Tiyazol sübstitüe ftalosiyaninlerin sentezi ve biyosensör özelliklerinin incelenmesi
Synthesis of thiazole substituted phthalocyanines and investigation of their biosensor properties
Yazar: FARUK DEMİR
Danışman: PROF. DR. ZEHRA BAYIR
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı / Kimya Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Kimya = Chemistry
Dizin: Spektroelektrokimya = Spectroelectrochemistry ; Sübstitüe ftalosiyaninler = Substituted phtalocyanines

Özet:
Ftalosiyaninler, hem optik hem de elektrokimyasal özellikleri dolayısıyla fonksiyonel boyaların önemli bir bölümünü oluşturmaktadır. Ftalosiyanin molekülleri özellikle termal stabiliteye sahip olmaları, kimyasal inertlikleri, optik, elektrik ve sıvı-kristal özellikleri sayesinde oldukça farklı uygulama alanlarında kullanılabilmektedirler. Ftalosiyaninler sentetik olarak üretilebilmekte olup, temelde boyar madde olarak değerlendirilmektedir. Bu uygulama alanının yanı sıra özellikle gaz sensör, biyolojik sensör, sıvı kristal, elektrofotografi, optik veri depolama ve enerji dönüşümü gibi alanlarda çok sayıda uygulaması ve araştırması bulunmaktadır.
Ftalosiyaninler, 18-π elektron özelliği gösteren düzlemsel ve aromatik bir makro halka yapısına sahip bileşiklerdir. Ftalosiyaninler dört adet azot atomu ile iki imino hidrojen atomuna sahiptirler ve metal iyonlarının büyük bir kısmıyla koordine olabilmektedirler. Farklı metal türleriyle koordine olabilme özelliği makro halkanın çok farklı özelliklere sahip olmasını ve uygulama alanlarında kullanılabilirliğinin artmasını sağlamaktadır. Bunun yanı sıra, özellikle aromatik bileşikler sınıfındaki komplekslerde oldukça kolay gerçekleşebilen nükleofilik ve elektrofilik yer değiştirme tepkimelerinin ftalosiyaninler için de uygulanabilmesi, bu komplekslerin oldukça farklı ve fazla sayıda bileşiğinin hazırlanabilmesine olanak sağlamaktadır.
Ftalosiyanin kompleksleri uygulama yapılacağı her farklı alan için özelliklerinin o alana uygun hale getirilmesi amacıyla değişik koşullarda şekillendirilerek o amaca uygun hale getirilmesi gerekmektedir. Kompleksler temelde iki yöntemle modifiye edilerek moleküllere farklı özellikler kazandırılabilmektedir. Bu yöntemlerden en basit olanı merkezde bulunan metal iyonunun değiştirilmesidir. İkinci düzenleme ise kompleks halkasında farklı fonksiyonel grupların eklenmesiyle oldukça farklı özelliklerde ftalosiyanin kompleksleri elde edilebilmektedir.
Ftalosiyanin kompleksleri; modifikasyon koşullarının oluşturulmasıyla, özellikle elektriksel ve redoks özelliklerinin değiştirilmesi suretiyle kimyasal, biyolojik ve optik sensör olarak kullanılabilmektedir. Özellikle iletkenlik özellikleri değiştirilebilen kimyasalların ortamında inert olmayan gazların varlığında direnci yüksek olan ftalosiyaninler sensörlerin içerisinde en çok çalışılan sensörlerdir. Merkezdeki metal atomu ve periferal uçlardaki ligandların değiştirilmesi suretiyle farklı özelliklerde ftalosiyanin kompleksleri oluşturulabilmektedir. Özellikle kimyasal stabiliteleri ve ısıya karşı dayanıklı olmalarının yanı sıra ince film oluşturabilmeleri sensör olarak kullanılabilmelerinde önemli rol oynamaktadır. Merkez atom ve ligand çeşitliliğinden dolayı çok sayıda ftalosiyanin kompleksi sentezlenmesi sensör için test edilen kompleks sayısını artırmaktadır. Çift katlı ftalosiyaninler, gösterdikleri üstün özellikleri ve uygulanabilirlikleri ile ftalosiyanin türleri içerisinde en çok sensör olarak kullanılabilen türlerdir. Çift katlı komplekslerin yapılarının yarı iletken özellik göstermesi redoks davranışlarının oldukça zengin olması ve elektrokimyasal hassasiyetleriyle ortamdaki en ufak bir değişikliğin kolay bir şekilde ölçümü gerçekleştirilebilmektedir. Elektrokimyasal sensörler ayrıca iyon secici elektrot olarak tanınırlar. Karışık elektron ve iyon iletkenliğinden dolayı iletken polimerler, elektronik kondüktörler ve iyon secici membranlar arasında dönüştürücü olarak kullanılabilirler. Bu dizilim geleneksel iyon secici elektrotlarda olan doldurma sıvısına gerek bırakmayacak ve katı hal iyon secici elektrotların ortaya çıkması ile sonuçlanacaktır. Döndürmeli kaplama, elektropolimerizasyon ve Langmuir-Blodgett tekniği gibi değişik film teknikleriyle ince film oluşumu sağlanabilmektedir.
Sübstitüentlerin sayısı, pozisyonu (periferal, non-periferal ve eksenel) ve karakteri merkezdeki metal atomuyla birlikte molekülün foto fiziksel ve fotokimyasal özelliklerini, redoks potansiyelini, çözünürlük ve agregasyon eğilimlerini, elektronik özelliklerini belirler. Metalli Ftalosiyaninler; merkezlerindeki metallere ve fonksiyonel gruplara bağlı olarak değişkenlik gösteren mükemmel elektro katalitik aktiviteleri, iyi tersinir özellikleri, termal ve kimyasal kararlılıkları ve yüksek elektron transfer özellikleriyle bilinmektedirler. Bu özelliklerine rağmen nörotransmitterler ve biyolojik maddelerin tayininde ftalosiyaninler çok az ilgi çekmiştir. Negatif yüklü sülfonatla sübstitüe edilen metalli ftalosiyanin kompleksleri çoklu tabakaların özellikle birbiri ardına sıralanan tabaka tekniğinin geliştirilmesinde kullanılarak farkı katekolaminlerin tayin edilmesinde faydalı olmuştur.
Bu tez çalışmasında, farklı redoks aktif ve/veya redoks aktif olmayan metaller, elektron verici ve/veya çekici gruplar içeren tiyazol grubu içeren ftalosiyanin komplekslerinin redoks davranışları; voltametri, eş zamanlı spektroelektrokimyasal ve eş zamanlı elektrokolorimetrik analiz metotlarıyla karakterize edilmiştir. Söz konusu ftalosiyanin komplekslerinin merkezinde bulunan metal iyonları ve molekül çevresindeki sübstitüentler üzerinde yapılan değişiklikler, bu moleküllerin fizikokimyasal, optik, elektrokatalitik ve elektrokimyasal özelliklerini dikkate değer bir şekilde etkiler. Bu nedenle, sentezlenmiş yeni komplekslerin elektrokimyasal özelliklerinin belirlenmesi, farklı teknolojik alanlardaki kullanılabilirliklerinin belirlenmesi açısından önemlidir. 
Bu çalışmanın ilk basamağında, 4-(4-metoksifenil)-2-tiyazol-2-tiyo grubu içeren 6 ftalosiyanin kompleksi sentezlenmiştir. Bu yeni kompleksler; 1H NMR spektroskopisi, FT-IR, elemental analiz ve elektronik spektroskopi metotlarıyla karakterize edilmiştir. Sentezlenen komplekslerin THF, kloroform ve diklorometan gibi yaygın organik çözücülerde iyi derecede çözündüğü gözlenmiştir. Komplekslerin uygun çözücü ortamındaki redoks özellikleri, dönüşümlü voltametri ve kare dalga voltametrisi teknikleri kullanılarak aydınlatılmıştır. Ayrıca, bu ölçümler sonucunda belirlenen indirgenme ve yükseltgenme reaksiyonlarının ftalosiyanin halkası üzerinde mi metal merkezde mi gerçekleştiğini belirlemek için eş zamanlı spektroelektrokimyasal ölçümler gerçekleştirilmiştir. 
İkinci basamakta ise, komplekslerin elektropolimerizasyon, sensör uygulamaları gerçekleştirilmiştir. Kompleksler elektropolimerizasyon yöntemiyle GCE elektrodunun yüzeyine kaplanmıştır. Elde edilen modifiye elektrotlar PBS çözeltisinde Diferansiyel Puls Voltametri(DPV) yöntemiyle Askorbik Asit (AA) Dopamin(DA) ve Ürik Asit (UA) biyomoleküllerinin hem tek başlarına, hem de eş zamanlı tayinlerinde kullanılmıştır. Modifiye elektrotlarda DPV tekniğiyle çakışan yükseltgenme pikleri üç adet birbirinden ayrışmış piklere dönüşmüştür. GCE/CoPc elektrodu AA ve DA biyomoleküllerini tek başına algılayabilirken AA, DA ve UA biyomoleküllerini eş zamanlı olarak tayin edebilmektedir. GCE/MnPc ve GCE/ZnPc elektrotları DA ve UA biyomoleküllerini iyi kararlılık, yüksek tekrarlanabilirlik ve düşük tayin limitlerinde algılayabilmektedir. 
Sonuç olarak, sentezlenen bu modifiye elektrotların hem tek başına hem de eş zamanlı olarak AA, DA ve UA biyomoleküllerini algılayabildiği ve elektroanalitik ve biyosensör uygulamalarında kullanılabileceği tespit edilmiştir.

Abstract:
Phthalocyanines are an important part of functional dyes due to both their optical and electrochemical properties. Phthalocyanine molecules can be used in a wide range of applications due to their thermal stability, chemical inertness, optical, electrical and liquid-crystal properties. Phthalocyanines can be produced synthetically and are mainly used as dyestuff. In addition to this field of application, there are numerous applications and research in areas such as gas sensor, biological sensor, liquid crystal, electrophotography, optical data storage and energy conversion.
Phthalocyanines are compounds having a planar and aromatic macroring structure showing 18-π electron properties. The phthalocyanines have two nitrogen atoms and two imino hydrogen atoms and can be coordinated with a large proportion of metal ions. The ability to coordinate with different types of metal enables the macroring to be used in many different properties and application areas. Furthermore, the ability to apply nucleophilic and electrophilic displacement reactions to phthalocyanines, which can be easily carried out in complexes of particular class of aromatic compounds, allows for the preparation of highly complex compounds of these complexes.
The phthalocyanine complexes must be formed in different conditions in order to adapt their properties to each area for application. Phthalocyanine complexes can be modified by two methods to give different properties to molecules. The first and the simplest of this method is the replacement of the metal ion in the center. In the second embodiment, different functional phthalocyanine complexes can be obtained by adding different functional groups in the complex ring.
Phthalocyanine complexes; it can be used as a chemical, biological and optical sensor by altering the electrical and redox properties, especially by the modification of the modification conditions. Particularly in the presence of non-inert gases in the environment of chemicals, whose conductivity properties can be changed, phthalocyanines are the most studied sensors in the sensors. By altering the metal atom in the center and the ligands at the peripheral ends, different phthalocyanine complexes can be formed. In addition to their chemical stability and heat resistance, their ability to form thin films also play an important role in their use as sensors. The expression of a large number of phthalocyanine complexes due to the diversity of the central atom and ligand increases the number of complexes tested for the sensor. Double-layer phthalocyanines are the most widely used types of phthalocyanine types due to their superior properties and applicability. The semiconductor properties of the structures of the double-storey complexes can be realized easily by the very rich redox behavior and the electrochemical sensitivities and the slightest change in the environment. Electrochemical sensors are also known as ion-selective electrodes. Due to mixed electron and ion conductivity, conductive polymers can be used as converters between electronic conductors and ion selective membranes. This sequence will not require filling fluid from conventional ion-selective electrodes and will result in the emergence of solid-state ion selective electrodes. Thin film formation can be achieved by various film techniques such as rotation coating, electropolymerization and Langmuir-Blodgett technique.
The number, position, and the character (peripheral, non-peripheral and axial) of the substituents and the metal atom in the center determine the photophysical and photochemical properties, redox potential, solubility and aggregation tendencies and electronic properties of the molecule. Metalophthalocyanines; They are well known for their excellent electro catalytic activity, good reversible properties, thermal and chemical stability, and high electron transfer properties. In spite of these features, phthalocyanines have received little attention in the determination of neurotransmitters and biological substances. Metalophthalocyanine complexes substituted with negatively charged sulfonate have been useful in the determination of the different catecholamines using multiple layers, especially in the development of the successive layer technique.
 
In this thesis, the redox behavior of phthalocyanine complexes containing thiazole group containing different redox active and / or non-redox active metals, electron donor and / or attractive groups; characterized by voltammetry, simultaneous spectroelectrochemical and simultaneous electrochemical methods. Changes in the metal ions at the center of these phthalocyanine complexes and the substituents around the molecule significantly affect the physicochemical, optical, electrocatalytic and electrochemical properties of these molecules. Therefore, the determination of the electrochemical properties of the synthesized new complexes is important in terms of determining their usability in different technological areas.
In the first step of this study, 7 phthalocyanine complexes containing 4- (4-methoxyphenyl) -2-thiazol-2-thio group were synthesized. These new complexes; 1 H NMR spectroscopy was characterized by FT-IR, elemental analysis and electronic spectroscopy methods. It has been observed that the synthesized complexes are highly soluble in common organic solvents such as THF, chloroform and dichloromethane. The redox properties of the complexes in the appropriate solvent medium were elucidated using cyclic voltammetry and square wave voltammetry techniques. In addition, simultaneous spectroelectrochemical measurements were performed to determine whether the reduction and oxidation reactions determined as a result of these measurements occurred on the phthalocyanine ring or at the metal center.
In the second step, electropolymerization and sensor applications of the complexes were carried out. The complexes were coated on the surface of the GCE electrode by electropolymerization method. The modified electrodes were used in the PBS solution by using Differential Pulse Voltammetry (DPV) method for both the single and simultaneous assays of the Ascorbic Acid (AA) Dopamine (DA) and Uric Acid (UA) biomolecules. The modified electrodes have transformed the three peaking peaks which are overlapping with the DPV technique. The GCE / CoPc electrode can detect the AA and DA biomolecules alone, while the AA, DA, and UA biomolecules can be detected simultaneously. GCE / MnPc and GCE / ZnPc electrodes can detect DA and UA biomolecules in good stability, high repeatability and low detection limits.
As a result, it has been determined that these modified electrodes, could detect the biomolecules AA, DA and UA and can be used in electroanalytical and biosensor applications.