Poli(allil guanidin.HCl)'ün sentezi, karakterizasyonu ve antimikrobiyal özelliğinin incelenmesi
Synthesis and characterization of poly(allyl guanidine.HCl) and investigation of its antimicrobial property
Yazar: UFUK YILDIZ
Danışman: PROF. DR. OLGUN GÜVEN
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2013
Konu: Kimya = Chemistry ; Mikrobiyoloji = Microbiology ; Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology
Dizin: Antibiyotikler-antineoplastik = Antibiotics-antineoplastic

Özet:
Bakterilerin ve mantarların varlığı medikal cihazlar, ilaçlar, su saflaştırma sistemleri, ameliyat gereçleri, tekstil ve gıda ambalajları gibi konularda en ciddi problemlerden biridir. Küçük molekül ağırlıklı, antimikrobiyal özelliğe sahip moleküllerin toksik etkiye, kısa süreli antibakteriyel özelliğe sahip olmaları gibi dezavantajları vardır. Bu nedenle küçük molekül ağırlığına sahip antibakteriyel ajanların polimerlere fonksiyonel grup olarak eklenmesiyle hem toksik etkilerden kurtulmak hem de uzun süreli etkinlik hedeflenmiştir. Bakteriler antibakteriyel maddelere karşı direnç geliştirebildikleri için bu amaçlara yönelik yeni antibakteriyel maddelerin sentezi güncel ve gelişime açık çalışmalardır.
Bu çalışmada poli(allilamin hidroklorür) (PAlAm), farklı oranlarda (1:1,2, 1:1,8, 1:2,6, 1:5,2) siyanamit ile amin grubu üzerinden modifiye edilerek farklı dönüşüm yüzdelerine sahip poli(allilguanidin hidroklorür) (PAlG) elde edilmiştir. Elementel analiz ile belirlenen %N değerleri üzerinden dönüşüm oranları %45, 71, 98 ve 121 olarak hesaplanmıştır. Bu dönüşüm oranlarına sahip PAlG yapıları sırasıyla PAlG1, PAlG2, PAlG3, PAlG4 olarak adlandırılmıştır. 
Elde edilen yapılar FT-IR, FT-Raman, 1H NMR, 13C NMR teknikleri ile karakterize edilmiştir. Yapılan spektroskopik analizlerle PAlAm?ün PAlG?e dönüşümü gösterilmiştir. FT-IR ve FT-Raman analizlerinde 1760, 1705 cm-1 de sırasıyla gözlenen ?C(NH)2+Cl-, C=N, bağlarına ait bantlar ve PAlG yapılarına ait FT-IR spektrumlarında 1150 cm-1 de gözlenen C-N-C bağına ait bant yapının guanidinleştirildiğini göstermektedir. d-DMSO ile yapılan 1H-NMR analizlerinde guanidin yapısındaki birincil ve ikincil amin ile imin protonlarının dönüşümle değişimi gözlenmiştir. PAlAm yapısındaki birincil amin protonlarının artan dönüşümle azaldığı, PAlG4 spektrumunda ise tamamen kaybolduğu gözlenmiştir. 13C-NMR spektrumlarında guanidin karbonundan kaynaklanan pik 160 ppm civarında gözlenmiştir.
PAlAm, PAlG1, PAlG2, PAlG3, PAlG4 yapıları için çözeltiye geçen serbest klor iyonlarının miktarı klor elektrodu ile bulunmuştur.  Bu çalışmanın sonuçlarına göre 1 mg/mL polimer çözeltilerindeki serbest klor miktarları PAlAm için yaklaşık %10 iken PAlG yapıları için yaklaşık üç kat artış göstererek PAlG1, PAlG2, PAlG3 ve PAlG4 için sırasıyla %27,3, 27,9, 29 ve 31,8 olarak bulunmuştur. PAlAm, PAlG1, PAlG2, PAlG3, PAlG4 için artan guanidin dönüşüm oranının polimerin çözelti içerisindeki davranışları üzerine etkisinin incelenmesi amacıyla dinamik ışık saçılması (DLS) yöntemi kullanılmıştır. PAlG1, PAlG2 ve PAlG3 için küçük yumak boyutlarının dönüşümle arttığı PAlG4 için ise azaldığı gözlenmiştir. Polimer zincirlerinin taşıdığı yükün yumak yapısına olan etkisini görmek amacıyla PAlAm, PAlG1 ve PAlG4 için zeta potansiyelleri ölçülmüştür. PAlAm için 18,6 mV olarak ölçülen zeta potansiyeli PAlG1 ve PAlG4 için sırasıyla 45,8 ve 23,7 olarak ölçülmüştür. PAlAm, PAlG1, PAlG2, PAlG3, PAlG4 yapılarının termal kararlılıkları termogravimetrik analiz (TGA) ile belirlenmiştir. PAlG yapılarına ait termogramlar incelendiğinde ilk basamakta hem başlangıç sıcaklığında hem de kütle kaybında düşmeler gözlenmiştir. Bu durumun, artan guanidin gruplarıyla birlikte yapının hidrofobik karakterinin artmasından kaynaklandığı düşünülmektedir. Yapılan diferansiyel taramalı kalorimetre (DSC) analizlerinde PAlAm için 222 °C olarak belirlenen camsı geçiş sıcaklığı, (Tg), PAlG1, PAlG2, PAlG3, PAlG4 için sırasıyla 194, 196, 199 ve 200 °C olarak bulunmuştur.
PAlAm, PAlG1, PAlG2, PAlG3, PAlG4 için yapılan minimum inhibisyon konsantrasyonu (MİK) çalışmalarında PAlAm?ün polimerik yapılar arasında en yüksek etkinliğe sahip olduğu görülmüştür. PAlG yapılarında ise etkinliğin artan dönüşüm ile azaldığı gözlenmiştir. Bakteriyel tutunma çalışmalarında polimerlerin MİK belirleme çalışmasında alınan sonuçlardan farklı davranış gösterdiği gözlenmiştir. MİK sonuçlarında Staphylococcus aureus (S. Aureus) bakterisine karşı PAlAm, PAlG1, PAlG2, PAlG3 ve PAlG4 için alınan sonuçlar sırasıyla 4, 16, 32, >1024, >1024 ?g/mL iken nitroselüloz yüzeyine uygulandıklarında oluşan koloni sayıları kontrol grubuna göre logaritmik olarak PAlAm, PAlG3 ve PAlG4 için yaklaşık olarak 2,2 kat PAlG2 için 2,3 kat PAlG1 için ise 5,4 kat azalmıştır.

Anahtar Kelimeler: Antimikrobiyal polimerler, Guanidin, Polimer modifikasyonu.

Abstract:
Presence of bacteria and fungi is one of the main problems encountered in the field of pharmaceuticals, medical devices, water refinement systems, surgery equipment, textile or food packaging. Compounds with low molecular weight having antimicrobial properties have disadvantages such as toxicity and short term antibacterial behaviour. For this reason, avoiding the toxicity and long term antibacterial behaviour are targeted by the addition of low molecular weight antibacterial agents to polymers. Because the bacteria have the ability to develop resistance against antibacterial compounds, it is an open area for research and synthesis of new antibacterial compounds.
In this work, poly(allylamine hydrochloride) (PAIAm) was modified over its amine group with different equivalents of cyanamide (1:1.2, 1:1.8, 1:2.6, 1:5.2), and poly(allylguanidine hydrochloride) (PAIG) was obtained at different percent conversions. N% values were obtained by elemental analysis and conversion ratio calculated as 45, 71, 98 and 121% for the compounds PAlG1, PAlG2, PAlG3, PAlG4, respectively. 
Synthesized compounds were also characterized by using FT-IR, FT-Raman, 1H NMR and 13C NMR techniques. Results show that PAIAm was converted to PAIG. Bands at 1760 and 1705 cm-1 in  FT-IR and FT-Raman spectra belongs to ?C(NH)2+Cl- and C=N bonds and the band at 1150 cm-1 in the FT-IR spectrum belongs to C-N-C bond. These bands show the conversion to guanidine structure. 1H NMR analysis in d-DMSO show that the conversion of the protons of primary and secondary amine and the protons of imine within guanidine structure. According to these results, peak intensity of protons of primary amine in PAIAm structure was decreased by increased conversion as the peak intensity of protons of PAIG4 disappeared. Peaks due to guanidine carbons were observed at 160 ppm. 
Measurements of free chloride ion amount in PAlAm, PAlG1, PAlG2, PAlG3, PAlG4 solutions were achieved using Chloride Electrode. Results showed that, 1mg/mL of polymer solution of PAIAm has approximately 10% of free chloride ion. PAIG structures have shown nearly a three-fold increase and amounts were recorded as 27.3, 27.9, 29.0 and 31.8 for PAlG1, PAlG2, PAlG3, PAlG4, respectively.
Dynamic Light Scattering (DLS) method was used to investigate the effect of increased conversion ratio of guanidine on polymer behavior in solutions of PAlAm, PAlG1, PAlG2, PAlG3, and PAlG4. Size of small coils increased with conversion for PAlG1, PAlG2 and PAlG3 while decreasing for PAIG4. Zeta potentials were measured to understand the effect of charge on polymer chains to coil structure. Zeta potentials were recorded as 18.6, 45.8 and 23.7 mV for PAIAm, PAIG1 and PAIG4, respectively.
Thermal stabilities of PAlAm, PAlG1, PAlG2, PAlG3, PAlG4 structures were determined using thermogravimetric analysis (TGA) method. PAIG thermograms showed that first step includes decrease in both the mass and the initial temperature. It is thought that, this result is due to the increase in the hydrophobic character of PAIG structure as the number of guanidine groups increased. Differential Scattering Calorimetry (DSC) analysis showed that, glass transition temperature (Tg) for PAIAm is 222 °C and 194, 196, 199 and 200 °C for PAlG1, PAlG2, PAlG3, PAlG4, respectively. According to the Minimum Inhibitory Concentration (MIC) studies for PAlAm, PAlG1, PAlG2, PAlG3, PAlG4, the maximum effectiveness was determined for PAIAm among the structures. In addition, effectiveness in PAIG structures decreased as the conversion increased. Furthermore, adherence study results showed that polymers have different behaviours in contrast to the MIC studies. According to MIC results, 4, 16, 32, >1024, >1024 ?g/mL measurements on S. Aureus were recorded for PAlAm, PAlG1, PAlG2, PAlG3 and PAlG4, respectively. On the nitrocellulose surface in contrast, number of colonies formed were decreased ~2.2 -fold for PAIAm, PAIG3 and PAIG4, ~2.3 -fold for PAIG2 and ~5.4 -fold for PAIG1 logarithmically.

Keywords: Antimicrobial polymers, guanidine, modification of polymer