Azot içeren heterohalkalı gruplar ile sübstitüe ftalosiyaninlerin sentezi ve özelliklerinin incelenmesi
The synthesis and investigation of the properties of the phthalocyanines bearing nitrogen containing heterocyclic groups
Yazar: HALİT KOÇAN
Danışman: DOÇ. DR. AYFER KALKAN BURAT
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı / Kimya Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Kimya = Chemistry
Dizin: Sübstitüe ftalosiyaninler = Substituted phtalocyanines

Özet:
Ftalosiyaninler (Pcs) tüm halka üzerine yayılmış iki boyutlu π-elektron delokalizasyonuna sahip 18-π elektronlu disk şeklindeki aromatik makro halkalardır. Isısal ve kimyasal olarak kararlı olan ftalosiyaninler, farklı fotofiziksel, fotokimyasal, redoks ve koordinasyon özelliklerine de sahiptirler. Ftalosiyaninlerin özellikleri, hem periferal veya non-periferal konumlardaki fonksiyonel grupların yapısına hem de Pc çekirdeğinin merkezindeki metal katyonun elektronik özelliklerine bağlıdır. Fonksiyonel grupların sübstitüsyonu, çözünürlüğe esneklik kazandırdığı ve maddenin rengini ayarladığı için bir avantajdır. Ayrıca fonksiyonel gruplar, ftalosiyanin halkasının elektron yoğunluğunu değiştirdikleri için onlara farklı uygulama alanları da yaratmaktadırlar. Ftalosiyaninler keşfedildiklerinden beri sıvı kristaller, kimyasal sensörler, elektrokromik bileşikler ve fotovoltaik hücreler gibi pek çok uygulama için ilgi çeken fonksiyonel kromoforlar olmuşlardır. Ftalosiyaninlerin en umut verici kullanım alanlarından biri de fotodinamik terapide (PDT) foto algılayıcı olarak kullanılabildikleri gibi sedef, kanser, displastik ve bulaşıcı hastalıklar gibi değişik patalojik hastalıkların tedavisinde de kullanılabilmeleridir. Karboksilik, sülfonik ya da kuaterner amonyum gibi katyonik yada anyonik gruplar taşıyan metalli ftalosiyaninler suda çözünebildikleri için ayrıca önem taşırlar. Komplekslerin suda çözünmesi kan dolaşımına daha kolay uygulanmalarını sağlayacağından onları PDT için daha kullanışlı hale getirecektir.
Katyonik boyalar, kromoforik özellikleri kolaylıkla gözlenebildiği için nükleik asit yapısının mükemmel bir probu olarak gösterilmektedirler. Onların Calf Thymus - deoksiribonükleik asit (CT-DNA) ile etkileşimleri UV-Vis ve floresans spektroskopileri ile kapsamlı bir şekilde çalışılmaktadır. Bu etkileşimlerin anlaşılması, DNA hedefli yeni ve daha verimli ilaçların tasarımına katkıda bulunacaktır. Katyonik porfirinlerin DNA ve ribonükleik asit (RNA) ile etkileşimleri Fiel ve arkadaşları tarafından otuz yıl önce denenmiş ve bu konuda daha fazla çalışmaların yapılmasını teşvik etmiştir. Buna karşılık DNA'ya katyonik ftalosiyaninlerin bağlanması ile ilgili çalışmalar daha azdır ve daha yenidir. Katyonik ftalosiyaninler, DNA'ya bağlanma ve bölünmede nötür ve anyonik türevlerine kıyasla en etkili olanlarıdır. Buna dayanarak bu tez kapsamında 2-morfolinoetanol grupları taşıyan yeni tip tetra sübstitüe metalsiz (3) ve metalli ftalosiyaninler (Zn, In, Co, Mn) (4-7) ile okta sübstitüe çinko ftalosiyaninin (13) sentezlenmiştir. Elde edilen tetra sübstitüe metalsiz (3), çinko (4) ve indiyum ftalosiyanininden (5) suda çözünür katyonik türevlerine (8-10) geçilmiştir. Sentezlenen ftalosiyaninlerin fotofiziksel özellikleri ile biyolojik aktiviteleri incelenmiştir. Hazırlanan tüm bileşiklerin yapıları spektroskopik yöntemler (1H NMR, IR, kütle ve UV-Vis) kullanılarak yapılmıştır.
Tez çalışmasının ilk kısmında 4-(2-morfolinoetoksi)ftalonitril (2) ve 4,5-bis(2-morfolinoetoksi)ftalonitril (12) bileşikleri başlangıç maddesi olarak hazırlanmıştır. 4-
(2-morfolinoetoksi)ftalonitril (2) bileşiği, 2-morfolinoetanolün 4-nitroftalonitril ile nükleofilik aromatik sübstitüsyon reaksiyonundan sentezlenmiştir. Bir diğer başlangıç maddesi olan 4,5-bis(2-morfolinoetoksi)ftalonitril (12) bileşiği ise kateholden başlanarak üç kademede sentezlenmiştir. Hazırlanan ftalonitril bileşiklerinin (2 veya 12) uygun metal tuzları ile (metalsiz ftalosiyanin sentezinde metal tuzu kullanılmamıştır) 1-pentanol içerisinde DBU varlığındaki siklotetramerizasyonundan hedeflenen ftalosiyanin komplekslerine (3-7, 13) geçilmiştir. 2-morfolinoetanol grubu ftalosiyanin halkasının çözünürlüğünü arttırmak, suda çözünür katyonik türevine dönüştürmek ve azot içeren hetero halkanın Pc'nin fotofiziksel ve fotokimyasal özelliklerine etkisini incelemek için tercih edilmiştir.
Tez çalışmasının ikinci kısmında kuarternize metalsiz (8) ve metalli (Zn ve In) (9, 10) ftalosiyaninler sentezlenmiştir. Bu nedenle tetra sübstitüe 3-5 numaralı bileşikler metil iyodür ile kloroform içerisinde geri soğutucu altında 3-4 saat karanlıkta kaynatılmıştır. Katyonik bileşikler beklendiği gibi DMF, DMSO ve suda çözünmektedirler. Katyonik yapının oluşumu 1H NMR spektrumunda N+-CH3 protonlarının tespit edilmesiyle doğrulanmıştır. Suda çözünür katyonik ftalosiyaninlerin 1 x 10-5 M konsantrasyonda DMF içerisinde alınan UV-Vis spektrumunları aynı konsantrasyonda su içerisinde alınan spektrumlarından farklılık göstermektedir. Suda Q bandının şiddetinin azaldığı ve pikin yayvanlaştığı görülmüştür.
Tez çalışmanın üçüncü kısmında hem sentezlenen metalsiz, çinko ve indiyum ftalosiyaninlerin (3-5) hem de katyonik türevlerinin (8-10) fotofiziksel ve fotokimyasal ölçümleri UV-Vis ve floresans teknikleri ile yapılmıştır. Metalsiz, çinko ve indiyum ftalosiyaninlerin (3-5) ve katyonik ftalosiyaninlerin (8-10) DMSO içerisinde floresans spektrumları alınmıştır. Bileşiklerin eksitasyon ve emisyon spektrumlarının birbirine benzemesi degredasyona uğramadıklarını göstermiştir. Bileşiklerin DMSO içerisindeki floresans kuantum verimleri (ΦF) sırasıyla 0,19 (3), 0,36 (4), 0.03 (5) 0,32 (8), 0,37 (9) ve 0,12 (10) olarak hesaplanmıştır. Morfolin grubundaki azot atomunun ortaklanmamış elektron çiftlerinin, katyonik Pc'lerde sübstitüent tarafından kullanılmasından dolayı, 8-10 numaralı bileşiklerin floresans kuantum verimleri (ΦF) nötür türevlerinden (3-5) daha yüksek çıkmıştır. Tez kapsamında 3-5 nolu Pc'ler için 1,3-difenilizobenzofuran (DPBF)'nın 417 nm'deki, 8-10 nolu katyonik Pc'ler için ise 9,10-antrasilenil-bis (metilen) dimalonoik asit (ADMA)'nın 380 nm'deki absorbansının kaybolması UV-Vis spektrofotometresi kullanılarak izlenmiştir. Bu grupların Q bantları, ışık ışınlaması sırasında herhangi bir değişiklik göstermemiştir. Bu durum incelenen ftalosiyaninlerin hiçbir bozulmaya uğramadığını göstermiştir. Bileşiklerin DMSO içerisindeki singlet oksijen kuantum verimleri (ΦΔ) sırasıyla 0,19 (3), 0,42 (4), 0,58 (5), 0,45 (8), 0,54 (9) ve 0,74 (10) olarak hesaplanmıştır. Çalışılan tüm ftalosiyaninler, kuaternizasyondan sonra daha yüksek singlet oksijen üretmişlerdir.
Tez çalışmanın son kısmında ise katyonik ftalosiyaninlerin (8-10) CT-DNA ile etkileşimleri UV-Vis ve floresans teknikleri kullanılarak incelenmiştir. Tezde ayrıca, HeLa hücre hatları kullanılarak katyonik ftalosiyaninlerin PDT uygulamaları gerçekleştirilmiştir.
Tez kapsamında çalışılan suda çözünür ftalosiyaninler, literatürdeki diğer antikanser ajanları ile kıyaslandıklarında yan etkilerinin bulunmaması, singlet oksijen üretimleri
ve bağlanma sabiti (Kb) değerleri göz önüne alındığında PDT' de kullanılmaya aday bileşiklerdir.

Abstract:
Phthalocyanines (Pcs) have 18 π-electron system and they are disc-like aromatic macrocycles with 2D π–electron delocalization over the whole molecule. They have high chemical and thermal stability and novel photophysical, photochemical, redox, and coordination properties. The unique properties of Pcs depend on the nature of the peripheral or non-peripheral functional groups, as well as the electronic properties of the central metal cations in the Pc core. Substitution of functional groups is advantageous because it gives flexibility in solubility and it also tunes efficiently the color of the material. Substitution of functional groups also changes the electron density of the phthalocyanine macrocycle and finds use in various fields. Since their discovery, phthalocyanines have attracted attention as functional chromophores for various applications such as liquid crystals, chemical sensors, electrochromic compounds, nonlinear optical materials, and photovoltaic cells. One of the most promising fields is the use of phthalocyanine derivatives as photosensitizers for photodynamic therapy (PDT), an emerging new bimodal strategy for treating a large variety of pathologies such as psoriasis, cancer, dysplasia, and infectious diseases. Metallophthalocyanines (MPcs) are particularly interesting since anionic or cationic groups such as carboxylate, sulfonate or quaternized ammonium groups render them water-soluble. This makes them very useful for PDT, which requires solubility in water for the complexes, in order to be easily administrated into the blood stream.
Nitrogen-containing heterocyclic compounds are an important class of chemical compounds with a remarkable potential for industrial, pharmaceutical, and agrochemical applications. Development of novel and efficient methods for syntheses of phthalocyanines containing nitrogen heterocyclic groups is an active area of research in industry and academia. Moreover, the interest in Pcs substituted by piperidine was developed by the consideration that if the molecule is substitututed with piperidine to Pc ring, the Pc molecule so formed will contain an unit structure with N–C–C–O–C–C, which was known to be used as an agonist to M-choline acceptor in biological systems. Therefore, using photosensitizers of this kind may have certain additional effects to be explored.
Cationic dyes have been shown to be excellent probes of nucleic acid structure because their chromophoric properties can be monitored conveniently. Their interactions with synthetic and natural Calf Thymus-Deoxyribonucleic acids (CT- DNA) have been widely studied using UV-Vis and fluorescence spectroscopies. Understanding these interactions may contribute to the design of new and more efficient drugs that target DNA. The affinity of cationic porphyrins for DNA and ribonucleic acid (RNA) was established three decades ago by Fiel and coworkers and has stimulated many further studies. In contrast, corresponding studies of the binding of cationic phthalocyanines to DNA are much less well developed and more recent. Among the different Pcs employed for DNA-binding studies, the postively charged Pcs a the most efficient ones in terms of binding and cleaving DNA as compared with neutral or negatively charged ones. On the basis of this thesis, novel tetra substituted metal free (3) and metal phthalocyanines (Zn, In, Co, Mn) (4-7) and octa-substituted zinc phthalocyanine (13), which carry 2-morpholinoethoxy groups, were synthesized. The obtained tetra substituted metal-free (3), zinc (4) and indium (5) phthalocyanines were converted to the water-soluble cationic derivatives. The photophysical properties and biological activities of novel phthalocyanines were investigated. All these new compounds were characterized by 1H NMR, IR, mass and UV-Vis spectroscopies.
In the first part of the thesis, 4-(2-morpholinoethoxy) phthalonitrile (2) and 4,5-bis(2-morpholinoethoxy) phthalonitrile (12) compounds were prepared as starting material. Compound 2 was synthesized from the nucleophilic aromatic substitution reaction of 2-morpholinoethanol with 4-nitrophthalonitrile. Another starting material (12) was synthesized in three steps starting from catechol. The targeted phthalocyanine complexes (3-7, 13) were synthesized from the cyclotetramerization of the phthalonitrile compounds (2 or 12) with the appropriate metal salts (not used in the synthesis of metal-free phthalocyanine) in the presence of DBU in n-pentanol. The 2-morpholinoethanol group was preferred to increase the solubility of the Pc ring and to convert it to its water-soluble cationic derivative, as well as to investigate the effect of the nitrogen-containing heterocycle on the photophysical and photochemical properties of Pc.
In the second part of the thesis, quaternized metal-free (8) and metallo (Zn and In) (9, 10) phthalocyanines were synthesized by the reaction of compounds 3-5 with methyl iodide in chloroform for 3-4 hours in the dark under reflux temperature. These compounds are soluble in DMF, DMSO and water as expected. The formation of the cationic structure was confirmed by detection of N+-CH3 protons in the 1H-NMR spectrum. The UV-Vis spectra of cationic phthalocyanines at 1x10 -5 M concentration in DMF differ from the spectra taken in water at the same concentration. It was observed that the intensity of Q band was decreased in water.
In the third part of the study, photophysical and photochemical measurements of both metal-free, zinc and indium phthalocyanines (3-5) and their cationic derivatives (8-10) were investigated by UV-Vis and fluorescence techniques. Fluorescence spectra of neutral (3-5) and cationic phthalocyanines were taken in DMSO. Their excitation and emission spectra were similar and they did not show any degredation. The fluorescence quantum yields of the compounds in DMSO (ΦF) were calculated as 0.19 (3), 0.36 (4), 0.03 (5), 0.32 (8), 0.37 (9) and 0.12 (10), respectively. Because of the use of nonbonding electron pairs of nitrogen atoms in the morpholine group by the substituent in cationic Pcs, the fluorescence quantum yields of compounds 8-10 were higher than the neutral derivatives (3-5). Within the scope of the thesis, the change in the absorption of 1,3-diphenylisobenzofuran (DPBF) at 417 nm for neutral Pcs (3-5), and 9,10-anthracylene-bis (methylene) dimalonoic acid (ADMA) at 380 nm for cationic Pcs (8-10) was monitored using UV-Vis spectrophotometer. The Q bands of Pcs did not show any change during light irradiation. This showed that the phthalocyanines did not show any degradation. The singlet oxygen quantum yields (ΦΔ) of the compounds in DMSO were calculated as 0.19 (3), 0.42 (4), 0.58 (5), 0.45 (8), 0.54 (9) and 0.74 (10), respectively. Phthalocyanines produced higher singlet oxygen after quaternization. In the last part of the thesis, the interaction of cationic phthalocyanines (8-10) with CT-DNA was investigated in detail by using UV-Vis and fluorescence techniques. In the thesis, PDT applications of cationic phthalocyanines were performed using HeLa cell lines.
When water soluble phthalocyanines (8-10) are compared with other anticancer agents in the literature, the absence of side effects, singlet oxygen production and binding constant (Kb) values are the candidate compounds for use in PDT.