Enantiyosaflıktaki bileĢiklerin elde edilmesi

Genel olarak kiral bileĢiklerin elde edilmesi iki yoldan olmaktadır (Ager, 2006).  Rasemik karıĢımlardan enantiyomerlerin ayrılması ile

 Ġstenen enantiyomerin sentetik yollarla elde edilmesi

Stereokimyasal saf ürünleri kazanmak için yaklaĢımlardan biri, rasemik üründen enantiyomerleri birbirinden ayırma metodudur. Bu yol oldukça yüksek oranda optikce saflıkta bir ürün verebilir. Fakat bu metodun en büyük dezavantajı ürünün elde edilebilecek en yüksek veriminin % 50 olmasıdır. Çünkü verimin geri kalan kısmını diğer enantiyomer oluĢturmaktadır.

Sentetik yollarla enantiyomerlerden birinin elde edilmesi için biyolojik ve kimyasal olarak iki metot vardır. Biyolojik metodu enzimatik tepkime, fermantasyon gibi teknikler oluĢturken, kimyasal metodu diastereoseçici tepkime, asimetrik sentez ve kiral pool oluĢturmaktadır. Asimetrik sentez, istenilen ürünün asimetrik bir yol izlenerek elde etmek için kullanılan bir yoldur. Bunu baĢarmak için birkaç yol vardır. Bunlar; ya kiral ligand kullanmayı, ya kiral kaydırıcı kullanmayı, ya da kiral reaktif kullanmayı içermektedir (Modin, 2004). Doğal kaynaklardan elde edilmesi genel olarak kiral havuz (chiral pool) olarak adlandırılmaktadır. Bu sınıfı oluĢturan en önemli kiral bileĢikler aminoasitler, hidroksi asitler, terpenler ve alkoloidlerdir (Ager, 1999). Örneğin L-Prolin, kaptoril, enalapril gibi ACE inhibitörlerin anahtar ham maddesidir. Bu bileĢiklerin en önemli avantajı, ucuz olmaları ve optikce saflıklarının yüksek olmasıdır. Bununla beraber dezavantajı ise; elde edilen enantiyomerin diğer izomerinin elde edilememesidir. Çünkü doğa kendine lazım olmayan ürünü oluĢturmamaktadır. Bu yüzden bu yol ile iki enantiyomeri bulunan bir ürünün sadece bir enantiyomeri bu yoldan elde edilebilir. Amino asitlerin doğada L izomerinin bulunması gibi.

1.2.4.1. Enantiyomerik tanınması ve ayrılma

Rasemik bileĢikleri oluĢturan enantiyomerleri birbirinden ayırma iĢlemine yarılma (resolution) denir. Hem analitik hem de preparatif amaçlı olarak enantiyomerlerin ayrılmasında çok fazla metot geliĢtirilmiĢtir (Çizelge 1.17.). Enantiyomerlerden birinin tercihli kristallendirilmesi, enzim kullanarak seçimli indirgeme iĢlemleri, genel olarak klasik yöntem olarak değerlendirilirken artık

spektroskopik, kromatografi, elektroforetik gibi teknikler, modern metotları teĢkil etmektedir (Cazes, 2003).

Enzimatik metot kullanımında yarılma iĢlemi, enantiyomerlerden birinin indirgenmesi iĢlemiyle gerçekleĢmektedir. Maya veya bakteri gibi mikroorganizmalar rasemik karıĢım çözeltisi içerinde enantiyomerlerden sadece birisini sindirerek büyürler. Diğer enantiyomer ise etkilenmeden ortamda kalır. Örneğin rasemik amonyum tartarat çözeltisine Penicillium glaucum ilave edildiğinde dextrarotatary formunun yıkıma uğradığı görülmektedir (Pasteur, 1848).

Çizelge 1.17. Kullanılan bazı yarılma metotları ve özellikleri

Metot Avantajı Dezavantajı Uygulanabilen

boyut

Diastereomerik kristallendirme

Basit, geniĢ uygulanabilirlik Pahalı, uygun çözücü ajanları bulmak zor

Büyük miktarda, endüstriyel boyutta Kinetik yarılma Yüksek kararlılık DüĢük etki Ayırma amaçlı

Büyük miktarda Kromatografik DüĢük maliyet, yüksek etki,

pek çok rasemat için uygun DüĢük kapasite Büyük miktarda Membran bazlı DüĢük maliyet, yüksek

kapasite, sürekli ve kolay kullanım

Herbir aparat için

düĢük transfer miktarı endüstriyel boyutta Büyük miktarda,

Kristallendirmenin temelini ise, optikçe saf bir bileĢiğin rasemik bir karıĢıma ilave edilmesi ve bu karıĢımdaki her bir enantiyomer ile diastereomerik tuz meydana getirmesi prensibine dayanmaktadır (Hengstrom, 1990). OluĢan bu diastereomerik tuzların birbirinden ayrılması ile rasemik yapıyı oluĢturan izomerler birbirinden ayrılmıĢ olur. Ancak bu iĢlem esnasında rasemata ilave edilecek olan bileĢiğin optikçe saflığının yüksek oranda olma esası çok önemlidir (ġekil 1.48.).

i: isopropanol ii: tuzun parçalanması

verim : %33 ee : %98

ġekil 1.48. Diasteremerik tuz oluĢumu ile enantiyomerlerin ayrılması

Günümüzde kullanılmakta olan bir diğer metot ise, enantiyomerlerin kinetik yarılma metodudur. Bu metotda rasemik bileĢik ile kiral bir reaktif arasında meydana gelen bir reaksiyon sonucunda enantiyomerlerden biri diğerine göre daha aktif olarak

reaksiyona girebilmektedir. Bu metotda enantiyomerlerden biri seçimli olarak reaksiyona girmekte, diğeri ise pratikte neredeyse hiç girmemektedir. Bu durumda reaksiyona girmeyen enantiyomer yaklaĢık % 50 verimle dahi elde edilebilmektedir. Bu yüzden enantiyomerin yarılmasından bahsedilebilinir (ġekil 1.49.). Ancak bu metodunda büyük bir dezavantajı vardır. Bu elde edilmek istenen enantiyomerin teorik olarak en yüksek veriminin %50 ‘yi geçememesidir. Çünkü diğer %50 ‘lik kısımı diğer enantiyomer içermektedir.

D-(-)-DIPT tBuOOH

%50 %50

hızlı yavaĢ (sterik engelli) rasemik

ġekil 1.49. Kinetik yarılmada enantiyomerlerden birinin seçimli reaksiyonu

Son yıllarda geliĢtirilen diğer bir metot ile rasemik bir karıĢımdan teorik olarak % 100 verimle bir enantiyomer elde edilebilmektedir. Dinamik kinetik yarılma olarak adlandırılan bu metot, gerçekte kinetik yarılma metodunun geliĢmiĢ bir Ģeklidir (ġekil

1.50.). %0 %100 EtOH (DHQD)2AQN yavaĢ hzlı EtOH (DHQD)2AQN

ġekil 1.50. Dinamik kinetik yarılma ile teorik olarak %100 verimle enantiyomerin birinin seçimli sentezi

Bu metotda, rasematı oluĢturan her bir enantiyomer birbirlerine dönüĢebilmekte ve enantiyomerlerden biri hızlı reaksiyona girmekte, diğeri ise; sterik engel gibi nedenlerden dolayı daha yavaĢ reaksiyona girmektedir. Bu durumda enantiyomerleden

biri daima azalmaktadır. Diğer taraftan ise, baĢlangıçtaki bileĢik sürekli rasemleĢmektedir. Bu durumda sonunda her iki enantiyomerden teorik olarak bitecek ve seçimli olarak istenilen enantiyomer elde edilebilecektir (ġekil 1.51.).

Ru (II) R-BINAP Ru (II) S-BINAP H2 H2 Baker's yeast Rhizopus arrhizus de %98, ee %99 verim %98 verim %70 verim %100 verim %93 de %98, ee %95 de %97, ee %96 de %93, ee %86

ġekil 1.51. Dinamik kinetik yarılma ile çeĢitli reaktiflerle istenilen enantiyomerlerin ayrı ayrı seçimli

sentezi

Günümüzde modern teknikler olarak kromatografik, elektroforetik, spektroskopik, biyosensör ve membran teknikleri en yaygın olarak kullanılan ayırma metotlarını oluĢturmaktadır. Spektroskopik metotlardan NMR spektroskopisinde Kiral çözme reaktifi (CSA) proton ve karbon atomlarının kimyasal kayma değerlerinde bir değiĢikliğe yardımcı olmaktadır (ġekil 1.52.).

Enantiyomerler NMR spektrumlarıyla kiral olmayan bir ortamda ayrılamaz. Çünkü rezonansları eĢit miktarda kimyasal kaymadadır (izokron). Aksine diastereomerler ayrılabilir. Çünkü belli (kesin) rezonansları eĢit olmayan kimyasal kaymadır (anizokron). NMR kullanılarak enantiyomerik saflığın belirlenmesi enantiyomerik bir karıĢım, diastereomerler karıĢımına çevirmek için kiral bir yardımcıya ihtiyaç duyar. Üç tip kiral yardımcı kullanılır. Bunlar; diastereomerlerden kiral türevlendirme reaktifi (CDAS), kiral çözme reaktifi (CSAS) ve kiral lantanit kaydırma reaktifi (CLSRS) ki bu substrat enantiyomerleriyle diastereomerik komplekslerden oluĢur. Kiral türevlendirme maddeleri güvenilirdir ve etkilidir. Ama deneysel olarak zahmetlidir. Kiral lantanit kaydırma reaktifleri de eĢdeğer olarak etkilidir. Ancak uygulamaları deneme-yanılma yöntemine ihtiyaç duyar. Kiral çözme maddeleri verimli ve basittir. Ancak yeterince geliĢmemiĢtir ve Ģimdiye kadar uygulama oranları sınırlıdır (DemirtaĢ, 2009).

ġekil 1.52. Rasemik 2-kloro mandelik asidin kiral ligand varlığındaki 1

H NMR spektrumu

DSC metodu ise, numunedeki kiral ve -veya- kiral olmayan kirliliklerin giriĢim yapmasına karĢı duyarlı davranmasıdır (ġekil 1.53). (Eliel, 1994) Ancak yine de bu tekniklerin doğruluğu ve duyarlılığı çok yüksek değildir.

ġekil 1.53. Rasemik α-metilbenzilamonyum cinnamat‘ın DSC analiz grafiği*

* Sol pik karıĢımın erime entalpi grafiği, sağ pik (+) enantiyomerin erime entalpi grafiği

Son yıllardaki en önemli geliĢmelerden birisi de kiral bileĢiklerin analizinde saf enantiyomerleri elde etmek için sıvı kromatografi metotların kullanılmasıdır. HPLC kullanılarak birçok bileĢiğin saf enantiyomerleri elde edilmiĢtir. HPLC sistemleri α ≥ 1,05 olan iki bileĢik için iyi bir ayırma verir. Kiral durgun faz ile enantiyomerlerin karıĢımının oluĢturduğu diastereomerik kompleksler özdeĢ olmayan kararlılıklara sahip olacaklar ve farklı zamanda kolondan ayrılacaklardır (Kendi, 2010). Bunun sayesinde günümüzde artık tarım sektöründen, β-bloker gibi çeĢitli ilaç olabilecek bileĢik enantiyomerlerin birbirinden ayrılmasına kadar kullanılmaktadır (Bioszeparacio, 2011). Kiral durgun faz olarak silikaya bağlanmıĢ kiral moleküller kullanılabilir. (ġekil 1.54. ve ġekil 1.55.).

ġekil 1.54. Ticari olarak satılan Whelk-O 1 kiral kolunun kimyasal yapısı

ibuprofen

ġekil 1.55. Ticari olarak satılan Whelk-O 1 kiral kolunun ibuprofenin HPLC analizi

Optikce saflıktaki enantiyomerlerin avantajı çok olmasına rağmen rasematların ayrılması endüstriyel olarak hala çok büyük öneme sahiptir. Enantiyomerlerin ayrılması için çeĢitli metotlar geliĢtirilmiĢtir. Bunlardan kiral membranlar ise preperatif amaçlı enantiyomerlerin birbirinden ayırma iĢlemleri kullanımı daha yenidir, fakat bu teknik çok fazla geliĢmemiĢtir (Maier, 2001).

Membranla gerçekleĢen kütle transferi teknik olarak basit ve düĢük enerji tüketimine sahip olmasından dolayı, membranlar endüstrüsinin son yıllarda kullandığı tekniklerdendir (Noble, 1995).

Sıvı membranlar üç ana tip altında sınıflandırılmaktadır. Bunlar sıvı destek membranlar (SLMS), hacimli sıvı membran (BLMS) ve emülsiyon sıvı membran (ELMS)‘dır. Bunlardan en yaygın olarak kullanılanı SLMS ve ELMS membran çeĢitleridir.

Sıvı membranlar; donor ve akseptör fazı birbirinden ayıran, membran faz olarak isimlendirilen ve taĢıyıcıyı içeren organik fazdan oluĢur. Organik faz içerisindeki taĢıyıcılar asidik, bazik ve nötral özellik gösteren maddelerdir ve bunlar geniĢ bir endüstriyel alanda çoğu hidrometalurjik uygulamalarda yaygın olarak çalıĢılmıĢ ve kullanılmıĢtır (Sengupta, 1988;Kocherginsky, 2007).

Sıvı membran ile kiral yarılma yapabilmek için iki anahtar aĢama vardır. Bunlardan birincisi iki izomerden birinin tercihli olarak kiral selektör ile etkileĢmesidir. Ġkincisi ise her bir fazdaki serbest izomerin yanı sıra kiral reseptör ve onun kompleksinin membran fazda önemli ölçüde çözünürlüğünün çok, diğer fazlarda ise hemen hemen hiç olmamasıdır. Diğer bir değiĢle kompleksleĢmemiĢ izomerin sadece kaynak ve/veya alıcı fazda çözünmesi veya organik fazda minimum çözünmesi, kiral resöptör ve kompleksleĢmiĢ izomerin sadece organik membran fazda çözünmesi esastır.

Enantiyoseçici membranlar, her iki enantiyomerin organik faza olan farklı ilgisinden faydalanılarak enantiyomerleri seçimli olarak ayırabilmektedir. Burada ya membran materyalinin hacimli yapısı ya da kiral selektörlerin eklenmesiyle kiral tanınma çalıĢmaları yapılabilmektedir. Örneğin polisakkaritler gibi hacimli gruplar bulunduran membranlar veya kaliksarenler gibi kiral selektör içerebilen yapılar kullanılmaktadır. Genel olarak enantiyoseçici membranlar sıvı membran ve katı membranları içermektedir. Sıvı membranda ise kiral selektör direk olarak sıvı membran fazda çözülür. Burada kiral selektörün hem kaynak fazda hem de alıcı fazda çözünmemesi önemlidir. Sıvı membranda izomerlerin alıcı fazda geri salınmasında genellikle pH veya konsantrasyon gibi etkiler rol oynamaktadır. Tipik olarak sıvı membran sistemi bir organik çözücü ile alıcı ve kaynak fazı teĢkil eden iki su fazından oluĢmaktadır (ġekil 1.56.). Sıvı membranlar hızlı, etkili ve yüksek madde tranferini sağlarlar (Pickering, 1997).