Organik çözücü varlığında enzimatik katalizi etkileyen faktörler

Organik çözücü seçimi için, organik çözücülerin fizikokimyasal karakteristik özelliklerine göre modeller geliştirilmiştir. Brink ve Tramper [70] tarafından geliştirilmiş modelde propenin epoksidasyonu için Hildebrant çözünürlük parametreleri kullanılmıştır. Buna göre düşük polariteli ve yüksek molekül ağırlıklı çözücülerin (>200 Da) katalitik aktiviteyi desteklediğini bulmuşlardır. Benzer şekilde Laane ve ark. [73] çözücünün hidrofobisitesi ve biyokatalizörün enzimatik aktivitesinin korunması arasında kantitatif korelasyon bulmuşlardır. Yüksek log P değerinin optimal enzimatik aktiviteyi sağladığını belirtmişler ve P’yi; verilen çözücünün su ve 1-oktanol arasındaki partitisyon sayısı olarak tanımlamışlardır. Buna göre;

P= [Çözücü]oktanol/[Çözücü]su

olarak hesaplanır. Burada çözücü molekül ağırlığı ile ilgili korelasyona gerek olmadığını belirtmişlerdir. Log P değeri 4’ün üstünde olan çözücüler içinde (dekanol, hekzadekan gibi) propen epoksidasyonu reaksiyonunda yüksek derecede aktivite elde etmişlerdir. 2’nin altında olan (düşük zincirli alkoller, su ile karışabilen çözücüler, düşük zincirli eterler ve esterler gibi) çözücülerin biyokataliz için elverişsiz olduğunu bulmuşlardır. Bu bulgular hidrofilik çözücülerin enzim için gerekli su bağlarını soyması ile tutarlıdır.

Yukarıda ifade edilen korelasyonlar katalitik aktivitenin tanımlanması ile ilgilidir. Fakat enzim kararlılığı ve gerçek aktivite arasındaki ayrım iyi yapılmalıdır. Çoğu log P verisi organik çözücü içindeki aktiviteyi belirler. Bu; kararlılıktan çok aktivitenin belirtecidir. Daha doğru bir model çözücünün kcat, Km gibi belirli kinetik değerler

üzerine etkisidir. Bu durumda enzim üzerindeki çözücü etkisi başlangıçtaki enzimatik aktivite ile kantitatif olarak ilişkilendirilebilir [70,73]. Enzimolojide; hidrofobik etkileşimler, hidrojen bağları ve elektrostatik etkileşimler arasında dielektrik sabiti ile ilişkili olabilecek tek etkileşim elektrostatik etkileşim olarak görülmektedir. Bu etkileşimlerin önemini ve gücünü vurgulayabilmek için organik çözücünün dielektrik sabitinin etkisini analiz etmek gerekmektedir [74]. Geçiş (tranzisyon) halinin stabilizasyonu için çok önemli rol oynadığından elektrostatik

kuvvetler enzim katalizinde önemli bir rol üstlenmişlerdir. Geçiş halinde oluşan oksi anyon çukurunun stabilizasyonunda çözücünün dielektrik sabiti etkili olmaktadır, bu da katalizi etkilemektedir. Bu yüzden çalışılan çözücü ortamının dielektrik sabitinin belirlenmesi çözücünün katalizi ne kadar etkilediğinin göstergesi olabilmektedir [75].

2.2.5.5.1 Solvatokromizim ve solvatokromik parametreler

Kimyacılar için kimyasal reaksiyonlarda çözücü etkisi olan ve çözücü polaritesi olarak tanımlanan terimin anlaşılması büyük önem taşımaktadır. Çözücü polaritesinin anlaşılabilmesi için dielektrik sabiti, dipol moment, refraktiv indeks gibi makroskobik tanımlar yapılmıştır ancak çözünen/çözücü etkileşimleri mikroskobik seviyede gerçekleşmektedir. Bu yüzden bu tanımlama solvasyon (çözebilme) yeteneği ya da solvasyon gücü olarak belirlenmiş, bu tanımlamanın spesifik-non- spesifik çözünen ve çözücü iyon ya da molekül arasındaki muhtemel tüm kimyasal etkileşimleri içerdiği öngörülmüştür. Bu yüzden çözücü polaritesi kantitatif olarak dielektrik sabiti gibi bir tek çözücü parametresi ile ifade edilmemelidir. Kimyasal reaktivite üzerinde çözücü etkisini tanımlayacak detaylı teorik açıklamalar bulunmadığından ve çözücü polaritesinin tanımının bir tek fiziksel çözücü parametresi ile yapılmasının doğru olmamasından dolayı çözücü polaritesinin deneysel parametreleri konulu çalışmalara başlanmıştır. Bu çalışmaların temelini çözücü bağımlı reaksiyonlar ya da spektral absorbsiyonlar oluşturmaktadırlar ki bu tür yöntemler çözücünün reaksiyon ortamına etkisini incelemek için oldukça elverişlidir. Çözücü polaritesi hakkında bilgi edinmek için solvatokromik boyalar – görsel belirteçler- ilk defa 1951 yılında Brooker tarafından kullanılmıştır (Eastman Kodak Firması) fakat 1958 yılında ilk güvenilir spektroskopik çözücü polaritesi skalası Kosower tarafından yapılmıştır. Bu tarihten itibaren çeşitli UV/görünür/yakın-IR temelli çözücü polaritesi çizelgeleri keşfedilmiş ve bu keşifler farklı kimyasal yapıya sahip ve farklı çözücü/çözünen etkileşimi olan solvatokromik boyalar kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Kimyasal bileşiklerin UV/görünür/yakın-IR absorbsiyon spektrumlarının çevrelerindeki ortamdan etkilendiği ve absorbsiyon bandının şiddetinin ve keskinliğinin değişmesine sebep olabileceği uzun zamandan beri bilinmektedir. Hantz-schlater tarafından bu olgu solvatokromizim olarak

adlandırılmıştır. Solvatokromizim kromaforun ve çözücü molekülünün kimyasal yapısına ve fiziksel özelliklerine bağlıdır. UV/görünür/yakın-IR spektroskopik ölçümlerin kolaylığından dolayı çözücü polaritesinin deneysel parametreleri solvatokromik bileşikler ile belirlenmiştir. Özellikle çözücü tarafından etkilenmiş UV/görünür/yakın-IR absorbsiyonlarının çözücü bağımlı işlemler için tipik model olacağı düşünülmektedir. Renkli belirteç olan solvatokromik bileşikler UV ve görünür bölgenin yanı sıra yakın-IR bölgesinde de absorbsiyon verdiği için çözücü polaritesinin ölçümü açısından oldukça elverişlidir [76]. Tez çalışmasında π*, α, β ve

N T

E solvatokromik parametreleri kullanılmıştır.

π* parametresi; çözücünün bir yükü ya da bir dipolü sahip olduğu dielektrik etkisi ile stabilize edebilme yeteneğinin ölçümü olan dipolarite/polarizlenebilme yeteneği olarak tanımlanmaktadır [77].

α parametresi; hidrojen bağ donör (HBD) asiditesi olarak da isimlendirilmekle birlikte çözücünün proton verebilme yani bir elektron çiftini verebilme yeteneği olarak tanımlanmaktadır [77].

β parametresi; hidrojen bağ akseptör (HBA) bazisitesi olarak da isimlendirilmekle birlikte çözücünün çözünen ile hidrojen bağı oluşturmak amacı ile proton kabul edebilme yeteneği olarak tanımlanmaktadır [77].

N T

E parametresi; çözücü polaritesi hakkında bilgi veren bir başka parametre olan ET(30) olarak da adlandırılan parametrenin normalize edilmiş halidir. ET(30) değeri

1960 yılında Dimroth ve Reichardt tarafından bulunmuş olup bir seri piridinyum betain boyar madde moleküllerinin solvatokromizmini içermektedir. Çözücü polaritesinin ET(30) skalası 2,6-difenil-4-(2,4,6-trifenil-N-piridino)fenolat’ın

intramoleküler yük transfer absorbsiyonu üzerine kurulmuştur. Betainin yapısından dolayı 30 olarak numaralandırılmıştır. ET(30) farklı çözücülerin polar fragmanları

çözebilme yeteneği olarak da tanımlanmaktadır [78].

N T E değeri; T (çözücü) T (TMS) N T T (su ) T (TMS) E E E E E − = −

olarak hesaplanmaktadır. Burada kullanılan su ve TMS (tetrametilen silan) en polar ve non-polar çözücüleri ifade etmektedir. Bu yüzden çözücüler için E skalası TMS _TN için 0.00 ve su için 1.00 aralığında hesaplanmaktadır. Organik çözücünün reaksiyona etkisine bakılacak ise ET(30) parametresi dikkate alınır, ancak çoklu parametre

korelasyonuna bakılacak ise E değerinin kullanılması daha uygun olmaktadır [76]. N_T