Synthesis and development of new fluorenyl substituted phthalocyanines for biological applications
Biyolojik uygulamalar için yeni fluorenil sübstitüe ftalosiyaninlerin sentezi ve geliştirilmesi
- Tez No: 962799
- Danışmanlar: PROF. DR. AYFER KALKAN BURAT
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya, Chemistry
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Kimya Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 118
Özet
Ftalosiyaninler (Pcs), porfirinoid ailesine ait makrosiklik bileşiklerdir ve yapısal olarak klorofiller, hem ve B12 vitamini gibi biyolojik olarak önemli maddelere benzerlik gösterirler. Doğal olarak bulunan porfirinlerle benzer bir yapıya sahip olmalarına rağmen, her dört pirolik alt birimlerine bağlı ekstra bir benzen halkası ile ayırt edilirler. Bu özellik, elektron delokalizasyonunu artırır ve absorpsiyonun daha uzun dalga boylarına kaymasını sağlar. Ftalosiyaninlerin temel yapısı, dört izoindol alt biriminin azot köprüleriyle bağlanmasıyla oluşan makrosiklik bir çerçeveden meydana gelir ve bu yapı, merkezde birçok metal iyonunu koordine etme yeteneği kazandırarak ftalosiyaninleri çok çeşitli uygulamalara son derece uygun hale getirir. Yapıdaki benzen halkaları daha geniş bir π-konjugasyon sistemi oluşturarak güçlü ışık absorpsiyonunu ve etkili elektron transferini destekler. Bu özellikler, ftalosiyaninleri moleküler elektronik, optoelektronik ve fotonik gibi çeşitli alanlarda avantajlı kılarken, elektron alımı ve transfer kapasiteleri ise ileri teknolojilerdeki potansiyel uygulamaları üzerine yapılan araştırmalara yön vermektedir. 1928 yılında tesadüfen keşfedilmelerinden bu yana, ftalosiyaninler sanayide özellikle optik özellikleriyle dikkat çeken mavi ve yeşil pigmentler olarak önem kazanmıştır. Renk verici özelliklerinin yanı sıra, bu makrosiklik bileşikler temel optik absorpsiyon ve emisyon özellikleri sayesinde çeşitli endüstriyel ve tıbbi alanlarda da kullanılmaktadır. Ftalosiyaninler ve bunların metal türevleri (MPcs), yalnızca boya ve pigment olarak değil, aynı zamanda elektriksel ve optoelektronik uygulamalar için moleküler malzeme bileşenleri olarak da giderek artan bir ilgi görmektedirler. Elektronik delokalizasyon düzeylerinin yüksek olması, onları birçok bilimsel ve teknolojik alanda avantajlı kılmaktadır. Ftalosiyaninlerin dikkat çeken bir diğer özelliği, yüksek fotostabiliteleri ve kırmızı bölgedeki (yaklaşık 680–700 nm) ışığı absorplama yetenekleridir; bu bölge fotodinamik tedavinin (PDT)“terapötik penceresi”olarak bilinir. Görünür ve yakın kızılötesi bölgede (600–850 nm) yapılan yüksek ışık absorpsiyonu daha derin doku penetrasyonunu ve singlet oksijen üretimi sağladığından, Pc'lerin ikinci nesil fotohissedici olarak PDT'deki etkinliklerini artırmaktadır. Ftalosiyaninler, yüksek singlet (tekil) oksijen üretim kuantum verimine sahip olup, ışık maruziyetiyle nekroz ve apoptoz yoluyla hücre ölümünü etkili bir şekilde indükleyebilirler. Bu özellik, onları özellikle kanser tedavisi ve antimikrobiyal ajanlar gibi tıbbi uygulamalar açısından cazip kılmaktadır. Ftalosiyaninler, karmaşık elektronik özellikleri nedeniyle çevresel koşullara bağlı olarak öngörülemeyen spektral davranışlar sergileyebilmektedirler. Moleküler agregasyon, elektron taşınımı ve asit-baz dengeleri Pc'lerin optik özelliklerini etkileyebilmektedir. Pc'ler de yüksek konsantrasyonlarda agregasyon önemli spektral değişimlere neden olurken, düşük konsantrasyonlarda ise eser miktardaki safsızlıklarla etkileşim sonucunda protonlanmış, oksitlenmiş veya demetalleşmiş türler oluşabilmektedir. Pc'lerde sahip oldukları yüksek molar ekstinksiyon katsayıları (~10⁵ xxviii M⁻¹ cm⁻¹) nedeniyle, tutarlı spektral ölçümler için konsantrasyonların dikkatli bir şekilde kontrol edilmesi gerekmektedir. Ftalosiyaninlerin yaygın organik çözücülerdeki düşük çözünürlüğü, bu bileşiklerin kullanılmasındaki başlıca zorluklardan biridir. Ancak, halka yapısına uygun substitüentlerin eklenmesiyle bu sorun giderilebilmektedir. Pc'lerde uygun sübstitüent kullanımı ile yaygın organik çözücülerde yada suda çözünürlük sağlanabildiği gibi agregasyon sorunu da giderilebilmektedir. Ayrıca, Pc halkasına farklı metal iyonlarının bağlanması ile hem çözünürlük sorunu iyileştirilebilmekte hem de spektral özellikleri amaca göre geliştirlebilmektedir. Pc'lerin bu şekilde fonksiyonelleştirilebilmeleri ve esneklikleri, yeni uygulamalar ve teknolojik gelişmeler için sürekli olarak araştırılmalarına olanak sağlamaktadır. Floren, iki periferik fenil halkasının merkezi beş üyeli bir karbon halkası ile kaynaşması sonucu oluşan aromatik bir bileşiktir. Bu kimyasal yapı floren bileşiklerine dikkat çekici termal stabilite, etkili yük taşıma özelliği, geniş bant aralığı ve yüksek floresans kuantum verimi gibi çeşitli özgün özellikler kazandırmaktadır. Florenin kimyasında öne çıkan özelliklerden biri, C9 pozisyonundaki sp³ hibritleşmiş karbona bağlı protonun asidik doğasıdır. Bu belirgin asidiklik, floreni bazik koşullarda oldukça reaktif hale getirerek bu konumda seçici modifikasyonlara olanak sağlamaktadır. Bu tür değişiklikler çözünürlüğü ve işlenebilirliği artırarak floresan malzeme üretiminde kullanımını kolaylaştırmaktadır. Tüm bu özelliklerinden dolayı floren esaslı malzemeler ve poliflorenler genellikle floresans kromofor ve fotokatalizör olarak kullanılmaktadırlar. Son zamanlarda ise organik ışık yayan diyotlarda ve organik fotovoltaiklerde de kullanılmaya başlanmışlardır. Floren grupları taşıyan porfirinler üzerine literatürde birçok çalışma olmasına rağmen, ftalosiyaninler üzerine sadece sınırlı sayıda çalışma yapılmıştır Bu gözlemelere dayanarak bu tez çalışmasında, yeni 4-((9,9-bis(5-hidroksipentil)-9H-fluoren-2-il)etinil)ftalonitril (4) bileşiği başarıyla sentezlenmiştir. Bu molekül, etin köprüsü aracılığıyla tetra sübstitüe çinko (ZnPc (5)) ve indiyum (InPc (6)) ftalosiyaninlerinin periferal konumlarına bağlanmış dialkil substitüe floren birimlerini içermektedir. Elde edilen ftalosiyanin kompleksleri (çinko ve indiyum) fotofiziksel özellikleri açısından değerlendirilmiş, floresans davranışları ve singlet oksijen üretim yetenekleri incelenmiştir. Tez çalışmasında ayrıca bis(hidroksipentil) ile fonksiyonelleştirilmiş floren gruplarına sahip ftalosiyaninlerin (5, 6) biyolojik aktiviteleri de ilk kez araştırılmıştır. ZnPc (5) ve InPc (6) bileşikleri kayda değer antioksidan etki göstermiş, ayrıca etkin DNA parçalama performansı sergilemiştir. Çalışmanın ilk kısmında 2-bromoflorenden 4-((9,9-bis(5-hidroksipentil)-9H-floren-2-yil)etinil)ftalonitril (4) bileşiği 4 kademede %74 verimle sentezlenmiştir. Ardından ZnPc (5) ve InPc (6), n-pentanolde DBU varlığında ftalonitril bileşiğinin (4) çinko ve indiyum tuzları (Zn(CH3COO)2 ve InCl3) ile reaksiyonundan elde edilmiştir. 5 ve 6 nolu ftalosiyaninler, başlangıç ftalonitrilinin (4) 4-pozisyonunda tek bir sübstitüent taşıması nedeniyle izomer karışımı olarak elde eilmiştir. Sentezlenen yeni bileşiklerin karakterizasyon sonuçları yapılarını doğrulamıştır. Tezin ikinci kısmında sentezlenen ftalosiyaninlerin floresans ve UV-Vis cihazları kullanılarak fotokimyasal ve fotofiziksel ölçümleri yapılmıştır. Ftalosiyaninlerin floresan spektrumları alınarak floresan (τF) ve radyoaktif (τ0) ömürleri, floresan kuantum verimleri (ΦF) ve stokes kaymaları hesaplanmıştır. Ayrıca UV-Vis ölçümleri ile singlet oksijen ve fotodegradasyon kuantum verimleri hesaplanmıştır. xxix Tezin son bölümünde ise çinko (5) ve indiyum (6) ftalosiyaninlerin biyolojik aktivitelerinin tespiti için çalışmalar yapılmıştır. Hem ZnPc (5) hem de InPc (6), önemli antioksidan etki göstermenin yanı sıra verimli DNA kesme performansı göstererek umut verici sonuçlar ortaya koymuştur. Tez çalışmasında elde edilen Pc'ler (5, 6) singlet oksijen üretimleri, spektral sonuçları ve biyolojik aktiviteleri göz önüne alındığında fotodinamik terapide uygulama için potansiyel adaylardır.
Özet (Çeviri)
Phthalocyanines (Pc) are macrocyclic compounds. They belong to the porphyrinoid family and have close structural similarity to important biological molecules such as heme, vitamin B12, and chlorophyll. Even though they are structurally similar to natural porphyrins, Pc's are recognized by the existence of an additional benzene ring. The ring is attached to each of the four pyrrole units. This property helps electron delocalization, and it also increases the absorption. The basic form of Pcs includes four isoindole subunits connected by nitrogen bridges, helping to form a macrocyclic framework. This arrangement helps Pcs coordinate multiple metal ions in their core and makes them adaptable for many uses. The added benzene rings to the Pc structure also improve the π-conjugation system. It causes strong absorption and promotes efficient electron transmission. These features make phthalocyanines useful in many fields, such as photonics, optoelectronics, and molecular electronics. Their potential to absorb and transmit electrons has attracted researchers toward their applications in advanced technology. Since their accidental discovery in 1928, phthalocyanines (Pcs) have gained economic significance, especially as blue and green pigments with excellent optical properties. These macrocyclic compounds are used in many industrial and pharmaceutical fields because of their vital light-absorbing and emission characteristics, in addition to their role as colorants. Phthalocyanines and their metal derivatives (MPCs) have gained interest as dyes and pigments, as well as basic components in molecular materials for electrical and optoelectronic applications. Their exceptional electrical instability increases their useful properties in various scientific and technical areas. Phthalocyanines have excellent photostability and absorbance in the red spectral range (about 680–700 nm), corresponding to the“therapeutic window”of photodynamic therapy (PDT). Their significant absorption in the far-infrared and near-infrared spectrum (600–850 nm), due to increased tissue penetration and singlet oxygen production, improves their performance as second-generation photosensitizers for photodynamic therapy. Phthalocyanines show an important quantum yield for singlet oxygen generation. This property enables them to easily cause cell death by necrosis and apoptosis when exposed to light. This feature makes them appealing candidates for medical uses, particularly in cancer therapy and antimicrobial medications. Phthalocyanines, due to their complex electrical properties, can exhibit unpredictable spectral patterns depending on the environment in which they are present. Molecular aggregation, electron transfer, and acid-base balance affect their optical properties. At higher concentrations, aggregation causes significant spectral changes, while at lower concentrations, interactions with small impurities can produce protonated, oxidized, or demetallated species. Because of their high molar extinction coefficients (about 105 M⁻¹ cm⁻¹), precise concentration control is necessary for continuous spectral investigations. xxiv A major challenge in the application of phthalocyanines is their restricted solubility in common organic solvents. This restriction can be avoided by the addition of appropriate substituents into the ring structure. With the use of appropriate substituents in Pcs, solubility in common organic solvents or water can be achieved and the aggregation problem can be eliminated. In addition, by inserting different metal ions to the Pc ring cavity, both the solubility problem can be improved and the spectral properties can be changed according to the purpose of use. The functionality and flexibility of Pcs in this way enable them to be continuously researched for new applications and technological developments. Fluorene is an aromatic compound characterized by two peripheral phenyl rings fused to a core five-membered carbon ring. This chemical structure offers several unique features, including exceptional thermal stability, efficient charge transport ability, broad band gaps, and significant fluorescence quantum yield. A notable feature of fluorene's chemistry is the acidic nature of the proton at the sp³-hybridized carbon in the C9 position. The strong acidity makes the molecule particularly reactive in basic conditions. It facilitates specific changes at this location. These changes can improve solubility and processing efficiency, hence facilitating their application in the production of fluorescent compounds. Due to all these properties, fluorene-based materials and polyfluorenes are generally used as fluorescent chromophores, photocatalyst, and recently they have also been used in organic light-emitting diodes and organic photovoltaics. Although there are many studies in the literature on porphyrins bearing fluorene groups, only a limited number of studies have been conducted on phthalocyanines. Based on these observations, in the present thesis, a novel phthalonitrile compound 4-((9,9-bis(5-hydroxypentyl)-9H-fluoren-2-yl)ethynyl)phthalonitrile (4) was successfully synthesized. This molecule features dialkyl-substituted fluorene moieties connected to the periphery of tetra-substituted zinc (ZnPc (5)) and indium (InPc (6)) phthalocyanines through an ethynyl linker. The synthesized new ligand (4) and phthalocyanines (5, 6) were characterized by spectroscopic methods. The resulting phthalocyanine complexes, designated as zinc (5) and indium (6), were evaluated for their photophysical and photochemical characteristics, including fluorescence behavior and the ability to produce singlet oxygen. Additionally, this study represents the first exploration of the biological activity of phthalocyanines incorporating bis(hydroxypentyl)-functionalized fluorene units. In the first part of the thesis, 4-((9,9-bis(5-hydroxypentyl)-9H-fluoren-2-yl)ethynyl)phthalonitrile (4) was synthesized from 2-bromofluorene in 4 steps with 74% yield. Then, ZnPc (5) and InPc (6) were obtained from the reaction of phthalonitrile compound (4) with zinc and indium salts (Zn(CH3COO)2 and InCl3) in the presence of DBU in n-pentanol. Phthalocyanines 5 and 6 are a mixture of isomers due to the fact that the starting phthalonitrile (4) carries a single substituent at the 4-position. Characterization results of the synthesized new compounds confirmed their structures. In the second part of the thesis, photochemical and photophysical measurements of the synthesized phthalocyanines (5, 6) were made using fluorescence and UV-Vis devices. By taking the fluorescence spectra of phthalocyanines (5, 6), fluorescence quantum yields (ΦF), fluorescence (τF) and radioactive (τ0) lifetimes and Stokes shifts were calculated. Additionally, singlet oxygen and photodegradation quantum yields were calculated using UV-Vis measurements. xxv In the last part of the thesis, studies were carried out to determine the biological activities of zinc (5) and indium phthalocyanines (6). Both ZnPc (5) and InPc (6) demonstrated promising results, showing significant antioxidant effects, as well as efficient DNA cleavage performance. Considering their singlet oxygen production, spectral results and biological activities, the Pcs (5, 6) obtained in the thesis are potential candidates for application in photodynamic therapy.
Benzer Tezler
- Design, synthesis, and characterization of functional organic materials for optoelectronic applications
Optoelektronik uygulamalar için fonksiyonel organik malzemelerin dizaynı, sentezi ve karakterizasyonu
MEHMET ÖZDEMİR
Doktora
İngilizce
2018
KimyaAbdullah Gül ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HAKAN USTA
- Kanser tedavisinde ilaç taşıma amacıyla kullanılacak karbon nanotüplerin fonksiyonelleştirilmesi
Functionalization of carbon nanotubes to be used for drug delivery in cancer treatment
YEŞİM YENİYURT
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FATMA SENİHA GÜNER
- Oled uygulamaları için ditiyenotiyofen (DTT) temelli floresans moleküllerin hazırlanması ve özelliklerinin incelenmesi
Syntheses and investigation of fluorescence dithienothiophene (DTT) based materials for oled applications
İPEK ÖSKEN
- Solution-processable rodshaped molecular semiconductors and fieldeffect transistor applications
Solüsyondan proses edilebilir çubuk yapısında moleküler yarı iletkenler ve alan etkili transistör uygulamaları
İBRAHİM DENEME
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
KimyaAbdullah Gül ÜniversitesiNanoteknoloji ve İleri Malzemeler Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HAKAN USTA
- Optoelektronik uygulamalar için özgün fonksiyonel organik malzemeler geliştirilmesi
Development of novel functional organic materials for optoelectronic applications
İBRAHİM DENEME
Doktora
İngilizce
2024
KimyaAbdullah Gül ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAKAN USTA