun tipik özellikleridir. Üçüncü çalışmada, N-vinil formamid'in (NVF) %1 ve %0,5 mol oranlarında çapraz bağlayıcı (tetra allil piperrazinyum dibromide) içeren yalın jelleri sentezlendi. Ayrıca monomerlere göre molce %1 çapraz bağlayıcı varlığında değişik DADMAC oranlarında (DADMAC %20, %10, %5% molce) NVF-DADMAC jelleri sentezlenmiştir. Bunların hidrolizleri ile elde edilen primer amin fonksiyonlu hidrojeller Eschweiler-Clarke yöntemiyle metillenerek ardından kobalt kompleksleri elde edilmiştir. Bunların tersinir oksijen bağlama özellikleri incelenmiştir. Deneysel sonuçlar lineer polimerlerin komplekslerinin oda sıcaklığında kısa sürede oksijen bağlayabildiğini, molce %3 çapraz bağlı jellerden elde edilen kobalt komplekslerinin ise daha yavaş oksijen bağladığını ve 55-60 dk'da ancak doygunluğa ulaşılabildiğini göstermiştir. Oksijen salınım şartları farklı sıcaklıklarda su ve etilen glikol çözücülerde volumetrik gaz ölçüm, basınç değişimi ve oksijen sensör teknikleri ile incelenmiştir. Deneysel sonuçlar her iki çözücüde oksijenin 70 oC civarında salınmaya başladığı, 120 oC civarında tamamen salındığını ve başlangıçtaki Co(II) kompleksinin rengine geri dönüldüğünü göstermiştir. Çapraz bağlı DADMAC jel komplekslerinde mol başına 0,37-0,41 mol tersinir oksijen bağlandığını yani bağlanmanın çoğunlukla mononükleer peroksi veya süperokso katılma bileşiği verecek şekilde gerçekleştiğini göstermiştir. Son çalışmada ise, "Photo-iniferter" tekniği, PS-DVB mikrokürelerin yüzeyine bağlanmış ditiokarbamat gruplarından N-vinil formamid (NVF) veya DADMAC ile karıştırılmış NVF'nin yüzey başlatıcılı polimerizasyonu (SIP) için başarılı bir şekilde kullanılmıştır. Yoğun saçakların hidrolizi ve sonrasındaki metilasyon, mikroküreler üzerinde metillenmiş poli(vinil amin) saçaklarının kobalt ile şelat yapabilecek üniteler oluşturmuştur. Kobalt karşı iyonları hidroksil iyonları ile değiştirildiğinde, şelat saçaklarında Co(II) komplekslerinin oldukça hızlı oluştuğu gösterilmiştir. Oksijenleme testleri, oksijen sensörü, FT-IR, TGA, XPS teknikleri ve gaz volumetrik ölçüm yöntemleriyle yapılmış ve [amin]/[Co] oranı 4/1 veya 2/1 olan komplekslerin birbirine tek moleküllü oksijen katılma ürünlerini oluşturduğu ortaya çıkmıştır. İlk defa, [amin]/[Co] oranı 2/1 olan komplekslerin de özel aksiyal ligand kullanmadan moleküler oksijen bağlayabileceği (yaklaşık 2-4 dakikada) gösterilmiştir. Reçineli komplekslerin oksijen bağlamış halinin 70 oC'ye kadar stabil olduğu ve oda sıcaklığında iki haftadan daha uzun süre kuru halde saklanabileceği gözlemlenmiştir. Yüksek oksijen depolama kapasitelerine (80 mLg-1 kadar) sahip olan bu yeni polimer komplekslerinin, taze oksijen sağlamak için yeni tip katı matris olarak kullanışlı olabileceği gösterilmiştir. Yapılan deneyler, oksijenlenmenin 1:1 katılma bileşiği oluşacak şekilde yürüdüğünü ve hava akımında 1-2 dakikada tamamlandığını göstermiştir. Bu komplekslerin yüksek kapasiteleri, oda sıcaklığında iki haftadan fazla bozunmadan kalabildikleri ve tekrar tekrar kullanılabilir oldukları düşünüldüğünde, mevcut kimyasal oksijen depolama sistemlerinden daha üstün ve pratikte kullanım amacı için ümit verici olduğu ortaya çıkmıştır.
-
ÖgeInvestigation of asymmetric synthesis of chiral amines by biological oxidoreductase enzymes by computational methods(Graduate School, 2025-02-11)Chiral amines play a pivotal role as essential building blocks in the production of drugs, agricultural chemicals and some other special chemicals. Enantiopure chiral amines are of particular importance in pharmaceutical chemistry, as evidenced by their use as strong pharmacophores in various drugs, including pain relievers, tuberculosis drugs, Alzheimer's drugs and depression drugs. However, the chemical syntheses of these amines often entail significant challenges. These include the use of toxic chemicals, the formation of numerous by-products, and a multistage synthesis process, which has led to an increased focus on more environmentally friendly approaches. A promising solution that has gained prominence in recent studies is the use of chiral amine synthesis with the assistance of enzymes. It has been established that enzymes such as ꙍ-transaminases, monoamine oxidases, amine dehydrogenase, phenylalanine ammonium lyases, imine reductases (IREDs), lipases, p450 monooxygenases, Pictet-Spenglerases, and berberine bridge enzymes are employed in the synthesis of chiral amines. Of these, imine reductases, which are NADPH-dependent oxidoreductases, are of particular significance. These enzymes catalyze the asymmetric reduction of prochiral imines to the corresponding amines. Tetrahydroisoquinolines (THIQs) are a class of chemical compounds that has been identified in the structural frameworks of pharmaceutical drugs employed in the treatment of various medical conditions, including cancer, gout, pain management, and neurodegenerative diseases. These substituted tetrahydroisoquinolines are included in the structures of approved natural, synthetic, and semi-synthetic drugs. The present study investigates the stereoselectivity of the SnIR enzyme from Stackebrandtia Nassauensis on 1-methyl-3,4-dihydroisoquinoline substrate through in silico methods. In the experimental study by Li et al., it was reported that the aforementioned enzyme is highly S selective on the 1-methyl-3,4-dihydroisoquinoline substrate. The calculations were initiated with model work. The objective of the model study was to ascertain the critical distances and angles. The model study involved two distinct calculations: one with and one without the use of water. The barrier of the model study with water assistance was found to be considerably higher than that without water assistance. Consequently, it was determined that the subsequent analysis would be conducted without the use of water assistance. As it is known, it is extremely difficult to make quantum mechanical calculations with enzymes since these structures contain a large number of atoms. To address this challenge, a structure is devised to model the enzyme through the formation of a cluster, encompassing the critical residues and the reaction zone. The cluster that was utilized in the DFT calculations was formed using three principal elements, which were based on both empirical and computational evidence: 1. The crystal structure of SnIR 2. Experimental data including kinetics and mutations of IREDs in general 3. Residue interaction patterns from docking. For the cluster formation step, the IRED enzyme (PDB ID: 6JIT) was selected from the protein data bank. The relevant structure contains substrate, cofactor, and enzyme. Subsequently, enzyme-substrate and enzyme-cofactor interactions were evaluated in order to determine the critical residues in the cluster. Given that the substrate currently in the 6JIT structure differs from the substrate to be studied, molecular docking was performed for the new substrate by deleting the previous substrate from the structure. The molecular docking analysis of the new structure revealed the presence of the enzyme, 1-methyl-3,4-dihydroisoquinoline substrate, and the cofactor. Subsequently, an evaluation of the enzyme-substrate interactions within the novel structure was conducted to detect the critical residues. Additionally, a comprehensive review of the existing literature was conducted to determine the residues that should be included in the cluster model. Once the residues that were critical were determined, the cluster model was formed. Some of the residues used to construct the cluster for DFT calculations are included in their full form, while others are represented as backbones or side chains. The residues were generally cut from the Cα of their proceeding residue properly, ends capped with hydrogen atoms and the end atoms were frozen in their 3-dimensional geometry in the crystal structure of the enzyme during geometry optimization. The formed cluster model included 284 atoms and has a net charge of zero. In the quantum mechanical calculations, all geometry optimizations were executed with the 6-31G(d,p) basis set with the B3LYP functional. To refine the energies, the 6-311+G(2df,2p) basis set was employed with the wB97XD functional for single point energies. The polarizable continuum model (PCM) was selected as the solvent method, and calculations were executed with a dielectric constant of 4.0. The Gaussian 16 program was utilized for quantum mechanical calculations. Following optimization, a comparison was made between the non-optimized and the optimized clusters. An evaluation was conducted to ascertain whether a change in the position of critical residues had occurred. It was determined that no significant changes were present. During the conversion of imine to the amine structure, two hydrogens are needed to convert the double bond to single bond: One of these hydrogens is from a proton donor residue in the vicinity of the active site and the other is the hydride from the NADPH, which acts as a cofactor. The reaction was first considered as concerted and a corresponding mechanism was modelled where these hydrogens were transferred simultaneously. The barrier was found to be quite high and incompatible with the enzyme kinetics. Consequently, the stepwise reaction was examined. The stepwise reaction consists of two steps. The first step is the proton transfer from a proton donor residue. It is postulated that a protic residue in the vicinity of the active site of the enzyme may be involved in the iminium formation step. In S-type IREDs this proton donor residue was reported to be usually Tyr. In the second step of the reaction, hydride transfer takes place from NADPH to the formed iminium ion. In the first step, the proton transfer process was investigated, and the barriers were calculated for both scenarios: with and without the aid of water. The barriers were found to be very small and close to each other. Based on these findings, it was concluded that the initial step of the reaction could occur with or without the assistance of water. The second step was identified as both the rate-determining step, and the stereo selective step. The hydride transfer was subjected to comprehensive analysis through computational modelling. In constructing the input geometries for transition states, the residues and NADPH were held stationary in their crystal structure in the cluster and the substrate was positioned with respect to NADPH in a suitable geometry for a transition state structure for hydride transfer. All possible orientations of the substrate with respect to NADPH was spanned, without ignoring the crystal structure geometry for the substrate. All the transition states and the enzyme-substrate complexes were evaluated according to the position of the substrate nitrogen with respect to Tyr171, the corresponding barriers and the relative energies of the modelled enzyme-substrate complexes. The proximity of the substrate nitrogen to Tyr171, both in proximity and in its absence, has been demonstrated to effect interactions and the reaction barriers. The calculations presented in this study demonstrated that the hydrogen bonding (especially between the C=O oxygen of the amide group of NADPH and the substrate, which created a stabilization in the transition state structures) and steric effects (in particular, the overlap of the substrate isoquinoline and the NADPH's pyridine rings as a result of the hydride attack at Si vs Re faces of the substrate) and their complex interplay between the two are the most significant parameters that determine the stereoselectivity. A review of the literature revealed that Tyr is generally found to be important in terms of stereo selectivity for S-type IREDs, while Asp is found to be important for R-type IREDs. In this study, a mutation was introduced into Tyr171, the proton donor residue, converting it to Asp. Subsequent to this alteration, a recalculation of the barrier energies for the hydride transfer step revealed no discernible change in stereo selectivity. A thorough review of the study indicates that the reaction mechanism was meticulously examined, considering all its stages and potential outcomes. This detailed investigation led to the determination that the reaction occurred in two steps. The calculations performed on the hydride transfer step, which is the step that determines both the stereoselectivity and the rate, have demonstrated a preference for the S-product, in accordance with the experimental study conducted by Li et al. It is noteworthy that no mutation was introduced in the experimental study by Li and colleagues. The mutation study conducted exclusively through the in silico method in this thesis revealed no alteration in stereo selectivity. The present study has focused on the asymmetric synthesis of 1-Methyl-1,2,3,4-tetrahydroisoquinoline, which is of considerable importance to the pharmaceutical industry. The research has created a valuable opportunity to study the phenomenon of stereoselectivity in such a large system with an atomistic approach. It is asserted that, when considered in conjunction with other examples found in the existing literature on the subject, this study will facilitate an in-depth understanding of these systems and the development of approaches that will enable the tuning of selectivity in the desired direction. The comprehension of structure-activity relationships in asymmetric syntheses employing IREDs is anticipated to offer a considerable contribution to the long-term engineering of such processes.