Flutamıde molekülünün yapısal özellikleri ve titreşimsel spektrumlarının analizi
Structural properties of flutamide molecule and analysis of its vibrational spectra
Yazar: CANSU ARMAN
Danışman: PROF. KUBİLAY BALCI
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı / Atom ve Molekül Fiziği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Ab initio = Ab initio ; Infrared spektroskopi =   ; Moleküler analiz = Moleküler analysis ; Moleküler yapı = Molecular structure ; Moleküler özellikler = Molecular properties ; Titreşim frekansı = Vibrational frequency ; Titreşim spektroskopisi = Vibration spectroscopy ; Titreşim spektrumu = Vibrational spectrum ; Yoğunluk fonksiyonu = Density function

Özet:
Bu tez çalışmasında, flutamide molekülünün kararlı konformerleri B3LYP/6-31G(d) teori düzeyinde "Potansiyel enerji yüzeyi taraması" olarak tanımlanan bir dizi sistematik geometri optimizasyonu hesaplamaları ile teorik olarak araştırıldı. Ardından, belirlenen konformerlerin herbirisi için farklı teori düzeylerinde "geometri optimizasyonu" ve "Hessian (harmonik frekans)" hesaplamaları gerçekleştirildi. HF-SCF, MP2 ve DFT-B3LYP hesaplama yöntemleri, 6-31G(d), 6-311++G(d,p), m-aug-cc-pvTZ ve aug-cc-pvTZ baz fonksiyonlarının kullanıldığı bu sistematik hesaplamalar ile molekülün kararlı oldukları doğrulanan beş konformerinin bağıl enerjileri teororik olarak belirlendi. Elde edilen sonuçlar molekülün tüm kararlı konformerlerinde fluoromethyl (CF3) ve nitro (NO2) gruplarının birbirlerine göre "gauche" pozisyonda konumlandığını, bu iki fonksiyonel grubun "trans" pozisyonlarının molekülün kararsız durumlarına, "cis" pozisyonlarının ise molekülün geçiş durumlarına karşılık geleceğini göstermiştir.
Flutamide molekülünün belirlenen herbir kararlı konformeri için "Elektronik (SCF) enerji", "Toplam enerji", "Elektriksel dipol moment", "İyonlaşma potansiyeli", "Elektron ilgisi", "Elektro-negatiflik" ve "Kimyasal sertlik" gibi bazı önemli elektronik yapı parametreleri, denge durumu geometri parametreleri ve titreşimsel spektral verileri (titreşimsel modlar ve karşılık gelen titreşimsel dalga sayıları, Kırmızı-Altı (IR) şiddet değerleri, Raman şiddet değerleri ve Potansiyel enerji dağılımı değerleri) teorik moleküler modelleme hesaplamalarıyla yüksek bir doğrulukla elde edildi. Hesaplama sonuçları molekülün kararlı konformerlerinden ikisinin onun oda sıcaklığında kaydedilecek olan deneysel spektrumlarına ağırlıklı katkıyı sağlayacağına işaret etmiştir.
Tez çalışmsının deneysel kısmı flutamide molekülünün Kırmızı-altı (IR) ve Raman spektrumlarının oda sıcaklığında kaydedilmesi süreçlerinden oluşmaktadır. Katı ve KBr disk formda ayrı ayrı hazırlanan örneklerin IR ve Raman spektrumları araştırma laboratuvarımızda bulunan Jasco 6300 model FT-IR, Brucker MultiRAM model FT-Raman ve Jasco NRS 3100 model Dispersif Mikro-Raman spektrometre cihazları kullanılarak en yüksek çözünürlük değerlerini elde edecek biçimde kaydedilmiştir.
Teorik hesaplamalaradan elde etmiş olduğumuz sonuçlar, flutamide molekülün sahip olduğu beş kararlı konformerden yalnızca ikisinin bu molekülün oda sıcaklığında ve daha düşük sıcaklıklarda kaydedilen titreşimsel spektrumlarına ağırlıklı katkıyı sağlayacağına, bu sıcaklık değerlerinde diğer üç konformerin popülasyonlarının ortamdaki toplam molekül popülasyonunun %10 'undan daha düşük olacağına işaret etmiştir. Bunun anlamı, bu üç  konformerlerin molekülün kaydedilen spektrumlarına gözlenebilir bir katkı oluşturamayacaklarıdır. Bu souçlar göz önünde bulundurularak, flutamide molekülün oda sıcaklığında kaydedilen deneysel titreşimsel spektrumlarının analizi yalnızca molekülün belirlenen en kararlı iki konformeri için elde edilmiş olan hesaplama sonuçlarına dayandırılmıştır. Bu iki konformere ait titreşim modları ve ilişkili spektral veriler "Harmonik titreşici" yaklaşımı içinde yukarıda belirtilen method ve baz fonksiyon setleri kullanılarak farklı teori düzeylerinde hesaplandı. Bu yaklaşım içinde hesaplanan kuvvet alanı, dalgasayıları, IR ve Raman şiddet değerleri literatürde "SQM-FF" olarak adlandırılan ampirik bir ölçekleme tekniği kullanılarak iyileştirildi. Ayrıca, hesaplanan harmonik dalgasayıları literatürde "İkili ölçek çarpanı" olarak adlandırılan bir başka ampirik ölçekleme tekniği kullanılarak da doğrudan ölçeklendirildi.
İki ayrı amprik ölçekleme tekniği ile iyileştirilen teorik titreşimsel spektral veriler temel alınarak, molekülün oda sıcaklığında kaydedilen IR ve Raman spektrumlarında gözlenen tüm temel bandlar için doğru bir işaretleme gerçekleştirildi.

Abstract:
In this thesis study, the stable confomers of flutamide molecule were theoretically searched through a series of systematic geometry optimizations referred to as "Flexible Potential Energy Surface Scan". Afterwards, "geometry optimization" and "Hessian (harmonic frequency)" calculations were performed at different levels of theory for each of the determined stable conformers. The relative energies of the five conformers of the molecule, whose stabilities were confirmed, were theoretically determined through these systematical calculations, in which the HF-SCF, MP2 and DFT-B3LYP calculation methods and the 6-31G(d), 6-311++G(d,p), m-aug-cc-pvTZ and aug-cc-pvTZ basis sets were used. The optained results have shown that in all the stable conformers of the molecule, the fluoromethyl (CF3) and nitro (NO2) groups locate at "gauche" position to each other, and that the "trans" positions of these two functional groups correspond to the unstable states of the molecule, while their "cis" positions correspond to the transition states of the molecule.
For each of the determined stable conformers of flutamide molecule, some important electronic structure calculations such as "Electronic energy (SCF energy)", "Total energy", "Electrical dipole moment", "First ionization energy", "Electron affinity", "Electronegativity" and "Chemical hardness", the equilibrium optimized geometry parameters and vibrational spectral data (vibrational modes and corresponding vibrational wavenumbers, Infrared (IR) intensity values, Raman intensity values and Potential energy distribution values) were optained with a high accuracy by means of theoretical molecular modelling calculations. The calculation results have indicated that two of the stable conformers of the molecule provide the largest contribution to its experimental spectra recorded at room temperature.
The experimental part of the thesis study consists of the processes of recording the Infrared (IR) and Raman spectra of flutamide at room temperature. The IR and Raman spectra of the samples prepared of solid and KBr disc forms were recorded by using Jasco 6300 model FT-IR, Brucker MultiRAM model FT-Raman and Jasco NRS 3100 model Dispersif Mikro-Raman spectrometers in our research laboratory so as to obtain the highest resolution values.
The results we obtained from the theoretical calculations have indicated that only two of the five stable conformers of flutamide molecule provide the major contribution to its vibrational spectra to be recorded at room temparature and lower temparatures and that the populations of the other three conformers at these temperature values should be lower than the 10% of the total population of the molecules in the medium. This means that these three conformers cannot povide a measurable contribution to the recorded spectra of the molecule. Considering these results, the analysis of the experimental vibrational spectra of flutamide molecule, which were recorded at room temparature, have been based on only the calculation results optained for the determined most stable two conformers of the molecule. The vibrational modes of these two conformers and the associated spectral data were calculated within the "Harmonic oscilator" approach at different levels of theory by using the methods and basis sets defined above. The force field, wavenumbers, IR and Raman intensity values calculated in this approach were refined by using an emprical scaling technique called "SQM-FF" in the literature. Also, the calculated harmonic wavenumbers were directly scaled by using another emprical scaling technique called "Dual Scaling Factors" in the literature.
A correct assignment for all the fundamental bands observed in the recorded room-temperature IR and Raman spectra of the molecule was achieved on the basis of the theoretical vibrational spectral data refined by using two different emprical scaling techniques.