Flor sübstitüe ftalosiyaninler ve biyolojik özelliklerinin incelenmesi
Fluorine substituted phthalocyanines and investigation of their biological properties
Yazar: BAŞAK SEZGİ BİLEN
Danışman: PROF. DR. ESİN HAMURYUDAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı / Kimya Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Ftalosiyaninler, tesadüfen keşfedilmiş sentetik maddeler olarak, üstün boyama özellikleri sayesinde boya ve teksil endüstrisinde boyar madde ve pigmet olarak uzun yıllar kullanılmaktadırlar. Ftalosiyaninler aromatik ve düzlemsel makrosiklik yapılar olup, yüksek kimyasal kararlılığa sahiptirler. Bununla birlikte ftalosiyanin yapısına bağlanan sübstitüe gruplar ve metal atomları sayesinde fiziksel ve kimyasal özellikleri kolaylıkla değiştirilebilmekte, birçok yeni özellik kazandırılabilmektedir. 

Farklı fonksiyonel gruplar ve metal atomlarıyla sentezlenen yeni tip ftalosiyaninler kataliz, kimyasal sensörler, güneş enerjisi pili, optik veri depolama, yarı iletkenler, fotodinamik terapi, biyolojik uygulamalar gibi teknolojinin farklı alanlarında geniş kullanım potansiyelleri bulmaktadırlar. 

Ayrıca son yıllarda yapılan çalışmalarda ftalosiyaninlerin tıbbi ve biyolojik özelliklerinin ön plana çıktığı, geniş uygulama alanı bulduğu gözlenmektedir. Mikroorganizmaları ortadan kaldırmak için sağlıklı dokulara zarar vermeyen fotodinamik antimikrobiyal terapi yönteminde fotoalgılayıcılar olarak kullanılırken, farklı moleküllerle konjuge edilerek biosensör olarak kullanılmaları, dejeneratif bozukluklara neden olan ve biyolojik sistemlerde üretilen serbest radikallerle savaşabildikleri için antioksidan olarak kullanımları, insan derisinde hiperpigmentasyona neden olan tirozinaz enzimini inhibisyonunda kullanımları örnek olarak gösterilebilir. Ftalosiyaninlerin bir diğer önemli kullanım alanı da fotodinamik terapi uygulamalarıdır. 

Fotodinamik terapi (PDT), bir fotoalgılayıcı (PS), ışığa duyarlı bir reaktif ve belirli bir ışık dalga boyunun kullanımıyla kanser hücrelerini yok etmek için umut verici bir yöntemdir. Fotodinamik terapide kullanılan fotoalgılayıcı, belirli dalga boyundaki ışıkla uyarılmış enerji seviyelerine uyarılır. Daha sonra bu uyarılmış fotoalgılayıcı, fazla enerjisini yakındaki moleküler oksijenlere aktararak temel duruma geri döner. Bu mekanizmada serbest radikaller (hidroksil radikalleri, hidrojen peroksit ve süperoksit anyonu) veya singlet oksijen (1O2) gibi reaktif oksijen türleri (ROS) oluşur. Özellikle singlet oksijen hücreler için oldukça sitotoksik olduğundan singlet oksijen üretimi fotodinamik terapi uygulamaları için en önemli ROS üretim mekanizmasıdır.

Kanser tedavilerine yönelik geleneksel tedavi yöntemleri arasında ameliyat, radyasyon ve kemoterapi yer alır ve bu tedavi yöntemleri bazı ciddi yan etkilere neden olabilir. Kemoterapinin yorgunluk ve halsizlik, bulantı ve kusma, saç ve kilo kaybı gibi birçok olumsuz komplikasyonu vardır. Araştırmacılar bu olumsuz sonuçları en aza indirmek için daha yeni ve daha yenilikçi kanser tedavilerine yönelmesine neden olmuştur.  Fotodinamik terapi, geleneksel yöntemlerin olumsuz etkilerini ortadan kaldırdığı için gelecek vaat eden bir tekniktir.

Bu tez kapsamında, biyolojik özelliklerini incelemek üzere ftalosiyanin türevleri sentezlenmiş olup, sentezlenen ftalosiyaninlerin biyolojik aktiviteleri araştırıldı. 

Çalışmanın ilk kısmında 4-(3',3',4',4',5',5',6',6',6'-nonafloro-heksiloksi)ftalonitril türevi sentezlendi ve elde edilen ftalonitril türevinden metalsiz, çinko, kobalt ve mangan ftalosiyaninler sentezlendi. Yeni tip ftalosiyaninlerin karakterizasyonu UV-vis, FT-IR, NMR, kütle, elementel analiz gibi spektroskopik yöntemler kullanılarak gerçekleştirildi. İlgili bileşiklerin antioksidan, DPPH radikalinin süpürme kapasitesi, indirgenme gücü aktivitesi, hidroksil radikali süpürme aktivitesinin yanı sıra çeşitli hücre hatlarında in vitro sitotoksisite çalışmaları gerçekleştirildi. Yapılan çalışmaların sonuçlarına göre tüm ftalosiyanin türevlerinin orta düzeyde antioksidan özelliği gösterdiği tespit edildi. Metalsiz ve kobalt ftalosiyaninlerin hücre üzerindeki in-vivo çalışmalarında toksit etki göstermedikleri gözlemlendi. 

Bu çalışmanın ikinci kısmında ise 4-[2',3',5',6'-tetrafloro-4'-(1,2:5,6-Di-O-izopropiliden-a-D-glukofuranosil) benziloksi]ftalonitril türevi sentezlendi. Sentezlenen ftalonitril türevinden çinko ftalosiyanin sentezlendi ve sonrasında ilgili ftalosiyanin izopropiliden koruma gruplarının kaldırılması sonucunda glikolize edilmiş çinko ftalosiyanin elde edilmiştir. Ftalosiyaninlerin karakterizasyonları çeşitli spektroskopik yöntemler ile gerçekleştirildi. Glikolize edilmiş çinko ftalosiyanin biyolojik özelliklerini anlayabilmek için agregasyon çalışması, singlet oksijen üretme kapasitesi, floresans spektrumu ve kuantum verimi, toksisite çalışmaları yapıldı. Çalışmaların sonucunda glikolize edilmiş çinko ftalosiyaninin fotodinamik terapide fotoalgılayıcı olarak kullanılabileceği sonucuna varıldı.

Abstract:
Phthalocyanines, as synthetic substances discovered by chance, have been used for many years as common dyestuffs and pigments in dye and textile industries, thanks to their superior dyeing properties. Phthalocyanines comprise an 18 π electron system that can delocalize and four isoindole units that are joined to one another by 1,3 positioned aza bridges. Phthalocyanine structures are highly attractive due to their strong near-infrared absorption, excellent thermal stability, bright color, capacity to produce novel derivatives by substituting different sites, and unique photochemical and photophysical features. Phthalocyanines' spectra can differ based on the functional groups and core atoms utilized in their synthesis.
It is possible to adjust the electrical, chemical, and physical characteristics of phthalocyanines by substituting different functional groups. Compared to unsubstituted phthalocyanine, the characteristics are improved by the attachment of functional groups such as alkyl chains, ethers, amines, thiols, halogenes, and other acid groups. The compound becomes fully functional by incorporating additional complex groups like ferrocenes, dendrimers, and crown ethers. Among the many options available, ether, amine, thiol, and novel carbon-carbon bonds can be employed to increase the diversity of substitutents.
New types of phthalocyanines synthesized with different functional groups and metal atoms find wide potential for use in different fields of technology such as catalysis, chemical sensors, solar energy cells, optical data storage, semiconductors, photodynamic therapy, and biological applications.
In addition, it has been observed in recent studies that the medical and biological properties of phthalocyanines come to the fore and find a wide range of applications. While they are used as photodetectors in the photodynamic antimicrobial therapy method that does not harm healthy tissues to eliminate microorganisms, examples of their use as biosensors by conjugating with different molecules, as antioxidants since they can fight with free radicals produced in biological systems that cause degenerative disorders and use in inhibiting the tyrosinase enzyme that causes hyperpigmentation in human skin can be given. Another important use of phthalocyanines is photodynamic therapy applications.
Photodynamic therapy (PDT) is a promising method to destroy cancer cells through the use of a photosensitizer (PS), a photosensitive reagent, and a specific wavelength of light. The photosensitizer used in photodynamic therapy is stimulated to energy levels by light of specific wavelengths. Then, this stimulated photosensitizer returns to the ground state by transferring its excess energy to nearby molecular oxygens. In this mechanism, free radicals (hydroxyl radicals, hydrogen peroxide and superoxide anion) or reactive oxygen species (ROS) such as singlet oxygen (1O2) are formed. Singlet oxygen production is the most important ROS production mechanism for photodinamic therapy applications, especially since singlet oxygen is highly cytotoxic for cells. 
Typically, a photosensitizer needs to be able to create singlet oxygen with a high quantum yield, have strong absorption in the near-IR region of the visible spectrum with a high extinction coefficient, accessibility and reproducibility of synthetic routes, thermal and chemical stability, low tendency to aggregate in solution, effective accumulation in malignant tissue, solubility in the biological environment, and excretion following treatment.
Traditional treatments for cancer include surgery, radiation, and chemotherapy, and these treatment methods can cause some serious side effects. Chemotherapy has many negative complications, such as fatigue and weakness, nausea and throwing up, and hair and weight loss. This has led researchers to turn to newer and more innovative cancer treatments to minimize negative consequences. Photodynamic therapy is a promising technique because it eliminates the negative effects of traditional methods.
Within the scope of this thesis, phthalocyanine derivatives were synthesized to examine their biological properties, and the biological activities of the synthesized phthalocyanines were investigated.
In the first part of the study, 4-(3',3',4',4',5',5',6',6',6'-nonafluoro-hexyloxy)phthalonitrile derivative was synthesized and after that metal-free, zinc, cobalt and manganese phthalocyanines were synthesized from the obtained phthalonitrile derivative. First of all, as a result of the aromatic substitution reaction of the selected 3,3,4,4,5,5,6,6,6-nonafluoro-hexane-1-ol and 4-nitrophthalonitrile compound in the presence of K2CO3 base, 4-(3',3', 4',4',5',5',6',6',6'-nonafluoro-hexyloxy)phthalonitrile compound was synthesized. Then, the metal-free phthalocyanine derivative was obtained as a result of cyclotetramerization of this dinitrile compound in n-pentanol with the Li-method and subsequent acidification. Zinc, cobalt and manganese phthalocyanine derivatives containing four nonafluorohexyloxy groups in their peripheral positions were synthesized with Zn(CH3COO)2, CoCl2 and MnCl2 salts and 4-(3',3',4',4',5',5',6',6',6'-nonafluoro-hexyloxy)phthalonitrile compound in 2-dimethylaminoethanol as a result of the cyclotetramerization reaction. Characterization of new types of phthalocyanines was carried out using spectroscopic methods such as UV-vis, FT-IR, NMR, mass and elementel analysis. In addition to antioxidant, DPPH radical scavenging capacity, reducing power activity, hydroxyl radical scavenging activity of the relevant compounds, in vitro cytotoxicity studies were carried out on various cell lines. According to the results of carried analyses, it was determined that all phthalocyanine showed moderate antioxidant properties. It was observed that metal-free and cobalt phthalocyanines did not show toxic effects on cells in in-vivo studies.
In the second part of this study, 4-[2',3',5',6'-tetrafluoro-4'-(1,2:5,6-Di-O-isopropylidene-a-D-glucofuranosyl) benzyloxy]phthalonitrile was synthesized by reaction of 4-(2',3',4',5',6'-pentafluorobenzyloxy)phthalonitrile and diacetone-D-glucose in dry dimethylformamide (DMF) in the presence of potassium carbonate under nitrogen atmosphere. Dilithium phthalocyanine intermediate product was obtained from the synthesized phthalonitrile derivative, and then this compound was reacted with zinc metal salt to obtain zinc phthalocyanine. To remove the isopropylidene protecting groups of zinc phthalocyanine, glycosylated zinc phthalocyanine derivative was obtained by stirring in a trifluoroacetic acid:water (9:1) mixture at room temperature for 20 hours.In order to understand the biological properties of glycosylated zinc phthalocyanine; aggregation study, singlet oxygen production capacity, fluorescence spectrum and quantum yield, and toxicity studies were carried out. As a result of the studies, it was concluded that glycosylated zinc phthalocyanine can be used as a photosensitizer in photodynamic therapy.