Suda çözünür mezo-sübstitüe bodipy bileşiklerinin sentezi ve biyolojik uygulamaları
Synthesis and biological applications of water-soluble meso-substituted bodipy compounds
- Tez No: 937026
- Danışmanlar: DOÇ. DR. MUKADDES ÖZÇEŞMECİ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya, Chemistry
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Kimya Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 131
Özet
BODIPY, mükemmel optik özellikleri ile tanınan organik floresan bileşik ailesine verilen bir adlandırmadır. Parlak floresan, iyi çözünürlük, modifiye edilebilirlik ve yüksek foto kararlılık gibi özellikleri, BODIPY bileşiklerinin biyolojik ve kimyasal uygulamalarda yaygın olarak kullanılmasına olanak tanımaktadır. Uygulama alanları arasında çoğunlukla biyoetiketleme, hücre görüntüleme, kimyasal sensör ve güneş pillerinde kullanım yer almaktadır. Ayrıca BODIPY türevleri fotodinamik terapide oldukça ideal bir fotoduyarlaştırıcı ajan olarak da görev yapabilmektedir. Bu yaygın kullanımlar, geniş kapsamlı işlevselleştirme reaksiyonlarına dayanmaktadır. BODIPY çekirdeğinin modifikasyonu, bu boyaların fotofiziksel özelliklerini ayarlamak için kullanılır. Örneğin yapının uygun şekilde fonksiyonlandırılması ile düşük toksisiteye sahip bileşikler elde edilebilmektedir. Bu düşük toksisiteli bileşikler de özellikle biyomedikal uygulamalarda oldukça önemlidir Ayrıca hücresel görüntüleme, moleküler mantık kapıları, ışık yayan cihazlar, ilaç taşıma ajanları, kemosensörler, boya duyarlı güneş pilleri, floresans anahtarlar ve fotodinamik terapi gibi birçok alanda kullanılmaktadırlar.Terapötik olarak ilgi çekici moleküllerin biyolojik aktivitesini arttırma söz konusu olduğunda karbonhidratlar önemli yapılardır. Artan hidroksi gruplarının polar çözücülerdeki çözünürlük üzerinde önemli bir etkisi bulunmaktadır. Buna ek olarak, karbonhidratların eklenmesi, terapötik bileşiklerin biyoyararlanımını artırmak için basit bir yöntemdir. Peptidlerin ve antitümör ajanların çözünürlüğü ve hücresel alımı, karbonhidratlara bağlanarak önemli ölçüde iyileştirilebilir. Ayrıca, biyolojik sistemlerde su tutma kapasitesi yüksek olan PEG gruplarının bulunması, biyouyumluluğu sağlamaya ve toksisiteyi azalmaya önemli katkı sağlamaktadır. PEG modifikasyonu, molekülün hücreler ve dokular tarafından daha verimli şekilde alımını sağlayabilir. Bu çalışma kapsamında, karbonhidrat ve PEG grupları ile sübstitüe edilmiş BODIPY bileşiklerinin sentezi gerçekleştirilmiştir. Böylece hidrofobik BODIPY merkezinin sulu sistemlerde ve biyolojik uygulamalarda kullanılabilirliğini arttıracak hidrofilik gruplar BODIPY yapısına dahil edilmiştir. Literatürde BODIPY bileşiklerinin sentez ve yapısal özellikleri hakkında çok sayıda çalışma vardır, ancak biyouyumlu BODIPY türevleri ile ilgili çalışmalar oldukça sınırlıdır.Bu çalışmada başlangıç bileşiği olan 5-pentaflorofenil-dipirometan bileşiğinin mezo konumunda yer alan pentaflorofenil grubundaki p-flor atomları, nükleofilik sübstitüsyon reaksiyonlarına karşı oldukça reaktiftir. Bu nedenle 5-pentaflorofenildipirometan bileşiğindeki pentaflorofenil grupları ile solketal, 1,2:5,6-di-Oizopropiliden-α-D-glukofuranoz ve tetraetilenglikolmonometileter bileşiklerinin yapısında yer alan reaktif –OH grupların KOH bazı varlığında kuru THF içerisinde aromatik nükleofilik sübstitüsyon reaksiyonu sonucu (2,2-dimetil-1,3-dioksolan-4- yl)metoksi, 1,2:5,6-Di-O-izopropiliden-α-D-glukofuranozil ve 2-(2-(2-(2- metoksietoksi)etoksi)etoksi)etoksi grupları sübstitüe dipirometan türevleri elde edilmiştir. Dipirometan türevlerinin, 2,3-dikloro-5,6-disiyano-1,4-benzokinon varlığında bor triflorür dietil eterat ile reaksiyonu sonucunda BODIPY türevleri elde edilmiştir. Ayrıca 1,2:5,6-Di-O-izopropiliden-α-D-glukofuranozil grubu içeren BODIPY türevinin yapısında bulunan koruma grupları asidik koşullarda (TFA-Su karışımı) açılarak gliserol türevi içeren suda çözünür BODIPY bileşiği elde edilmiştir. Sentezi gerçekleştirilen dipirometan ve BODIPY bileşiklerinin karakterizasyonu 1 H NMR, 13C NMR, FT-IR, kütle ve UV-vis gibi spektral yöntemler kullanılarak sağlanmıştır. Ayrıca sentezlenen suda çözünür BODIPY bileşiklerinin antioksidan aktivite, mikrobiyal hücre canlılığı ve biyofilm inhibisyon gibi biyolojik özellikleri incelenmiştir. Çalışılan tüm numunelerin tüm konsantrasyonlarda iyi radikal temizleme aktivitesi gösterdiği, %100 oranında bakteri üremesinde azalma sağlandığı ve S. aureus ve P. Aeruginosa'ya karşı olağanüstü biyofilm inhibisyon özellikleri gösterdikleri tespit edilmiştir. Sonuç olarak, bu çalışmada incelenen BODIPY örneklerinin yeni ilaç tasarımları ve yeni çalışmalar için önemli bir kaynak olabileceği düşünülmektedir.
Özet (Çeviri)
BODIPY is a red-colored solid compound whose IUPAC name is“4,4-difluoro-4- bora-3a,4a-diaza-s-indacene”, formed by the coordination of a BF₂ group to a dipyrromethene ligand (C₉H₇N₂) resulting from the bonding of two pyrrole rings. It was first discovered in 1968 by scientists Treibs and Kreuzer.BODIPY refers to a family of organic fluorescent compounds known for their excellent optical properties. Features such as bright fluorescence, good solubility, modifiability, and high photostability allow BODIPY compounds to be widely used in biological and chemical applications. Fluorescent compounds have gained significant importance in recent years due to their ability to perform in vitro and in vivo studies with biomolecules. One key feature of fluorescent dyes is their ability to overcome biological barriers and target subcellular compartments. BODIPY compounds are molecules that absorb light in the UV-visible range with sharp and narrow absorption/emission bands. The BODIPY core is generally a zwitterionic structure, where the negative formal charge resides on the boron atom, while the positive formal charge is delocalized over the aromatic ring.For the BODIPY compound, the carbon atoms at the 3 and 5 positions adjacent to the nitrogen atoms represent the α-positions and also indicate the reactivity of the molecule. Other positions (1-/2- and 6-/7-) are referred to as the β-positions in the BODIPY molecule. According to the IUPAC nomenclature system, position 8 is called the meso-position, a term derived from porphyrin nomenclature. BODIPY compounds can undergo electrophilic substitution reactions at the 2 and 6 positions. Substituted BODIPY compounds resulting from halogenation, sulfonation, and nitration reactions exhibit changes in properties such as solubility in water and stability. The BF₂ group can also undergo substitution reactions via the fluorine atoms, leading to changes in the optical properties of the BODIPY dye in the presence of an alkoxy group. Applications of BODIPY include bio-labeling, cell imaging, chemical sensing, and use in solar cells. Additionally, BODIPY derivatives serve as ideal photosensitizers in photodynamic therapy (PDT). These widespread applications are based on the extensive functionalization reactions available for BODIPY systems.Modification of the BODIPY core is used to tune the photophysical properties of these dyes. For example, functionalizing the structure appropriately can yield compounds with low toxicity, which is especially crucial in biomedical applications. These lowtoxicity compounds are highly useful in areas such as cellular imaging, molecular logic gates, light-emitting devices, drug delivery agents, chemosensors, dye-sensitized solar cells, fluorescent switches, and photodynamic therapy.Carbohydrates play an important role in enhancing the biological activity of pharmacologically relevant molecules. The presence of additional hydroxyl groups significantly affects solubility in polar solvents, and the addition of carbohydrates is a simple method to increase the bioavailability of therapeutic compounds. The solubility and cellular uptake of peptides and antitumor agents can be significantly improved by conjugating them with carbohydrates. Additionally, the presence of PEG (polyethylene glycol) groups, which have high water retention capacity and biocompatibility, contributes to reducing toxicity and enhancing the efficiency of cellular uptake. In this study, BODIPY derivatives substituted with carbohydrate and PEG groups were synthesized. This modification introduced hydrophilic groups into the hydrophobic BODIPY core, thus enhancing its usability in aqueous systems and biological applications. Although numerous studies exist on the synthesis and structural characteristics of BODIPY compounds, research on biocompatible BODIPY derivatives remains limited.In this work, the starting compound, 5-pentafluorophenyl-dipyrromethane, features highly reactive p-fluorine atoms on the pentafluorophenyl group at the meso-position. Therefore, nucleophilic substitution reactions were performed in dry THF with KOH as the base, using reactive –OH groups from compounds such as solketal, 1,2:5,6-di-O-isopropylidene-α-D-glucofuranose, and tetraethylene glycol monomethyl ether. The reactions yielded substituted dipyrromethane derivatives containing (2,2-dimethyl-1,3-dioxolan-4-yl)methoxy, 1,2:5,6-di-O-isopropylidene-αD-glucofuranosyl, and 2-(2-(2-(2-methoxyethoxy)ethoxy)ethoxy)ethoxy groups. These dipyrromethane derivatives were then reacted with boron trifluoride diethyl etherate in the presence of 2,3-dichloro-5,6-dicyano-1,4-benzoquinone (DDQ) to obtain the corresponding BODIPY derivatives. Furthermore, the protective groups in the BODIPY derivative containing the 1,2:5,6-di-O-isopropylidene-α-Dglucofuranosyl group were removed under acidic conditions (TFA/water mixture), yielding a water-soluble BODIPY compound with a glycerol-like structure.The synthesized dipyrromethane and BODIPY compounds were characterized using ¹H-NMR, ¹³C-NMR, FT-IR, MALDI-TOF, ESI, and UV-Vis spectroscopy. Additionally, the biological properties of the water-soluble BODIPY derivatives were investigated, including antioxidant activity, microbial cell viability, and biofilm inhibition. The antioxidant activity of BODIPY compounds was assessed using the DPPH assay. DPPH is a purple-colored free radical compound that undergoes a color change when neutralized by an antioxidant. This color change is measured at 517 nm using a spectrophotometer. The DPPH method is an inexpensive and effective method. As a result of this study, it was observed that the antioxidant activity of all the samples increased with the rise in concentration. The microbial cell viability of the samples was also investigated. Cell viability refers to the number of healthy cells present in a sample. Determining cell viability is very important to identify new potential compounds. BODIPY compounds were observed to increase the respective microbial cell viability against E. coli growth in a concentration-dependent manner, thus demonstrating their potential as alternative agents for the treatment of resistant bacterial infections. The biofilm inhibition properties were also investigated. Biofilm inhibition refers to the process of preventing the formation of biofilm structures resulting from the adhesion of microorganisms to surfaces. Biofilms have garnered significant attention due to their impact in both industrial and medical fields. In this study, the biofilm inhibition properties of BODIPY derivatives against two different microorganisms were examined. BODIPY compounds 5, 7 and 8 compounds exhibited exceptional biofilm inhibition activity against Staphylococcus aureus and Pseudomonas aeruginosa. As a result, by reducing the severity of infections through biofilm inhibition and enhancing efficacy in environmental applications, BODIPY compounds could serve as an effective alternative in both medical and environmental settings. In conclusion, the BODIPY derivatives studied in this work may serve as important candidates for new drug designand offer promising avenues for future research.
Benzer Tezler
- Yeni tip Aza-BODIPY bileşiğinin sentezi ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of a novel Aza-BODIPY compound
ESRA BAYRAK
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Kimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MUHAMMET ÜBEYDULLAH KAHVECİ
DR. ŞENNUR ÖZÇELİK
- Kinolin sübstitüe metalli ftalosiyaninlerin sentez karakterizasyonu ve elektrokimyasal özelliklerin incelenmesi
Synthesis, characterization of the quinoline substitue metallophthalocyanines and investigation of their electrochemical properties
OLCAY OKUYUCU
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
KimyaYıldız Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ULVİ AVCIATA
DR. BAHADIR KESKİN
- Hekzadeka sübstitüe ftalosiyaninlerin X-ışını kristallografisi ve NMR spektroskopisi ile yapısal özelliklerinin incelenmesi
Investigation of the structural properties of hexadeca-substituted phthalocyanines by X-ray crystallography and NMR spectroscopy
ARMAĞAN ATSAY
- Synthesis of water-soluble 2-formylbodipy dyes
Suda çözünen 2-formylbodıpy boyaların sentezi
IMAD M. MOHAMMED TAHIR
- Synthesis of functionalized magnetite (Fe3O4) nanoparticles and targeting to the tumour cell (HELA) for cancer diagnosis and treatment
Kanser teşhis ve tedavisinde kullanılabilecek fonksiyonel magnetit (Fe3O4) nanoparçacıkların sentezi ve tümör hücresine (HELA) hedeflendirilmesi
SENEM ÇİTOĞLU
Doktora
İngilizce
2019
BiyolojiHacettepe ÜniversitesiNanoteknoloji ve Nanotıp Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÖZLEM DUYAR COŞKUN