ORGANİK KİMYADA SENTETİK METODOLOJİ ve BİTKİ KİMYASI

Transkript

1 ORGANİK KİMYADA SENTETİK METODOLOJİ ve BİTKİ KİMYASI (Kimya-2, Çalıştay 2011) ÇANAKKALE Prof. Dr. Mehmet AY 22/07/2011

2 ORGANİK KİMYADAKİ BAZI ÇALIŞMA ALANLARI Organik Sentezler Sentetik Organik Kimya Katalitik Reaksiyonlar Asimetrik Sentezler Organometalik Sentezler Endüstriyel Organik Kimya Fotokimya Yeşil Kimya Çevre Kimyası Elektroorganik Kimya Doğal Ürün Kimyası Sıvı Kristal Kimyası

3 ORGANOMETALİK KİMYA NEDİR? Organik Kimya (Karbon Kimyası) ve Anorganik Kimyanın (Metal Kimyası) arasında, her iki disiplini de kullanan bir ara disiplindir. Adından da anlaşılabilceği gibi yapı olarak sadece bir karbon-metal bağı yeterli olduğundan sentezlenebilecek bileşik sayısı milyondan fazladır. Organik kimyada sentezlenen ve Lewis bazı olarak davranabilen her karbon atomu herhangi bir Lewis asidi metal merkeze bağlanarak bir organometalik bileşik oluşturabilir.

4 ELEKTROFİLİK AMİNASYONUN ÖNEMİ Bir organik moleküldeki uygun C-H ve C-X bağları kolayca C-Mg bağına ve ardından da uygun bir aminasyon reaktifi ile C-NH 2 bağına dönüştürülebileceğinden organomagnezyum reaktiflerinin elektrofilik aminasyonu literatürde ilgi duyulan bir araştırma konusudur. Günümüze kadar karbanyonların elektrofilik aminasyonu için sp 2 -azotu veya sp3-azotu içeren çeşitli aminasyon reaktifleri geliştirilmiş ve değişik organometalik reaktiflerle reaksiyona sokulmuşlardır (Erdik ve Ay, 1987.

5 OKSİMLER Oksimler aldehit ve ketonların hidroksilaminle reaksiyonları sonunda oluşan, yapısında karbonazot çift bağı bulunan bileşiklerdir. Oksi ismi, oksiiminin kısaltmasıdır. Aldehitlerden elde edilmişşse; aldoksim Ketonlardan elde edilmişşse; ketoksim olarak adlandırılırlar.

6 Oksim bileşikleri; Şelat oluşturma Biyolojik olarak parçalanabilme Oksijen tutma özellikleri ve Biyolojik ve fotokimyasal reaksiyonlardaki farklı etkinlikleri ile tanımlanmaktadırlar.

7 Aril magnezyum bromürlerin aseton O-(2,4,6 trimetilsülfonil) oksim ile aminasyonu SONUÇ: En yüksek arilamin verimi %10 CuCN ile oda sıcaklığında 3 saatte ve aminasyon reaktifinin iki katı mol oranında 4- anisil magnezyum bromür kullanılarak elde edilmiştir.

8 Yaptığımız çalışmanın değerli olması için, diğer yöntemlere göre bir üstünlüğünün olması şarttır!!

9 Karbanyonların Elektrofilik Aminlenmesi N-Haloaminlerle O-alkilhidroksilaminlerle Hidroksilamin-O-sülfonik asitle O-arilhidroksilaminlerle ve O-açilhidroksilaminlerle O-sülfonilhidroksilaminlerle O-fosfinilhidroksilaminlerle Azidlerle Oksimlerle Arendiazonyum tuzları ile Dialkilazodikarboksilatlarla Aminlerle

10 Yapılan Çalışmada; Fenil magnezyum bromürün aminlenmesi için bir dizi orto-sübstitüe ketoksim kullanılmış ve iyi bir amino transfer reaktifi olan asetoksim o-mesitilensülfonat(9g) elde edilmiştir. R 2 C=N-O-X..ketoksim Genel Reaksiyon:

11 9g, R= CH 3 ; X= 2,4,6- (CH 3 ) 3 C 6 H 2 SO 2 h, R= C 6 H 5 ; X= 2,4,6- (CH 3 ) 3 C 6 H 2 SO 2 i, R= CH 3 ; X= 4-CH 3 C 6 H 4 SO 2 j, R= C 6 H 5 ; X= CH 3 k, R= C 6 H 5 ; X= Si(CH 3 ) 3 Amin oluşumunda verim; 9g>9h>9i>9j>9k sırasındadır.

12 Aril Grignard reaktiflerinin aminleşmesinde en yüksek verim ile amin elde edildiğinden dolayı 9g kullanılmış ve değişen her R grubu için reaksiyon koşulları optimize edilmiştir.

13 Katalizör olarak Cu(I) iyodür kullanılmış ve reaksiyon süresi azaltılmıştır. SONUÇ: C-N bağı oluşturmak için yaygın olarak nükleofilik gerçekleşen bir tepkime, elektrofilik olarak gerçekleşmiştir. Karbon nükleofillerinin sayısının milyonları aştığını söylerken azot nükleofillerinden kaynaklanan sınırlamanın ortadan kalktığı belirgindir. Hem yöntem hem reaktif geliştirilmiştir!!!

14 ORGANİK SENTEZDE YEŞİL KİMYASAL YÖNTEMLER ve UYGULAMALARI Yeşil Kimya 12 ilke üzerine oturtulmuş, mevcut kirlilik sorunlarını ortadan kaldıracak çözümleri içine alan, yeni bir akımdır. Kimyasalların tasarımı, üretimi ve kullanımı sırasında ve sonrasında ortaya çıkacak kirlilikleri eleyen ve azaltan yenilikli teknolojileri teşvik etmektir

15 YEŞİL KİMYANIN 12 İLKESİ 1. Atığa Engel Olma 2. Güvenli Kimyasal ve Ürünlerin Tasarımı 3. Daha Az Zararlı Sentez Tasarımı 4. Yenilenebilir Hammadde Kullanımı 5. Yan Ürünlerden Kaçınır 6. Güvenli Çözücülerin Kullanımı ve Reaksiyon koşulları

16 YEŞİL KİMYANIN 12 İLKESİ 7. Minimum Kaza Potansiyeli 8. Kirliliği Korumak İçin Zamanında Analiz 9. Kimyasal Tasarımı, Daha Sonra Kullanılması İçin Ürünler 10. Enerji Etki Artışı 11. Maksimum Atom Ekonomisi 12. Katalizör Kullanımı

17 YEŞİL KİMYA NİÇİN ÖNEMLİDİR? Atığın Maliyeti Atık Reaktiflerin Maliyeti Atık Uzaklaştrımanın Maliyeti Düzenlemedeki Oluşum Maliyeti

18 YEŞİL KİMYA TEKNİKLERİ -Yeşil Reaktifler -Sulu faz reaksiyonlar -Çözücü-bağımsız reaksiyonlar -Katı faz organik sentez -İyonik sıvılar içinde reaksiyonlar -Geri dönüşümlü ham maddeler -Biyobozunabilir ürünler -Atom etkili reaksiyonlar -Kovalent olmayan türevlendirme -Biyokataliz -Polimer destekli reaktifler -Koruyucu gurupların kullanılması -Enzim ortamlı reaksiyonlar -Çevresel işleme -Mikrodalga- uyarılmış reaksiyonlar -Süper kritik akışkan -Mikrobiyal oksidasyonlar

19 GELECEĞİN EN İYİ KİMYASAL SÜREÇLERİ 1.TÜRE GÖRE İŞLEMLER 2.AZ ADIM/EN AZ ATIK 3.DOĞAL GÜVENLİK 4.ÇOK SAYIDA KATALİZ 5.KÜÇÜK BOYUTLU REAKTÖRLER 6.%100 ÜRÜN 7.BİRLEŞTİRİLMİŞ İŞLEMLER 8.KATALİTİK ARDARDA İŞLEMLER

20

21 ASİT KATALİZLİ REAKSİYONLAR Asit katalizli kimyasal, farmasötik ve endüstrilerin bütün sektörleri içinde uygulamalar ile geniş bir kullanıma sahiptir. Oldukça geniş etkili işlemlerin olduğu petro-kimya endüstrilerinde büyük ölçüde kullanılır. Alışılmış birçok sıvı faz organik reaksiyonları H 2 SO 4, HF gibi güçlü BrØnsted asitleri ve çözünür AlCl 3 ve BF 3 gibi Lewis asitleri tarafından katalizlenmiştir.

22 Asitlerin önemli üstünlükleri; Ucuz Kolayca kullanabilir Çok aktif Zayıf yönleri; Organik ürünlerden zor ayrılırlar Kullanımları tehlikeli atıkların geniş hacimlerini etkiler

23 Benzolizasyon ve sülfonilasyon içeren Friedel-Crafts açillemeleri asit-katalizli reaksiyonlaın geniş örneklerine sahiptirler. Keton ürününün her molekülü, katalizörün bir molekülü ile kompleks oluşturur, etkin bir şekilde reaksiyondan uzaklaştırılır.

24 KISMİ OKSİDASYONLAR Organik moleküllerin (hidrokarbonlar gibi) kısmi oksidasyonu çeşitlidir. Farmasötikler, tarım kimyasalları ve monomerlerin üretimini içeren kimyasal endüstrilerde ve uygulamaları ile kimyanın geniş bir alanında kullanılır.

25 Krom (IV) üzerine esaslı tipik bir kısmi oksidasyon işlemi için hammaddeler Krom (IV) üzerine esaslı bir işlemden ürün kazanımı ve işleyişi Kullanılan krom, sodyum ve kükürt son üründe görünmemektedir.

26 Orta dereceli sıcaklıklarda meydana gelen reaksiyon olanağı için bir katalizör gereklidir. Böylece ideal kısmi oksidasyon işlemlerinde, reaktör içine organik substrat, hava ve küçük bir miktar katalizör eklenir. Hava ve katalizör kullanılarak ideal kısmi oksidasyon Ürün gelişimi ve işleyiş İdeal bir süreci basit, temiz ve verimli tutmak aktif ve seçici bir katalizör gerektirir.

27 Oksidan olarak hava (oksijen) yeşil katalitik oksidasyonun güzel bir örneğini sergiler. Sulu faz içinde oksijenin yeterli derişimini sağlamak için bar havaya ihtiyaç vardır.

28 Organik Sentezler İçin Yeşil Çözücüler Organik bileşiklerin üretiminde açığa çıkan atıkların başlıcalarını inorganik tuzlar oluşturur. Kimya Endüstrisinde kullanılan ve petrol türevi olan çözücü kullanımı oldukça yüksektir. Özellikle iyi kimyasallar ve farmasötik üretim, modası geçmiş tekniklerle yayılmıştır. Metallerle ( Na, Mg, Zn, Fe) ve metal hidrür reaktifleriyle ( LiAlH 4, NaBH 4 ) stokiyometrik indrigemeler, Permanganat, mangan dioksit ve krom(vi) reaktifleri ile yükseltgemeler

29 Reaksiyon Ortamı Seçeneği Poli(etilen glikol) (PEG) ve poli (propilen glikol) (PPG), katalitik süreçlerde yeni çözücüler olarak ilgiyi çekmişlerdir. Her ikisi de pahalı olmayan ve kolayca kullanılabilir maddelerdir. Toksik değildirler ve bakterilerle ayrışabilirler (geri dönüşümlü)

30 Reaksiyon Ortamı Seçeneği ve Çoklu Faz Katalizleri Reaksiyon ortamının temeli katalizörün tekrar kullanımı ve elde edilebilirliği ile ilişkilidir Çevresel ve ekonomik olmalıdır (katalizörlerin çoğu pahallı metaller ve ligantlar içerir) Eğer katalizör çözünmez bir katı ise, bu bir heterojen katalizör, kolayca santrifüj ve süzme ile ayrılabilir Eğer homojen katalizör ise reaksiyon ortamında yok olur, homojen katalizörlerin yüksek aktiviteleri ve seçicilik avantajları büyüktür.

31 Sulu İkili Faz Katalizi Katalizörün su fazı içinde bulunması ve ürünün organik faz içinde çözünmesi vasıtasıyla katalizörün basit yöntemle faz ayrılması ile geri kazanılması ve kullanılmasına olanak sağlar. Propilenin n-bütanole hidroformilasyonu için Ruhrchemie/Rhone-Poulenc yöntemi örneklendirilmiş.

32 Organometalik komplekslerin yeni uygulamaları hidrojenesyon için Joo ve arkadaşları, hidroformilasyon için Kuntz tarafından yapılmıştır. Daha sonra su içinde palladyum (Pd) katalizörlüğünde karbonilleme ilgilerini çekmiştir. Sonunda Pd(0) rodyum-tppts kompleksine 8 gün oda sıcaklığında bekletilerek dönüştürülmüştür. Bu fosfin oksit bağlı Pd(Tppts) 3 ün oluşumuyla sonuçlanmıştır.

33 Bu şartlarda 5 dk da %100 ürün elde edilmektedir. Bundan karbonilasyon katalizörü, sulu ortam içinde CO ile ligand ve bir Pd(II) tuzu karışımı tarafından hızlıca oluşmaktadır. Hidroksimetil furfural ın karbonilasyonu için bir Bronsted asit varlığında Pd(tppts) 3 kompleksi.

34 Aynı yöntem I-(4-izobütilfenil)etanol ün karbonillenmesinde ibuprofen ve benzil alkolün fenil asetik asite dönüşümü içinde gösterilmiştir. Pd-tppts fenil asetik asitin sentezi Kohlpaintner ve Beller (Hoechst) tarafından geliştirilmiştir.

35 BİYOKATALİZ Biyokatalizin yeşil kimyadaki çekici özellikleri, Ilıman reaaksiyon koşulları (ph ve sıcaklık) Çevresel uyumlu bir katalizör (enzim) ve çözücü (genellikle su) çoklu fonksiyonel moleküller içinde yüksek aktiviteler, Regio- ve stereo- seçicilikleri ile birleştirilmiştir. Yarı sentetik penisilin ve sefalosporin antibiyotikleri için anahtar hammadde ; 6-aminopenisinilik asit (6-APA), Penisilin G nin hidrolizi yolu ile üretilmiştir.

36 Biyokatalitik proses içinde anahtar enzim oksidazdır. Diğer bir enzim sınıfı alkollerin katalizlenmesini sağlayan alkol dehidrojenazdır. Son zamanlarda yüksek enantiyo seçimli alkol dehidrojenaz geniş substrata özgü etki gösterir ve tüm organik çözücüler ile kullanılabilir. Rhodococcus ruber denayrılmıştır.

37 İYONİK SIVILAR Tam olarak basit sıvılardır ve iyonların tümüyle birleşebilirler. Organik katyonların tuzlarıdır. (tetraalkilamonyum, alkilpiridinyum, 1,3-dialkilimidazolyum, tetraalkifosfonyum) Oda sıcaklığında yeşil katalitik reaksiyonlar için etkili ortam sağlayan kesin özellikler sergiler. Polarite ve hidrofilik/hidrofobiklik katyon ve anyonun kararlı birleşimi tarafından ayarlanabilir. İyonik sıvılar için son 5 yıldır organik sentezlerde ortam olarak çalışılmaktadır.

38 Susuz iyonik sıvılar içinde Candida antacrtica lipaz B (Nov 435) katalizli dönüşüm.

39 ADİPİK ASİT SENTEZİ İÇİN YEŞİL METOD Siklohekzanon veya siklohekzanolden adipik asitin sentezi için KMnO 4, CrO 3 ve KO 2 oksidanlarından yararlanılır ( zararlı ve pahalı bileşikler). Siklohekzanonun adipik asite O 2 ile katalitik oksidasyonu geliştirilmiştir. Reaksiyon, çözücü olarak HMPA veya asetik asit gerektirir. Yoko Usiu ve Kazuhiko Sato, Green chemistry,2003,5, 373

40 MİKRODALGA (MW) IŞINLAMA Üstünlükler; Çok hızlı reaksiyonlar gerçekleşir (birkaç dk.) Basınç etkileri ile birleştirilmiş yüksek ve homojen sıcaklıklar tarafından alınır. Yüksek saflık derecesinde ürünler. Ürünler genelde verimlidirler, kısa zamanda elde edilir yılları boyunca uygulamaların artışı, organik sentez işlemlerini (heterosiklik, organometalik, radyo ve fotokimya) geliştirmiş

41 Asetal ve Dioksanların Oluşumu Loupy ve arkadaşları verimli bir şekilde plastik bir kil üzerine aldehit ve laktonun adsorplanması vasıtasıyla reaksiyon karışımının mikrodalga irradyasyonuna maruz kalmasının takibinde 1-galakton-1,4-laktonun asetalını hazırlamışlardır. Humelin ve arkadaşları 1,2-etandithiol veya 2,2- dimetil-1,3-dioksolan kullanarak asetaller ve dioksolonlar gibi aldehit ve ketonları başarılı bir şekilde korumuşlardır. Bu asit katalizli reaksiyon çözücüden bağımsız şartlar altında p-toluensülfonikasit (PTSA) veya KSF kilinin varlığında gerçekleşir.

42 OKSİDASYON REAKSİYONLARI Enaminlerin oksidasyonu: Çözücüden serbest koşullar altında Hamellin in grubu β,β-disübstitüe enaminler karbonil bileşiklerine KMnO 4 -AL 2 O 3 ile MW fırınlarda (330 W, ) başarılı bir şekilde oksitlenir. Permanganat (KMnO 4 ) alumina ile arenlerin oksidasyonu: KMnO 4 emdirilmiş alümina mikrodalga kullanılarak dk da arenleri ketonlara indirger.

43 KONDENZASYON REAKSİYONLARI İmin, enamin ve nitroalkenlerin sentezi: p-toluensülfonikasit (PTSA), titanyum (IV) klorür ve montmorilonite K10 kili ile otamdan suyun azeotropik uzaklaştırılmasıyla sentezlenebilirler.

44 İNDİRGEME REAKSİYONLARI NaBH 4 ile heterojen reaksiyon içinde temel dezavantaj 5 gün gibi uzun bir zaman gerektirir. Bu geliştirilen teknikle katı faz içinde mikrodalgalar kullanılarak hızlı bir şekilde indirgeme gerçekleştirilmiştir.

45 BİTKİ KİMYASI Tüm dünyada olduğu gibi ülkemizde de bitkiler tedavi amaçlı olarak halk arasında yıllardan beri kullanılmaktadır. Türkiye nin; Güney Avrupa ile Güneybatı Asya floraları( bitki örtüsü) arasında köprü olması, farlı iklim koşullarına sahip olması florasında yetişen bitki tür ve cinslerinde çeşitliliğe yol açmıştır.

46 Avrupa ülkelerinde tespit edilen yaklaşık bitki türü yanında yurdumuzda den fazla yakın farklı doğal bitki örtüsü takılmaktadır ve bunların %30 u endemiktir. Ancak bu bitki zenginliğinden yeterince faydalanılamamaktadır.

47 BİTKİ METABOLİTLERİ Birincil Metabolitler: Bitkinin yaşamsal faaliyetlerini sürdürmesi için gereklidir. ( Karbonhidrat, yağ, protein, mineal) İkincil Metabolitler: Sadece özel, farklılaşmış hücrelerde bulunurlar. Bitki için gerekli olmamakla beraber bütünüyle faydalıdırlar. Örneğin, çiçek pigmentleri ve esanslar kararlılık verici, dengeleyici maddelerdir. Morfolojik, kimyasal ve bitkide bulundukları yere göre değişiklik gösterirler.

48 BİTKİ NASIL ANALİZ EDİLİR? Literatür taraması Bitkinin toplanması Tanımlanması Kurutulması Öğütülüp özütlemeye hazır hale getirme Biyolojik aktivite testleri ( Antioksidan, antitümör, antiinflamatuar vb.) Ayırma ve saflaştırma işlemleri Etken maddenin belirlenmesi Spektroskopik analizler

49 Pistacia terebinthus (menengiç) bitkisinin antioksidan özütlerinden yeni bir flavon Sakız ağacıgiller familyasından Akdeniz bölgesine özgü yaprak döken bir çalı türü. Çanakkale-Kepez den toplanan bitki materyalinin meyvelerinin aseton ve metanol özütleri elde edildi, toplam fenolik ve flavonoid bileşenleri incelendi Yeni bir flavonoid bileşiği ayrılıp saflaştırıldı.

50 SONUÇ: Pistacia terebinthus bitkisi standart antioksidan bileşikler olarak kullanılan kersetin ve a-tokoferol gibi fenolikler ve flavonoidleri içerdiğinden dolayı önemli doğal antioksidan kaynağı olarak araştırmalarda kullanılabileceği önerilmiştir. G. Topçu*, M. Ay, A. Bilici, C. Sarıkürkçü, M. Öztürk and A. Ulubelen, A new flavone from antioxidant extracts of Pistacia terebinthus, Food Chemistry, 2007, 103(3),

51 TEŞEKKÜRLER