Horseradish peroksidaz (HRP) nano biyokatalizörleriyle vinil grubu bileşiklerin serbest radikalik polimerleşme reaksiyonlarının incelenmesi
Investigation of the free radical polymerizations of vinyl compounds using horseradish peroxidase (HRP) nano biocatalysts
Yazar: GÜLBAHAR ÖZAYDIN
Danışman: DOÇ. DR. ERSEN GÖKTÜRK
Hatay Mustafa Kemal Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Enzimatik polimerleşme reaksiyonları polimer sentezinde son zamanlarda yoğun araştırma yapılan konulardan olup çevreye duyarlı ve kolay uygulanabilir olması nedeniyle birçok geleneksel yönteme alternatif bir metodoloji olarak ortaya çıkmıştır. Horseradish peroksidaz (HRP, yaban turpu peroksidaz) enzimi, bazı vinil grubu içeren monomerlerin ve aromatik bileşiklerin (fenol, anilin vb.) radikalik polimerleşme reaksiyonlarında katalizör olarak etkin bir şekilde kullanılabilmektedir. Enzim izolasyonunun yüksek maliyetli olması, enzimlerin yüksek sıcaklık, organik ve sulu çözeltilerde denatürasyona uğramaları nedeniyle, enzimlerin endüstriyel uygulamalarda kullanımı kısıtlanmaktadır. Bu sorunlara ilaveten enzimlerin tekrar kullanılabilmelerinin kısıtlı olması da bir diğer önemli problem olarak karşımıza çıkmaktadır. Enzimlerin kararlılığında karşılaşılan bu sorunlar immobilizasyon tekniği uygulanarak giderilmeye çalışılmış ve bazı uygulamalarda da başarılı olunmuştur. İmmobilizasyon yöntemi ile enzimlerin kararlılıkları ve aktiviteleri (kısmen) arttırılarak tekrar kullanılabilirlikleri geliştirilebilmektedir. İmmobilizasyon ile enzimler daha yüksek sıcaklıklarda, düşük veya yüksek pH ortamları gibi reaksiyon koşullarında dahi yüksek kararlılık sergilemektedirler. İmmobilizasyon yöntemleri ayrıca enzimlerin ekonomik olarak da daha düşük maliyetli olmasını sağlamaktadır. Ancak tüm bu olumlu araştırmaların yanında, immobilizasyon ile enzimlerin aktivitelerinde ciddi azalmalar olduğu da gözlenmektedir. İmmobilizasyon ile enzimlerin hareket ve konformasyonlarında gerçekleşen kısıtlamalar nedeniyle katalitik aktivite önemsenmeyecek ölçüde azalabilmektedir. Bu sebepten ötürü enzimlerin kararlılıkları ile beraber katalitik aktivitelerini de arttırabilecek immobilizasyon yöntemlerini keşfetmek için yoğun araştırmalar yapılmaktadır.
Tez çalışması süresince, HRP enziminin M2+ (Cu2+ ve Fe2+) iyonları ile koordinasyonu neticesinde oluşan çiçek şekilli hibrit nano biyokatalizörlerin (HRP-Cu2+ ve HRP-Fe2+) bazı vinil grubu monomerlerin (stiren, metilmetakrilat, akrilamit ve N-izopropilakrilamit) serbest radikalik polimerleşme reaksiyonları üzerine etkileri incelenmiştir. Elde edilen bulgulara göre; HRP-Cu2+ ve HRP-Fe2+ biyokatalizörleri kullanılarak gerçekleştirilen vinil grubu monomerlerin polimerleştirilmeleri deneylerinde, reaksiyon verimleri ve elde edilen polimerlerin sayıca ortalama molekül ağırlıkları oldukça yüksek bulunmuştur. Genel olarak HRP-Fe2+ nano biyokatalizörü ile gerçekleştirilen polimerleşmelerde, HRP-Cu2+ katalizörünün kullanıldığı koşullara kıyasla daha yüksek verimlerde ürün elde edilmiştir. Reaksiyonlarda emülsiyon ortamı oluşturmak amacıyla katyonik, anyonik ve noniyonik yüzey aktif maddeler kullanılmıştır. Optimum polimerleşmeler noniyonik (Tween 40) yüzey aktif maddenin kullanıldığı koşullarda elde edilmiştir. Stiren'in polimerleşmesi hem HRP-Cu2+, hem de HRP-Fe2+ nano biyokatalizörünün kullanıldığı koşullarda oda sıcaklığında optimum polimerleşmeyi vermiştir. Akrilamit monomeri ise her iki katalizör eşliğinde 70 oC sıcaklıkta optimum polimerleşmeyi vermektedir. Akrilamit oda sıcaklığında polimerleşmezken, 70 oC'de en yüksek verimde poliakrilamit elde edilmiştir. Katalizörler 80 oC sıcaklıkta bozuldukları için daha yüksek sıcaklıklar denenmemiştir. N-izopropilakrilamit monomeri de benzer şekilde 70 oC'de optimum polimerleşmeyi verirken, metilmetakrilat monomeri 60 oC'de en yüksek verimde polimer ürün vermiştir. Sentezlenen katalizörlerin serbest HRP enziminin aktivitesini kaybettiği 60 oC ve üzeri sıcaklıklarda oldukça yüksek katalitik aktivite ve kararlılık göstermeleri, bu tarz katalizörlerin yüksek sıcaklık uygulamalarında kullanımı için hem bilimsel ve hem de endüstriyel açıdan önemli avantajlar sağlamaktadır.

Abstract:
Enzymatic polymerizations have been one of the extensively investigated methodology for polymer synthesis as an alternative to the traditional methods due to their simplicity and environmentally benign properties. Horseradish peroxidase (HRP) enzyme catalyst have been investigated to explore radicalic polymerization reactions of some aromatic compounds (phenol, aniline, etc.) and some vinylic monomers. Increasing cost, instability at high temperatures, denaturation in organic and aqueous solutions limit enzymes to be used in industrial scale applications. In addition to that, recycling of enzymes is generally inefficient. One of the important problem for the enzyme technology seems to be recycling of enzymes and use them over and over again. To overcome these problems, enzyme immobilization technique has been developed and has been partially successful for some applications. Immobilization method improves stability, activity (somewhat) and reusability of enzymes. Immobilization increases the stabilities of enzymes and allows to be used them in a variety of reaction conditions including higher temperatues, lower or higher pH conditions. Immobilization method also makes enzymes more economic. Despite these positive outcomes observed with immobilization technique, activities of enzymes mostly decreased after immobilization. Catalytic activities of enzymes are significantly limited due to the restrictions of their movements and conformations after immobilization. Due to this reason, there is still intensive research carried out to discover new immobilization methods that can increase the stability and activity of enzymes. 
In this thesis; the effects of HRP-Cu2+ and HRP-Fe2+ hybrid nano biocatalysts obtained by the complexation between the HRP enzyme and M2+ ions (Cu2+ and Fe2+) on the polymerization of some vinyl monomers (styrene, methylmethacrylate, acrylamide and N-isopropylacrylamide) were investigated. Obtained successful outcomes showed that polymerization reactions using HRP-Cu2+ and HRP-Fe2+  nano biocatalysts resulted in very high yields. The number average molecular weights of the obtained polymers were also pretty high. Polymerization experiments performed using HRP-Fe2+ generally resulted in higher yields in the reactions compared to the conditions of HRP-Cu2+ used. All polymerizations were accomplished under emulsion conditions using cationic, anionic and nonionic surfactants. Optimum polymerizations were achieved under the conditions of nonionic surfactant (Tween 40) used. Optimum polymerization of styrene was accomplished at room temperature for both HRP-Cu2+ and HRP-Fe2+ hybrid nano biocatalysts. Whereas, optimum polymerization of acrylamide monomer was achieved at 70 oC. Acrylamide was not polymerized at room temperature. Higher temperature above 70 oC was not tried for the polymerization experiments of the acrylamide due to the denaturation of HRP-Cu2+ and HRP-Fe2+ hybrid nano biocatalysts. Similarly, optimum polymerization of N-isopropylacrylamide was also accomplished at 70 oC. However, the highest yield for the polymerization of methylmethacrylate was obtained at 60 oC. While free-HRP enzyme loses its catalytic activity above 60 oC, HRP-Cu2+ and HRP-Fe2+ hybrid nano biocatalysts still show very high catalytic activity even at 70 oC. Increasing stabilities of these nanobiocatalysts provide significant advantages for both scientific and industrial applications.