Beta laktam antibiyotiklerin hidroksil radikali ile reaksiyon mekanizması ve kinetiğinin kuantum kimyasal hesaplanması
Quantum chemical calculation of the reaction mechanism and kinetics of beta lactam antibiotics with hydroxyl radical
Yazar: ŞEYDA AYDOĞDU
Danışman: PROF. DR. ARZU HATİPOĞLU
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı / Fizikokimya Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Antibiyotikler, insanlarda ve hayvanlarda hastalıkların önlenmesi ve tedavisinde kullanılır. Ancak, üretimleri sırasında oluşan atıklarıyla ve aşırı kullanımlarına bağlı olarak toprak ve yeraltına sularına karışmaktadırlar. Sularda gerekli arıtım yapılamadığında ise içme suyuna kadar ulaşabilmektedirler. Bu da, insan sağlığına ve tüm canlı organizmalara yönelik potansiyel toksisite nedeniyle önemli bir sorundur. Bu nedenlerden dolayı sulardan antibiyotiklerin giderilmesi oldukça önemli ve gereklidir.
Antibiyotiklerin sulardan giderilmesi çalışmalarında kullanılan deneysel yöntemlerin çoğu pahalıdır ve işlemlerin uygulanması sırasında özel cihazlara ihtiyaç duyulur. Ayrıca reaksiyonlarda oluşan ara ürünler toksik olabilmektedirler. Dolayısıyla, bu tür maddelerin degradasyon reaksiyonlarının kinetiğinin ve mekanizmasının bilinmesi, uygun deneysel tasarımların yapılabilmesi için oldukça önemlidir. Kuantum kimyasal hesapsal yöntemler ile moleküler modelleme teknikleri kullanılarak organik maddelerin degradasyon kinetikleri hesaplanabilmektedir. Yoğunluk Fonksiyonel Teorisi (DFT) yöntemleri, maliyetli ve zor deneysel yöntemlere göre daha kullanışlıdır. DFT yöntemi, bu tür organik moleküllerin reaksiyon kinetiğini ve mekanizmasını incelemek için son yıllarda oldukça yaygın kullanılmaktadır.
Bu çalışmada, sularda çok rastlandıkları rapor edilen, antibiyotiklerden olan beta- laktam sınıfına ait dört adet antibiyotik molekülü, 6-aminopenisilinik asit (6-APA), ampisilin (AMP), sefaleksin (CFL) ve sefadrinin (CFD), hidroksil radikali ile reaksiyon vermesi olası 41 adet reaksiyon yolunun mekanizması ve kinetiği incelenmiştir. Tüm hesaplamalar Yoğunluk Fonksiyonel Teorisi (DFT) ile B3LYP/6-31G(d,p) temel setinde yapılmıştır. Reaksiyonlar, su ortamın da İletken Benzeri Polarize Süreklilik Modeli (CPCM) kullanılarak modellenmiştir. Modellemeleri yapılan tüm reaksiyon yolları için, termodinamik ve kinetik parametreler hesaplanmıştır. Reaksiyonların hız sabitleri Geçiş Konumu Teorisi ile hesaplanmıştır.

Abstract:
Antibiotics are essential for preventing and treating diseases in both humans and animals. However, they disperse with soil, groundwater and water due to waste generated during their production and excessive use. When the necessary water treatment is not carried out, they can even reach drinking water. This is a significant problem due to the potential toxicity to human health and all living organisms. Therefore, it is crucial to remove antibiotics from water to ensure the safety of our environment and public health.
Most of the experimental methods used in the removal of antibiotics from water are expensive, difficult, and require special devices during the application of the procedures. In addition, intermediate products formed in reactions can be toxic. Therefore, knowing the kinetics and mechanism of degradation reactions of such kinds of molecules is very important to make appropriate experimental designs. Degradation kinetics of organic substances can be calculated using quantum chemical computational methods and molecular modeling techniques. Density Functional Theory (DFT) methods are more useful than costly and difficult experimental methods. The DFT method has been widely used in recent years to calculate the reaction kinetics and mechanism of such organic molecules.
In this study, the degradation reactions of four antibiotic molecules belonging to the beta-lactam class, 6-aminopenicillinic acid (6-APA), ampicillin (AMP), cephalexin (CFL) and cephadrine (CFD), with hydroxyl radicals were examined. The mechanism and kinetics of 41 possible reaction paths were investigated. All calculations were done using Density Functional Theory (DFT) at the B3LYP/6-31G(d,p) basis set. The reactions were modeled using the Conductive-like Polarized Continuum Model (CPCM) in the aqueous medium. Thermodynamic and kinetic parameters were calculated for all reaction paths. The rate constants of the reactions were calculated by Transition State Theory.