ANKARA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
DOKTORA TEZİ
ORGANOKALAY(IV) KOMPLEKSLERİNİN SENTEZİ, YAPILARININ DENEYSEL VE TEORİK YÖNTEMLERLE AYDINLATILMASI
Gökhan ŞİRİKÇİ
KİMYA ANABİLİM DALI
ANKARA 2017
Her hakkı saklıdır
ii ÖZET
Doktora Tezi
ORGANOKALAY(IV) KOMPLEKSLERİNİN SENTEZİ, YAPILARININ DENEYSEL VE TEORİK YÖNTEMLERLE AYDINLATILMASI
Gökhan ŞİRİKÇİ Ankara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü
Kimya Anabilim Dalı
Danışman: Prof. Dr. Nilgün ATAÜNAL ANCIN
Bu tez çalışmasında fenasilaminin çeşitli salisilaldehit türevleri ile olan tepkimesinden oluşan üç yeni, ONO verici uçlu Schiff bazı ligantı sentezlendi. Sonraki aşamada bu ligantların difenilkalay(IV)diklorür ile olan tepkimesinden, beş koordinasyonlu üç yeni deifenilkalay(IV) kompleksi elde edildi. Tüm elde edilen moleküllerin yapıları elementel analiz, kütle spektrometresi, FT-IR, 1H, 13C, 119Sn NMR spektroskopisi gibi denel teknikler ve Yoğunluk Fonksiyoneli Teorisi yaklaşımı ile aydınlatıldı. Bu yeni moleküllerin biyolojik etkinlikleri bazı gram pozitif ve negatif bakteri türleri ile bazı mantar türlerine karşı deneysel olarak sınandı. Ligantlardan yalnızca birinin, komplekslerin ise tümünün bir seviyede etkinlik sergilediği bulundu. Tez çalışmasının ikinci kısmını teorik kimya uygulamaları oluşturdu. Bu amaçla yeni sentezlenenlerden farklı olmak üzere ONO verici uçlu ligantlardan türemiş beş koordinasyonlu, beş organokalay(IV) kompleksi Yoğunluk Fonksiyoneli Teorisi yaklaşımı ile B3LYP, CAM-B3LYP, HCTH, TPSSTPSS, TPSSh, wB97XD ve MN12SX gibi farklı tipte fonksiyonellerle çözelti ortamında modellendi. Moleküllerin enerjileri, bant genişlikleri, dipol moment, kutuplanabilirlik, 1H, 13C NMR gibi teorik özellikleri belirlenirken hesaplamalar üzerine farklı fonksiyonellerin etkisi gösterildi. Ek olarak teorik hesaplamalar üzerine empirik dispersiyon düzeltme yaklaşımının etkisi irdelendi. Bu yaklaşımın hesaplanan enerji ve geometrik parametrelerin kalitesini iyileştirdiği ancak hesaplanan 13C-NMR değerlerinin daha kötü tahminlenmesine yol açtığı bulundu.
Ocak 2017, 143 sayfa
Anahtar Kelimeler: Schiff bazı ligantları, organokalay(IV) kompleksleri, biyolojik aktivite, yoğunluk fonksiyoneli teorisi, moleküler modelleme
iii ABSTRACT
Ph.D Thesis
SYNTHESIS OF ORGANOTIN(IV) COMPLEXES, EXPERIMENTAL AND THEORETICAL ELUCIDATION OF THEIR STRUCTURES
Gökhan ŞİRİKÇİ Ankara University
Graduate School of Natural and Applied Sciences Department of Chemistry
Supervisor: Prof. Dr. Nilgün ATAÜNAL ANCIN
In this thesis study, three novel ONO-donor type Schiff base ligands, derived from reactions between phenacylamine and salicylaldehyde derivatives, were synthesized. In the next stage three novel pentacoordinated diphenyltin(IV) complexes were obtained through reactions between corresponding ligands and diphenyltin(IV)dichloride.
Structures of the all molecules were elucidated using experimental techniques such as elemental analysis, mass spectrometry, FT-IR, 1H, 13C, 119Sn NMR spectroscopy and Density Functional Theory. Biological activities of these novel compounds were tested against some gram-positive bacteria, gram-negative bacteria and fungi species. It was found that only one ligand compound and all complexes showed activity at a certain level. Theoretical chemistry applications formed the second part of the thesis study. For this purpose five pentacoordinated organotin(IV) complexes which were derived from ONO-donor type ligands which are different from synthesized ones, were modelled in solvent environment through Density Functional Theory approach using different functionals such as B3LYP, CAM-B3LYP, HCTH, TPSSTPSS, TPSSh, wB97XD and MN12SX. While theoretical properties of the compunds such as energies, band gaps, dipole moment, polarizability, 1H, 13C NMR were determined, effect of the different functionals over calculations were shown. Additionally, effect of the empirical dispersion correction approach over theoretical calculations was examined. It was found that this approach improves the quality of energies and geometrical parameters but causes to predict worse 13C-NMR values.
January 2017, 143 pages
Key Words: Schiff base ligants, organotin(IV) complexes, biological activity, density functional theory, molecular modelling
iv TEŞEKKÜR
Bu doktora tezinin ortaya çıkması için kapılarını bana açmış ve gerekli tüm imkanlarından yararlandığım Ankara Üniversitesi ve Kimya Anabilim Dalı’na, tez danışmanım öğretim üyesi sayın Prof. Dr. Nilgün ATAÜNAL ANCIN’a (Ankara Üniversitesi Kimya Anabilim Dalı) ve çok önemli katkılarını gördüğüm öğretim üyesi sayın Prof. Dr. Selma GÜL ÖZTAŞ’a (Ankara Üniversitesi Kimya Anabilim Dalı) şükranlarımı sunarım.
Eğitimim boyunca her türlü desteklerini gördüğüm sevgili annem Sevim ŞİRİKÇİ’ye, sevgili babam İrfan ŞİRİKÇİ’ye, ablam Gölgem ŞİRİKÇİ’ye ve beni Ankara’da eğitim hayatıma devam etme konusunda teşvik eden değerli dostum ve ağabeyim Ahsen ERTEM’e teşekkürü bir borç bilirim.
Gerek aldığım dersler ile merak alanlarımın şekillenmesinde bana yön vermiş gerekse tezin yürütülmesi konusunda her türlü yardımlarını gördüğüm tüm hocalarıma minnettarım.
Gökhan ŞİRİKÇİ Ankara, Ocak 2017
v
İÇİNDEKİLER
TEZ ONAY SAYFASI
ETİK……… i
ÖZET………... ii
ABSTRACT……… iii
TEŞEKKÜR……… iv
SİMGELER DİZİNİ……….. viii
ŞEKİLLER DİZİNİ………... xi
ÇİZELGELER DİZİNİ………. xiii
1. GİRİŞ……….. 1
2. KURAMSAL TEMELLER……….. 2
2.1 Kalay ve Organokalay Bileşikleri………... 2
2.2 Azot ve Oksijen Verici Uçlu Schiff Bazı Ligantlarının ve Organokalay(IV) Komplekslerinin Bazı Yapısal Özellikleri………….. 6
2.3 Azot ve Oksijen Verici Uçlu Schiff Bazı Ligantlarının ve Organokalay(IV) Komplekslerinin Bazı Spektroskopik Özellikleri….. 11
2.4 Schiff Bazı Ligantlarının ve Organokalay(IV) Komplekslerinin Biyolojik Etkinlikleri……… 16
2.5 Moleküler Modelleme ve Uygulamaları………. 20
2.5.1 Ab-Inito yöntemleri………... 23
2.5.2 Çok cisimli perturbasyon teorisi………... 26
2.5.3 Konfigürasyon etkileşimi………. 28
2.5.3 Birleştirilmiş küme yöntemleri……… 29
2.5.4 Yoğunluk fonksiyoneli teorisi………... 31
2.5.5 Temel küme kavramı……… 35
2.5.5 Yarı-Denel yöntemler………... 39
3. MATERYAL ve YÖNTEM………... 42
3.1 Schiff Bazı Ligantların Sentezi……… 43
3.2 Organokalay(IV) Komplekslerinin Sentezi……… 44
3.3 Kuramsal Çalışmalar………... 45
4. BULGULAR VE TARTIŞMA……….. 49
4.1 Schiff Bazı Ligantlarının Analiz Verileri………... 49
4.2 Organokalay(IV) Komplekslerinin Analiz Verileri……….. 50
4.3 Kütle Spektrumu Verilerinin Değerlendirilmesi……….. 52
4.4 Kızılötesi Spektrumu Verilerinin Değerlendirilmesi……… 52
4.5 1H-NMR ve 13C-NMR Spektrumu Verilerinin Değerlendirilmesi……... 53
4.6 119Sn-NMR Spektrumu Verilerinin Değerlendirilmesi………. 55
4.7 Moleküllerin Biyolojik Etkinlik Verilerinin Değerlendirilmesi……….. 55
4.8 Kuramsal Çalışmalar ve Sonuçları………. 57
4.8.1 Bazı elektronik özellikler ve kutuplanabilirlikler………... 57
vi
4.8.2 Teorik geometrik parametreler ve empirik dispersiyon düzeltme
etkisi……….... 62
4.8.3 Teorik 1H-NMR ve 13C-NMR hesaplamaları üzerine fonksiyonel etkisi……….... 68
4.8.4 Tez kapsamında sentezlenen moleküllerin teorik elektronik, geometrik ve NMR parametreleri……… 70
5. SONUÇLAR ve ÖNERİLER……… 79
KAYNAKLAR……… 81
EKLER……… 94
EK 1 H2L1’in FT-IR Spektrumu………... 95
EK 2 H2L1’in FT-IR Spektrumu………... 96
EK 3 H2L1’in FT-IR Spektrumu………... 97
EK 4 Ph2L1’in FT-IR Spektrumu………. 98
EK 5 Ph2L2’nin FT-IR Spektrumu ……….. 99
EK 6 Ph2L3’ün FT-IR Spektrumu ………... 100
EK 7 H2L1’in 1H-NMR Spektrumu………... 101
EK 8 H2L1’in 13C-NMR Spektrumu……….. 102
EK 9 H2L1’in COSY Spektrumu………... 103
EK 10 H2L1’in HBMC Spektrumu………... 104
EK 11 H2L1’in HMQC Spektrumu………... 105
EK 12 H2L1’in 13C-DEPT Spektrumu……….. 106
EK 13 H2L2’nin 1H-NMR Spektrumu……….. 107
EK 14 H2L2’nin 1H-NMR Spektrumu……….. 108
EK 15 H2L2’nin 13C-NMR Spektrumu………. 109
EK 16 H2L2’nin 13C-NMR Spektrumu.……… 110
EK 17 H2L2’nin COSY Spektrumu……….. 111
EK 18 H2L2’nin HMQC Spektrumu……… 112
EK 19 H2L2’nin 13C-DEPT Spektrumu……… 113
EK 20 H2L3’ün 1H-NMR Spektrumu……… 114
EK 21 H2L3’ün 1H-NMR Spektrumu……… 115
EK 22 H2L3’ün 13C-NMR Spektrumu……….. 116
EK 23 H2L3’ün 13C-NMR Spektrumu.………. 117
EK 24 H2L3’ün 13C-NMR Spektrumu……….. 118
EK 25 Ph2L1’in 1H-NMR Spektrumu………... 119
EK 26 Ph2L1’in 13C-NMR Spektrumu……….. 120
EK 27 Ph2L1’in 13C-NMR Spektrumu.………. 121
EK 28 Ph2L2’nin 1H-NMR Spektrumu.……… 122
EK 29 Ph2L2’nin 1H-NMR Spektrumu..………... 123
EK 30 Ph2L2’nin 1H-NMR Spektrumu..………... 124
vii
EK 31 Ph2L2’nin 13C-NMR Spektrumu..……….. 125
EK 32 Ph2L2’nin 13C-NMR Spektrumu.………... 126
EK 33 Ph2L2’nin COSY Spektrumu………. 127
EK 34 Ph2L2’nin HMQC Spektrumu………... 128
EK 35 Ph2L3’ün 1H-NMR Spektrumu……….. 129
EK 36 Ph2L3’ün 1H-NMR Spektrumu..……… 130
EK 37 Ph2L3’ün 13C-NMR Spektrumu..………... 131
EK 38 Ph2L3’ün HBMC Spektrumu..……….. 132
EK 39 H2L1’in Kütle Spektrumu..……… 133
EK 40 H2L2’nin Kütle Spektrumu..……….. 134
EK 41 H2L3’ün Kütle Spektrumu..………... 135
EK 42 Ph2L1’in Kütle Spektrumu……… 136
EK 43 Ph2L2’nin Kütle Spektrumu……….. 137
EK 44 Ph2L3’ün Kütle Spektrumu………... 138
EK 45 Ph2L1’in 119Sn-NMR Spektrumu..……… 139
EK 46 Ph2L2’nin 119Sn-NMR Spektrumu..……….. 140
ÖZGEÇMİŞ……… 141
viii
SİMGELER DİZİNİ
M Kütle
µg Mikrogram
mg Miligram
mm Milimetre
cm Santimetre
mL Mililitre
m/z Kütle/yük oranı
˚C Celcius
H Planck Sabiti
Υ Dalga sayısı
Δ Kimyasal kayma
Hz Hertz
Ĥ Hamilton işlemcisi
Ψ Dalga fonksiyonu
E Enerji
I Net manyetik moment
XC Değişim-Korelasyon (Exchange-Correlation)
t Zaman
T Küme işlemcisi
P Elektron yoğunluğu
Kcal Kilokalori
eV Elektronvolt
α Kutuplanabilirlik
β Yüksekkutuplanabilirlik
µ Dipol moment
Å Angstrom
U Potansiyel enerji
r Konum vektörü
Kısaltmalar
AM1 Austin Model 1
API-ES Atmospheric Pressure Ionization-Electrospray
ATCC American Type Culture Collection
CCSD Coupled Clusters Singles Doubles
CCSDT Coupled Clusters Singles Doubles Triples
ix
CCSDTQ Coupled Clusters Singles Doubles Triples Quartets
CID Configuration Interaction Doubles
CISD Configuration Interaction Singles Doubles
CNDO Complete Neglect of Differantial Overlap (Differansiyel Örtüşmenin Tamamen İhmali)
COSY Correlation Spectroscopy
CSGT Continuous Set of Gauge Transformations
DEPT Distortionless Enhancement by Polarization Transfer
DMSO Dimetilsülfoksit
DNA Deoksiribonükleik asit
ECP Effective core potential (Etkin çekirdek potansiyeli)
EKKY En küçük kareler yöntemi
ESU Elektrostatik unit (Elektrostatik birim)
FT-IR Fourier transform infrared
GIAO Gauge-Including Atomic Orbital
GTO Gaussian type orbital
HF Hartree-Fock
HEM Demir-porfirin kompleksi
HOMO En yüksek dolu molekül orbitali (Highest occupied molecular orbital)
LUMO En düşük boş molekül orbitali (Lowest occupied molecular orbital)
HMBC Heteronuclear Multiple Bond Correlation
HMQC Heteronuclear Multiple Bond Coherence
INDO Intermediate Neglect of Differantial Overlap
(Differansiyel Örtüşmenin Kısmen İhmali) KOAH Kronik-obstruktif akciğer hastalığı
LC-MS Liquid chromatography-mass spectrometry
LDA Local density approximation (Lokal yoğunluk yaklaşımı) LSDA Local spin density approximation (Lokal spin yoğunluğu
yaklaşımı)
MINDO Modified Intermediate Neglect of Differantial Overlap (Differansiyel Örtüşmenin Düzeltilmiş İhmali)
MNDO Modified Neglect of Differantial Overlap (İki Atomlu Differansiyel Örtüşmenin Düzeltilmiş İhmali)
MP2 İkinci mertebeden Moller-Plesset Perturbasyon Teorisi NDDO Neglect of Diatomic Differantial Overlap (İki Atomlu
Diferansiyel Örtüşmenin İhmali)
NPA Natural population analysis (Doğal popülasyon analizi)
NMR Nükleer manyetik rezonans
OMS Ortalama mutlak sapma
ORTEP Oak Ridge Thermal Ellipsoid Plot
PM6 Parametrik Model 6
x
PPM Piece per million
STO Slatter type orbital
UV-Vis Ultraviyole-görünür
YFT Yoğunluk Fonksiyoneli Teorisi
ZVPE Zero-point vibrational energy (Sıfır noktası titreşim enerjisi)
xi
ŞEKİLLER DİZİNİ
Şekil 2.1 Bazı organokalay bileşiği türleri………... 3 Şekil 2.2 Hepatit-C’ye karşı aktiflik gösteren bir organokalay(IV) molekülü…… 5 Şekil 2.3 Biyosit olarak ilk kullanılan moleküllerden bis(tri-n-bütil)kalay oksit
bileşiğinin açık yapısı………... 5 Şekil 2.4 Schiff bazı moleküllerinin genel gösterimi……….. 6 Şekil 2.5 Dört dişli N,N'-Ethylenebis(salicylimine) molekülünün açık yapısı…… 6 Şekil 2.6 ONO verici uçlu bir ligantta fenol-imin ve kinoid tautomerleri
arasındaki kimyasal denge………... 7 Şekil 2.7 ONO verici uçlu bir ligantta gözlenebilen sırasıyla keto-imin ve enol-
imin tautomerleri arasındaki kimyasal denge………... 7 Şekil 2.8 Üç dişli, ONO verici uçlu Schiff bazı ligantlarının bir
organokalay(IV) tuzu ile tepkimesine ait genel gösterim……... 8 Şekil 2.9 Bir organokalay(IV)-Schiff bazı kompleksinin X-ışını kırınımı
yöntemiyle elde edilen ORTEP diyagramı (Dey vd. 2009)………... 9 Şekil 2.10 (E)-2-((2-hidroksibenziliden)amino)fenol ligantının açık yapısı…... 12 Şekil 2.11 (E)-2-((2-hidroksibenziliden)amino)fenol ligantından elde edilmiş
bir diorganokalay(IV) kompleksinin açık yapısı……… 12 Şekil 2.12 (E)-2-((5-kloro-2-hidroksibenziliden)amino)piridin-3-ol ligantının
açık yapısı………... 13 Şekil 2.13 Bir difenilkalay(IV) kompleksinin ORTEP diyagramı……… 14 Şekil 2.14 Bazı bakterilere karşı oldukça etkili olan rifampisin………... 17 Şekil 2.15 Anti-Mantar özellikli kinolin-2(1H)-on-triazol türevli Schiff bazı
ligantları………... 17 Şekil 2.16 Biyolojik olarak etkin S-metilditiyokarbazat türevi Schiff bazı
ligantları………... 18 Şekil 2.17 Biyolojik olarak etkin ONNO-verici uçlu, dört dişli Schiff bazı
ligantları………... 18 Şekil 2.18 Mantarlara karşı aktiflik gösteren bazı Schiff bazı organokalay(IV)
bileşikleri………... 19 Şekil 2.19 Gaz fazında modellemesi yapılmış siklopentanın optimize yapısı…... 27 Şekil 2.20 Dimetilkalay (IV) ve difenil kalay( IV) kompleksleri………. 41 Şekil 3.1 Schiff bazı ligantlarının eldesi ve ilgili atomların
numaralandırılması………. 43 Şekil 3.2 Ligantlarda gözlenen tautomeri ve organokalay(IV) komplekslerini
eldesi………... 45 Şekil 4.1 MN12-SX fonksiyoneli ile elde edilmiş HOMO-LUMO şekilleri…….. 59 Şekil 4.2 Schiff bazı ligant moleküllerinin B3LYP/6-311++G(d,p) teori
seviyesinde elde edilmiş optimize edilmiş yapıları……….. 72
xii
Şekil 4.3 Organokalay(IV) komplekslerinin B3LYP/DZVP+6-311++G(d,p)
teori seviyesinde elde edilmiş optimize edilmiş yapıları………. 72
xiii
ÇİZELGELER DİZİNİ
Çizelge 2.1 Kalay’ın izotopları ve doğadaki bolluk yüzdeleri……… 2 Çizelge 2.2 ONO verici uçlu Schiff bazlarının bazı organokalay(IV)
komplekslerine ait bazı T değerleri……….... 10 Çizelge 2.3 ONO verici uçlu Schiff bazlarının bazı organokalay(IV)
komplekslerine ait hesaplanan C-Sn-C açısı değerleri………... 15 Çizelge 2.4 Civa içeren bazı moleküllerdeki bağ ayrışma enerjilerinin HF ve MP2
yöntemleri açısından karşılaştırılmaları (Kcal/mol)……….. 31 Çizelge 3.1 Sentezlenen Schiff bazı ligantlarının açık yapıları………. 44 Çizelge 3.2 Daha önce literatüre kazandırılmış ve tez kapsamında modellenmesi
yapılan organokalay(IV) kompleksleri ve ilgili kaynaklar………. 47 Çizelge 4.1 Schiff bazı ligantları, organokalay(IV) kompleksleri ve kontrol
molekülerinin inhibisyon etkinlikleri………. 56 Çizelge 4.2 Hesaplanan elektronik özellikler ve fonksiyonellerin hesaplama
üzerine etkisi………... 58 Çizelge 4.3 Komplekslerin hesaplanan bağ uzunlukları, bağ başına ve toplam
olarak denel değerlerden sapma büyüklükleri (Å)……….... 64 Çizelge 4.4 Komplekslerin hesaplanan bağ açıları (α) ve t parametreleri, bağ
başına ve toplam olarak denel değerlerden sapma büyüklükleri……… 65 Çizelge 4.5 Empirik dispersiyon düzeltme yaklaşımlarının elektronik özellikler
üzerine etkisi………... 67 Çizelge 4.6 Komplekslerin hesaplanan 1H ve 13C-NMR kimyasal kayma değerleri
için elde edilen eşitlikler ve OMS, EKKY ile elde edilen değerler (δ,
ppm)………... 69
Çizelge 4.7 Moleküllerin hesaplanan bazı elektronik özellikleri…………... 71 Çizelge 4.8 Moleküllerin hesaplanan bazı bağ uzunluğu ve bağ açısı değerleri……. 73 Çizelge 4.9 Schiff bazı ligantlarının hesaplanan 1H-NMR kimyasal kayma
değerleri (δ, ppm), deneysel değerler (parantez içinde) ve doğrusal
regresyon analizi eşitlikleri……….. 74 Çizelge 4.10 Schiff bazı ligantlarının hesaplanan 13C-NMR kimyasal kayma
değerleri (δ, ppm), deneysel değerler (parantez içinde) ve doğrusal
regresyon analizi eşitlikleri……… 75 Çizelge 4.11 Organokalay(IV) komplekslerinin hesaplanan 1H-NMR kimyasal
kayma değerleri (δ, ppm), deneysel değerler (parantez içinde) ve
doğrusal regresyon analizi eşitlikleri………... 76 Çizelge 4.12 Organokalay(IV) komplekslerinin hesaplanan 13C-NMR
kimyasal kayma değerleri (δ, ppm), deneysel değerler (parantez
içinde) ve doğrusal regresyon analizi eşitlikleri……….. 77 Çizelge 4.13 Schiff bazı ligantları ve karşılık gelen difenilkalay(IV)
komplekslerinin teorik dipol kutuplanabilirlik ve dipol yüksek
kutuplanabilirlik değerleri……… 78
1 1. GİRİŞ
Pek çok türdeki ligantlar ile çeşitli metal iyonlarının koordinasyonu sonucu elde edilen organometalik bileşikler inorganik kimyada önemli bir sınıfı temsil etmektedir. Bu bileşiklerin önemli bir sınıfı oluşturmaları hiç şüphesiz ki endüstriyel boyutta çeşitli kullanımlarından, sentetik kimyadaki önemli rollerinden ve gösterebildikleri çok çeşitli biyolojik özelliklerinden ileri gelmektedir.
Bu tezin konusunu, özellikleri ve önemleri yukarıda belirtilen organometalik bileşiklerle paralel olan, ONO-verici uçlarına sahip Schiff bazı ligantlarından türetilmiş yeni organokalay(IV) bileşiklerinin elde edilmeleri, bunların muhtemel antimikrobiyal aktivitelerinin araştırılması ve modern elektronik yapı teoremlerinden Yoğunluk Fonksiyoneli Teorisi ile hem denel bulguların desteklenmesi hem de bazı teorik uygulamaların yapılması oluşturmaktadır.
Bilindiği gibi elementel analiz, kütle spektrometresi, X-ışını kırınımı yöntemi ve NMR spektrofotometresi gibi bazı aletli analiz yöntemleri elde edilen moleküler yapıların aydınlatılmasında kritik bir öneme sahiptir ancak bu yöntemlerin hiçbiri söz konusu moleküler sistemlere ait enerji, dipol moment, yük dağılımı, kantitatif reaktiflik öngörüsü, tepkime mekanizması ve uyarılmış haller ile ilgili bazı yapısal elektronik özellikler hakkında bilgi sunamamaktadır. Buna karşılık teorik modelleme yaklaşımları zamanla daha da geliştirilen algoritmalar sayesinde özellikle spektroskopik deneysel verileri başarı ile simüle edebilmekle beraber ölçümü gerek bazı altyapı eksikliklerine gerekse de koşulların uygun olmamasına bağlı olarak gerçekleştirilemeyen pek çok özelliğin belirlenebilmesine olanak sağlamaktadır. Deneysel çalışmaların yanına teorik çalışmaların da eklenmesi tez ve yayın gibi eserlerin bilimsel değerini oldukça arttırmaktadır dolayısıyla bu yaklaşım giderek bir gereklilik haline gelmektedir.
2 2. KURAMSAL TEMELLER
2.1 Kalay ve Organokalay Bileşikleri
Kalay elementinin ilk keşfedildiği zamana ilişkin çok kesin bir aralık bulunmamakla birlikte tunçun diğer bir deyişle kalay-bakır alaşımı olan bronzun kullanımı milattan önce yaklaşık 3500 yılına dayandığı ve bu tarihin de bronz çağının başlangıç ve kalayın keşif tarihi olarak verilebildiği bilinmektedir (Gielen vd. 2008)
Kalay, α ve β kalay olmak üzere iki allotropa sahip bir elementtir. β-Kalay, beyaz kalay da denilen gümüş-beyaz renkli, kübik yapılı ve iletken olan allotroptur yaklaşık 10
°C’nin altında α-Kalaya dönüşür. α-Kalay ise elmas yapılı bir yarı iletkendir (Gielen vd.
2008)
[Kr] 4d10 5s2 5p2
Pek çok kararlı izotopa sahip olan kalayın bu izotopları çok karakteristik kütle spektrumları oluşumuna yol açmaktadır. Kalay elementinin sahip olduğu bu kararlı izotoplar ve bolluk oranları çizelge 2.1’de gösterilmektedir.
Çizelge 2.1 Kalay’ın izotopları ve doğadaki bolluk yüzdeleri
İzotop Bolluk Oranı (%)
112Sn 0,95
114Sn 0,65
115Sn 0,34
116Sn 14,24
117Sn 7,57
118Sn 24,01
119Sn 8,58
120Sn 32,97
122Sn 4,17
124Sn 5,98
3
115Sn, 117Sn ve 119Sn 1/2’lik I değerleri sebebiyle NMR spektroskopisi açısından analiz edilebilir izotoplarken, 119Sn, aynı zamanda bir gama ışını yayınlayıcı olarak Mössbauer spektroskopisi açısından da analiz edilebilir bir izotoptur.
Kalay atomu çeşitli organik moleküllerle, nötral, anyonik ve katyonik radikaller, oliogomerik, polimerik yapılar ya da çok kısa ömürlü bazı ara ürünler olmak üzere Sn-C bağları içeren çeşitli yapılar oluşturabilmektedir. Özellikle mononükleer kalay bileşiklerindeki Sn-C bağlarının sayısı ve bağlı organik grubun doğası o bileşiğin kullanılabildiği uygulama alanları üzerinde önemli farklılıklar yaratmaktadır (Gielen vd.
2008).
İlk organokalay bileşiği 1849’da etilklorür ile metalik kalayın ısıtılması sonucu elde edilmiş dietilkalaydiklorür bileşiğidir (Frankland 1849). Organokalay bileşiklerinin ilk uygulama alanlarına örnek olarak 1930’larda vinil plastik ürünleri için kararlılaştırıcı moleküller olarak patentlenmeleri verilebilir (Ross 1965).
Şekil 2.1 sırasıyla klor içeren ve yapısı X-Işınımı kırınımı yöntemiyle aydınlatılan bir organokalay bileşiği olan kloro(trimetil)piridin kalayı (Beattie ve Hulme 1962), hem Lewis bazı hem de Lewis asidi olarak davranabilen, birden fazla kalay atomu içeren bir stanilen bileşiğini ve bir stannoseni göstermektedir (Gielen vd. 2008)
Şekil 2.1 Bazı organokalay bileşiği türleri
4
Organokalay bileşiklerinin en çok kullanım alanına sahip bileşiklerden olduğunu söylemek mümkündür. Özellikle organokalay(IV) bileşikleri geniş bir uygulama ve kullanım alanına sahiptir. Bu kullanım alanları endüstriyel ve sentetik uygulamalar, bioyolojik ve tarımsal alanlar olarak verilebilmektedir (Poller 1970, Kerk 1976, Fent 1996).
Organokalay bileşiklerinin bazı ticari kullanım alanları, PVC (polivinilklorür) için stabilizatör bileşenler, endüstriyel katalizörler, cam kaplama materyalleri, polimerik maddelerin özellikle silikon elastomerlerinin sertleştirilmesi için katkı maddesi, katı roket yakıtları için balistik katkı bileşenleri, sıvı membranlardaki iyon-seçici elektrotlarda iyonofor olarak, yüzey modifikasyonunda kullanılacak reaktif dezenfeksiyonu çalışmaları için bakteriostatik madde, mantarlara, akarlara, yumuşakçalara ve bitkilere zarar veren bazı mikroorganizmalara karşı çeşitli biyositler olarak belirtilebilmektedir (Gielen vd. 2008).
Pek çok kullanım alanına sahip olmaları kalay bileşiklerinin üretim ve tüketim miktarlarını önemli miktarda arttırmaktadır. Bu miktarların yüksek oluşu çevresel ve canlı sağlığı üzerindeki çekinceleri de beraberinde getirmektedir çünkü kalay bileşikleri özellikle su ekosistemi için önemli kirleticiler olarak kabul edilirler. Organokalay bileşikleri başta memeli canlılar olmak üzere gelişmiş türlerin karaciğer, beyin ya da böbreklerinde birikme eğilimi gösterdiği de bilinmektedir (Fait vd. 1994). Bazı türlerinin kullanımının azalmasına rağmen, düşük bozunma hızları bu bileşiklerin doğada daha uzun süre ile kalmasına yol açar. Bu özellik insanlar ve diğer memeli canlılar üzerindeki pek çok toksik etkilerin ana kaynağıdır. Bu etkilere ek olarak hemoglobinde yer alan HEM metabolizmasını inhibe edebilmekte ve kardiyovasküler sistemin işleyişine dair de müdahaleci etki yapabildikleri bilinmektedir(Rosenburg vd.
1992).
5
Şekil 2.2, 3,5-dimetilbenzoik asitin bir diorganokalay(IV) kompleksini göstermektedir.
In-vitro tipi çalışma sonuçlarına göre bu kompleksin DNA enterkalasyonu gösterdiği ve Hepatit-C virüsüne karşı anti-viral etkinlik sergilediği belirlenmiştir (Shah vd. 2015).
Şekil 2.2 Hepatit-C’ye karşı aktiflik gösteren bir organokalay(IV) molekülü
Organokalay(IV) komplekslerinde Sn-C bağı sayısının azalması toksiklikte azalmaya yol açar ayrıca bağlı grubun türü toksiklikte spesifik değişimlere sebep olur(Miller ve Craigh 1998). Söz gelimi trimetilkalay bileşikleri böcek ve memelilere karşı etkili iken trietilkalay bileşikleri memelilere karşı en etkili türlerdir. Tripropilkalay gram-negatif bakterilere karşı etkin olduğu bilinmektedir. Tri-n-bütil ve trifenilkalay bileşikleri ise mantarlara ve bazı canlılara karşı aktivite sağlayabilmektedirler. Örneğin bir alınmış bir patentte belirtildiğine göre bis(tri-n-bütil)kalay oksit molekülü (Şekil 2.3) sivrisinek larvalarını çok az bir konsantrasyonda tamamen yok edebilmektedir(Cardarelli 1968).
Şekil 2.3 Biyosit olarak ilk kullanılan moleküllerden bis(tri-n-bütil)kalay oksit bileşiğinin açık yapısı
Organik gruplardaki zincirin uzamasının biyolojik etkinliği düşürdüğü bilinmektedir (Miller ve Craigh 1998). Örneğin N-oktilkalay bileşikleri hiçbir canlıya karşı toksik özellik göstermemektedir (Smith 1978).
6
2.2 Azot ve Oksijen Verici Uçlu Schiff Bazı Ligantlarının ve Organokalay(IV) Komplekslerinin Bazı Yapısal Özellikleri
Schiff bazları isimlerini Hugo Schiff’ten alan, yapısında bir C=N, yani azometin grubu bulunan ve genel yapıları şekil 2.4’de gösterilen moleküllerdir.
Şekil 2.4 Schiff bazı moleküllerinin genel gösterimi
Schiff bazlarının koordinasyon kimyasında yaygın olarak kullanım alanı bulmuş ligantlar olduğunu söylemek mümkündür. Bu ligantlar tek dişli ya da çok dişli vericiler olarak davranabilmekte ve başta geçiş metalleri olmak üzere pek çok metal atomuyla çeşitli koordinasyon bileşikleri oluşturabilmektedir. Örneğin N,N’-etilenbis(salisilimin) (SALEN) (Şekil 2.5) molekülü dört dişli bir şelatör olarak davranabilmektedir.
Şekil 2.5 Dört dişli N,N’-ethylenebis(salicylimine) molekülünün açık yapısı
Organokalay(IV)-Schiff bazı komplekslerinin önemli bir sınıfını azot ve oksijen verici uçlarına sahip Schiff bazları ile çeşitli kalay tuzlarının tepkimesinden elde edilen kompleksler oluşturmaktadır (Saraswat vd. 1977, Saxena vd. 1985, Rivera 2006, Öztaş vd. 2009). Bu söz konusu kompleksleri oluşturan ligantların bir türünün de ONO verici ucuna sahip üç dişli Schiff bazı ligantları olduğu söylenebilmektedir. Bu tip ligantların çeşitli tautomerik özellikler gösterebildiği de bilinmektedir. Örneğin salisilaldehitten
7
türetilmiş bazı ligantlarda fenol-imin tautomerik formu daha baskın bir türdür (Holm vd. 1966, Percy ve Thornton 1972).
Şekil 2.6’da söz konusu türden bir liganta ait fenol-imin ve kinoid tautomerleri arasındaki denge görülmektedir (Öztaş 2004).
Şekil 2.6 ONO verici uçlu bir ligantta fenol-imin ve kinoid tautomerleri arasındaki kimyasal denge
Bu tip ligantlarda gözlenen bir başka tautomerik denge ise keto-imin ve ve fenol-imin formları arasındaki gözlenebilir dengedir (Beltran vd. 2003) (Şekil 2.7)
Şekil 2.7 ONO verici uçlu bir ligantta gözlenebilen sırasıyla keto-imin ve enol-imin tautomerleri arasındaki kimyasal denge
Bu türden ligantlarda katı olarak ya da çözelti içinde keto-imin formunun enol-imin formuna göre baskın olduğu bilinmekle beraber kompleksleşme tepkimesi enol-imin formu üzerinden yürümektedir (Beltran vd. 2003, Dey vd. 2009, Yenişehirli vd. 2010).
Şekil 2.8’de bu kompleksleşme tepkimelerine ait genel bir şema gösterilmektedir.
8
Şekil 2.8 Üç dişli, ONO verici uçlu Schiff bazı ligantlarının bir organokalay(IV) tuzu ile tepkimesine ait genel gösterim
Tepkenler şekilde 2.8’de de görüldüğü gibi 1:1 oranında tepkimeye girdiğinde ve ortamdaki çözücüye ait moleküller kalay atomuna koordine olmadıkça oluşan kompleksler beş kordinasyonlu bir yapıya sahiptirler ancak bazı komplekslerde kalay ve oksijen atomları arasındaki moleküller arası etkileşimler dimerik bir düzenlenmeye dolayısıyla altı koordinasyonlu yapılara benzer komplekslerin oluşumuna yol açabilmektedir (Pettinari vd. 2001, Reyes vd. 2004, Dey vd. 2009). Şekil 2.9’da bu tür düzenlenmeye bir örnek görülmektedir.
9
Şekil 2.9 Bir organokalay(IV)-Schiff bazı kompleksinin X-ışını kırınımı yöntemiyle elde edilen ORTEP diyagramı (Dey vd. 2009)
Bu beş koordinasyonlu yapıların genel anlamda ideal bir kare piramit geometri ile ideal bir üçgen bipiramit geometri arasında bir geometrik düzenlenmeye sahip oldukları bilinmektedir. A ve B sırasıyla metal çevresindeki en geniş iki açıyı göstermek üzere aşağıdaki eşitlik ideal geometrik düzenlenimden sapmanın ölçüsünü vermektedir.
Τ =(B-A)/60 (2.1)
Buna göre T değeri sıfıra yaklaştığında geometri ideal kare piramit düzenlenmeye, bire yaklaştığında ise ideal üçgen bipiramit geometriye yakınlaşılmaktadır (Addison ve Reedjik 1984, Hunter ve Saunders 1990). Çizelge 2.2’de literatürdeki bazı komplekslerin T değerleri gösterilmektedir.
10
Çizelge 2.2 ONO verici uçlu Schiff bazlarının bazı organokalay(IV) komplekslerine ait bazı T değerleri
Kompleks T Değeri Referans
0.44 Yenişehirli vd. 2010
0.56 Dey vd. 2004
0.66 Dey vd. 2009
Bu moleküler sistemlerde ideal geometrik düzenlenimden sapmanın bir sebebi olarak şelat halkasının gerginliği ve kalay(IV)’ün büyük kovalent yarıçapı gösterilebilmektedir (Yenişehirli 2010). Bir başka çalışmada ise HC=N grubuna ait molekül içi hidrojen bağlarının uzunluğunun artması ile ideal kare piramit düzenlenimden üçgen bipiramit düzenlenime doğru kaymanın büyüklüğünün arttığı görülmektedir (Öztaş vd. 2004).
11
2.3 Azot ve Oksijen Verici Uçlu Schiff Bazı Ligantlarının ve Organokalay(IV) Komplekslerinin Bazı Spektroskopik Özellikleri
Spektroskopi kimyanın pek çok alanında önemli bir yer tutan ışık ile madde etkileşimini inceleyen bir bilim dalıdır. Söz konusu moleküler sistemlere ait önemli spektroskopik teknikler arasında FT-IR, 1H-NMR, 13C-NMR 119Sn-NMR spektroskopisi gösterilebilir.
Her Schiff bazı ligantında olduğu gibi ONO verici uçlu ligantlarda ve bu ligantlardan elde edilen organokalay(IV) komplekslerinde imin (CH=N) grubuna ait gerilme titreşim frekansı değerleri FT-IR spektroskopisi için karakteristiktir. Belirtilmesi gereken en önemli noktalardan biri ise kompleksleşme sebebiyle bu gruba ait titreşim frekanslarının dalga sayısı değerlerinin, serbest ligantlardaki değerlerine göre daha küçük olarak gözlenmesidir. Bu durum imin grubuna ait azot atomu üzerinden bir koordinasyona işaret etmektedir (Öztaş vd. 2004, Yenişehirli vd. 2010).
Tek bir karbonil grubu içeren bazı serbest ligantlarda karbonil grubuna ait şiddetli gerilim titreşim frekansı değerlerinin kompleksleşme sonrasında görülmemesi kompleksleşmede enol-imin formunun tercih edildiğini ortaya koymaktadır (Beltran vd.
2003).
Söz konusu serbest ligantlarda molekül içi hidrojen bağı da oluşturabilen O-H gruplarına ait titreşim pikleri gözlenebilmektedir. Ancak kompleksleşmeden söz konusu piklerin gözlenemesinin sebebi O-H gruplarının proton kaybetmesi ve doğrudan koordinasyona katılmalarıyla ilişkilidir (Ancın vd. 2007).
Komplekslerin FT-IR spektrumları irdelendiğinde doğal olarak serbest ligantlarda gözlenmeyen Sn-O, Sn-N ve Sn-C gibi kalay koordinasyonuna bağlı gerilme titreşim pikleri görülmektedir (Pettinari vd. 2001, Dey vd. 2009)
12
Pettinari ve arkadaşlarınca (2001) gerçekleştirilen bir çalışmada şekil 2.10’de gösterilen ONO verici uçlu, üç dişli Schiff bazı ligantına ait C-C ve C=N bağlarına ait gerilme titreşim değerlerinin 1631-1506 cm-1 değerleri arasında gözlendiği rapor edilmiştir.
Şekil 2.10 (E)-2-((2-hidroksibenziliden)amino)fenol ligantının açık yapısı
Buna karşılık söz konusu ligantın bir organokalay(IV) kompleksine (Şekil 2.11) ait FT- IR spektrumu incelendiğinde C-C ve C=N bağlarına ait gerilme titreşim değerlerinin 1606-1514 cm-1 değerleri arasında gözlendiği, buna ek olarak 573-545 cm-1 değerleri arasında Sn-C bağlarına, 528-520 cm-1 değerleri arasında Sn-O bağlarına ve 321 cm-1 değerinde ise Sn-N bağına ait olduğu belirlenmiş yeni titreşim piklerinin gözlendiği belirtilmiştir.
Şekil 2.11 (E)-2-((2-hidroksibenziliden)amino)fenol ligantından elde edilmiş bir d diorganokalay(IV) kompleksinin açık yapısı
Ancın (2007) tarafından yapılmış bir başka çalışmada şekil 2.12’de gösterilen ligantın O-H gruplarına ait titreşim pikleri 2900 cm-1’de geniş pikler olarak gözlenirken C=N grubuna ait titreşim değerinin 1617 cm-1’de gözlendiği belirtilmiştir.
13
Şekil 2.12 (E)-2-((5-kloro-2-hidroksibenziliden)amino)piridin-3-ol ligantının açık yapısı
Söz konusu bu liganttan elde edilen bir dizi kompleksde ise O-H gruplarına ait herhangi bir FT-IR piki gözlenmezken, C=N gruplarına ait titreşim piklerinin 1606-1604 cm-1 arasında gözlendiği bulunmuştur. Ek olarak 528 cm-1 ile 477 cm-1 arasında gözlenen pikler Sn-O bağına ait titreşimlere atfedilirken 619 cm-1 ile 532 cm-1 değerleri arasında gözlenen titreşim pikleri Sn-C bağlarına atfedilmiştir.
NMR spektroskopisi de bu komplekslerin yapı tayininde önemli bir yer tutmaktadır.
Ligantlarda gözlenebilen O-H protonlarına ait kimyasal kayma değerlerinin ve keto formundaki bir ligantta gözlenebilecek karbonil (C=O) karbonuna ait kimyasal kayma değerlerinin komplekslerde gözlenememesinin yanı sıra azometin grubundaki protonlara, karbonlara ve OH gruplarına komşu karbonlara ait kimyasal kayma değerlerindeki belirgin değişimler kompleksleşmenin varlığına önemli deliller sunar (Dey vd. 2004), Dey vd. 2009)
NMR spektroskopisi açısından genel 1H-NMR ve 13C-NMR kimyasal kayma değerleri dışında söz konusu organokalay(IV) komplekslerinde gözlenen bazı eşleşme sabitleri önemli karakteristik bilgiler sunmaktadır. Bu eşleşme sabitlerinden bazıları kalay ile N=CH grubunda yer alan hidrojenler arasında gözlenen 3J(117/119Sn-1H), kalay ile kendisine bağlı alkil gruplarındaki hidrojen ve karbon atomları arasında gözlenebilen
2J(119Sn-1H), 1J(117/119Sn-13C), 2J(117/119Sn-13C), 3J(117/119Sn-13C) ya da 4J(117/119Sn-13C) eşleşme sabitleridir.
Şekil 2.13’de gösterilen organokalay(IV) kompleksinin serbest ligantına ait azometin protonunun kimyasal kayma değeri 7.65 ppm’de gözlenmişken bu değer komplekste
14
daha yüksek bir alanda 7.30 ppm’de gözlenmiştir. Bu azometin azotunun kalay atomuna koordine olduğunu göstermektedir. Yine serbest ligantın C1 ve C8 karbonlarına ait kimyasal kayma değerleri sırasıyla 151.50 ve 151.84 ppm’de gözlenirken bu değerler kompleksleşmeden sonra 162.40 ve 157.54 ppm değerlerine kaymıştır. Bu önemli değişikliklerde koordinasyonun varlığına işaret etmektedir.
Şekil 2.13 Bir difenilkalay(IV) kompleksinin ORTEP diyagramı (Yenişehirli vd. 2010)
Bu söz konusu komplekste 3J(117/119Sn-1H) eşleşme sabiti 48 Hz değerinde gözlenirken
2J(117/119Sn-13C) ve 3J(117/119Sn-13C) gibi eşleşme sabitleri sırasıyla 85.9 ve 56 Hz değerlerinde bulunmuştur. Bu değerlerin tipik değerler olduğu söylenebilmektedir.
Kalay ile ona bağlı metil, fenil veya butil gibi organik moleküllere ait hidrojen ve karbon atomları arasındaki eşleşme sabitleri ile ilgili bilinmesi gereken diğer bir husus
2J(119Sn-1H) eşleşme sabitinin değerinin kalay-azometin hidrojeni arasındaki
3J(117/119Sn-1H) değerinden, 1J(117/119Sn-13C) eşleşme sabiti değerlerinin ise ikincil ve daha yüksek mertebeli benzer eşleşme sabitlerinin değerlerinden yüksek olarak gözlenmesidir (Pettinari vd. 2001, Ancın vd. 2007).
15
Bu çeşitli eşleşme sabitlerinin bir diğer fonksiyonu ise çözelti ortamında bazı komplekslerdeki C-Sn-C açı değerlerini sunabilmesidir. Örneğin dimetilkalay(IV)
komplekslerinde metil gruplarıyla kalay atomu arasındaki bağ açısı θ=0.0161×(2J(119Sn−1H))2−1.32×2J(119Sn-1H)+133.4 ya da 1J(119Sn-13C)= 10.7θ-778
eşitlikleri ile hesaplanabilmektedir (Lockhart ve Manders 1986, Lockhart ve Davidson 1987)
Benzer şekilde 1J(119Sn-13C) = (15.91 ± 0.72)θ-(1164 ± 84) eşitliği de difenilkalay(IV) komplekslerinin çözelti ortamındaki C-Sn-C açılarının hesaplanabilmesine imkan tanımaktadır (Holecek ve Lycka 1986). Çizelge 2.3’de bazı komplekslere ait söz konusu eşitlikler ile hesaplanmış değerleri göstermektedir.
Çizelge 2.3 ONO verici uçlu Schiff bazlarının bazı organokalay(IV) komplekslerine ait hesaplanan C-Sn-C açısı değerleri
Kompleks Hesaplanan/Deneysel
θ(C-Sn-C)
Referans
134.72a/120.1 Dey vd. 2009
139b, 134.3c/141.28 Öztaş vd. 2009
a: 1J(119Sn-13C) = (15.91 ± 0.72)θ-(1164 ± 84), b: θ=0.0161×(2J(119Sn−1H))2−1.32×2J(119Sn-1H)+133.4, c: 1J(119Sn-13C)= 10.7θ-778
16
Organokalay komplekslerinde, NMR aktif bir çekirdek olması sebebiyle, karbon ve hidrojen iskeletine ait kimyasal kayma değerleri kadar kalay atomuna ait kimyasal kayma değerleri de önem kazanmaktadır. Çünkü 119Sn-NMR spektroskopisi komplekslerin koordinasyon sayısı dolayısıyla geometrisi ile ilgili bilgi verebilen bir tekniktir.
Beş koordinasyonlu organokalay(IV) komplekslerinde 119Sn çekirdeğine ait kimyasal kayma değerlerinin -140 ile -330 ppm arasında değişebildiği ve spektrumda keskin bir tekil pikle kendini belli ettiği bilinmektedir (Wrackmeyer 1985, Pettinari vd. 2001).
Kalay merkez atomuna bağlı organik grupların tipi de gözlenen bu kimyasal kayma değerleri üzerine etkilidir ve bu değerlerin aşağıdaki sıralama ile arttığı söylenebilmektedir (Pettinari vd. 2001).
Metil ≡ Butinnormal < Butiltersiyer < Vinil < Fenil
Buna ek olarak daha yüksek elektronegatifliğe sahip grupların koordinasyonu da gözlenen 119Sn kimyasal değerlerinin büyüklüğünü arttırabilmektedir.
2.4 Schiff Bazı Ligantlarının ve Organokalay(IV) Komplekslerinin Biyolojik Etkinlikleri
Bir molekülün biyolojik etkinliği canlı bir tür üzerinde yarattığı olumlu ya da olumsuz etki olarak tanımlanabilmektedir. Buradaki söz konusu olumlu etkiler genellikle farmakolojik etkinlik olarak düşünülmektedir ve kanser, alzheimer, KOAH gibi günümüzde yaygın olarak görülen ya da paroksismal noktürnal hemoglobinüri, akromegali gibi ender olarak rastlanan hastalıkların tedavisinden parazit, mantar, bakteri ya da virüs gibi mikroorganizmalara karşı verilen etkinliğe kadar geniş bir yelpazeyi içermektedir.
Farmakolojik etkinlik gösterebilen protein, karbonhidrat, lipit, peptit ve diğer sınıf moleküller gibi çeşitli büyüklükte pek çok organik molekül bulunmaktadır. Örneğin
17
1957’de Dow-Lepetit Research Laboratories tarafından keşfedilen, şekil 2.14’de açık yapısı gösterilen rifampisin bakterisidal etki gösteren hala kullanımda olan çok etkili bir moleküldür.
Şekil 2.14 Bazı bakterilere karşı oldukça etkili olan rifampisin
Tipik organik moleküller olarak Schiff bazlarının da çok yönlü birer farmakofor olduğu bilinmektedir (Kajal vd. 2013). Bugüne kadar biyolojik aktivite uygulamaları yapılmış çeşitli Schiff bazlarının genel olarak anti-mantar, anti-bakteriyel, anti-viral, anti-kanser, anti-oskidant özellikler gösterebildikleri bunun yanında DNA koruyucu işlev de görebildikleri bilgisi literatürde yer almaktadır (Sahu vd. 2009).
Şekil 2.15’de bir seri kinolin-2(1H)-on-triazol türevli Schiff bazı ligantlarına ait genel gösterim yer almaktadır. Bu ligantların mantarlara karşı etkin olduğu ancak gram-pozitif ya da gram-negatif bazı bakterilere karşı etkinliğinin olmadığı belirtilmiştir (Creaven vd. 2009).
Şekil 2.15 Anti-Mantar özellikli kinolin-2(1H)-on-triazol türevli Schiff bazı ligantları
18
Tarafter’in 2002’de yaptığı bir çalışmada, şekil 2.16’da yapıları gösterilmiş NS izomerisine sahip iki dişli Schifff bazları ve bunların bakır, nikel ve çinko kompleksleri üzerine yapılan bir dizi biyolojik etkinlik çalışmasında ligantların, komplekslerden ise ilk ligantın bakır(II) kompleksinin bazı mantar türlerine karşı etkinlik gösterdiği belirlenmiştir. Ayrıca ilk ligantın nikel(II) ve çinko(II) gibi komplekslerinin akut lenfoblastik lösemi hücrelerine karşı da etkinlik gösterdiği belirtlilmiştir (Tarafter vd.
2002).
Şekil 2.16 Biyolojik olarak etkin S-metilditiyokarbazat türevi Schiff bazı ligantları
Bir Schiff bazı ligantı türevi olarak azot ve oksijen verici uçlu ligantlar da biyolojik aktivite gösterebilmektedirler. Örneğin Gabballa (2007) tarafından yapılmış bir çalışmada salisilaldehit molekülü ile sırasıyla orto ve para-fenilendiamin moleküllerinin kondenzasyonundan oluşmuş ligantların çeşitli bakteri ve mantar türlerine karşı etkinlik gösterebildikleri belirtilmiştir (Gaballa vd. 2007). Şekil 2.17’de bu ligantlar gösterilmektedir.
Şekil 2.17 Biyolojik olarak etkin ONNO-verici uçlu, dört dişli Schiff bazı ligantları
19
Schiff bazı ligantlarının kendileri biyolojik aktivite gösterebildikleri gibi çeşitli atomlara koordinasyonları sonucu oluşan organometalik kompleksler de söz konusu eğilime sahip olabilmektedir. Bu organometalik komplekslerin bir sınıfını da organokalay(IV) kompleksleri oluşturur. Örneğin aminoasitlerden elde edilmiş, şekil 2.18’de genel yapıları verilmiş bazı ONO-verici uçlu Schiff bazlarının organokalay(IV) komplekslerinin, Candida albicans, Crytococcus neoformans, Sporotrichum shenckii, Trichophyton mentafro ve Aspergillus fumigatus gibi bazı mantar türlerine karşı orta derecede etkin oldukları bilinmektedir (Nath vd. 1997, Gielen vd. 2008).
Şekil 2.18 Mantarlara karşı aktiflik gösteren bazı Schiff bazı organokalay(IV) bileşikleri
2010 yılında yapılmış olan bir çalışmada (Yenişehirli vd. 2010) N-(2-hidroksifenil)- salisilidenimin türevi ONO-verici uçlu Schiff bazı ligantları ve onlardan elde edilmiş bazı organokalay(IV) komplekslerinin bazı gram-negatif ve gram-pozitif bakterilere ve bazı mantarlara karşı gösterdikleri antimikrobiyal aktiviteler incelenmiştir. Sonuçlara göre bazı ligantların hiçbir mikroorganizmaya karşı aktivite göstermediği belirtilirken, komplekslerin türevi oldukları ligantlardan daha iyi anti-bakteriyal etki gösterdikleri belirlenmiştir. Çalışma sonuçlarına göre ayrıca moleküllerin, hücre duvarı farklılığı sebebiyle yalnızca gram-negatif bazı organizmalara karşı aktivite gösterdikleri gram- pozitif bakterilere karşı ise etkinlik sergilemedikleri belirlenmiştir.
20 2.5 Moleküler Modelleme ve Uygulamaları
Günümüzde kullandığımız kişisel bilgisayarların işlem gücünün artması ve gelişen yazılım algoritmaları moleküler modelleme tekniklerinin ulaşılabilirliğini arrtırmakta bu sayede de özellikle deneysel çalışmaları destekleme konusunda kullanımını yaygınlaştırmaktadır. Çok kullanışlı ve etkin bir araç olarak moleküler modelleme yaklaşımları ile pek çok moleküler özellik analiz edilebilmekte ve varsayımsal tasarımlar üzerinde çeşitli tahminleme çalışmaları yürütülebilmektedir. Bu yaklaşımlar ile hesaplanabilecek özellikler aşağıdaki şekilde özetlenebilir.
Moleküler optimizasyon ile en düşük enerjili yapıların bulunması ve konformasyonel analizlerin yürütülmesi
Kimyasal reaktiflik parametrelerinin eldesi
Molekül orbital enerjileri, bant aralıkları, dipol moment, elektrostatik potansiyel haritası, kısmi yükler, hibritleşme türü ve bağ karakteristikleri gibi elektronik özellikler
FT-IR, NMR ve UV-Vis gibi spektrofotometrik yöntemlere ait spektrumların eldesi
Tepkime mekanizmaları gibi kinetik, oluşum ısıları veya aktivasyon enerjileri gibi termokimyasal hesaplamalar
Günümüzde bu tür hesaplamalar oldukça gelişmiş bilgisayar yazılımlarınca yürütülmektedir ancak her yazılım aynı kabiliyetlere sahip değildir. Modern teoremler ve ilerlemeler programlara dahil edildikleri sürece kullanılabilir durumdadırlar. Bu sebeple araştırıcılar kendi çalışmalarına uygun olan paket programları seçmelidirler. Bu paket programlardan bazıları aşağıda listelenmiştir.
Amsterdam Density Functional (ADF): İlk olarak 1970’lerde geliştirilmiştir ve Yoğunluk Fonksiyoneli Teorisi yaklaşımı baz alınarak geliştirilmiş bir yazılımdır.
MOPAC (Molecular Orbital Package): 1981’de geliştirilmeye başlanan bu yazılım Yarı- Denel yaklaşımı temel alan bir yazılımdır.
21
GROMACS: Genellikle protein, lipit ve nükleik asit büyük yapıların moleküler dinamik simulasyonlarını yapmak için geliştirilmiştir. Grafik işleme birimlerinin hesaplama gücünü de kullanabilecek şekilde yapılandırılmış olan GROMACS ilk olarak 1991’de yayınlanmıştır.
GAMESS (The General Atomic and Molecular Electronic Structure System): Kökleri 30 yıldan eskiye dayanan genel amaçlı bir kuantum kimyası paket programıdır.
DMol3: Yoğunluk Fonksiyoneli Teorisi temelli olan DMol3 özellikle geçiş metali içeren bileşiklerinin ve reaksiyonlarının modellenmesinde kullanılmaktadır.
Terachem: Grafik işleme birimlerinin gücünü kullanılabilen Terachem diğer bazı programlara göre oldukça yeni sayılan bir yazılımdır. Hartree-Fock ve Yoğunluk Fonksiyoneli Teorisi yaklaşımına bağlı olarak bazı hesaplamalar yapılabilmektedir.
SPARTAN: Çeşitli platformlar altında çalışabilen yaklaşık 25 yıllık bir geçmişe sahip olan bu yazılım hem Hartree-Fock hem Yoğunluk Fonksiyoneli Teorisi hem de Moller Plesset yaklaşımlarının kullanılmasına imkan tanımaktadır.
QChem: Temel kuantum kimyası hesaplamalarının dışında daha ileri seviyedeki numerik yaklaşımlardan Birleştirilmiş Küme teorisi (Coupled-Clusters) uygulamalarının da kullanılabilmesine imkan verir.
Gaussian: Belki de en bilindik ve en oturmuş çok amaçlı bir kuantum kimyası yazılımıdır. Pek çok teorik yaklaşımı bünyesinde barıdırır ve NMR hesabı ile uyarılmış hallerin modellenmesi gibi birçok hesaplamanın yapılabildiği bir yazılımdır.
AMBER (Assisted Model Building with Energy Refinement): Protein ve nükleik asit gibi makromoleküllerin moleküler dinamik simulasyonlarının gerçekleştirilmesinde kullanılan gelişmiş bir yazılımdır.
MOLCAS: Bugün iyi seviyedeki kuantum kimyası paket yazılımlarında standart olan Yoğunluk Fonksiyoneli Teorisi, Moller-Plesset Düzensizlik Teorisi ya da Birleştirilmiş Küme Teorisi gibi yaklaşımların kullanılarak ilgili hesaplamaların yapılmasına olanak tanıyan bir programdır.
Bir moleküler sisteme ait herhangi bir özelliğin tam değeri matematiksel eşitliklerin tam çözümü ile sağlanabilse de bu moleküler sistemin büyüklüğüne de bağlı olarak pratikte pek mümkün olamamaktadır.
22
Kuantum mekaniğinin temel taşlarından birinin Erwin Schrödinger tarafından öne sürülmüş denklem olduğu bilinmektedir. Moleküler sistemlerin elektronik özelliklerinin belirlenmesi bu eşitliğin tam ya da yaklaşık olarak çözümüne bağlıdır.
Genel anlamda m kütleli bir parçacığın bir x konumuna ve bir t zamanına bağlı Schrödinger eşitliği aşağıdaki gibi gösterilebilir.
[−8𝜋ℎ22𝑚𝜕𝑥𝜕2 2+ 𝑈( 𝑥, 𝑡)] 𝜓(𝑥, 𝑡) = 𝑗ℎ𝜕𝜓(𝑥,𝑡)2𝜋𝜕𝑡 (2.2)
Üç boyutlu uzayda ise ilgili eşitlik x, y, z koordinatları bir r vektörü ile tanımlanmak üzere aşağıdaki şekilde tanımlanır.
[−8𝜋ℎ22𝑚(𝜕𝑥𝜕22+𝜕𝑦𝜕22+𝜕𝑧𝜕22) + 𝑈( 𝑟, 𝑡)] 𝜓(𝑥, 𝑡) = 𝑗ℎ𝜕𝜓(𝑟,𝑡)2𝜋𝜕𝑡 (2.3)
Kimyasal pek çok özellik zamandan bağımsız olduğundan ilgili eşitliklerin bir zaman fonksiyonu içermeden de yazılabileceği açıktır. Schrödinger eşitliğinin temel gösterimi Ĥ Ψ = E Ψ şeklinde olduğundan, Ĥ teriminin aşağıdaki ifadeye eşit olduğu görülebilmektedir.
−8𝜋ℎ22𝑚(𝜕𝑥𝜕22+𝜕𝑦𝜕22+𝜕𝑧𝜕22) + 𝑈( 𝑟, 𝑡) (2.4)
Ĥ terimi Hamilton işlemcisidir ve ilgili tanecik veya daha genel anlamda bir moleküler sisteme ait toplam kinetik ve potansiyel enerjiyi ifade eder. Bir moleküler sistemde kinetik enerji çekirdek ve elektronların kinetik enejilerinin toplamıdır. Potansiyel enerji ise çekirdek ve elektronlar arası çekim enerjileri, elektronlar arası itme enerjileri ve çekirdekler arası itme enerjilerinin toplamıdır.
Hesaplamalı kimyada özellikle görece büyük moleküler sistemler ile çalışırken karşılaşılabilecek en büyük problem özellikle sistemin bütününe ait potansiyel enerji
23
değerinin tam karşılığının elde edilmesidir. Pratikte tam karşılığı elde etmek hesaplama kapasitesi açısından mümkün değildir bu sebeple bu eşitliğin yaklaşım çözümüne ulaşmak için çeşitli elektronik yapı teorileri kullanılmalıdır.
Kuantum mekaniğine dayanan hesapsal kimya yöntemleri genel anlamda üçer ayrılırlar.
Bu yöntemlerden ilkini “ab-inito” yöntemleri yani latinceden çeviri ile en başından anlamına gelen yöntemler oluştururken ikinci yöntemi Yoğunluk Fonksiyoneli Teorisi üçüncü yöntemi ise Yarı-Denel yöntemler oluşturmaktadır.
2.5.1 Ab-Inito yöntemleri
Ab-Inito yöntemler moleküler sistem özelliklerinin bir deneysel veriye dayanmadan belirlenmesini içeren yöntemlerdir. Çok elektronlu sistemler için en temel ab-into yöntemini Hartree-Fock teorisi oluşturur ve fermiyonların bağımsız davranış ve hareket şemasına dayanır (Fukutome 1981).
Hartree-Fock yönteminin açıklanabilmesi için öncelikle bazı yaklaşımların açıklanması gerekir. Bunlardan ilki Born-Oppenheimer yaklaşımıdır. Bu yaklaşımın temeli elektronun kütlesinin çekirdeğin kütlesinin yanında çok daha küçük olması sebebiyle çok daha hızlı hareket edebilmesine dayanır. Yani çekirdek elektrona göre hareketsizmiş gibi kabul edilir ve hareketten kaynaklanan çekirdeğe ait kinetik enerji terimleri ihmal edilebilir bulunur. Böyle bir yaklaşımda bir moleküler sisteme ait dalga fonksiyonu çekirdeklere ve elektronlara ait dalga fonksiyonlarının çarpımı şeklinde düşünülür. Bu durumda ΨN çekirdeğe ait dalga fonksiyonunu, Ψe ise elektronların hareketinden kaynaklanan dalga fonksiyonunu göstermek üzere aşağıdaki eşitlik yazılabilir.
Ψ = ΨN . Ψe (2.5)
Çekirdeğin hareketinden kaynaklanan dalga fonksiyonu ihmal edilirse bir şekilde kütleden bağımsız hale getirilmiş bir Schrödinger eşitliği elde edilmiş olur. Bu yaklaşım
24
pek tabii yüksek kütle numaralı atolar içeren yapılarda önemli hatalara sebep olabilmektedir.
Sözü edilmesi gereken diğer yaklaşım ise molekül orbitali kuramına bağlı olan atomik orbitallerin doğrusal kombinasyonu yöntemidir. Bu yönteme göre bir moleküle ait dalga fonksiyonu molekülü oluşturan atomların dalga fonksiyonu şeklinde yazılabilir. Bu durumda moleküle ait dalga fonksiyonu aşağıdaki eşitlikle verilebilir.
Ψ = C1 ϕ1 + C2 ϕ2 + ….+ Cn ϕn (2.6)
Önceki eşitlikte ϕ ifadeleri atomik dalga fonksiyonlarıdır ya da temel kümeler adını alır.
C1, C2 ve Cn ifadeleri ise atomik orbitallerin katsayılarıdır. Bu durumda sisteme ait dalga fonksiyonun değeri uygun temel kümelerin seçilimi ve katsayıların belirlenmesi ile bulunur. Hartree-Fock teorisinin temelinde yer alan bu iki yaklaşımın yanında ek olarak belirtilmelidir ki bu teori görelilik etkilerini içermeyen yani bunları göz ardı eden bir yaklaşımdır.
Hartree-Fock teorisi moleküler sisteme ait dalga fonksiyonunu, tek elektronlu dalga fonksiyonlarının çarpımlarının toplamları halinde belirten bir diyagonal Slater determinantı ile tanımlar. Bu determinant çok elektronlu bir sistem için aşağıdaki gibi gösterilebilir.
Ψ = √𝑁!1
[
∅1(1)𝛼(1) ∅(1)𝛽(1) ∅2(1)𝛼(1)
∅1(2)𝛼(2) ∅1(2)𝛽(2) ∅2(2)𝛼(2)
⋮
∅1(𝑛)𝛼(𝑛) ⋮
∅1(𝑛)𝛽(𝑛) ⋮
∅2(1)𝛼(1)
∅2(1)𝛽(1)
∅1(2)𝛽(2)
∅2(1)𝛽(1)⋮
⋯
∅(𝑛2)(1)𝛼(1) ∅(𝑛2)(1)𝛽(1)
∅(𝑛2)(2)𝛼(2) ∅(𝑛2)(2)𝛽(2)
⋮
∅(𝑛2)(𝑛)𝛼(𝑛)
⋮
∅(𝑛2)(𝑛)𝛽(𝑛)]
Bu determinant ifadesinde α ve β zıt elektron spinlerini, N elektronları, ϕn (ϕ1, ϕ2…) ifadeleri ise atomik orbitalleri tanımlayan fonksiyonlardır. Bu şekilde verilen bir determinat ile bir dalga fonksiyonunun anti-simetrik özelliği sağlanmış olur bu aynı zamanda iki elektronun tüm kuantum sayılarının aynı olamayacağı gerçeğine yani Pauli Dışlama İlkesi’ne de uygunluğu ifade eder.
