Yeni kiral ß-hidroksi amin ve kaliks[4]aren türevlerinin sentezi, enantiyomerlerin tanınmasında kullanılması

T.C.

SELÇUK ÜNĠVERSĠTESĠ FEN BĠLĠMLERĠ ENSTĠTÜSÜ

YENĠ KĠRAL β-HĠDROKSĠ AMĠN VE KALĠKS[4]AREN TÜREVLERĠNĠN SENTEZĠ,

ENANTĠYOMERLERĠN TANINMASINDA KULLANILMASI

Selahattin BOZKURT

DOKTORA TEZĠ Kimya Anabilim Dalı

Ekim-2011 KONYA Her Hakkı Saklıdır

iv

ÖZET DOKTORA TEZĠ

YENĠ KĠRAL β-HĠDROKSĠ AMĠN VE KALĠKS[4]AREN TÜREVLERĠNĠN SENTEZĠ, ENANTĠYOMERLERĠN TANINMASINDA KULLANILMASI

Selahattin BOZKURT

Selçuk Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Kimya Anabilim Dalı

DanıĢman: Prof. Dr. Mustafa YILMAZ Prof. Dr. Abdulkadir SIRIT

2011, 203 Sayfa

Jüri

Prof.Dr.Mustafa YILMAZ

Prof.Dr. Abdulkadir SIRIT Prof.Dr. Ayhan S. DEMĠR Prof.Dr. Mehmet SEZGĠN Doç.Dr. Ahmet KOÇAK

Bu çalıĢmada, çeĢitli kiral ve akiral amin türevleri ile (R)-(−)-N-(2,3- epoksipropil)ftalimid (3) bileĢiğinin reaksiyonu sonucunda % 56–93 verimle yedi farklı optikçe aktif amino alkol türevi sentezlendi. Bu optikçe aktif amino alkol türevlerinin (8–11) rasemik yapıdaki karboksilik asitlere karĢı enantiyomerik tanıma özellikleri 1H NMR spektroskopisi kullanılarak araĢtırıldı. Bu çalıĢmada kullanılan kiral reseptörler arasında, en iyi kiral kaydırma reaktifinin amino alkol türevi 9 olduğu belirlendi.

Ayrıca, kiral ftalimid türevleri hidrazin mono hidrat ile indirgenerek kiral primer amin bileĢikleri (12–15 ve 22–24) hazırlandı. Bu primer amin türevleri ile 25,27-dietoksikarbonilmetoksi-26,28-dihidroksi-5,11,17,23-(tetra-ter)bütil-kaliks[4]aren (2) bileĢiğinin reaksiyonu sonucunda yedi farklı yeni kiral amit kaliks[4]aren bileĢiği (25–

31) baĢarıyla sentezlendi.

Bazı amino asit metil ester tuzları ve mandelik asitin taĢınması kiral kaliks[4]arenler (25–30) kullanılarak sıvı-sıvı membran sistemi ile çalıĢıldı. Özellikle kaliks[4]aren türevi 25 ‘in triptofan metilesterin taĢınmasında, D enantiyomerini L enantiyomerine göre 3.29 kat daha fazla taĢıma gösterdiği tespit edildi. Elde edilen sonuçlara göre enantiyoseçiciliğin ilk iki saat içinde artmasına rağmen bundan sonraki zamanda azaldığı gözlendi.

Anahtar Kelimeler: β-hidroksi amin, kiral kaliks[4]aren, kiral tanınma, kiral

v

ABSTRACT

Ph.D THESIS

SYNTHESIS OF NOVEL CHIRAL β-HYDROXY AMINE AND CALIX[4]ARENE

DERIVATIVES AND THEIR USE IN DETERMINATION OF ENANTIOMERS

Selahattin BOZKURT

THE GRADUATE SCHOOL OF NATURAL AND APPLIED SCIENCE OF SELÇUK UNIVERSITY

THE DEGREE OF DOCTOR OF PHILOSOPHY IN CHEMISTRY

Advisor: Prof. Dr. Mustafa YILMAZ Prof. Dr. Abdulkadir SIRIT

2011, 203 Pages

Jury

Prof.Dr.Mustafa YILMAZ

Prof.Dr. Abdulkadir SIRIT Prof.Dr. Ayhan S. DEMĠR Prof.Dr. Mehmet SEZGĠN Assoc.Prof.Dr. Ahmet KOÇAK

In this study, seven optically active amino alcohol derivatives were synthesized via the ring opening of (R)-N-(2,3-epoxypropyl)phthalimide (3) with chiral and achiral amines in 56–93% yields. The enantioselective recognition properties of these receptors (8–11) towards the enantiomers of racemic carboxylic acids was examined by 1H NMR spectroscopy. Among the chiral receptors used in this study, amino alcohol 9 was determined to be the best chiral shift reagent.

In addition, chiral primary amine derivatives (12–15 and 22–24) were readily prepared by cleavage of chiral phthalimides with hydrazine hydrate by refluxing in ethanol. The synthesis of seven diamide derivatives of the p-tert-butylcalix[4]arenes (25–31) from the reaction of 5,11,17,23-tetra-tert-butyl-25,27-diethoxycarbonylmethoxy-26,28-dihydroxy calix[4]arene (2) with this primary amines was performed succesfully.

The transport of amino acid derivatives (phenylglycine, phenylalanine and tryptophan methyl ester hydrochlorides) and mandelic acid were studied through a bulk liquid membrane in the presence of chiral calix[4]arene derivatives (25–30). It was found that compound 25 showed the best enantioselectivity for tryptophane metylester, affording a KD/KL value of 3.29. According to the results, the enantioselectivity

increased linearly during the first two hours, after which time a decrease in enantioselectivity was observed.

Keywords: β-hydroxyamine, chiral calix[4]arene, chiral recognition, chiral

vii

ÖNSÖZ

Bu çalıĢma, Selçuk Üniversitesi Fen Fakültesi Kimya Bölümü Organik Kimya Anabilim Dalı Öğretim Üyelerinden Prof. Dr. Mustafa YILMAZ ile Selçuk Üniversitesi Ahmet KeleĢoğlu Eğitim Fakültesi Kimya Eğitimi Anabilim Dalı Öğretim Üyelerinden Prof. Dr. Abdulkadir SIRIT‘ın ortak danıĢmanlığında hazırlanarak, Selçuk Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü‘ne Doktora Tezi olarak sunulmuĢtur. Bu çalıĢma Tübitak 109T167 proje nolu araĢtırma projesinin bir kısmı olarak ve S. Ü. Bilimsel AraĢtırma Projeleri Koordinatörlüğü tarafından BAP 10101019 nolu doktora tez projesi olarak mali olarak desteklenmiĢtir.

Doktora tez konusunun seçiminde, hazırlanmasında ve çalıĢmamın her safhasında yardımlarını gördüğüm; beni bilgi ve önerileriyle yönlendiren, her zaman ve her konuda desteklerini arkamda hissettiğim, değerli danıĢman hocalarım Sayın Prof. Dr. Mustafa YILMAZ Bey‘e ve Sayın Prof. Dr. Abdulkadir SIRIT Bey‘e, bana her konuda yol gösterdikleri için saygılarımı sunarım. Sizlerle çalıĢmak bir ayrıcalıktır. Bu ayrıcalığı akademik hayatım boyunca büyük bir gururla taĢıyacağım.

Tez çalıĢmalarım boyunca beni bilgileriyle yönlendiren Tez Ġzleme Komitesi üyeleri Sayın Prof. Dr. Ayhan S. DEMĠR Bey hocama ve akademik hayatımda bana her koĢulda destek olan Sayın Prof. Dr. Mehmet SEZGĠN Bey hocama minnettarım.

Tezimin hazırlanmasında ve çalıĢma alanında yardım ve desteklerini gördüğüm ArĢ. Gör. Mustafa DURMAZ‘a, Uzman Serkan Erdemir‘e, ArĢ. Gör. Nevin NAZIROĞLU‘na, ayrıca hem Ahmet KeleĢoğlu Eğitim Fakültesi Kimya Eğitimi Bölümündeki hem de Fen Fakültesi Kimya Bölümündeki hocalarıma ve araĢtırma görevlisi arkadaĢlarıma teĢekkürlerimi sunarım.

Bu çalıĢmayı maddi olarak destekleyen TÜBĠTAK‘a ve Selçuk Üniversitesi Bilimsel AraĢtırmalar Koordinatörlüğü‘ne teĢekkür ederim.

Akademik çalıĢmalar esnasında bazen bir çıkmaza girersiniz. Hedeflediğiniz noktayı bir türlü bulamazsınız ve bunun nedenlerini bazen kendinizde aramaya ve kendi bilgi ve becerilerinizi sorgulamaya baĢlarsınız. ĠĢte böyle anlarımda benim bu düĢüncelerimin yanlıĢ olduğu ifade eden ve bana en büyük manevi desteği veren Sevgili Babama, Anneme ve EĢime minnetimi anlatacak ifade bulamamaktayım. Ayrıca günlük hayatta yapmam gereken iĢleri yapamadığım zaman bana büyük bir anlayıĢ ve sabır gösteren EĢime Ģükranlarımı sunuyorum. Sevgili oğullarım biliyorum bazen sizinle ilgilenemedim. Umarım beni hep anlayıĢla karĢılarsınız.

Bu aĢamada kaybettiğim bana her zaman güvenen ve benden hiçbir zaman ve koĢulda desteğini mahrum etmeyen Sevgili Babam; Seni anlatamam, Senin emeğini ifade edemem, Hakkını helal et.

Bu çalıĢmalarımla faydalı iĢler yapmıĢ olmak umuduyla…

Selahattin BOZKURT KONYA-2011

viii ĠÇĠNDEKĠLER ÖZET ... iv ABSTRACT ... v ÖNSÖZ ... vii ĠÇĠNDEKĠLER ... viii SĠMGELER VE KISALTMALAR ... x 1. GĠRĠġ ... 1

1.1. Supramoleküler Kimya ve Kaliksarenlerin Önemi ... 2

1.1.1. Supramoleküler kimyada birinci ve ikinci kuĢak ... 2

1.1.2. Supramoleküler kimyada kaliksarenlerin yeri ... 4

1.1.3. Kaliksarenlerin tarihçesi ve sentezi ... 5

1.1.4. Kaliksarenlerin adlandırılması ... 13

1.1.5. Kaliksarenlerin fiziksel özellikleri ... 14

1.1.6. Kaliksarenlerin konformasyonları ... 15

1.1.7. Kaliksarenlerin fonksiyonlandırılmaları ... 20

1.1.8. Kaliksarenlerin kullanım alanları ... 23

1.2. Kirallik ve Kiral Kaliksarenler ... 41

1.2.1. Optikçe aktiflik ve insan hayatındaki önemi ... 41

1.2.2. Kirallik, enantiyomerler ve optikçe aktiflik ... 46

1.2.3. Tek bir enantiyomer teknolojisinin ekonomik değeri ... 48

1.2.4. Enantiyosaflıktaki bileĢiklerin elde edilmesi ... 50

2. KAYNAK ARAġTIRMASI ... 57

2.1. Kiral Tanınma ... 57

2.2. Sıvı Membran ile Enantiyomerlerin Seçimli TaĢınması ... 66

3. MATERYAL VE METOT ... 72

3.1. Kullanılan Kimyasal Maddeler ve Çözücüler ... 72

3.2. Kullanılan Cihazlar ... 72

3.3. Sentez ÇalıĢmaları ... 73

3.3.1. Kaliks[4]aren baĢlangıç maddelerinin sentezi ... 73

3.3.2. BileĢik 8–11 ve 19–21 için genel prosedür ... 77

3.3.3. BileĢik 12–15 ile 22–24 için genel presedür ... 81

3.3.4. BileĢik 25–31 için genel prosedür ... 85

3.4. 1H NMR ile Enantiyomerik Tanınma ÇalıĢması ... 94

3.5. Sıvı Membran ÇalıĢması ile Enantiyomerlerin Ayrılması ... 95

4. ARAġTIRMA SONUÇLARI VE TARTIġMA ... 96

4.1. ÇalıĢmanın Önemi ... 96

ix

4.3. Yapısında β-hidroksi Amin Grubu TaĢıyan Ftalimid Yapısındaki Kiral

BileĢiklerin Sentezi ... 97

4.3. Ftalimid Yapısındaki Kiral BileĢiklerin Ġndirgenmesi ... 100

4.5. Elde Edilen Kiral Primer Aminlerin p-ter-kaliks[4]aren diester Türevlerine Bağlanması ... 102

4.6. 1H NMR Spektrumu ile Karboksilik Asitlerin Kiral Tanınma ÇalıĢmaları ... 104

4.7. Sıvı Membran ile Aminoasit Tuzları ve Mandelik Asitin Enantiyoseçimli TaĢınması ... 117 5. SONUÇLAR VE ÖNERĠLER ... 126 5.1. Sonuçlar ... 126 KAYNAKLAR ... 128 EKLER ... 139 ÖZGEÇMĠġ ... 192

x SĠMGELER VE KISALTMALAR Kısaltmalar Å angstrom (1.0 x10-10 M) AlaOMe.HCl alanine-metilester.hidroklorür BINOL 1,1-bi-2-naftol

BNA 1,1-binaftil-2,2-diamin (BNA) BNHP 1,1-binaftil hidrojen fosfat

˚C santigrat derece

CDAS Kiral Türevlendirme Reaktifi

CDCl3 Döteryumlu kloroform

CLSRS Kiral Lantanit Kaydırma Reaktifi

CSAS Kiral Çözme Reaktifi (Chiral Solvanting Agent)

d dublet

DCM diklorometan

dd dubletin dubleti

ddd dubletin dubletn dubleti DMF N,N-dimetilformamid DMSO dimetil sulfoksit dr diasteryoizomerik oran

DSC Differensiyl Scanning Calorimeter ee enantiyomerik aĢırılık

eq equivalent

FDA Amerikan Gıda ve Ġlaç Ġdaresi

FEA feniletilamin

FT-IR Fourier transform infrared spektroskopi Hiva α-hidroksi isovalerik asit

HPLC Yüksek Perfromanslı Sıvı Kromatografisi IPA isopropil alkol

m multiplet

MA mandelik asit

MeOH Metanol

NMR Nükleer Manyetik Rezonans ODS Okta desil silan

PheAlaOMe.HCl fenilalanine metilester hidroklorür PheGlyOMe.HCl fenilglisin metilester hidroklorür PheGlyOH fenil glisinol

PhthN phthalimido PNB p-nitro-fenilbenzoat

PNF p-nitro-fenol

Py pridin

rt oda sıcaklığı (room temperature)

s singlet

SerOMe.HCl serinmetilester hidroklorür

t triplet

td tripletin dubleti

TrpOMe.HCl triptofan metilester hidroklorür 2ClMA 2-kloro mandelik asit

1. GĠRĠġ

Ġnsanoğlu yaĢamı boyunca, günlük hayatta karĢılaĢtığı zorlukları ortadan kaldırmak veya bu zorlukları azaltmak için çeĢitli ihtiyaçlar hissetmiĢtir. Ġlaç ve tarım sektöründen tutun da, boya sektörüne kadar bu ihtiyaçlarımızın önemli bir kısmını kimyasal ürünler karĢılamaktadır. Ancak kullanılan bu ürünler; ihtiyaçlarımızı giderirken, ya ihtiyaçlarımızı tam olarak karĢılayamadığı ya da yanında bazı yeni sorunlar oluĢturduğu görülmektedir. Örneğin plastik kimyası çok geliĢmiĢ olmasına karĢın, çevreye verdiği zararlar nedeniyle bu tür kimyasalların yerine geçerek, çevreye ve insana daha az zararlı yeni materyallerin ihtiyacı hissedilmektedir.

ĠĢte hayatı kolaylaĢtırmak için biz insanoğlu, kullanılan bu kimyasal ürünlerin sentezlenmesi için çeĢitli kimyasal iĢlevler kullanmaktayız. Ama bazen kullanmıĢ olduğumuz bu iĢlevler, ya istenmeyen yan ürünlerin oluĢmasına ya da istenilen ürünün aktif olmayan kimyasal izomerlerinin de oluĢmasına neden olmakta, bu ise çevreye ve insanlara zararlar verebilmektedir. Her iki durumda da istenmeyen kimyasal ürünlerin oluĢumu bazen telafisi mümkün olmayan sonuçlar doğurabilmektedir.

Günümüze kadar bu ihtiyaçları gidermeye çalıĢan insanlar, istenilen bir ürünü veya bir iĢlem sonundaki kullanılabilir bir atığı, ortamdan alarak daha saf bir halde elde etmeye çalıĢmıĢ, bunu daha az zamanda ve daha düĢük maliyette yapabilmek için çeĢitli yollar denemiĢlerdir. BaĢlangıçta daha çok süzme, eritme gibi fiziksel iĢlemlerle arıtma iĢlemi gerçekleĢtirilirken, bu iĢlemlerde her zaman baĢarılı olunamamıĢ ve fiziksel iĢlemler yerine kimyasal iĢlemler denenmiĢtir. Bunun için yeni kimyasal maddelere ihtiyaç duyulmuĢtur. Ortamda bulunan değerli ve -veya- toksik maddeleri geri kazanmak veya maksimum miktarda uzaklaĢtırabilmek için daha yenileri sentezlenmiĢ ve sentezlenmeye de devam edilmektedir. Kimyasal maddelerin bazıları ise sadece istenilen bir maddenin oluĢmasını, aynı zamanda istenmeyen kimyasal maddelerin de oluĢmamasını sağlayacak Ģekilde tasarlanmıĢ ve her geçen gün de yeni tasarımlar ortaya çıkmaktadır. Kimyacılar bu amaca hizmet edecek kimyasal maddelerin elde edilmesinde genel olarak iki yol izlemektedirler. Bu yollar; ya ortamda bulunan istenen -veya istenmeyen- kimyasalı diğerinden ayırmak ya da bir tepkime esnasında istenmeyen ürünün oluĢumuna engel olmak Ģeklindedir. Her iki yolun da kendilerine göre artıları ve eksileri mevcuttur. Ġstenmeyen ürünü ortamdan uzaklaĢtırılırken yanında istenen üründe

bazen kaybolmaktadır. Eğer bu kimyasal maddeler kiral olarak bilinen saflaĢtırılması zor olan maddeler gibi değerli ise bu iĢin önemi bir kat daha artmaktadır.

ĠĢte bu yüzden tezin giriĢ bölümünde, genel olarak iki kısım halinde incelemelerde bulunulmaktadır. Ġlk kısımda kaliksarenlerin tarihçesi, sentezi, uygulama alanları ve önemi gözden geçirilirken, ikinci kısımda kirallik ve kiral bileĢiklerin özellikleri, değeri, optikçe saf bileĢiklerin sentezi, insan hayatındaki rolü ve yerinden bahsedilmektedir.

1.1. Supramoleküler Kimya ve Kaliksarenlerin Önemi

1.1.1. Supramoleküler kimyada birinci ve ikinci kuĢak

1.1.1.1. Siklodekstrinler

Yaygın olarak 6, 7 veya 8 glikoz biriminden oluĢan ve sırasıyla α, ,  olarak adlandırılan siklodekstrinler halkalı oligoĢekerlerdir (ġekil 1.1.). Siklodekstrinler, hidrofobik bir boĢluğa ve hidrofilik bir dıĢ yüzeye sahip, çok fonksiyonlu primer ve sekonder yüzlü koni Ģeklini andıran bir yapıdadır. Bu moleküller, çok sayıda organik moleküllerle kompleks oluĢturabilme yeteneğine sahiptir. Siklodekstrin boĢluklarına konuk (guest) molekülün yerleĢebilmesi için, yani konak - konuk (host - guest) tipi kompleks yapabilmeleri için öncelikle, konuk molekülün büyüklüğünün siklodekstrinin boĢluk büyüklüğüne uyması gerekmektedir (Easton, 1999).

Hidrofobik özellikteki moleküller, siklodekstrinlerin hidrofobik boĢluğunda tutulurken (endo komp.); hidrofilik özelliğe sahip moleküller ise, siklodekstrinlerin hidrofilik dıĢ yüzeyi ile kompleks yapabilmektedir (ekzo komp.). Suda çözünebilen doğal Ģekerlerden olan siklodekstrinler, özellikle farmasötik bileĢikleri taĢıyabilme özelliğinden dolayı pek çok uygulama alanına sahiptir. Siklodekstrin konuk – konak (host-guest) sistemleri, reseptör-substrat sistemlerinin birçok özelliğini gösterir ve bu bileĢikler kataliz için model (enzim- mimik) olarak kullanılabilir. Bu yapılar genellikle su molekülleriyle hidrojen bağı ve bağ dıĢı etkileĢimler için bir model olarak da kullanılabilir. Sonuç olarak siklodekstrinlerin ve oluĢturdukları komplekslerin, supramoleküler sistemleri düzenleme yetenekleri vardır. Bu sistemin çok yönlülüğü araĢtırmacılara siklodekstrinler hakkında çeĢitli araĢtırma olanakları sağlar.

Siklodekstrinlerin bu özellikleri, bu bileĢiklerin sanayide kullanılmasına neden olmaktadır. Özellikle tekstil alanında yaygın olarak kullanılmasına olanak sağlamaktadır. Siklodekstrinler yıkama ve kurutma iĢlemlerinde yardımcı olarak kullanılmaktadırlar (Vončina, 2000). Bu uygulamalar dıĢında siklodekstrinler; moleküler sensör olarak kullanılabileceği için, iyon ya da molekül seçici sensör olarak elektrotların yapımı üzerinde çalıĢmalar hız kazanmıĢtır.

1.1.1.2. Taç Eterler

Supramoleküler kimyada bir baĢka önemli bileĢik taç eterlerdir. Eter köprüleri ile halkalı yapı oluĢturan kimyasal yapılara taç eter denir. Genel olarak taç eterlerin yapısında karbon, hidrojen ve oksijen atomları bulunur. Taç eterlerde; her oksijen atomu iki karbon atomu arasında olacak Ģekilde düzenmiĢ olup, sonuçta bir halka oluĢturmaktadır. Böylelikle Yunanca da taç manasına gelen bir hal oluĢmuĢ olacaktır. Ancak buradaki oksijen atomları yerine azot, kükürt gibi atomların bulunmasıyla oluĢan yapılar da taç eterler arasında değerlendirilmekte ve oksijen ihtiva eden taç eterlere benzer özellikler taĢımaktadırlar.

Taç eterler Pedersen tarafından keĢfedilmiĢ ve ilk olarak 18-crown-6 bileĢiği sentezlenmiĢtir (ġekil 1.2.). Daha sonra taç eterlerin sentezi ve uygulamasına yönelik birçok çalıĢma yapılmıĢtır.

Taç bileĢikleri, baĢka bir yerden geçiĢine imkân vermeyecek Ģekilde (hücre duvarındaki membran gibi) konuk moleküllere karĢı konak (host) olarak rol oynarlar. Sodyum ve potasyum gibi bazı metalik atomlar halkanın merkezinden geçerken, bunlar

kilitteki anahtara benzer bir Ģekilde halkadaki oksijen atomları ile etkileĢip bağlanırlar. Seçicilik derecesinin yüksek olması, taç bileĢiklerine çözeltideki konuk atomunu tanımasını ve etrafını sarmasını sağlar (template etki).

Biyolojik model bileĢikler gibi, taç eterler; nötral organik molekülleri ve inorganik iyonları kapsayan birçok konuk ile etkileĢme yapabilirler (Yi, 1997). Taç eterler, supramolekül kimyasındaki büyük önemini (Lehn, 1988), fotokimya ile olan yakın iliĢkisinden (Krzystof, 2002), kataliz ve yeni bilimsel alanlarındaki uygulamalarından (Jensen, 2002; Li, 1998; Lu, 1994) almakta olup, büyük bir ilgi alanına sahiptir.

Taç eterler, kandaki sodyum konsantrasyonunu ayarlamak ve çevredeki stronsiyum gibi radyoaktif elementleri uzaklaĢtırmak için ―temizleyici‖ olarak da kullanılmaktadır. Bazı araĢtırmacılar, gelecekte deniz suyundan altın veya uranyumun ekstraksiyonu için taç eterlerin kullanılabileceğini iddia etmiĢlerdir (Dupont, 2004).

ġekil 1.2. Taç eterlerin genel yapısı

1.1.2. Supramoleküler kimyada kaliksarenlerin yeri

Supramoleküler kimyada kullanılan bileĢik gruplarından taç eterler ve siklodekstrinler, birinci ve ikinci kuĢak supramoleküller olarak tanımlanırken; bunlara benzer özellik göstermesinden dolayı kaliksarenler de, üçüncü kuĢak supramoleküler bileĢik sınıfı olarak tanımlanmaktadır (Gutsche, 1989). Siklodekstrinler; organik moleküller ile kompleks yapabilir ve suda çözünürken, taç eterler; metal iyonları ile güçlü kompleks oluĢtururlar. Kaliksaren türevleri ise; taç eter ve siklodekstrinlere benzer özellik göstermekle kalmayıp, her ikisine ait özellikleri de taĢımaktadır. Bu bakımdan kaliksaren türevleri supramoleküler kimyada birinci ve ikinci kuĢak

supramoleküler bileĢiklerden daha fazla ilgi görmüĢtür. Kaliksarenler; geçen yıllar boyunca iyon ya da nötral moleküller için reseptör olmaları sebebiyle, blokların inĢasında ya da moleküler yapı iskeletinde çok sık olarak kullanılan bileĢiklerdendir (Shinkai, 1993; Lhoták, 1995; Böhmer, 1995). Molekül ağırlığı olarak organik kimyada, küçük organik bileĢik gruplarının üyelerinden olan kaliksarenler, konuk için uygun bir boĢluğa sahip olduğundan konak-konuk (host-guest) kompleks formu biçimine çok uygundur (Gutsche, 1982).

Kaliksarenler, fenolik birimlerinin hidroksil gruplarına göre orto pozisyonundan metilen köprüleriyle bağlandığı metasiklofan sınıfına ait makrosiklik bileĢiklerdir (Gutsche, 1987). Zinke ve arkadaĢları tarafından makrosiklik bileĢikler üzerinde yapılan çalıĢmalarda p-ter–bütil fenol ve sulu formaldehiti bazik ortamda reaksiyona sokarak erime noktası 340 ˚C ‗in üzerinde, çözünürlüğü az, yüksek molekül ağırlıklı bir ürün elde etmiĢler ve bu ürünün halkalı tetramer olduğunu iddia etmiĢlerdir (Zinke, 1944). Daha sonraları Gutsche ve ark., Zinke‘nin yaptığı bu reaksiyonda oluĢan maddenin sadece tek bir tetramerik yapıda değil, bir ürün karıĢımı olduğunu açıklamıĢlardır (Gutsche, 1978). Bu açıklamasından sonra Gutsche p-ter–bütil fenol ve formaldehitin kondenzasyonuyla oluĢan halkalı tetramer, hekzamer ve oktamer‘ i, reaksiyon Ģartlarını optimize ederek ayrı ayrı saf olarak ve yüksek verimlerle elde etmeyi baĢarmıĢtır. Gutsche yaptığı çalıĢmalarda halkalı pentamer ve heptamer yapıları da düĢük verimler ile sentezlemiĢtir (Gutsche, 1990). Günümüzde daha farklı sayıda (9-20) aromatik halka taĢıyan kaliksarenlerde sentezlenmiĢ ve yapı tayinleri yapılmıĢtır (McMahon, 2002).

1.1.3. Kaliksarenlerin tarihçesi ve sentezi

Kaliksarenleri ilk olarak, tek basamakta Zinke ve ark. tarafından, 1940‘larda bazik ortamda p-alkil fenol ile formaldehitin kondenzasyonu ile oligomerler olarak sentezlemesi baĢarılmıĢtır. Zinke; 100 g p-ter-bütil fenol, 100 mL 3N NaOH ve 97 g %37 ‘lik formaldehit kaynatmıĢ ve 50 g reçine elde etmiĢtir. Bu reçine 100- 120 ˚C erimeye baĢlamaktadır. 140-160 ˚C ‘de köpüklü bir hale döndükten sonra 200-220 ˚C ‘den daha yüksek bir sıcaklıkta eridiği görmüĢtür. Bunun üzerine bu reçinemsi yapıyı alarak etil asetat ile iyice yıkamıĢ ve CCl4 ile tekrar çöktürmüĢtür. Bunun sonucunda bir kristal elde etmiĢ ve bunun 300 ˚C ‘nin üzerinde bozulduğunu tespit etmiĢtir. Elde edilen bu kristaller 314 ᵒC ‘de eriyemekte, molekül ağırlığı oldukça yüksek halkalı oligomerlerden oluĢmaktaydı. (Zinke, 1941). Bu kristaller üç halkalı oligomerin

karıĢımından oluĢmaktadır. Bu sentezde elde edilen ürün; üç adet yüksek verimli (n = 4, 6, 8) ve iki adet düĢük verimli (n = 5, 7) olmak üzere 5 çeĢit kaliks[n]aren bileĢiğinden oluĢmaktadır. Ancak 1940‘larda bu yapılar tam olarak aydınlatılamamıĢtır (Gutsche, 1981) (ġekil 1.3.)

ġekil 1.3. p-ter-bütil fenol den elde edilen lineer ve halkalı oligomerlerin 13_{C NMR spektrumları}

Bir baĢka kimya araĢtırma grubundaki Joseph Niederl ve çalıĢma arkadaĢı Heinz Vogel, asit katalizörlü aldehit ile rezorsinol reaksiyonunda halkalı yapıda bir tetramer oluĢtuğunu ileri sürmüĢlerdi (Niederl, 1940).

1950 ‘li yıllara gelindiğinde fenol formaldehit kimyasında Zinke‘nin halkalı oligomer üzerine yaptığı çalıĢmalar bu konu ile ilgilenen kimyacılar tarafından bilinmekteydi. 1956 yılında Hayes ve arkadaĢları tarafından kısa bir bildiri yayınladı (Hayes, 1956) ve bu 1958 yılında daha kapsamlı bir çalıĢma ile bu bildirinin ayrıntılarını duyurdular (Hayes, 1958). (ġekil 1.4.)

Zinke çalıĢmasından ilham alan birçok kimyacı kısa bir süre sonra çalıĢmalarında çeĢitli p-sübstitüe fenoller kullanılarak bilimsel çalıĢmalar yapmıĢtır. Hunter ‘ın çalıĢmaları bu alana olan ilgiyi daha da artırmaya yetmiĢti. (Gutsche, 2008). 1947 ‗li yıllarda C. David Gutsche Wisconsin Üniversitesinde bulunurken bir petrol Ģirketinin arge çalıĢmalar kapsamında bilimsel çalıĢmalarda bulunuyordu. Bu çalıĢmalar özellikle halkalı oligomer kimyasında fenol-formaldehit reaksiyonun bir parçası olmaya baĢladı. 1970 ‘lerden önceleri ortaya çıkan biyoorganik kimyada önemli olmaya baĢlayan enzim-mimik tepkimeri ile ilgili olarak Gutsche, Zinke ‘nin halkalı oligomer

yapılarının potansiyel olarak molekül taĢıyıcı olabileceğini düĢünmüĢtü. Enzim-mimik özellik gösteren bileĢiklerin sentezinde, bu basit fikir ile fonksiyonel grupların sayesinde bazı moleküllerin taĢınabilmesi muhtemeldi. Bunun örnekleri de mevcuttu. Örneğin siklodekstrinler iyi birer sepet özelliği göstermekteydi. Ancak sadece doğal kaynaklardan izole edilmesi ile üretilebiliyordu.

HCOH NaOH HCOH NaOH

ġekil 1.4. p-alkil kaliks[4]arenin sentezi için Hunter ve Hayes‘in reaksiyon mekanizma önerisi

Taç eterler ise laboratuvarda sentezlenebilmesine rağmen tam olarak molekül sepetlerine benzememekteydi. Bunların yerine Zinke‘nin halkalı tetramer ürünleri; hem laboratuarda sentezlenebilmesi hem de molekül sepetlerine çok benzemesinden dolayı ilgiyi artırmaktaydı. Aslında Zinke, yaptığı p-alkil-fenoller ile formaldehitin kondenzasyonundan elde ettiği kaliksarenin tek bir ürün olduğunu düĢünmekteydi. Ancak Conforth ve arkadaĢları tarafından bu reaksiyon sonucunda elde edilen üründe tek bir madde olmadığı, içerisinde yüksek ve düĢük kaynama noktasına sahip maddelerin olduğu tespit edildi. Conforth ise bu maddelerin hepsinin halkalı tetramerik yapıda olduğu ve kolay bir Ģekilde birbirlerinin konformasyonel izomerleri olabileceğini

düĢünmekteydi (Conforth, 1955). Bu kondenzasyon tepkimesi üzerine çalıĢmaya baĢlayan Gutsche; ilk defa tek basamakta p-ter-bütilkaliks[4]areni kolayca sentezlemeyi baĢarmıĢ ve bunu ispat etmiĢti (Gutsche, 1978). Gutsche ve çalıĢma grubu; değiĢik p-substitüe fenollerle formaldehiti, alkali metal hidroksitleri varlığında kondenzasyona tabi tutarak halkalı oktamer, hekzamer ve tetrameri ayrı ayrı saf olarak elde etmeyi baĢarmıĢtı. Bu çalıĢmalar sonucunda p-ter–bütil fenol kullanıldığında en iyi sonuç elde edildiği ispatlanmıĢtı (Gutsche, 1990).

1.1.3.1. Kaliksarenlerin bazik ortamda sentezi

Kaliksarenlerin sentezinde reaksiyon Ģartları üzerine uzun yıllar çalıĢmalar sürmüĢtür. BaĢlangıçta fenol birimleri kullanıldığında, hidroksi gruplarına göre hem orto hem de para konumunda bağlanmalar olduğu görülmüĢtür (Hultzch, 1950). Bu yüzden Zinke ve ark. fenol ile formaldehitin kondenzasyonunda fenol yerine p-substitüe fenollerin kullanılması gerektiğini tespit etmiĢtir. Ancak Zinke‘nin yapmıĢ olduğu çalıĢmalar sonucunda üç ana ürün ve genel olarak iki yan ürün olmak üzere bir ürün karıĢımı elde edildiği, daha sonra Gutsche tarafından gösterilmiĢtir. Gutsche; Zinke‘nin kondenzasyon tepkimesi ile ilgilenmiĢ ve o günlerde halkalı oligomerler üzerine araĢtırmalar yapan bir petrol Ģirketin çalıĢmalarında modifikasyonlar yaparak her bir yapıyı ayrı ayrı elde etmiĢtir (Gutsche, 1990; Hedeboe, 1997). Kullanılan fenol yapılarında sübstitüe gruplarının değiĢtirlmesi ile farklı verimlerde kaliksaren türevleri elde edilmiĢtir. Burada eğer bu p-substitüe fenol olarak p-benzil-fenol kullanılırsa % 33 verimle benzil-kaliks[7]aren, % 16 verimle benzil-kaliks[6]aren ve % 12 verimle p-benzil-kaliks[8]aren türevleri elde edilmektedir (Atwood, 1999). Çözücü olarak etilen glikol, baz olarak Na2B4O7 ve p-substitue-fenol olarak da p-izopropenil-fenol kullanıldığında p-izopropenil-kaliks[6]aren ve p-izopropenil-kaliks[8]aren karıĢımı bir ürün oluĢmaktadır (Novakov, 1998).

Kaliksarenlerde bulunan fenolik oksijen atomları arasındaki mesafeler ölçülmüĢ ve tetramerde 0.8 A˚, hekzamerde 2.0–2.9 Å ve oktamerde ise 4.5 Å olarak bulunmuĢtur. Kaliksarenlerin oluĢum mekanizmaları incelendiğinde, oksijen atomları arasındaki uzunluklara uygun olarak kullanılan bazın alkali metalinin, atom çapının ne kadar etkili olduğu daha net bir biçimde anlaĢılmıĢtır. Bununla ilgili yapılan araĢtırmalarda, hekzamer oluĢumunda LiOH ve NaOH gibi bazlar kullanıldığında hiç ürün oluĢmadığı, ancak KOH ve CsOH gibi bazlar kullanırken ürün oluĢtuğu

görülmüĢtür. RbOH (katyon çapı 2.94 ˚A) gibi bir baz kullanıldığında ise, verim % 70 olmuĢtur. Bu durum ‗template etki‘ ile açıklanmaktadır (ġekil 1.5.).

8 6 6 8 0,03 eq NaOH 0,034 eq KOH ksilen, reflaks ksilen, reflaks % 65 % 85 4 4 0,045 eq NaOH difenil eter, reflaks

% 50

ġekil 1.5. p-ter-Bütil kaliks[n]arenlerin sentezinde kullanılan baz ve çözücünün reaksiyon üzerine etkisi

Diğer taraftan, kullanılan bazın konsantrasyonu da, hem oluĢabilecek halkalı oligomerin yapısını hem de verimini önemli oranda etkilemektedir. Yapılan çalıĢmalar sonucunda p-ter-bütilkaliks[4]aren için optimum Ģartlar tespit edilmeye çalıĢılmıĢ ve en fazla 0,03–0,04 eq NaOH kullanıldığında halkalı tetramer yapısının major ürün olduğu, ancak daha fazla baz ilavesinde ise, ana ürününün değiĢik halkalı oligomerlere doğru değiĢtiği tespit edilmiĢtir (ġekil 1.6.). Buna göre ise; halkalı hekzameri (p-ter– bütilkaliks[6]aren) sentezlemek için stokiyometrik oranda (0,5 eq KOH) baz kullanılırken, halkalı oktamer (p-ter–bütilkaliks[8]aren) sentezi için katalitik miktarda (0,05 eq NaOH) baz kullanılması gerekmektedir (Gutsche, 1981).

ġekil 1.6. Kullanılan bazın konsantrasyonuna göre halkalı oligomerin yapısının belirlenmesi

1 ekivalan (eq) p-ter–bütilfenol, 0.04 eq NaOH varlığında 1.5 eq sulu formaldehitle 110–120 ˚C ‘de 1–2 saat etkileĢtirildiğinde, oluĢan viskoz karıĢım difenileter ile süspanse edilip, N2 gazı atmosferi altında 220 ˚C ‘de iki saat süreyle geri soğutucu altında kaynatılmıĢ ve elde edilen renksiz katı, etil asetat ile çöktürülerek, sıcak toluende çözülerek ve yine toluenden kristallendirilerek oldukça saf beyaz kristaller halinde p-ter–bütilkaliks[4]aren % 61 verimle elde edilebilmiĢtir. OluĢan beyaz kristallerin erime noktası 342–344 ˚C ‘dir (ġekil 1.7.).

NaOH , HCOH 110-120 °C

OH

-OH

-ġekil 1.8. p-ter-Bütilkaliks[n]arenin bazik ortamda reaksiyonu

Farklı sayıda aromatik halka içeren kaliksarenlerin sentezinde rol oynayan bir baĢka faktör de kullanılan çözücüdür. Halkalı tetramer için yüksek kaynama noktasına sahip, difenileter (K.N. 220 ˚C) gibi apolar bir çözücü kullanılırken, halkalı hekzamer ve oktamer için ise düĢük kaynama noktasına sahip, ksilen (K.N. 145 ˚C) gibi apolar çözücüler tercih edilmelidir (ġekil 1.9.). Yani sıcaklık yönünden kaliks[6]aren ve kaliks[8]aren için ılıman Ģartlar yeterli olurken, kaliks[4]aren için yüksek sıcaklık gerekmektedir. Halkalı tetramerlerin çeĢitli türevlerini elde etmek, diğer halkalı yapılara göre daha kolay olduğu için araĢtırıcılar genellikle p-ter-bütilkaliks[4]areni fonksiyonlandırmak için kullanmıĢlardır.

1.1.3.2. Asit katalizörlü kaliksaren sentezi

p-Alkil-fenol ile formaldehitin, asidik Ģartlar altında çok yüksek verimlerle lineer oligomerler oluĢturmasına rağmen, çok düĢük verimlerle halkalı oligomer elde edilmiĢtir (Ludwig, 1986). Bazik ortamdaki reaksiyon Ģartların tersine, asit katalizörlü ortamda saf bir halkalı oligomer yüksek verimlerle elde edilememiĢtir. Bunun yerine halkalı tetramer ve daha çok aromatik halkaya sahip (7, n > 8) kaliks[n]arenler, bazik ortamda daha büyük verimler ile elde edilebilmektedir. Bununla beraber fenol türevleri yerine rezorsinol kullanıldığı zaman asit katalizörlü olarak da halkalı oligomerler oluĢtuğu tespit edilmiĢtir (ġekil 1.10.).

H+

ġekil 1.10. Rezorsinol ile aldehitin asit katalizörlü kondenzasyonu

Bu sentez ile kaliks[n]rezorsinol türevlerini elde etmek mümkündür. Burada formaldehit yerine genellikle asetaldehit kullanılmaktadır. Bunun nedeni olarak da formaldehit ile rezorsinolün kondenzasyon ürününün bir halkalı oligomer yerine daha

çok lineer oligomer oluĢumudur (Caro, 1892). Niederl rezorsinol ve asetaldehitin sulu etanolde çözeltisini asitli ortamda 80 ˚C ‘de 16 saat kaynatmıĢ ve açık sarı renkte bir ürün elde etmeyi baĢarmıĢtır (Högberg, 1980). Daha sonraları bazı araĢtırma grupları farklı asitler kullanarak asitin reaksiyon üzerindeki etkilerini de incelemiĢlerdir.

1.1.4. Kaliksarenlerin adlandırılması

Kaliksarenlerin ilk sentezlenmesinden itibaren her araĢtırma grubu kaliksarenlere, kendi düĢünceleri çerçevesinde isimler vermiĢtir. Kaliksarenleri ilk keĢfeden Zinke ve grubu, bu bileĢiklere ‗Cylischen Mehrkernmethylenehenol verbindungen‘ olarak 1952 yılında isim verirken, Conforth ve grubu, 1955 yılında ‗Tetrahydrxycyclotetra-m-benzylenes‘ olarak, Hayes ve Hunter ise, 1958 de ‗Cyclictetranuclear novolaks‘ olarak isimlendirmiĢlerdir. 1977 yılında Patrick ve Egan, köprülü aromatik bileĢikler olan siklofanlara benzerliklerinden dolayı ‗Metacyclophane‘ Ģeklinde isimlendirilmiĢtir.

Kaliksarenler aralarında metilen köprüleriyle bağlı halkalı yapıda oligomerlerden oluĢan yapılar olduğundan, IUPAC sistemine göre isimlendirilmesi oldukça uzun olan metasiklofanlanlardandır. IUPAC sistemine göre isimlendirilmesi uzun olduğu için, daha kısa ve kolay olan bir isimlendirilme düĢünülmüĢ ve kaliksareni ilk defa tek basamakta sentezlemeyi baĢaran Gutsche, kaliksarenlere isim babalığı da yapma ünvanını da kazanmıĢtır. Gutsche, bu makrosiklik yapının Ģeklini vazoya benzettiği için ve Yunanca vazo manasına gelen ‗Calix‘ ile organik kimyada aromatik halkayı ifade eden ‗arene‘ ifadesiyle birleĢtirerek ‗Calix[n]arene‘ Ģeklinde isimlendirmiĢtir. Bu adlandırmada bulunan köĢeli parantez içindeki ― n ‖ ise, yapıda bulunan aromatik halka sayısını ifade etmektedir ve bu adlandırma IUPAC tarafından da kabul görmüĢtür (Gutsche, 1989). Gutsche ‗nin yaptığı bu adlandırma temel alınarak kaliksarenlerin yapısında bulunan aromatik halkaların fonksiyonlandırılmasıyla elde edilen yeni ürünün adlandırması, sonuna kaliksaren ifadesi getirilerek yapılmaktadır. Örneğin p-ter-bütil gruplarının kaliksarene bağlanmasıyla p-ter-bütilkaliks[4]aren Ģeklinde adlandırılmıĢtır. Halbuki IUPAC sistemine göre bu isimlendirme 25,26,27,28-tetrahidroksi-5,11,17,23-(tetra-ter)bütilkaliks[4]aren Ģeklinde adlandırılmıĢtır.

1.1.5. Kaliksarenlerin fiziksel özellikleri

Kimya biliminde maddelerin erime noktası molekül kimyasal yapısı hakkında ön bilgi vermektedir. Bu yüzden kaliksaren kimyasında da erime noktası önemlidir. Öyle ki kaliksaren birimlerine bağlanmıĢ bulunan fonksiyonel gruba veya kaliks[n]aren birimindeki halka büyüklüğüne göre erime noktası 100 ˚C gibi bir değiĢikliğe uğramaktadır. Örneğin bütilkaliks[4]arenin erime noktası 342–344 ˚C iken; p-ter-bütilkaliks[6]aren için 380–381 ˚C ve p-ter-bütilkaliks[8]aren için 411–412 ˚C dir. Bununla beraber kaliksaren eter ve ester türevleri ise 200 ˚C civarında bir erime noktası göstermektedir (Gutsche 1989). Fonksiyonel gruba göre ise örneğin; p-ter-bütilkaliks[4]arenin tetrametil türevi 226 ˚C ‘de erimeye baĢlarken; tetrabenzil türevinin erime noktası 230 ˚C ‘dir. Ama genel olarak kaliksarenler, oda Ģartlarında katı halde bulunan bileĢiklerdir. Erime noktaları 300 ˚C ‘nin üzerindedir. Kaliksarenlerin erime noktasını, yapısındaki hidrojen bağları belirlemektedir. Bunun için; kaliksaren türevleri, taĢıdıkları fonksiyonel gruplara göre erime noktaları değiĢmektedir. Molekül içerisinde hidrojen bağlarının varlığına göre de, erime noktaları değiĢebilmektedir.

Kaliksarenlerin organik çözücüler içerisindeki çözünürlükleri az olmakla beraber, birçok kaliksaren türevi kloroform, piridin, dimetil sülfoksit ve dimetil formamit gibi çözücülerde yeterli miktarda çözünebilmektedir. Kaliksarenlerin çözünürlüklerinde molekül içindeki hidrojen bağları önemli bir rol oynamaktadır. Kaliksarenlerin fonksiyonlandırılmasıyla, hem organik çözücüler içerisindeki hem de sudaki çözünürlükleri değiĢebilmektedir. Örneğin ester, sülfonat ve amino gibi fonksiyonel bir grup bulunduran kaliksarenlerin sudaki çözünürlüğü artmıĢtır (Arduini, 1984). Bununla beraber çözünürlüğe etkisi olan bir diğer durum ise, kaliksarenlerin para pozisyonunda bulunan grupların farklılığıdır. Öyle ki para pozisyonunda oktil gibi uzun zincirli alkil gruplarının bulunması çözünürlüğü önemli Ģekilde artırmıĢtır.

Kaliksarenler kendilerini oluĢturan yapıların monomerik yapılarına göre çok daha güçlü asidik özellik gösterebilirler. Ancak bunları ölçmek oldukça zordur (Böhmer, 1984). Shinkai suda çözünebilen bazı kaliksaren türevlerinin spektroskopik ve potansiyometrik olarak pKa değerlerini belirlemiĢlerdir (Shinkai, 1991). Shinkai‘nin yapmıĢ olduğu bu çalıĢmada fenolik birimlerin para köĢesinden türevlendirilmiĢ bileĢiklerde lineer trimerin pK1 değerlerinde lineer monomer yapısından daha düĢük olduğunu tespit edilmiĢtir. Bununla beraber kaliksaren türevlerinin pK1 değerinin her ikisinden de daha düĢük olduğu belirlenmiĢtir (Çizelge 1.1.).

Çizelge 1.1. Kaliks[4]aren ve fenolik birimlerden oluĢan lineer monomer ve trimerlerin pKa değerleri BileĢik pK1 pK2 pK3 pK4 p-R-kaliks[4]arena 0.80 9.70 12.50 >14 Lineer trimer 4.71 8.27 11.61 Monomer 8.25 - - p-R-kaliks[4]arenb 2.90 10.90 12.3 >14 Lineer trimer 3.60 10.60 12.5 Monomer 8.67 - a _{R = SO} 2N(CH2CH2)2 b_{R = NO} 2

Kaliksarenlerin spektroskopik özellikleri de farklıdır. Kloroform veya dioksan gibi bir çözücü içerinde UV spektroskopinde, 280 nm civarında bir absorbans yaptığı gözlenmiĢtir. IR spektrumlarına bakıldığında, bütün kaliksarenlerin parmak izi bölgesinin 900–1500 cm-1

olduğu görülmektedir. Fenolik OH gruplarının titreĢim piki 3150–3300 cm-1 olduğu görülür. Buradaki spektrumların yayvan (broad) olmasının nedeni ise; molekül içi hidrojen bağlarının varlığıdır. Kaliksarenlerin yapı tayinlerinde en çok kullanılan spektroskopik metot 1

H NMR ve 13C NMR teknikleridir. 1H NMR spektrumlarında dikkat çeken önemli husus fenolik -OH gruplarının vermiĢ olduğu piklerdir. 1H NMR spektrumlarında fenolik -OH piklerinin 10 ppm civarında vermesi beklenirken kaliksarenlerin molekül içi hidrojen bağlarından dolayı bu pikler yukarı alana doğru kaymıĢtır ve bir singlet olarak kendini gösterir. Diğer bir ilginç nokta ise, para pozisyonunda bulunan ter-bütil gruplarının pikleridir. Bu grupların 1H NMR pikleri düĢük sıcaklıkta bir çift dublet verirken, yüksek sıcaklıklarda singlet vermektedir. 1H NMR pikleri çözünmüĢ haldeki kaliksarenlerin konformasyonlarını belirleme de araĢtırmacıların en büyük yardımcısıdır. Kaliksarenlerin analizinde araĢtırmacılara yardımcı olan diğer spektrumlar ise, kütle spektrofotometresi ve X-Ray kristalografidir. X-Ray ıĢınları kristalografisinde kristal haldeki kaliksarenlerin konformasyonları incelenebilmektedir.

1.1.6. Kaliksarenlerin konformasyonları

AraĢtırmacıların ilgisini çeken bir baĢka noktada, kaliksarenlerin konformasyonlarıdır. Kaliksarenler, halkada bulunan hidroksi grupları ve para konumlarının birbirine olan durumuna göre, çeĢitli konformasyonlar göstermektedir. Kaliksarenler yapılarında bulunan aromatik halka sayısına göre farklı konformasyon sayısına sahip olmaktadır. Örneğin kaliks[4]aren ‗koni‘, ‗kısmi koni‘, ‗1,2-karşılıklı‘ ve

‗1,3-karşılıklı‘ Ģeklinde dört farklı konformasyon izomerine sahipken, kaliks[6]aren sekiz farklı konformasyona, kaliks[8]aren ise; onaltı farklı konformasyon göstermektedir (ġekil 1.11.).

koni kismi koni

1,3 karĢılıklı 1,2 karĢılıklı

ġekil 1.11. p-alkil-kaliks[4]arenin konformasyonları

Konformasyonları belirleyen etkenler arasında sentez aĢamasında kullanılan çözücü, ortamın sıcaklığı ve kullanılan bazdaki metalin atom çapı gösterilebilir. Substitüe olmamıĢ kaliksarenlerde bulunan fenolik hidroksi gruplarının tümü, oda sıcaklığında ve çözelti içerisinde konformasyonel olarak hareketlilik gösterir. Ama kristal yapıda iken sadece koni konformasyonunda bulunduğu tespit edilmiĢtir (Gutsche, 1989). Bunun nedeni olarak, güçlü molekül içi hidrojen bağlarının yapıyı daha kararlı hale getirmesi gösterilebilir. Fakat fenolik –OH ‘lar üzerinden hacimli alkil veya açil grupları bağlanarak farklı konformasyonel izomerler oluĢabilmektedir. Örneğin p-ter-bütil-tetrapropoksikaliks[4]arenin uygun reaksiyon Ģartlarında 1:1 oranında koni ve kısmi koni konformasyonunda bulunduğu tespit edilmiĢtir (Araki, 1989). BaĢka bir örnek ise p-ter-bütilkaliks[4]arenin fenolik OH‘lardan aynı reaksiyon Ģartları altında tetra etoksi karbonil-metillenmesi ile (etil-esterleĢmesi), sadece koni konformasyonunda ürün verdiği bulunmuĢtur (Ungaro, 1984).

Kaliksarenlerin sentezinde kullanılan bazın metal iyonunun atom çapı da, konformasyonda etkilidir. Örneğin baz olarak NaH, Na2CO3 gibi atom çapı küçük olan bir metale sahip baz kullanıldığı zaman koni konformasyonunda, Cs2CO3 gibi atom çapı daha büyük bir metale sahip baz kullanıldığında, 1,3-karşılıklı konformasyonda kaliksarenler elde edildiği tespit edilmiĢtir. p-ter-bütilkaliks[4]arenin dört fenolik OH grubunun brom propan ile propillenmesinde; baz olarak Li, Na, K gibi küçük atom çapına sahip alkali metallerin karbonatları kullanılırken reaksiyon vermediği, ancak Cs gibi büyük atom çapına sahip alkali metal karbonatı ile konformasyonel ürün karıĢımı verdiği görülmüĢtür. Bununla beraber aynı reaksiyon Ģartlarında p-ter-bütilkaliks[4]arenin yine dört fenolik OH grubunun etil brom asetat ile etil esterleĢmesinde; Li, Na, K ve Cs alkali metal karbonatları çeĢitli konformasyonel oranlarda ürün vermektedir. (Iwamoto, 1990) (Çizelge 1.2. ve Çizelge 1.3.).

Çizelge 1.2. p-ter-bütil kaliks[4]aren ile brom propan reaksiyonunda bazın verim ve konformasyona

etkisi

Baz Çözücü Sıcaklık _(ᵒC) Zaman

(saat) Verim Konformasyon oranlar % Koni Kısmi Koni 1,2 karĢılıklı NaH THF 67 1 100 45 55 0 Li2CO3 DMF 70 78 0 0 0 0 Na2CO3 DMF 70 78 0 0 0 0 K2CO3 DMF 70 78 0 0 0 0 Cs2CO3 DMF 70 3 100 58 33 9

Kaliksaren türevleri aprotik çözücüler ile kompleks oluĢturduklarından; konformasyon dönüĢüm hızının azaldığı görülür. Buradaki fenolik -OH ‘lardaki hidrojen bağları, konformasyona durağanlık (rigitlik) sağlar. Ancak protik çözücüler içerisinde kaliksarenler çözüldüğünde, bu çözücülerin molekül içi hidrojen bağlarını zayıflattıkları için konformasyon dönüĢüm hızını artırır. Kaliksarenlerin konformasyon dönüĢüm hızını etkileyen faktörler arasında sıcaklık ve konuk (guest) molekül de sıralanabilir. ÇeĢitli sıcaklıklarda kaliksaren türevleri farklı konformasyona sahip olmaktadır (Gutsche, 1985). Konuk (guest) molekülün kaliksarenler tarafından yakalanmasıyla konformasyon, birleĢme sıcaklığına ve ortamın konsantrasyonu bağlı olarak değiĢmektedir.

Öyle ki Arimuri ve ark., suda çözünebilen p-sülfonat-kaliks[4]aren sodyum tuzu bileĢiğini sentezlemiĢler ve bu bileĢik üzerinde yaptıkları çalıĢmalar sonucunda konformasyonu sabit (kararlı) hale getirmek için, Cs+ gibi büyük atom çapına sahip atomlar seyreltik ortamda daha etkili iken; Li+ gibi küçük çaplı atomlar deriĢik

ortamlarda daha etkin olduğunu göstermiĢlerdir. Fenolik oksijen üzerinden kaliksarenlerin boĢluğuna giren ve fenolik –OH ‘lar ile ilgilenen bu alkali metal katyonları buraya güçlüce bağlanır. Bu bağlanma sırasında sıvı sistemde elektrostatik metal-oksi anyon bağı ile koni konformasyon kararlılığında kritik bir rol oynamaktadır (Arimuri, 1989).

Çizelge 1.3. p-ter-bütilkaliks[4]arenin etil brom asetat ile reaksiyonunda kullanılan bazın verime ve

konformasyona etkisi

Baz Çözücü Sıcaklık _(ᵒC) Zaman

(saat) Verim Konformasyon oranlar % Koni Kısmi Koni NaH THF 67 1 96 100 0 Li2CO3 DMF 70 45 22 100 0 Na2CO3 DMF 70 6 100 88 12 K2CO3 DMF 70 8 100 84 16 Cs2CO3 DMF 70 3 100 27 73 Li2CO3 Aseton 56 45 0 0 0 Na2CO3 Aseton 56 22 59 100 0 K2CO3 Aseton 56 22 99 96 3 Cs2CO3 Aseton 56 1 100 0 100

Kaliksarenlerin hangi konformasyonda olduğunu 1

H NMR ve 13C NMR spektrumları ile anlaĢılır (Bocchi 1984). 1H NMR‘da kaliksarenlerde bulunan aril halkaları arasındaki metilen (Ar-CH2-Ar) köprülerinin verdiği spektrumlara bakılarak konformasyonlar birbirinden ayırt edilmektedir (ġekil 1.12.). Metilen köprüleri 1H NMR spektrumlarında 3,5 – 4,5 ppm ‘ de, 13C NMR ise; 31-33 ppm ‘de sinyal vermektedir (Çizelge 1.4.).

Kaliksarenlerin konformasyonunu daha sınırlı hale getirmek için; gerek yapıda bulunan boĢ hidroksi gruplarını daha büyük hacimli gruplar ile fonksiyonlandırmak, gerekse para pozisyonundan kaliksarenleri fonksiyonlandırmak konformasyon dönüĢüm hızını daha kararlı hale getirmektedir.

ġekil 1.12. Kaliks[4]arenin bazı türevlerinin konformasyonları ve 1_{H NMR spektrumundaki}

Ar-CH2-Ar protonlarına ait sinyalleri

Çizelge 1.4. Kaliks[4]arenlerin 1_{H NMR spektrumlarında ArCH}

2Ar protonlarının konfromasyona göre

vermiĢ olduğu sinyallerı

Konformasyon Ar-CH2Ar protonlarna ait sinyaller

Koni Bir çift dublet

Kısmi Koni Ġki çift dublet (1:1) veya bir çift dublet ve bir singlet (1:1)

1,3 karĢılıklı Bir singlet

1.1.7. Kaliksarenlerin fonksiyonlandırılmaları

Çok geniĢ bir kullanım alanına sahip olması ve birçok türevinin yapılabilmesi kaliksaren kimyasının geliĢmesine neden olmaktadır. Öyle ki kaliksarenler; üyesi olduğu bileĢik sınıfında, hemen hemen sınırsız türevlendirebilme potansiyeline sahip, benzersiz üç boyutlu, üstün bir biçime olanak sağlayan bir yapıdadır (Vicens, 1991, 1994). Kaliksarenlerin bu kadar geniĢ ve çeĢitli biçimde modifiye edilebilmeleri birçok bilim adamının ilgisini kendi üzerine çekmeyi baĢarmıĢtır. Kaliksarenlerin; hem fenolik hidroksi gruplarından, hem de p-ter-bütilkaliksarenin dealkilasyonu ile ter-bütil gruplarının yapıdan uzaklaĢtırılarak fenolik –OH ‘lara göre para pozisyonunun boĢ kalması ile bu konumundan kolaylıkla fonksiyonlandırılmasına olanak sağlamaktadır. Kaliksarenlerin aril halkaların para konumunda bulunduğu geniĢ kısma ‗Upper rim‘ -ya da Wide rim- , fenolik OH gruplarının bulunduğu dar kısma ise ‗Lower rim’ –ya da Narrow rim-‗ denir (ġekil 1.13.).

Dar kısım, fenolik -OH bölgesi

GeniĢ kısım, p-pozisyonu

ġekil 1.13. Lower ve Upper Rim lerin kaliksaren üzerinde gösterimi

Kaliksarenler bu kısımların her ikisinden de kolaylıkla türevlendirilebilir. Literatürde gerek fenol kaynaklı, gerekse rezorsinol kaynaklı kaliksaren türevleri üzerinde bulunan fenolik –OH gruplarından kolaylıkla türevlendirildiği görülmektedir. Fenolik oksijen üzerinden kaliksarenlerin amin, amid, eter, ester, keton, fosfin, imin, oksim gibi çeĢitli fonksiyonel gruplar bağlanması gerçekleĢtirilebilmektedir (Pathak, 2009; Yilmaz, 1999; Çapan, 2010; Ertul, 2010; Maity, 2011; Hardman, 2011). Eter türevleri Williamson eter sentezine göre alkil halejenürler ile gerçekleĢtirilirken; keton, ester, amid, asit vb. türevleri -halokarbonil bileĢikleri ile elde edilmektedir (Bozkurt,

kullanıldığında dört fenolik -OH grubundan bazılarının seçimli olarak fonksiyonladırılması mümkündür. Reaksiyon Ģartlarını ayarlayarak fenolik oksijen üzerinden di, tri, tetra Ģeklinde fonksiyonel grup kaliksarenlere kolaylıkla bağlanabilmektedir (Böhmer, 1993)(ġekil 1.14.).

1-Me-Im (27 eq) ArCOCl (2 eq) ArCOCl 1-Me-Im (20 eq) ArCOCl ArCOCl 1-Me-Im 1-Me-Im (27 eq) ArCOCl (2 eq) ArCOCl 1-Me-Im (20 eq) ArCOCl ArCOCl 1-Me-Im

ġekil 1.14. p-ter-bütilkaliks[4]arenin 3,5-dinitrobenzoyil klorür bileĢiği ile seçimli olarak esterleĢme

reaksiyonu

Fenolik birimlerin para pozisyonlarından da kaliksarenlere birçok fonksiyonel grup bağlanabilir (ġekil 1.15.). Kaliksarenlerin sentezinde baĢlangıç maddesi olarak kullanılan p-ter-bütil fenol‘ün; reaksiyon verimi üzerindeki etkisi ve bu ter-bütil gruplarının kolaylıkla uzaklaĢtırılabilmesi önemli bir basamağı oluĢturmaktadır. p-ter-bütil gruplarının dealkilasyonu ve elektrofilik substitüsyon reaksiyonu ile para pozisyonu farklı Ģekillerde fonksiyonlandırılabilir. Böylelikle bromlama (Hamada, 1990), sülfoloma (Shinkai, 1986), diazonyum tuzu bağlama (Deligöz, 2005), nitrolama (Ver Boom, 1992), klormetilasyon (Seyhan, 2007), açilleme (Gutsche, 1986), formilasyon (Arduini, 1991) gibi elektrofilik substitüsyon reaksiyonu verebilirler.

R = CH2CH2NH2 R = CH2CH2OH R = CH2CH2N3 R = CH2CHO R = CHO R = CH2CH2CN R = CH=NOH p-Claisen çevrilmesi R = CH3 R = CH2CH3 R = C6H5 p-klorometrilasyon R = CH2COONH2 R = CH3 R = CH2COOR R = CH2C6H5 R = CH2COR R = CH3 R = CH2N3 R = CH2CN R = CH2OCH3 p-kinonmetit R = SO3H R = NO2 R = Br elektrofilik sübstitüsyon R = COCH3 R = COC6H5 esterleĢme Willimson Eter dealkilasyon

ġekil 1.15. p-ter-Bütilkaliks[4]aren‘in lower ve upper rim üzerinden fonksiyonlandırılması

Fenolik oksijen üzerinden seçimli olarak fonksiyonlandırılabileceği gibi bu birimlerin para pozisyonlarından da seçimli olarak fonksiyonlandırılabilir (Böhmer, 1995; Granata, 2010; Dibama, 2009; Akceylan, 2009). Eğer fenolik birimlerin para pozisyonlarına farklı fonksiyonel gruplar ile seçimli olarak bağlanacaksa, öncelikle fenolik -OH grupları eter veya ester türevlerine dönüĢtürülerek koruma altına alınmalıdır. Aromatik halkalardaki yönlendirmeye göre -OH grupları; eter ve ester gruplarına göre bağlı bulunduğu aril halkasını daha etkin hale getirir ve böylelikle fonksiyonel gruplar fenolik OH gruplarının bağlı bulunduğu halkanın para pozisyonuna bağlanır. Ayrıca seçimli olarak dealkilasyon reaksiyonu da yapılabilmektedir. Böylelikle fenolik birimlerin para pozisyonu üzerine farklı fonksiyonel gruplar da bağlanabilir (Dalbavie, 2000).

Kaliksarenlerde p-Claisen çevrilmesi metoduyla fenolik-O ‘e bağlanmıĢ bulunan allil eter grubu, bu birimlerin para pozisyonuna transfer edilebilir ve elde edilen çift bağa, farklı fonksiyonel grupların bağlanmasıyla türevlendirmeler yapılabilir (Gutsche 1985). Kaliksarenlerin sekonder bir aminle reaksiyonu ile aminometil türevleri elde edilerek kuarterner amonyum tuzu oluĢturulabilir. Daha sonra bu tuzun çeĢitli nükleofillerle reaksiyonu sonucu upper rim üzerinden fonksiyonlandırılma yapılabilir. Bu metoda p–kinonmetit reaksiyonu denir (Gutsche, 1988). Kaliksarenler organik kimyada, aromatik bileĢikler için kullanılan bütün reaksiyonları verebilir ve böylece binlerce türevi elde edilebilir.

1.1.8. Kaliksarenlerin kullanım alanları

Kaliksarenlerin kullanım alanları her geçen gün daha da geniĢlemektedir. Kaliksarenler on yıl öncesine kadar anyon, katyon veya nötral moleküller için reseptör olarak kullanılmaktaydı. Kaliksarenler, çevre kirliliğine neden olan ve gerek insan sağlığını tehdit eden Cr(VI), As(V) gibi elementlere, gerekse Cs+

, Sr+2, UO2+2 gibi radyoaktif elementleri kazanmaya kadar pek çok alanda aktif rol oynamaya baĢlamıĢtır. Birçok iyon seçimli elektrod ve sensör hazırlanmıĢtır. Ama artık günümüzde bunların yanı sıra, tıp dünyasında bazı hastalıkların teĢhisinde önemli rol oynayacak kadar etkin bir bileĢik olarak karĢımıza çıkmakta, çeĢitli aktif grublar ile donatılarak katalizör gibi zor iĢleri de üstlenmeye çalıĢmaktadır. Bunların bazılarından kısaca bahsedecek olursak;

1.1.8.1. Enzim mimik katalizörü olarak kaliksarenler

Kaliksarenler enzim mimik özelliğine sahip olabilecek Ģekilde uygun fonksiyonel grup ile fonksiyonlandırılırsa enzimin aktif bölgesini teĢkil ederek substratların katalitik olarak ürünlere dönüĢmesini sağlayabilmektedir.

Genel olarak organik dönüĢümlerin oluĢabilmesini sağlayan enzim mimik özellik gösterebilen yapıların hidrofobik bir boĢluğa ve katalitik olarak etkili sübstitüentlere sahip olması gerekmektedir (Murakami, 1996; Kirby, 1996). Ġmidazol türevli bileĢiklerinin yapay enzim gibi çalıĢabileceği ve kaliks[4]arenin de hidrofobik gruplar barındırması üzerine imidazol birimleri bulunduran kaliksaren türevleri sentezlenmiĢtir (ġekil 1.16.).

1 2

ġekil 1.16. p-nitrobenzoat bileĢiğinin hidroliz reaksiyonunda enzim-mimik özellik gösteren kaliks[4]aren

türevleri

Sonra bu kaliks[4]aren türevleri substrat olarak p-nitro-fenilbenzoat (PNB) bileĢiğinin hidrolizinde kullanılmıĢ ve biyolojik pH‘larda yapılan tepkimelerde oluĢan p-nitro-fenol tayin edilerek; bu pH‘lardaki hidroliz hızı belirlenmiĢtir (ġekil 1.17.). Yapılan bu çalıĢma sonucunda imidazol türevli kaliksaren bileĢikleri katalizör olarak kullanıldığı zaman p-nitro-fenol ‘ün oluĢum hızının çok fazla arttığı görülmüĢtür. (Çizelge 1.5.) (Dospil, 2001). pH = 6.3 / Kaliksaren 4 = PNF 3 = PNB

ġekil 1.17. Kaliks[4]aren türevlerinden 1 ve 2 nolu bileĢiklerin etki gösterdiği PNB ‘nin hidrolizi

reaksiyonu

Ġmidazol veya piridin birimlerinin enzim-mimik özelliğinin kalisarenler ile etkili olduğu bilinmesiyle bu alanda çalıĢmalar devam etmiĢtir. Kaliks[6]arenin fenolik OH gruplarından 1, 3, 5 pozisyonundan imidazol halkası kaliksaren birimine bağlanmıĢ ve bu yapının enzim mimik özeliğini incelenmiĢtir (ġekil 1.18.).

Burada kullanılan kaliks[6]aren türevi, çinko ile ([Zn(H2O)6]+2 katyonu halinde) kompleks oluĢturarak, nötral moleküller için yüksek duyarlılığa sahip reseptörlük yapmaktadır. Buradaki substratı (S); aminler, alkoller, amidler ve nitriller gibi suda çözünebilen veya çinko kompleksi ile su fazında çözünebilen yapıları temsil etmektedir.

Substratı oluĢturan organik moleküller, kaliksarenlerin iskeletindeki boĢluğa yerleĢmekte ve ([Zn(H2O)2.34]+2) kompleksindeki çinko ile etkileĢmektedir.

Çizelge 1.5. p-nitro-fenilbenzoat (PNB) ın MeOH (aq. buffer pH 6.3 sistemde p-nitrofenol (PNF)‘a çeĢitli

kaliksarenler varlığındaki hızı Kaliksaren türevi Katalizör Konsantrasyonu [PNF]/ [Kaliksaren] Hız - 0.00 0.00 46.4 1 47.0 0.51 70.7 2 66.0 0.69 91.2

S

S

ġekil 1.18. Enzim-mimik katalizör olarak kaliksaren türevlerinin kullanılması

Bu kaliksaren-çinko kompleksindeki kaliksaren türevi, organik moleküller ile çinkonun etkileĢmesi için bir enzim mimik aktivitesini üstlenmektedir. Substratı oluĢturan organik moleküllerin yapılarına göre çinko ile etkileĢimi farklı olmaktadır (Çizelge 1.6.).(Seneque, 2003).

Çizelge 1.6. 298 K ‘de kaliksaren-çinko kompleksli yapının organik molekül ile DMF ve sudaki oluĢum sabitleri Substrat (S) K L /H2O K!L/DMF 2-metil-bütilamin >2 >25 Etanol 0.39 4.7 Asetonitril 0.031 0.38 Asetaldehit 0.006 0.07

1.1.8.2. Katalizör olarak kaliksarenler:

Zakharov ve ark. kaliks[4]hidrokinon nanotüpleri hazırlayarak, bunların su ile aseton-d6 arasındaki proton değiĢimi reaksiyonunda katalizör olarak etkinliğini incelemiĢlerdir (Zakharow, 2009). Bu deneme kaliks[4]hidrokinon nanotüplerinin yokluğunda incelenmiĢ ve herhangi bir ürüne rastlanamazken kaliksaren varlığında proton değiĢimi gözlemlenmiĢtir (ġekil 1.19.).

ġekil 1.19. Kaliks[4]hidrokinon nanotüpün su ile aseton-d6 arasındaki proton değiĢimnde katalizör olarak

etkimesi

Aktif metilen grubu taĢıyan bileĢikler, alkoller ve fenollerin alkil halojenürlerle bazik Ģartlarda alkilleme reaksiyonları bilinen reaksiyonlardandır. Bu tür bir reaksiyon hiçbir çözücü ilavesine ihtiyaç duymaksızın gerçekleĢebilir. Bir baĢka çalıĢmada bu bilginin ıĢığında fenolik birimlerin para pozisyonunda trimetilamonyummetil grupları ihtiva eden ve suda çözünen kaliks[n]aren türevlerini sentezlenmiĢ (Shimizu, 2002) ve bu bileĢikler faz transfer katalizörü olarak incelenmiĢtir (ġekil 1.20.).

5 6

TACnM

R = C10H7CH2

ġekil 1.20. NaOH çözeltisi içersinde çeĢitli metilen bileĢiklerinin alkillenmesi.

Bu çalıĢmada, kaliksaren olmaksızın yapılan denemelerde alkilleme ürününün verimi çok düĢük olmasına rağmen, kaliksaren varlığında iyi verimlerde alkilleme ürünleri elde edilmiĢtir (Çizelge 1.7.).

Çizelge 1.7. Katalizör olarak kaliksarenin reaksiyon verimine etkisi.

R1CH2R2 Katalizör Sıcaklık ve

zaman

5 (%) 6 (%)

CH3COCH2COCH3 - 60 C, 0.5 saat 11 -

CH3COCH2COCH3 TAC6M 60 C, 2 saat 88 3

C6H5COCH2CN TAC6M 60 C, 2 saat 82 12

C10H7CH2CN - 70 C, 2 saat 21 -

C10H7CH2CN TAC6M 70 C, 5 saat 91 -

Kaliksarenlerin katalizör çalıĢması olarak kullanımına iliĢkin baĢka bir çalıĢmada ise kaliks[4]arenin TiO2 ile kompleksi tasarlanmıĢtır (ġekil 1.21.). Bu kompleks ile rasemik ve L laktik asidin solventsiz Ģartlarda polimerizasyonunda katalizör olarak etkisi incelenmiĢ ve monomer ile katalizörün molar oranın polimerizasyon için büyük rol oynadığı tespit edilmiĢtir (Frediani, 2008).

Bu çalıĢmada Ti-kaliks kompleksi 7 ‘in laktik aside oranının düĢük tutulduğunda monomer dönüĢümünün 3 saat için dönüĢümünün %20 kadar azaldığı tespit edilmiĢtir. Ancak süre 14 saate çıkartıldığında bu oran biraz daha azaltılabilmektedir (Çizelge

1.8.).

Çizelge 1.8. Kaliks[4]aren TiCl2 komleksi 7 ‘nin kullanılarak laktik asidin polimerizasyonu

Zaman [Laktik asit] /

[Ti]

Molar dönüĢüm*

3 s 196 >99.9

3 s 1900 81.5

14 s 2050 >99.9

7

ġekil 1.21. Dinitro kaliks[4]arenin TiCl2 ile kompleksi

Kaliksarenlerin bazı reaksiyonlarda katalizör olarak kullanımları üzerine çalıĢmalar yapılmakta ve ilginç sonuçlar elde edilmektedir. Çinko kompleksi 8, RNA‘nın yapısına benzeyen 2-hidroksipropil-p-nitrofenil-fosfat (HPNP) ‘in yapısındaki esterin transesterifikasyonunda pH = 7 ‘de katalizör olarak rol oynadığı görülmüĢtür (ġekil 1.22.).

8 - Zn kompleksi

BaĢka bir çalıĢmada Yilmaz ve ark. diterbütil grubu bulunduran kaliksarenler ile sekonder aminlerin reaksiyonu sonucu alkil amin grubu bulunduran kaliks[4]aren türevleri (9–11) elde etmiĢler (ġekil 1.23.) ve bu bileĢiklerin faz transfer katalizör olarak etkinliğini incelemiĢlerdir (Akceylan, 2011).

9

10

11

ġekil 1.23. Faz tranfer katalizörü olarak kullanılan alkilamin kaliksaren türevleri

Bu çalıĢmada; substrat olarak p-nitro benzil bromür ve nükleofil olarak da sodyum bütiratın kullanılmasında oluĢabilecek esterleĢme reaksiyonunda herhangi bir katalizörün yokluğunda ürünün oluĢmadığını tespit etmiĢlerdir. Bununla beraber, katalizör olarak 10 nolu kaliksaren türevinin varlığında % 90; 9 nolu kaliksaren bileĢiğinin varlığında % 99 verimle ürün oluĢturduğunu tespit etmiĢlerdir. Bu çalıĢmada reaksiyonlar çeĢitli reaksiyon sıcaklıklarında ve çeĢitli reaksiyon sürelerinde incelendiğinde en iyi sonucun 60 ◦C ve 30 saat olduğunu tespit etmiĢlerdir (Çizelge

Çizelge 1.9. p-nitro benzilbromür ile sodyum bütiratın esterleĢme reaksiyonunuda katalizör etkisi.

Katalizör Sıcaklık (◦_{C) Zaman Verim (%)}

- 25 10 - 25 30 9 25 10 33 9 25 30 75 10 25 10 3 10 25 30 55 11 25 10 - 11 25 30 32 - 60 30 - 9 60 30 99 10 60 30 90

Sırıt ve ark. (Bozkurt, 2008) baĢka çalıĢmada kaliksaren kinkonidin türevlerini sentezlemiĢler (ġekil 1.24.)ve bunların benzofenon glisin imin etil esterin benzillenmesi reaksiyonunda, faz transfer kalizörü olarak etkisini incelemiĢlerdir (Çizelge 1.10.)

12 n : 1 13 n : 2 14 n : 3 15 n : 1 16 n : 2 17 n : 3 Toluen

ġekil 1.24. Kaliksaren bazlı kiral faz transfer katalizörünün sentezi

Çizelge 1.10. N-(difenilmetilen)glisin etil esterinin kiral kaliks[4]aren türevleri 15–17 katalizörlüğünde

enantiyoseçici benzilasyonu PTC Çözücü T (ºC) Baz Verim (%) % ee 15 PhMe/CHCl3 -20 NaOH 89 46 (S) 15 PhMe/CHCl3 0 NaOH 95 57 (S) 15 PhMe/CHCl3 rt NaOH 92 52 (S) 17 PhMe/CHCl3 -20 NaOH 95 17 (S) 17 PhMe/CHCl3 rt NaOH 97 24 (S)

1.1.8.3. Monolayer olarak kaliksarenler :

Monolayer çalıĢmaları ile ilgili olarak; p-ter-bütilkaliks[4]aren silika yüzeyine tek adımda immobilizasyonu gerçekleĢtirmiĢ olup, silikanın aktifleĢtirilmiĢ yüzeyine silikon grupları bağlanarak yüzeyde bulunan tetrahedral silisyum atomları ve kaliksarenlerin fenolik oksijen grupları ile kararlı bir yapının teĢekkülüdür (Katz, 2002). Bu çalıĢmada; silika yüzeyine immobilize edilen kaliksarenlerin, konuk organik bileĢiklere karĢı adsorpsiyonu araĢtırılmıĢtır (ġekil 1.25.). Sonuçta kaliksareninin bu uygulamasından aromatik bileĢiklere karĢı ilgisinin arttığı tespit edilmiĢtir.

18

ġekil 1.25. Silika yüzeyine immobilize edilen p-ter-bütilkaliks[4]arenin aromatik bileĢikleri adsorbsiyonu

Kaliksaren türevlerinin ince film bir tabakanın üzerine kimyasal bağ ile bağlanmasıyla, bu yapının hem iyonların hem de nötral moleküllerin tanınmasında etkinliği değiĢmektedir. Kaliksaren türevlerinin, Langmuir-Blodgette (LB) film yüzeyi ve self-assembled film yüzeylerine bağlanmasıyla mono (veya multi) layer uygulamaları oluĢmaktadır. Bunlardan, 1,3 karĢılıklı konformasyondaki kaliks[4]aren-crown-6 19 bileĢiği Cs+ için seçiciliği etkindir (ġekil 1.26.). Benzer Ģekilde hidrofobik yapılı, taç halkalı kaliksaren yapıları potasyum ve sezyum için seçicilikte kullanılan kaliksaren türevleri mevcuttur. p-ter-Bütilkaliks[n]aren etil esterlerinin (n = 4, 6, 8) LB ile monolayer olarak kullanılmasında, alkali metal katyonları arasında ester-kaliks[4]aren LB türevinin NaCl tuzu kullanıldığında; Na+ katyonuyla etkileĢtiği, KCl veya LiCl tuzları kullanıldığında ne K+

edilmiĢtir (Ishikawa, 1989). Hâlbuki LB‘e bağlanmamıĢ serbest ester-kaliks[4]aren bileĢiği Na+

ve K+ katyonlarıyla yaklaĢık olarak aynı etkileĢim göstermektedir (Ikeda, 1994). Böylece ester-kaliks[4]aren LB türevi Na+ katyonu için yüksek duyarlılığa sahip bir reseptör olarak kullanılmaktadır. Bununla beraber n = 6 olan ester-kaliks[6]aren LB türevi K+

>Rb+ >Na+ >Li+ ve n = 8 olan ester-kaliks[8]aren LB nin Rb+ >K+ >Na+ >Li+ Ģeklinde bir etkileĢme yaptığı tespit edilmiĢtir.

19

ġekil 1.26. Monolayer uygulamasısında kaliks[4]aren türevi

1.1.8.4. Kaliksarenlerin iyon seçimli elektrot ve sensör olarak kullanılması:

Son yıllarda yapılan en ilginç çalıĢmalardan bir tanesi de kaliksaren türevlerinin elektrot, devre tamamlayıcı gibi faaliyetlerde aktif rol almasıdır. Bunlardan biri de

kaliks[4]arenin karboksilik asit grubu ve amin grubu taĢıyan bileĢiklerin Langmuir-Blodgett film tekniği ile ince bir film halinde hem DC hem de AC tipi iletim mekanizmasında etkinliğinin çalıĢılmasıdır (Çapan, 2011).

21 20

ġekil 1.27. Elektrot olarak kullanılan kaliks[4]aren türevleri

Oda sıcaklığında Al/Al2O3/LB film/Al yapısında yapılan DC voltaj ölçümlerinde iki bölge arasında -4 ile +4 V kadar lineer olmayan davranıĢlar gözlemlenmiĢtir. Bu çalıĢma fatty sitlerin aynı yöntemle kullanılmasıyla elde edilen deneysel veriler ile karĢılaĢtırılmıĢ ve kaliksaren türevlerinin daha az direç gösterdiği belirlenmiĢtir.

Kim ve ark. yaptıkları (Kim, 2003) bir çalıĢmada kaliks[4]arenazocrown eter türevleri sentezlemiĢler ve bu bileĢiklerin K+

iyonuna karĢı iyon seçici polimerik membran özelliği incelemiĢlerdir. Bunun sonucunda K+

iyonuna karĢı geniĢ bir konsantrasyon aralığında etkili olduğunu ve yaklaĢık 2-3 saniye gibi sürede elektrodun bu iyonu belirlediğini tespit etmiĢlerdir.

Zheng ve ark. (Zheng, 2002) benzotiazoyilthialkoksi grubu bulunduran kaliks[4]aren türevleri sentezleyerek bunların Ag+

iyonuna karĢı iyon-seçici elektrod özelliğini araĢtırmıĢlardır. Bu çalıĢmada birçok katyonun varlığında bile Ag+

katyonunu seçiciliği belirleyebilmiĢlerdir (ġekil 1.28.).

ġekil 1.28. Ag+ _{katyonuna karĢı elektrod olarak seçicilik gösteren kaliks[4]aren türevleri}

1.1.8.5. Molekül veya iyon taĢıyıcı olarak kaliksarenler :

Kaliksarenler; taç eterlerinde oluĢturabildiği gibi, alkali ve toprak alkali metaller ile seçimli olarak kompleksleĢme yapabilmesinin yanında anyon ve moleküllerle de kompleks oluĢturabilmektedir. Bu konuda çok sayıda araĢtırma yapılmıĢtır.

Marchand ve ark., koni konformasyonundaki iki p-ter-bütilkaliks[4]aren‘i, fenolik oksijen üzerinden piridin bulunan taç eter köprüleriyle birbirine bağlayarak, iki farklı biskaliksaren türevi sentezlemeyi baĢarmıĢlardır. Ayrıca p-ter-bütilkaliks[4]arenin fenolik oksijen üzerinden piridin halkası bulunduran bir taç eter kaliksaren türevini koni konformasyonda sentezlemeyi baĢarmıĢlardır (ġekil 1.29.). Bu bileĢiklerin alkali metal pikratları ile yapılan ekstraksiyonunda, 22 ve 23 bileĢiklerinin alkali metallere karĢı ilgisiz olduğu görülmüĢtür.

Ġki köprüden birbirine bağlanmıĢ biskaliksaren türevi olan 23 bileĢiği ise, 22 bileĢiğine göre alkali metal pikratlarına daha ilgilidir. Buradaki ilgi katyon çapı artıkça artmaktadır (Çizelge 1.11.).