POLĐ(1-AZOBĐSĐKLO[4.2.0] OKTAN) VE TÜREVLERĐNĐN SENTEZĐ VE KARAKTERĐZASYONU

YILDIZ TEKNĐK ÜNĐVERSĐTESĐ FEN BĐLĐMLERĐ ENSTĐTÜSÜ POLĐ(1-AZOBĐSĐKLO[4.2.0] OKTAN) VE TÜREVLERĐNĐN SENTEZĐ VE KARAKTERĐZASYONU Kimyager Erdem KARABULUT FBE Biyomühendislik Anabilim Dalında Hazırlanan YÜKSEK LĐSANS TEZĐ Tez Danışmanı : Yrd. Doç. Dr. Zeynep AKDESTE (YTÜ) ĐSTANBUL, 2007

ĐÇĐNDEKĐLER Sayfa SĐMGE LĐSTESĐ...iv KISALTMA LĐSTESĐ... v ŞEKĐL LĐSTESĐ...vi ÇĐZELGE LĐSTESĐ...xi ÖNSÖZ...xii ÖZET...xiii 1. GĐRĐŞ... 1 2. GENEL BĐLGĐLER... 3 2.1 Polielektrolitler... 3 2.1.1 Homopolielektrolitler... 3 2.1.2 Poliamfolitler... 7 2.2 Đyonik Polimerizasyon... 10 2.2.1 Đyonik Polimerizasyona Uygun Monomerler... 12 2.2.2 Anyonik Polimerizasyon... 14 2.2.3 Anyonik Polimerizasyon Mekanizması... 15 2.2.4 Katyonik Polimerizasyon... 22 2.2.5 Katyonik Polimerizasyon Mekanizması... 22 2.3 Katyonik Halka Açılması Polimerizasyonu... 28 2.4 Polimerlerde Molekül Kütlesi... 34 2.4.1 Sayıca Ortalama Molekül Ağırlığı... 35 2.4.2 Ağırlıkça Ortalama Molekül Ağırlığı... 35 2.4.3 z-ortalama Mol Kütlesi... 36 2.4.4 Molekül Kütlesi Dağılımı... 36 2.5 Mark-Houwink-Sakurada Eşitliği... 37 2.6 Polimerlerde Boyut... 38 2.7 Kullanılan Ölçüm Yöntemleri... 38 2.7.1 UV-VIS Spektroskopisi... 38 2.7.2 Moleküler Eleme Kromatografisi... 39 2.7.3 FT-IR Spektroskopisi... 40 2.7.4 Ultrasantrifüj Yöntemi... 41 3. DENEYSEL KISIM... 43 3.1 Kullanılan Cihazlar ve Kimyasal Maddeler... 43 3.1.1 Kullanılan Cihazlar... 43 3.1.2 Kullanılan Kimyasallar Maddeler... 44 3.2 Sentezde Kullanılan Çözücülerin Kurutulması ve 2-(2-hidroksietil)piperidin in Vakum Destilasyonu... 45 3.3 2-(2-kloroetil)piperidin hidroklorür Tuzu Sentezi... 45 3.4 1-Azobisiklo[4.2.0]oktan (konidin) Polimerizasyonu... 47 3.5 Poli(1-azobisiklo[4.2.0]oktan) Polimerinin Bromoasetik Asit (BrAcOH) Đle Modifikasyonu... 49 ii

3.6 Poli(1-azobisiklo[4.2.0]oktan) Polimerinin Bromoasetik Asit Türevinin MCF 7 Meme Kanseri Hücrelerine Etkisi... 49 3.7 Kullanılan Çözeltiler... 50 3.8 UV Spektroskopisi Ölçümleri... 50 3.9 Dört Dedektörlü Moleküler Eleme Kromatografisi Ölçümleri... 50 4. DENEY SONUÇLARI... 52 5. SONUÇLAR ve TARTIŞMA... 86 KAYNAKLAR... 94 ÖZGEÇMĐŞ... 95 iii

SĐMGE LĐSTESĐ g Gram M Molar mg Miligram ml Mililitre M w Kütlece ortalama molekül ağırlığı M n Sayıca ortalama molekül ağırlığı M z Z ortalama molekül ağırlığı a, K Mark-Houwink sabitleri R h Hidrodinamik yarıçap R g Dönme yarıçapı A Absorbans %T Yüzde geçirgenlik cm -1 Dalga sayısı (frekans) Da Dalton [η] Đntrinsik viskozite η Viskozite n Mol nm Nanometre L Litre C Santigrat derece µm Mikrometre Å Angström µl Mikrolitre iv

KISALTMA LĐSTESĐ AlCl 3 Alüminyum klorür SnCl 4 Kalay (IV)klorür BF 3 Bor triflorür TiCl 4 Titanyum klorür R-X Alkil halojenür NaOH Sodyum hidroksit HA Kuvvetli protonik asit H 2 SO 4 Sülfürik asit ZnCl 2 Çinko klorür I 2 Đyot molekülü Cu + Bakır (I) iyonu H 2 O Su -R Alkil grubu HBr Hidrojen bromür FT-IR Fourier-transform infrared spektroskopisi CaO Kalsiyum oksit MTT 3-(4,5-dimetiltriazol-2-il)-2,5-difeniltetrazolium bromür DMSO Dimetilsülfoksit DIEA Diizopropil etanolamin CaCl 2 Kalsiyum klorür CaSO 4 Kalsiyum sülfat BrAcOH Bromoasetik asit SOCl 2 Tiyonil klorür CHCl 3 Kloroform EtOH Etil alkol S Sedimentasyon katsayısı D Difüzyon katsayısı KOH Potasyum hidroksit CH 3 COOH Asetik Asit e.n. Erime noktası k.n. Kaynama noktası HCl Hidroklorik Asit NaCl Sodyum klorür PAA Poliakrilik Asit PSS Poli(sodyum stiren sülfonat) SEC Moleküler eleme kromatografisi UV Ultra Violet ZE Polimer Kodu v

ŞEKĐL LĐSTESĐ Şekil 2.1 (a) poli(vinilpiridinyum), (b) sodyum polistiren sülfonat, (c)poli(diallildimetilamonyum klorür) (Dautzenberg vd., 1994)... 3 Şekil 2.2 Poli(akrilik asit)in sulu çözeltideki dissosiyasyonu... 4 Şekil 2.3 Đki sentetik polielektrolitin kimyasal yapısı. Soldaki yapı poli(sodyum stiren sülfonat) (PSS) ve sağdaki ise poli(akrilik asit)tir (PAA). Her ikisi de negatif yüklü polielektrolitlerdir. PSS kuvvetli bir polielektrolitken PAA zayıf bir polielektrolittir [1]... 4 Şekil 2.4 (a) Đntegral tipe örnek olarak lineer poli(etilen imin) ve (b) asılı tipe örnek olarak poli(vinilamin)... 5 Şekil 2.5 Çözeltiye tuz ilavesi sonucu polielektrolit zincirinin yumak konformasyonunu alması [2]... 6 Şekil 2.6 Yüksüz polimerlerde ve polielektrolitlerde viskozite-derişim ilişkisi... 6 Şekil 2.7 Poliamfolitlerin ph cevabına bağlı olarak örnek yapıları... 8 Şekil 2.8 Maleik asit anhidrid ile N-metildiallilaminin kopolimerlerinin intrinsik viskozitesinin ph la değişimi (Dautzenberg vd., 1994)... 9 Şekil 2.9 Proteinlerin poliamit yapısı [3].... 9 Şekil 2.10 Çift bağın heterolitik kırılması... 12 Şekil 2.11 Poli(akrilonitril) ve poli(vinil klorür) ün radikalik aktif merkezlerinin rezonans kararlılığı... 12 Şekil 2.12 Poli(akrilonitril) de siyano gruplarının rezonans kararlılığına etkisi... 13 Şekil 2.13 Vinil eterlerin polimerizasyonunda elektron itici grupların katyonik aktif ucu rezonansla kararlı hale getirmesi.... 13 Şekil 2.14 C=O bağında yük dağılımı... 14 Şekil 2.15 Metakrilamit, etil metakrilat ve vinil asetat yapıları... 15 Şekil 2.16 Poli(metil siyanoakrilat) yapısı... 15 Şekil 2.17 Anyonik polimerizasyon mekanizması... 16 Şekil 2.18 Lityum-karbon bağının heterolitik parçalanması... 17 Şekil 2.19 Anyonik polimerizasyonda başlatıcıdan oluşan anyonun monomere bağlanması.... 17 Şekil 2.20 Doğrudan monomere elektron aktarımı ile olan başlatmada metalik sodyumun monomere elektron aktarması... 17 Şekil 2.21 Đki radikal-anyonun birleşerek dianyon oluşturması... 17 Şekil 2.22 Doğrudan monomere elektron aktarımı ile olan polimerizasyonda büyüme basamağı.... 18 Şekil 2.23 Anyonik polimerizasyonda büyüme basamağı.... 18 Şekil 2.24 Çeşitli yan grupların anyonik polimerizasyonun hızına olan etkisi... 18 Şekil 2.25 Suyun anyonik polimerizasyonu sonlandırması.... 18 Şekil 2.26 Naftalin ve sodyumdan negatif yüklü aktif merkezin oluşumu... 19 Şekil 2.27 Naftalin radikal-anyonunun monomere elektron aktarımı (Szwarc, 1956).... 19 Şekil 2.28 Đki radikal-anyonun birleşerek anyonik aktif merkezler oluşturması.... 20 Şekil 2.29 Stiren-bütadien (SBR) blok kopolimeri... 20 Şekil 2.30 Stiren-bütadien-stiren terpolimeri (SBS).... 21 Şekil 2.31 Karbonillerin anyonik polimerizasyonunda başlama adımı.... 21 Şekil 2.32 Karbonillerin anyonik polimerizasyonunda büyüme adımı... 22 Şekil 2.33 Đzobütilen, α-metil stiren ve N-vinil karbazol monomerleri.... 22 Şekil 2.34 Bazı asitlerin iyonlaşma reaksiyonları.... 22 Şekil 2.35 Protonun monomere aktarılarak ilk katyonik aktif merkezin oluşması... 23 Şekil 2.36 H 2 SO 4 in protonunu monomere aktarması.... 23 Şekil 2.37 Protonik asitlerin yüksek nükleofilik özellikteki anyonlarının katyonik polimerizasyonu durdurması... 23 vi

Şekil 2.38 Bazı kokatalizörlerin Lewis asitleri ile reaksiyonları.... 24 Şekil 2.39 Katalizör/kokatalizör oranının polimerizasyon hızına etkisi.... 24 Şekil 2.40 BF 3 ve suyun oluşturduğu katalizör/kokatalizör kompleksinin vinil monomeri ile başlama tepkimesi... 25 Şekil 2.41 Đyot molekülünün oluşturduğu katalizör/kokatalizör kompleksi.... 25 Şekil 2.42 Vinil monomeri için büyüme adımı... 25 Şekil 2.43 Katyonik polimerizasyona monomerdeki R gruplarının etkisi... 26 Şekil 2.44 Karşıt iyon türünün katyonik polimerizasyonun hızına etkisi.... 26 Şekil 2.45 Katyonik polimerizasyonda zincir transfer tepkimesi.... 26 Şekil 2.46 Katyonik polimerizasyonda monomere hidrür aktarımı... 27 Şekil 2.47 Katyonik polimerizasyonda karşıt iyona transfer tepkimesi... 27 Şekil 2.48 Nükleofilik bir karşıt iyonun katyonik aktif merkezle birleşerek polimerizasyonu durdurması... 27 Şekil 2.49 Aktif merkezlerin XA türü safsızlıklarla sonlanma reaksiyonu.... 28 Şekil 2.50 Formaldehitin BF 3 /su katalizör/kokatalizör sistemi kullanılarak katyonik polimerizasyonu... 28 Şekil 2.51 Heterosiklik ve vinil monomerlerin katyonik aktif merkezleri... 29 Şekil 2.52 Vinil monomerlerinin protonlanması... 29 Şekil 2.53 Halkalı eterlerde protonlanmayla oksonyum iyonlarının oluşumu... 29 Şekil 2.54 Halkalı eterlerin protonlanması ve büyüme reaksiyonu.... 30 Şekil 2.55 Protonik asitlerle başlamada denge reaksiyonu.... 30 Şekil 2.56 Nükleofilik anyonun katyonik halka açılması polimerizasyonunu sonlandırması.... 30 Şekil 2.57 Katyonik halka açılması polimerizasyonunda aktif merkezlerin ortamdaki nükleofillerle olan reaksiyonları.... 31 Şekil 2.58 Katyonik halka açılması polimerizasyonunda büyüme reaksiyonu... 32 Şekil 2.59 Katyonik halka açılması polimerizasyonunda zincir transferi... 32 Şekil 2.60 Katyonik halka açılması polimerizasyonunda zincir transferinden sonra aktif merkezin oluşması.... 32 Şekil 2.61 Katyonik aktif merkezin karşıt iyonla verdiği reaksiyon... 33 Şekil 2.62 Tersinir reaksiyonla karşıt iyonun polimer zincirinden ayrılması.... 33 Şekil 2.63 Azot içeren nükleofilik monomerin Br - iyonu ile yarışması... 33 Şekil 2.64 Zayıf nükleofil olan halkalı eterler monomerinin karşıt iyonla yarışması... 34 Şekil 2.65 Triflat iyonunun oksijen içeren halkalı monomer ile yer değiştirme reaksiyonu.34 Şekil 2.66 Katyonik halka açılması polimerizasyonunun büyüme adımı... 34 Şekil 2.67 Polimerlerde molekül ağırlığı dağılımı [1].... 36 Şekil 2.68 Işık, c konsantrasyonunda, b cm kalınlığında bir ortamdan geçerken, absorbsiyon nedeniyle şiddeti I 0 dan I ya düşmüştür.... 39 Şekil 2.69 Kolon kromatografisinde molekül büyüklüğüne göre ayrılma ve alıkonma zamanına göre oluşan kromatogram.... 40 Şekil 2.70 CH 3 OH daki gerilme ve eğilme titreşimleri.... 41 Şekil 3.1 Şekil 3.2 Şekil 3.3 2-(2-hidroksietil)piperidinden 2-(2-kloroetil) piperidin hidroklorür tuzunun sentezi.... 46 2-(2-kloroetil) piperidin hidroklorür tuzundan 1-Azobisiklo[4.2.0]oktan monomerinin sentezi... 47 Poli(1-azobisiklo[4.2.0] oktan) ın sentez basamakları (Mühlbach ve Schulz, 1988).... 48 Şekil 4.1 2-(2-hidroksietil) piperidin in FT-IR spektrumu.... 52 Şekil 4.2 2-(2-kloroetil) piperidin hidroklorür tuzu FT-IR spektrumu.... 52 Şekil 4.3 1-azobisiklo[4.2.0]oktan monomerine ait FT-IR spektrumu.... 53 vii

Şekil 4.4 Kloroform ortamında n başlatıcı /n monomer oranı 1/1000 olan polikonidine ait FT-IR spektrumu (başlatıcı CH 3 I).... 53 Şekil 4.5 Kloroform ortamında n başlatıcı /n monomer oranı 1/500 olan polikonidine ait FT-IR spektrumu (başlatıcı CH 3 I).... 54 Şekil 4.6 Kloroform ortamında n başlatıcı /n monomer oranı 1/2000 olan polikonidine ait FT-IR spektrumu (başlatıcı CH 3 I).... 54 Şekil 4.7 Metanol-1,4-dioksan karışımında n başlatıcı /n monomer oranı 1/2000 olan polikonidine ait FT-IR spektrumu (başlatıcı CH 3 I, M w =23067).... 55 Şekil 4.8 Metanol-1,4-dioksan karışımında n başlatıcı /n monomer oranı 1/2000 olan polikonidine ait FT-IR spektrumu (başlatıcı CH 3 I, M w =23662).... 55 Şekil 4.9 Metanol-1,4-dioksan karışımında n başlatıcı /n monomer oranı 1/2000 olan polikonidinin Bromoasetik asit ile reaksiyonunda elde edilen türeve ait FT-IR spektrumu (başlatıcı CH 3 I, M w =24334)... 56 Şekil 4.10 Metanol-1,4-dioksan karışımında n başlatıcı /n monomer oranı 1/2000 olan polikonidinin Bromoasetik asit ile reaksiyonunda elde edilen türeve ait FT-IR spektrumu (başlatıcı CH 3 I, M w =38572)... 56 Şekil 4.11 Metanol-1,4-dioksan karışımında n başlatıcı /n monomer oranı 1/2000 olan polimere ait FT-IR spektrumu (3 mol monomer/1 L çözelti, başlatıcı CH 3 I)... 57 Şekil 4.12 Metanol-1,4-dioksan karışımında n başlatıcı /n monomer oranı 1/2000 olan polimere ait FT-IR spektrumu (6 mol monomer/1 L çözelti, başlatıcı CH 3 I)... 57 Şekil 4.13 2-(2-hidroksietil) piperidin in UV spektrumu (306 nm A maks =0.321)... 58 Şekil 4.14 2-(2-kloroetil)piperidin hidroklorür tuzu (kırmızı) ve 1-azobisiklo[4.2.0]oktan monomerine (mavi) ait UV spektrumları... 58 Şekil 4.15 n başlatıcı /n monomer =1/1000 olan farklı başlatıcılar kullanılarak sentezlenen polikonidine ait UV spektrumları (a=metil iyodür, b=benzoil klorür, c=trimetilsilan bromür, d=t-butil bromür ile başlatılmıştır.)... 59 Şekil 4.16 Metanol-1,4-dioksan karışımında n başlatıcı /n monomer oranı 1/2000 olan polikonidinin Bromoasetik asit ile reaksiyonunda elde edilen türeve ait UV spektrumu (başlatıcı CH 3 I, M w =24334)... 60 Şekil 4.17 Metanol-1,4-dioksan karışımında n başlatıcı /n monomer oranı 1/2000 olan polikonidinin Bromoasetik asit ile reaksiyonunda elde edilen türeve ait UV spektrumu (başlatıcı CH 3 I, M w =38572)... 60 Şekil 4.18 Metanol-1,4-dioksan karışımında n başlatıcı /n monomer oranı 1/3000 olan polimere ait FT-IR spektrumu (başlatıcı CH 3 I).... 61 Şekil 4.19 Metanol-1,4-dioksan karışımında n başlatıcı /n monomer oranı 1/3000 olan ve mikrodalga enerjisi ile sentezlenmiş polimere ait FT-IR spektrumu (başlatıcı CH 3 I)... 61 Şekil 4.20 Metanol-1,4-dioksan karışımında n başlatıcı /n monomer oranı 1/10000 olan polimere ait FT-IR spektrumu (başlatıcı CH 3 I)... 62 Şekil 4.21 Metanol ortamında n başlatıcı /n monomer oranı 1/10000 olan polimere ait FT-IR spektrumu (başlatıcı CH 3 I)... 63 Şekil 4.22 Metanol ortamında ve DIEA bazı varlığında n başlatıcı /n monomer oranı 1/10000 olan polimere ait FT-IR spektrumu (başlatıcı CH 3 I)... 63 Şekil 4.23 Metanol ortamında n başlatıcı /n monomer oranı 1/3000 olan polimere ait FT-IR spektrumu (başlatıcı CH 3 I)... 64 Şekil 4.24 Metanol ortamında n başlatıcı /n monomer oranı 1/2000 olan polimere ait FT-IR spektrumu (başlatıcı CH 3 I)... 64 Şekil 4.25 Metanol ortamında n başlatıcı /n monomer oranı 1/10000 olan polimere ait FT-IR spektrumu (başlatıcı benzoil klorür)... 65 Şekil 4.26 Metanol ortamında n başlatıcı /n monomer oranı 1/10000 olan polimere ait FT-IR spektrumu (başlatıcı etil bromür)... 65 viii

Şekil 4.27 Şekil 4.28 Şekil 4.29 Şekil 4.30 Şekil 4.31 Şekil 4.32 Şekil 4.33 Şekil 4.34 Şekil 4.35 Şekil 4.36 Şekil 4.37 Metanol ortamında n başlatıcı /n monomer oranı 1/10000 olan polimere ait FT-IR spektrumu (başlatıcı heksadesil bromür)... 66 Metanol ortamında mikrodalga enerjisi ile sentezlenmiş n başlatıcı /n monomer oranı 1/3000 olan polimere ait FT-IR spektrumu (başlatıcı CH 3 I)... 66 n başlatıcı /n monomer oranı 1/2000 Metanolde (yeşil), 1/2000 Metanol-1,4-dioksan karışımında (kırmızı), 1/2000 kloroformda (mavi), 1/2000 kloroformda 7 günde (siyah) sentezlenen polimerlere ait Zeta-Sizer grafikleri... 67 n başlatıcı /n monomer oranı 1/1000 kloroformda (siyah), 1/500 kloroformda (mavi), 1/2000 kloroformda (koyu yeşil), 1/2000 kloroformda 7 günde (kırmızı) sentezlenen polimerlere ait Zeta-Sizer grafikleri... 68 M w =9900 (kırmızı), 4300 (siyah), n başlatıcı /n monomer oranı 1/2000 Metanol-1,4- dioksan karışımında bromoasetik asit ile reaksiyona sokulmuş, M w =23067 (mavi), n başlatıcı /n monomer oranı 1/2000 Metanol-1,4-dioksan karışımında bromoasetik asit ile reaksiyona sokulmuş, M w =23662 (yeşil) sentezlenen polimerlere ait Zeta-Sizer grafikleri... 69 Metanol-1,4-dioksan karışımında n başlatıcı /n monomer oranı 1/2000 (6 mol monomer/1 L çözelti, başlatıcı CH 3 I) (kırmızı), Metanol-1,4-dioksan karışımında n başlatıcı /n monomer oranı 1/2000 (3 mol monomer/1 L çözelti, başlatıcı CH 3 I) (siyah), Metanol-1,4-dioksan karışımında n başlatıcı /n monomer oranı 1/3000 (mavi), Metanol-1,4-dioksan karışımında n başlatıcı /n monomer oranı 1/3000 mikrodalga ile sentezlenen (yeşil)polikonidinlere ait Zeta-Sizer grafikleri... 70 n başlatıcı /n monomer =1/1000 olan farklı başlatıcılar kullanılarak sentezlenen polikonidine ait refraktif indeks ve UV kromatogramları. metil iyodür (siyah), benzoil klorür (yeşil), trimetilsilan bromür (kırmızı), t-butil bromür (mavi)... 71 n başlatıcı /n monomer =1/1000 olan farklı başlatıcılar kullanılarak sentezlenen polikonidine ait ışık saçılması ve viskozite kromatogramları. metil iyodür (siyah), benzoil klorür (yeşil), trimetilsilan bromür (kırmızı), t-butil bromür (mavi)... 72 Kloroform ortamında n başlatıcı /n monomer oranı 1/1000 (kırmızı), Metanol-1,4- dioksan karışımında n başlatıcı /n monomer oranı 1/2000 (koyu yeşil), Metanol-1,4- dioksan karışımında n başlatıcı /n monomer oranı 1/3000 (açık yeşil), Metanol-1,4- dioksan karışımında n başlatıcı /n monomer oranı 1/3000 ve mikrodalga enerjisi ile sentezlenmiş (mavi), Metanol-1,4-dioksan karışımında n başlatıcı /n monomer oranı 1/3000 ve mikrodalga enerjisi ile ikinci çöktürme sonunda sentezlenen (siyah) polimerlere ait refraktif indeks ve UV kromatogramları.... 74 Kloroform ortamında n başlatıcı /n monomer oranı 1/1000 (kırmızı), Metanol-1,4- dioksan karışımında n başlatıcı /n monomer oranı 1/2000 (koyu yeşil), Metanol-1,4- dioksan karışımında n başlatıcı /n monomer oranı 1/3000 (açık yeşil), Metanol-1,4- dioksan karışımında n başlatıcı /n monomer oranı 1/3000 ve mikrodalga enerjisi ile sentezlenmiş (mavi), Metanol-1,4-dioksan karışımında n başlatıcı /n monomer oranı 1/3000 ve mikrodalga enerjisi ile ikinci çöktürme sonunda sentezlenen (siyah) polimerlere ait ışık saçılması ve viskozite kromatogramları.... 75 Kloroform ortamında n başlatıcı /n monomer oranı 1/500 (siyah), Kloroform ortamında n başlatıcı /n monomer oranı 1/2000 (koyu yeşil), Kloroform ortamında n başlatıcı /n monomer oranı 1/2000 (kırmızı), Metanol-1,4-dioksan karışımında n başlatıcı /n monomer oranı 1/2000 (mavi), Metanol-1,4-dioksan karışımında n başlatıcı /n monomer oranı 1/2000 ve mikrodalga enerjisi ile sentezlenmiş (açık yeşil) polimerlere ait refraktif indeks ve UV kromatogramları... 77 ix

Şekil 4.38 Şekil 4.39 Şekil 4.40 Şekil 4.41 Şekil 4.42 Şekil 4.43 Şekil 5.1 Kloroform ortamında n başlatıcı /n monomer oranı 1/500 (siyah), Kloroform ortamında n başlatıcı /n monomer oranı 1/2000 (koyu yeşil), Kloroform ortamında n başlatıcı /n monomer oranı 1/2000 (kırmızı), Metanol-1,4-dioksan karışımında n başlatıcı /n monomer oranı 1/2000 (mavi), Metanol-1,4-dioksan karışımında n başlatıcı /n monomer oranı 1/2000 ve mikrodalga enerjisi ile sentezlenmiş (açık yeşil) polimerlere ait ışık saçılması ve viskozite kromatogramları... 78 Metanol-1,4-dioksan karışımında n başlatıcı /n monomer oranı 1/2000 ve mikrodalga enerjisi ile sentezlenmiş (siyah), kloroformda n başlatıcı /n monomer oranı 1/2000 olan ve mikrodalga enerjisi ile sentezlenmiş (koyu yeşil), kloroformda n başlatıcı /n monomer oranı 1/2000 (kırmızı), kloroformda n başlatıcı /n monomer oranı 1/2000 (mavi), Metanol-1,4-dioksan karışımında n başlatıcı /n monomer oranı 1/2000 ve ikinci çöktürme sonunda sentezlenen (açık yeşil) polimerlere ait refraktif indeks ve UV kromatogramları... 80 Metanol-1,4-dioksan karışımında n başlatıcı /n monomer oranı 1/2000 ve mikrodalga enerjisi ile sentezlenmiş (siyah), kloroformda n başlatıcı /n monomer oranı 1/2000 olan ve mikrodalga enerjisi ile sentezlenmiş (koyu yeşil), kloroformda n başlatıcı /n monomer oranı 1/2000 (kırmızı), kloroformda n başlatıcı /n monomer oranı 1/2000 (mavi), Metanol-1,4-dioksan karışımında n başlatıcı /n monomer oranı 1/2000 ve ikinci çöktürme sonunda sentezlenen (açık yeşil) polimerlere ait ışık saçılması ve viskozite kromatogramları... 81 Metanol-1,4-dioksan karışımında n başlatıcı /n monomer oranı 1/2000 ikinci çöktürme sonunda sentezlenen (3 mol monomer/6 L çözücü) (siyah), Metanol-1,4- dioksan karışımında n başlatıcı /n monomer oranı 1/2000 olan polikonidinin Bromoasetik asit ile reaksiyonunda elde edilen türeve (M w =24334) (koyu yeşil), Metanol-1,4-dioksan karışımında n başlatıcı /n monomer oranı 1/2000 olan polikonidinin Bromoasetik asit ile reaksiyonunda elde edilen türeve (M w =38572) (mavi) ait refraktif indeks ve UV kromatogramları.... 83 Metanol-1,4-dioksan karışımında n başlatıcı /n monomer oranı 1/2000 ikinci çöktürme sonunda sentezlenen (3 mol monomer/6 L çözücü) (siyah), Metanol-1,4- dioksan karışımında n başlatıcı /n monomer oranı 1/2000 olan polikonidinin Bromoasetik asit ile reaksiyonunda elde edilen türeve (M w =24334) (koyu yeşil), Metanol-1,4-dioksan karışımında n başlatıcı /n monomer oranı 1/2000 olan polikonidinin Bromoasetik asit ile reaksiyonunda elde edilen türeve (M w =38572) (mavi) ait ışık saçılması ve viskozite kromatogramları... 84 1-azobisiklo[4.2.0]oktan monomerine ait 1 H NMR spektrumu (Mühlbach ve Schulz, 1988).... 85 Konidinin R-X tipi bir alkil halojenür ile kuarterner amonyum tuzu oluşturması ve monomer ile karşıt iyonun yarışması.... 89 Şekil 5.2 Sedimentasyon katsayısı-m w grafiği... 91 Şekil 5.3 Modifiye polikonidin konsantrasyonunun meme kanseri hücrelerinin % Canlılığına etkisi.... 93 x

ÇĐZELGE LĐSTESĐ Çizelge 2.1 Đyonik polimerizasyonda kullanılan bazı çözücülerin dielektrik sabitleri ve k p değerleri (Saçak, 2004).... 11 Çizelge 2.2 Anyonik polimerizasyonda kullanılan çözücünün yapı üzerine etkisi (Saçak, 2004).... 11 Çizelge 2.3 Bazı monomerlerin polimerizasyon yöntemleri. (Saçak, 2004)... 14 Çizelge 2.4 Anyonik polimerizasyon başlatıcıları (Saçak, 2004)... 16 Çizelge 2.5 Mark-Houwink-Sakurada eşitliğinde a sabitinin teorik değerleri (Pasch ve Trathnigg, 1999).... 38 Çizelge 4.1 Dört dedektörlü moleküler eleme kromatografisi ile belirlenen sabitler (Şekil 4.33 ve Şekil 4.34 daki örnekler için)... 73 Çizelge 4.2 Dört dedektörlü moleküler eleme kromatografisi ile belirlenen sabitler (Şekil 4.35 ve Şekil 4.36 daki örnekler için)... 76 Çizelge 4.3 Dört dedektörlü moleküler eleme kromatografisi ile belirlenen sabitler (Şekil 4.37 ve Şekil 4.38 deki örnekler için)... 79 Çizelge 4.4 Dört dedektörlü moleküler eleme kromatografisi ile belirlenen sabitler (Şekil 4.39 ve Şekil 4.40 daki örnekler için)... 82 Çizelge 5.1 Farklı başlatıcılarla başlatılmış nbaşlatıcı/nmonomer oranı 1/10000 olan polikonidinlerin molekül ağırlıkları ve fizikokimyasal sabitleri.... 88 Çizelge 5.2 Farklı molekül ağırlıklarına sahip polimerlerin Sedimentasyon katsayıları... 90 Çizelge 5.3 n başlatıcı /n polimer oranı 1/2000 olan polikonidin ve BrAcOH türevinin partikül çapları ve zeta potansiyelleri... 92 Çizelge 5.4 Bromoasetik asit ile modifiye edilen polikonidinin MCF 7meme kanseri hücrelerinin % canlılığına etkisinin konsantrasyonla değişimi.... 93 xi

ÖNSÖZ Tez çalışmamın yapılmasının her aşamasında bilgisi ve becerisi ile beni yönlendiren, eşsiz desteği ile bana her konuda yardımcı olan, değerli hocam ve danışmanım Biyomühendislik Bölümü Başkan Yardımcısı Yrd. Doç. Dr. Zeynep Akdeste ye, Engin bilgisi ve yapmış olduğu değerlendirmeleri ile çalışmamın her yönde önünü açan, ileri laboratuvar olanaklarını kullanabilme fırsatını bizlere sağlayan, çalışmalarımda bana her konuda destek olan, beni yönlendiren, geliştiren, bilgi, beceri ve tecrübelerini aktaran, tezimin hazırlanmasında değerli katkılarıyla bana yol gösteren Yıldız Teknik Üniversitesi Biyomühendislik Bölümü Kurucu Başkanı değerli hocam Prof. Dr. Mehmet Mustafa Akdeste ye, Tez çalışmam sırasında benden hiçbir yardımı esirgemeyen değerli hocalarım Prof. Dr. Nüket Öcal ve Yrd. Doç. Dr. Çiğdem Yolaçan a, Çalışmanın her aşamasında bilgi birikimi ve deneysel yeteneği ile beni yönlendiren Araş. Gör. Zafer Ömer Özdemir e, Deneysel verilerin hazırlanmasında katkısı olan Araştırma Görevlileri Murat Topuzoğulları, Yunus Sarıçay, Eray Dalgakıran, Namık Akkılıç ve Kadriye Kızılbey ile Yüksek Lisans öğrencisi Aslı Arslan a, Bütün yaşamım boyunca beni her konuda destekleyen, aldığım kararlarda her zaman yanımda olan ve bugünlere gelmemde pek çok emeği olan sevgili aileme, Bana ve bu teze emeği geçen herkese teşekkür ederim. xii

ÖZET Son yıllarda fonksiyonel biyopolimer sistemlerin geliştirilmesine yönelik çok fazla sayıda çalışmalar yapılmıştır. Bugüne kadar yapılmış çalışmalarda biyolojik özellikli polielektrolitlerin sentezi, karakterizasyonu ve kullanım çeşitliliği üzerinde durulmuştur. Bu tez çalışmasında yapısında heteroatom bulunduran biyobozunur bir polielektrolit olan poli(1-azobisiklo[4.2.0]oktan) (polikonidin) sentezi ve karakterizasyonu anlatılmaktadır. Poli(1-azobisiklo[4.2.0]oktan) eldesi için öncelikle bu polimerin monomeri olan 1- azobisiklo[4.2.0]oktan (konidin) monomerinin sentezi organik yöntemlerle gerçekleştirilmiştir. Daha sonra değişik molekül ağırlıklarına sahip polimerler sentezlenmiş ve bu polimerlerin karakterizasyonu farklı yöntemlerle (UV, FT-IR, SEC, Ultrasantrifüj) yapılmıştır. Elde edilen polimerlerin bir kısmı bromoasetik asit ile modifiye edilerek polimere uygun fizikokimyasal özellikler kazandırılmaya çalışılmıştır. Konidin sentezinin her aşamasında oluşan maddelerin FT-IR ve UV spektrumları alınmış ve sentezin izlediği yol sürekli kontrol edilmiştir. Sentezlenen konidin, monomer olarak kullanılmış ve farklı başlatıcılar varlığında (metil iyodür, etil bromür, heksadesil bromür, t- butil bromür, benzoil klorür ve trimetilsilan bromür) katyonik halka açılması polimerizasyonu ile poli(1-azobisiklo[4.2.0]oktan) elde edilmiştir. Başlatıcı/monomer oranı değiştirilerek bunun polimerlerin karakteristiğine olan etkisi incelenmiştir. Poli(1-azobisiklo[4.2.0]oktan) ın kimyasal modifikasyonu için bromoasetik asit kullanılmış ve polimerin kuarternleşmesi ile poliamfolit sentezi gerçekleştirilmiştir. Polielektrolitlerin fizikokimyasal özelliklerinin yapı ile doğrudan ilişkili olduğu bilinmektedir. Bu nedenle sentezlenen polimerin karakterizasyonunun yapılması amaçlanmıştır. Poli(1-azobisiklo[4.2.0]oktan) in FT-IR spektrumları alınmış ve dört dedektörlü (ışık saçılması, refraktif indeks, viskozite ve UV) moleküler eleme kromatografisi ile polimerlerin molekül ağırlıkları, polidispersite değerleri (M w /M n ), Mark-Houwink sabitleri ve partikül yarıçapları ölçülmüştür. Zeta Sizer ile polimer zincirlerinin boyut analizi yapılmış ve zeta potansiyelleri ölçülmüştür. Sentezlenen polimerlerin sedimentasyon katsayıları Ultrasantrifüj ile belirlenmiştir. Polimerlerin molekül ağırlıklarının başlatıcı miktarı ve türündeki değişimler ile polimerizasyon ortamından etkilendiği belirlenmiştir. Polimerin bromoasetik asit türevinin hücre canlılığına etkisi meme kanseri hücreleri (MCF 7) üzerinde in vitro ortamda incelenmiş ve polimer konsantrasyonu değişikliğinin hücre canlılığına etkisi araştırılmıştır. Anahtar kelimeler: polielektrolit, polikonidin, katyonik halka açılması polimerizasyonu xiii

ABSTRACT In recent years there have been made so many research which are intended for developing functional biopolymer systems. In most of the studies until now, it is emphasized on the synthesis, characterization and the diversity of biologically featured polyelectrolytes. In this thesis, the synthesis of a biodegredable polyelctrolyte, (polyconidine) which has an heteroatom in its structure is explained. For poly(1-azobicyclo[4.2.0]octane) obtaining, initially the synthesis of the monomer, 1-azobicyclo[4.2.0]octane (conidine) is carried out by organic methods which then will be used in polymer synthesis. Thereafter, polymers having different molecular weights are synthesized and the characterization of these polymers are done by different methods such as UV, FT-IR, SEC and Ultracenrifuge. By the modification of obtained polymers with bromoacetic acid, gaining some suitable physicochemical properties to polymer is studied. FT-IR and UV spectra of substances formed on each step of conidine synthesis were recorded and the pathway of the synthesis was checked constantly. Synthesized conidine was used as monomer and in the existance of different initiators (methyl iodide, ethyl bromide, hexadecyl bromide, t-butyl bromide, benzoyl chloride and trimethylsilane bromide) poly(1- azobicyclo[4.2.0]octane) was obtained by cationic ring opening polymerization. The effect of changing Initiator/monomer ratio on the polymers characteristics was also examined. For the chemical modification of poly(1-azobicyclo[4.2.0]octane), bromoacetic acid is used and polyampholyte synthesis is achieved with the quaternization of the polymer. It is known that the physicochemical properties of polyelectrolytes is directly related to the structure. For this reason the characterization of synthesized poly(1-azobicyclo[4.2.0]octane) is intended. FT-IR spectra of poly(1-azobicyclo[4.2.0]octane) is recorded and molecular weights, M w /M n values, Mark-Houwink constants and molecular diameters of the polymers are measured with size-exclusion chromatography with four-detectors (light-scattering, refractive index, viscosity and UV). With Zeta Sizer, size-analysis of polymer chains are done and their zeta potentials are measured. Svedberg constants that belongs to the obtained polymers and the graphics for sedimentation values are determined with ultracentrifuge. It is determined that molecular weights of the polymers are affected by the change in the amount and the type of initiators used and also from the polymerization media. Analysing of having biodegradable characteristics of the synthesized polymers has been being reviewed. The effect to the cell proliferation of polymer derivatives with bromoacetic acid was observed with breast cancer cells (MCF 7) in vitro enviroment. The effect to the cell proliferation of polymer concentration was observed. Key words: polyelectrolyte, policonidine, cationic ring-opening polymerization xiv

1 1. GĐRĐŞ Polielektrolitler yapılarında pozitif veya negatif yüklü gruplar bulunduran makromoleküllerdir. Son zamanlarda sentetik polielektrolitlerin fizyolojik aktifliğinin ve bunların ilaç preparatları için taşıyıcı gibi kullanılmasının gösterilmesi, böyle polimerlerin, sentez yöntemlerinin ve fizikokimyasal özelliklerinin incelenmesini gerekli kılmaktadır. Polimerler içerisinde, yapısında (+) ve (-) yük bulunduran makromoleküller gerek suda çözünmeleri gerekse de biyomakromoleküllerle etkileşimi açısından özel bir yer teşkil etmektedir. Canlı organizmada var olan biyomakromoleküllerin (proteinler, nükleik asitler, polisakkaritler vb.) veya organellerin (hücre membran yüzeyi, doku yüzeyleri vb.) (-) yüklerinden dolayı biyomakromoleküllerin, (-) yüklü polielektrolitlerle etkileşiminin incelenmesi çok etkin olarak yapılmaktadır. Yapısında heteroatom bulunduran organik bileşiklerin polimerizasyonu ile ilgili önceki yıllarda önemli çalışmalar yapılmıştır. Bu çalışmalar, yapısında heteroatom bulunduran polimerlerin bazılarının biyobozunur özellikte olduğunu göstermiştir. Polikonidin yapısında azot atomu bulunduran biyobozunur özellikte bir polielektrolittir. Polikonidin dışında poli(1- azobisiklo[3.1.0] heksan), poli(1-azobisiklo[2.2.2] oktan), poli(1,4-diazobisiklo[2.2.2] oktan) gibi bazı polimerlerle de çalışılmıştır. Bu yeni poliaminlerin sentezi fizyolojik aktifliklerinden dolayı önem taşımaktadır. Bu tez çalışmasında 2-(2-hidroksietil)piperidin den çıkılarak konidin monomeri sentezlenmiş ve bu monomer kullanılarak farklı molekül ağırlıklarına sahip poli(konidin) sentezi gerçekleştirilmiştir. Konidin yapısında azot heteroatomu taşıyan bisiklik bir organik moleküldür. Molekülde altı üyeli bir alifatik halka ile dört üyeli bir azetidin yapısı bulunur ki polimerizasyon bu dört üyeli halkanın açılması ile gerçekleşir. Konidin molekülü kuvvetli ve zayıf Lewis asitleri ile (AlCl 3, SnCl 4, BF 3, TiCl 4 gibi), kuvvetli organik ve inorganik asitlerle ve R-X ile gösterilen alkil halojenürler ile katyonik halka açılması polimerizasyonu ile polimer oluşturur (Rasvodovskii vd., 1974). Katyonik halka açılması polimerizasyonu genellikle çift bağın açılmasıyla ilerleyen alkenil monomerlerinin (vinil polimerizasyonu) polimerizasyonundan ayrı düşünülür. Bu doğru bir yaklaşımdır her iki proses de kendilerine özgü nitelikler taşır. Alkenil monomerlerinin katyonik polimerizasyonunda zincir üzerinde bütünüyle karbon atomları bulunur. Heterosiklik monomerlerin katyonik polimerizasyonla sentezlenen polimerlerinde ise ana zincir üzerinde azot, kükürt, oksijen gibi heteroatomlar bulunur. Bu durum polimerin biyobozunur özellik

2 göstermesi bakımından önemlidir. Çünkü karbon atomu ile heteroatomun arasındaki bağı kırmak için gereken enerji karbon-karbon bağına göre daha düşüktür. Konidin in polimerizasyonu üzerinde pozitif yük bulunan aktif merkez üzerinden ilerler. Polimerizasyonun büyüme basamağı monomerin bir nükleofil gibi davranarak (heteroatomdan dolayı) elektrofilik aktif merkeze saldırması ile yürümektedir. Konidin in polimerizasyonunda pozitif yüklü aktif merkezin yanında önemli bir etken daha vardır. Bu etken halka gerginliğidir. Pratikte üç ve dört üyeli gergin halkalara sahip monomerler tersinir olmayan ve yan reaksiyonların gözlenmediği polimerler verirken, beşli, altılı, yedili ve daha fazla üyeli halkalar polimerizasyon için çoğu kez uygun değildir. Yani siklik monomerlerin polimerizasyon yetenekleri termodinamik açıdan halka gerginliğine bağlıdır. Örneğin sadece bir heteroatom taşıyan altı üyeli bir siklik yapı polimer vermemektedir. Birden fazla heteroatom taşıyan altı üyeli halkalı yapılar ise 1,3,5-trioksan, glikolide, valerolakton, heksametiltrisiloksan ve fosfazenler örneklerinde olduğu gibi şartlara bağlı olarak polimerleşebilirler (Matyjaszewski, 1996).

3 2. GENEL BĐLGĐLER 2.1 Polielektrolitler Polielektrolit terimi kovalent olarak bağlı anyonik veya katyonik grupları ve bu gruplara bağlı karşıt (counter) iyonları olan polimer sistemleri için kullanılmaktadır (Şekil 2.1) (Dautzenberg vd., 1994). Tüm monomerlerinde aynı işaretli yüklere sahip polielektrolitlere homopolielektrolit adı verilmektedir. Hem anyonik hem katyonik grupların kovalent olarak bağlı bulunduğu makromoleküller ise poliamfolitler olarak isimlendirilmektedirler. Doğada bol miktarda protein yapılı poliamfolit olmakla birlikte sentetik yollarla da poliamfolitler elde edilebilir. Poliamfolitlerin izoelektrik noktalarında molekül üzerindeki net yük toplamı sıfıra eşittir. H 2 C CH n H 2 C CH n SO 3 Na H 2 C CH CH 2 CH n N R Hal H 2 C N CH 2 Cl (a) (b) H 3 C CH 3 (c) Şekil 2.1 (a) poli(vinilpiridinyum), (b) sodyum polistiren sülfonat, (c)poli(diallildimetilamonyum klorür) (Dautzenberg vd., 1994). Prensipte, herhangi bir kimyasal yapının polimer zincirine uygun sayıda iyonik grup kovalent olarak bağlayıp yapıyı uygun bir ph da suda çözünür hale getirerek bir polielektrolit elde edilebilir. Polielektrolitler genelde bir katılma veya kondenzasyon polimerleşme reaksiyonlarıyla elde edilebilir. Ayrıca polielektrolit yapıdaki pektin gibi anyonik polisakkaritler ve çok sayıda proteinler doğadan edinilebilir. Nişasta ve selüloz gibi noniyonik doğal polimerler kimyasal modifikasyonla polielektrolite dönüştürülebilir. Polifosfatlar ve polisilikatlar da inorganik polielektrolitler olarak sayılabilir (Dautzenberg vd., 1994). 2.1.1 Homopolielektrolitler Polielektrolitler, herbir tekrarlayan birimi (monomeri) bir elektrolit grup taşıyan polimerlerdir. Bu elektrolit gruplar sulu çözeltilerde dissosiye olup polimeri yüklü hale getirirler (Şekil 2.2). Polielektrolitlerin özellikleri hem elektrolitlere (tuzlar) hem de polimerlere benzemektedir ve bazen polituzlar olarak adlandırılmaktadırlar. Çözeltileri, tuzlar gibi, elektriği iletir ve,

4 polimerler gibi, viskozdur. Polipeptidler, proteinler, DNA gibi çoğu biyolojik molekül polielektrolit formundadır [1]. COOH -H COO -H COO COOH +H COOH +H COO Şekil 2.2 Poli(akrilik asit)in sulu çözeltideki dissosiyasyonu. Polielektrolitin çözeltideki davranışlarından sorumlu iyonik grupların çeşidi yukarıda anlatılan polielektrolit zinciri yapılarının çeşidinden çok daha azdır. Polielektrolitlerin içindeki davranışlarını etkileyen başlıca dört faktörden söz edilebilir: 1. Polimere bağlı yüklü gruplar anyonik ve katyonik olarak sınıflandırılır. Bu gruplar da güçlü ve zayıf asitler ve bazlar olarak ikiye ayrılabilir. Kuvvetli bir polielektrolit çözeltide tüm iyonlarına ayrışabilir. Bunun aksine, zayıf bir polielektrolit tüm iyonlarına ayrışamaz. Bu sebeple, zayıf polielektrolitler çözelti içinde tamamen yüklü değildirler ve ph değiştirilerek üzerlerindeki yük dağılımı ayarlanabilir. Şekil 2.3 Đki sentetik polielektrolitin kimyasal yapısı. Soldaki yapı poli(sodyum stiren sülfonat) (PSS) ve sağdaki ise poli(akrilik asit)tir (PAA). Her ikisi de negatif yüklü polielektrolitlerdir. PSS kuvvetli bir polielektrolitken PAA zayıf bir polielektrolittir [1]. 2. Bununla birlikte, iyonik grubun asit ve baz kuvvetlerinin yanında polimer zinciri boyunca uzanan bitişik anyonik ve katyonik yükler arasındaki ortalama uzaklık polielektrolit davranışının belirlenmesinde önemli bir parametredir. Bu yük yoğunluğu, iyonik kısımlar arasındaki ortalama uzaklık olarak tanımlanabilir. Bu ortalama yük yoğunluğunun yanında zincir boyunca uzanan iyonik grupların dağılımı da polielektrolit özelliklerini önemli ölçüde etkileyebilmektedir, örneğin çözünebilirlik. Bir kural olarak, eğer bir kopolimerde her on monomerik birimin birden fazla iyonik kısmı varsa tipik polielektrolit davranışı beklenir.

5 3. Asit-baz kuvveti ve yük yoğunluğuna ek olarak, polielektrolit özelliklerinin saptanmasında, makro iyonun molekül geometrisinde yüklü kısımların yerleşimi üçüncü önemli noktadır. Şekil 2.4 e göre, iyonik gruplar ya polimerin ana zincirinin bir birimi olarak (integral tip) ya da ana zincire asılı olarak (yan zincirlerde) bulunur. Yüklü grupların geometrik yeri özellikle polianyon-polikatyon kompleksi oluşumu ile ilgilidir. H 2 C CH 2 NH H 2 C CH NH 2 (a) (b) Şekil 2.4 (a) Đntegral tipe örnek olarak lineer poli(etilen imin) ve (b) asılı tipe örnek olarak poli(vinilamin) 4. Düşük molekül ağırlıklı karşıt iyonların türünün çözeltideki tüm sistemin özellikleri üzerinde güçlü bir etkisi vardır, özellikle çözünürlük ve yapı oluşumunda. Bu iyonların önemini anlamak için şu örneği verebiliriz: poli(diallildimetilamonyum) polikatyonunun klorürlü hali suda kolayca çözünürken, iyodürlü hali daha zor çözünür (Dautzenberg vd., 1994). Herhangi bir polimerin konformasyonu çeşitli etkenlere bağlıdır, özellikle polimerin yapısına ve çözeltiyle ilişkisine. Çözelti içindeki yüksüz bir lineer polimer zinciri rasgele yumak konformasyonu gösterirken, lineer polielektrolit üzerindeki yükler birbirini iter (Coulomb itmesi) ve eksi yüklerin birbirlerini itmesini azaltıcı en uygun konformasyon olan uzanmış halde bulunmaya eğilim gösterir (Şekil 2.5). Bu düzenleme, polielektrolit çözeltilerinin viskozitesinin yükselmesine yol açar. Polielektrolit çözeltilerinin özellikleri sulu ortamın iyonik şiddetine bağlıdır. Đyonik şiddetin artmasıyla viskozitenin değişmesi makroiyondaki elektrik yükleri arasındaki itme kuvvetinin engellenmesinden dolayı gerçekleşir ve iyonik şiddet daha fazla arttığında yüksüz makromoleküllere benzer davranış göstermeye başlar [1].

6 Şekil 2.5 Çözeltiye tuz ilavesi sonucu polielektrolit zincirinin yumak konformasyonunu alması [2] Đyonik şiddetin yanında, ortamın ph ı da zayıf polielektrolitlerin özelliklerini etkiler. Çünkü iyonik grupların dissosiyasyon derecesi ve polielektrolitin yük yoğunluğu değişir. Polielektrolit çözeltilerinin diğer bir özelliği ise yüksek iyonik iletkenlikleridir. Elektrik alanı altında, küçük molekül ağırlıklı iyonlardan daha yavaş olmakla birlikte makroiyonlar göç etmektedirler (Dautzenberg vd., 1994). Polimerlerde derişim arttıkça viskozite artarken polielektrolitlerde derişim azalırken viskozite artar (Şekil 2.6). Bunun nedeni azalan derişimle artı ve eksi yüklerin birbirlerini itmeleri ve polielektrolitin şişmesidir. Şekil 2.6 Yüksüz polimerlerde ve polielektrolitlerde viskozite-derişim ilişkisi. 70 li yılların başlarında immunologların ve kimyacıların ortak çalışmaları ile bazı polielektrolitlerin bağışıklık yanıtına kuvvetli etkisi aydınlatılmış ve yapay polielektrolitlerin bu gibi amaçlar için daha uygun olduğu belirlenmiştir. Çünkü bu polielektrolitlerin sentezi ve modifikasyonu daha kolaydır, istenen molekül ağırlığında, elektrik yükünde, konformasyonda veya yüksek moleküler yapıda elde etmek olasıdır. Suda iyi çözünürler ve bilinen yapılarda

7 çeşitli kompleksleri sentezlemek mümkündür. Polielektrolitlerde molekül ağırlığı polimerleşme derecesi ile orantılıdır. Polimerleşme derecesinin artması istenilen kompleksin oluşumunu destekleyici yönde etki eder ve polimerin bağlanma miktarında artış gözlenir. Bunun yanı sıra polielektrolit çözeltilerinin elektrokimyasal özellikleri genellikle poliiyonun zincir boyuna bağlıdır; yani polikompleksin çökmesi vb. özellikler polimerin polimerleşme derecesine bağlıdır (Mustafaev, 1996). 2.1.2 Poliamfolitler Polimer iskeletindeki ya da asılı olarak bulunan iyonik gruplar, polinükleotidler ve proteinler gibi makromoleküllerin sınıflandırılmasında oldukça önem taşımaktadır. Polimerler iyon içeriğine göre polielektrolitler ve poliamfolitler olarak iki gruba ayrılabilirler. Polielektrolitler katyonik veya anyonik grupları içerirken, poliamfolitler katyonik ve anyonik grupların her ikisini bulundurur. Polielektrolitlerin karakteristik bir özelliği düşük konsantrasyonlarda deiyonize suda geniş bir hidrodinamik hacme ulaşabilmesidir. Bu etkiye polimer zinciri boyunca yer alan yüklü gruplar arasındaki coulombik itme kuvveti neden olur ve zincirin çubuğa benzer bir konformasyonda bulunmasını sağlar. Elektrolit eklenmesiyle ya da ph değişimiyle, coulombik itme kuvvetleri engellenir. Bunun sonucunda zincirin hidrodinamik hacmi azalır ve entropik olarak daha uygun konformasyona geçer. Polielektrolitlerin aksine, poliamfolitlerin yapı özellikleri anyonik ve katyonik monomer birimleri arasındaki coulombik çekme kuvvetleri tarafından yönlendirilmektedir. Anyonik veya katyonik gruplar yeteri kadar fazla olduğunda ( 10 15 mol%), yüklü grupların itme gücü, polielektrolitlerin tipik davranışlarında olduğu gibi zincir konformasyonunda gerilmelere neden olur. Anyonik ve katyonik grupların molar oranı birbirine yaklaşmaya başladıkça coulombik etkileşimler globular konformasyona neden olurlar ve birçok durumda deiyonize suda çözünmezler. Elektrolit eklenmesiyle ya da ph ın değiştirilmesiyle düzensiz bir yumak konformasyonu gözlemlenebilir ve çözünmesi kolaylaştırılabilir. Bu davranış çoğunlukla antipolielektrolit etkisi olarak adlandırılmaktadır ve elektrolitlerin varlığında viskozitede bir artışa neden olmaktadır. Bu davranışı açıklamak üzere çeşitli teoriler ortaya atılmıştır (Higgs, 1991; Merle, 1987). Yük dengesi etkilerine ek olarak, monomer birimlerine eklenmiş iyonik grupların doğası poliamfolitlerin davranışını etkilemektedir. En açık etki ph ayarlaması yapılarak iyonik

8 grupların nötralize edilmesi ile gözlemlenebilir. Aslında, poliamfolitler ph cevabına bağlı olarak dört sınıfa ayrılır. Poliamfolitler nötralize edilmiş katyonik ve anyonik grupların her ikisini içerebilir (Şekil 2.7). Bu sistemler tipik olarak, anyonik bir tür olan karboksilat grubunu ve katyonik grup olarak da amin hidrohalojenürü içerirler (yapı 1). Đkinci olarak, katyonik grup ph a duyarsızken (kuaternar alkil grupları gibi), anyonik gruplar nötralize olabilir (yapı 2). Sülfonat gruplarında olduğu gibi anyonik grup ph a duyarsızken katyonik gruplar nötralize olabilir (yapı 3). Son olarak, uygun ph da baştanbaşa anyonik ve katyonik gruplar yüklü kalabilir (yapı 4). ph etkisinin yanında, yüklü grupların hidrate olması ve karşıt yüklü gruplar arasındaki gerilim gibi diğer önemli faktörler de göz önünde bulundurulmalıdır..... O C O H 3 C N H CH 3 O C O H 3 C N H 3 C CH 3 Yapı 1 Yapı 2.... O S O H 3 C N CH 3 O S O H 3 C N CH 3 O H O CH 3 Yapı 3 Yapı 4 Şekil 2.7 Poliamfolitlerin ph cevabına bağlı olarak örnek yapıları Bu sistemlerin keşfinin ardındaki mantık proteinler gibi biyolojik moleküllerin sulu çözeltideki davranışlarını derinlemesine anlaşılmasını sağlamaktır. Hakikaten, bir çok sentetik sistem, elektroforetik mobilitesinin olmadığı ve minimum viskoziteyle saptanmış ph değerinde bir izoelektrik noktasına sahiptir (Şekil 2.8) (Higgs, 1991). Ayrıca izoelektrik noktanın altında veya üstündeki ph değerlerinde viskozitede artış gözlenmektedir. Đzoelektrik noktada yüklü gruplar arasındaki güçlü çekim sayesinde polimer intramoleküler olarak bir araya toplanmaktadır ve oldukça kompakt bir yapı meydana gelmektedir. ph izoelektrik noktanın altına veya üstüne çekildiğinde bazik veya asidik gruplar nötralleşir, benzer yüklü gruplar arasındaki coulombik itme gücü nedeniyle polimer zinciri gerilir ve viskozitede artış

9 gözlemlenir. Đzoelektrik noktada çözücünün niteliğinin, elektrolit eklenmesi sonucu arttığı gösterilmiştir. Çözünürlük ve ph cevabı mikroyapılara da bağlıdır. Örneğin, asidik ve bazik grupların kuvvetini etkileyen yakın komşu etkileşimler [5]. Şekil 2.8 Maleik asit anhidrid ile N-metildiallilaminin kopolimerlerinin intrinsik viskozitesinin ph la değişimi (Dautzenberg vd., 1994) Sülfonat grubuna bağlı olarak anyonik türdeki poliamfolitler incelenmiştir. Karboksilat gruplarından daha zayıf baz olan sülfonat grupları uygun ph aralığının üzerinde sulu çözeltide iyonize olurlar. Bu sistemlerle ilgili çalışmalar elektrolitlerin varlığında elektrostatik etkileşimler üzerine odaklanmıştır. Katyonik ve anyonik yük oranı birbirine yaklaşmaya başladığında kopolimer bazı nedenlerden dolayı deiyonize suda çözünmez hale gelir ve çözünür olabilmesi için kritik bir konsantrasyonda tuz ilavesi gerektirmektedir. Daha fazla tuz eklenmesi üzerine viskozitedeki artıştan anlaşılacağı gibi bu sistemler antipolielektrolit davranış gösterirler. Bu tip poliamfolitler deiyonize suda intermoleküler olarak toparlanmaya eğilim gösteren noniyonik bir hidrofilik termonomeri de kapsamaktadır. Bu toparlanmalar elektrolit ilavesi ile bozulabilir (McCormick ve Salazar, 1992). Proteinler poliamfolit sınıfına girerler ve poliamit yapısındadırlar. Şekil 2.9 Proteinlerin poliamit yapısı [3].

10 2.2 Đyonik Polimerizasyon Đyonik polimerizasyon, zincir büyümesinden artı ya da eksi yüklü aktif merkezlerin sorumlu olduğu katılma polimerizasyonu türüdür. Monomer molekülleri zincir uçlarındaki iyonik aktif merkezlere radikalik polimerizasyona benzer şekilde katılarak polimer molekülünü büyütürler. Aktif merkezin yükü eksi ise anyonik katılma polimerizasyonu; artı ise katyonik katılma polimerizasyonu tanımlamaları kullanılır. Đyonik polimerizasyon, radikalik katılma polimerizasyonuna benzer şekilde genel zincir tepkimeleri üzerinden ilerler. Đki polimerizasyon yöntemi arasındaki en önemli fark, zincir büyümesini sağlayan aktif merkezlerin türünden kaynaklanır. Radikalik polimerizasyonda zincir büyümesinden radikaller, iyonik polimerizasyonda artı ve eksi yüklü iyonlar sorumludur. Kinetik açıdan değerlendirildiğinde, radikalik ve iyonik polimerizasyon arasında belirgin farklar olduğu görülür. 1. Radikalik polimerizasyonun başlatılmasında kullanılan organik başlatıcıların ısıl parçalanması yüksek aktivasyon enerjisi gerektirir. Buna karşın iyonik polimerizasyonun başlama aktivasyon enerjisi oldukça düşüktür. 2. Radikalik polimerizasyonda sonlanma tepkimelerine aktif iki polimer zinciri katılır. Đyonik polimerizasyonda iki benzer yükün etkileşimi söz konusu olmadığı için, olası sonlanma tepkimelerinde bir tane polimer zinciri yer alır. 3. Radikalik polimerizasyon hızı üzerine fazla etkisi olmayan çözücü türü, iyonik polimerizasyonda önemlidir ve polimerizasyon hızını etkiler (Saçak, 2004). Kullanılan çözücünün dielektrik sabitinin büyüklüğü, başlatıcı iyonlarının polimerizasyon ortamında iyon çifti halinde ya da tamamen ayrışmış iyonlar halinde bulunmasında belirleyici rol oynar. Yüksek dielektrik sabitine sahip çözücüde polimerizasyon serbest iyonlar üzerinden ilerlerken, dielektrik sabiti düşük çözücüde serbest iyonlar yanında iyon çiftleri de polimerizasyondan sorumludur (Çizelge 2.1). Ayrıca, anyonik polimerizasyonda elde edilen polimerin yapısı kullanılan çözücü ve karşıt iyon (katyon) türünden etkilenir (Çizelge 2.2).

11 Çizelge 2.1 Đyonik polimerizasyonda kullanılan bazı çözücülerin dielektrik sabitleri ve k p değerleri (Saçak, 2004). Çözücü Dielektrik sabiti kp (L/mol s) Benzen 2.2 2 Dioksan 2.2 5 Tetrahidrofuran 7.6 550 1,2-dimetoksietan 5.5 3800 Çizelge 2.2 Anyonik polimerizasyonda kullanılan çözücünün yapı üzerine etkisi (Saçak, 2004). Karşıt iyon Çözücü 1,4-cis 1,4-trans 1,2 katılması 3,4 katılması Li + Pentan 94 - - 6 Li + Pentan-THF - 25 10 65 Li + THF - - 25 75 Li + Dietil eter - 50 5 45 Na+ Pentan Eser 40 7 53 K+ pentan eser 55 7 38 Belirtilen nedenlerden dolayı, iyonik polimerizasyonun kinetiği radikalik polimerizasyondan karmaşıktır. Başlama tepkimesi tipinin polimerizasyon sistemlerine bağlı olması, genel bir mekanizma vermeyi engeller. Kinetik incelemeler yapılırken, başlatıcının tamamen (ya da önemli oranda) iyonlarına ayrışan türden olup olmadığını göz önüne almak gerekir. Başlatıcının tamamen iyonlarına ayrıştığı anyonik polimerizasyon sistemlerinin kinetiği daha basittir.

12 2.2.1 Đyonik Polimerizasyona Uygun Monomerler Serbest radikallerle başlatılan katılma polimerizasyonu monomer türü açısından fazla seçici değildir, çoğu vinil monomeri radikalik mekanizma üzerinden polimerleşebilir. Đyonik polimerizasyon seçicidir. Radikalik yolla polimerleşmeye yatkın bir monomer, anyonik ya da katyonik mekanizma üzerinden polimerleşmeyebilir. Bazı monomerler için tersi de sözkonusudur. Katılma polimerizasyonuna uygun monomerlerde, karbon-karbon çift bağı (olefinlerde) veya karbon-oksijen çift bağı (aldehit ve ketonlarda) polimerizasyona olanak sağlayan noktalardır. Karbon-karbon çift bağı, π bağının homolitik veya heterolitik kırılmasıyla düzenlenir. Şekil 2.10 Çift bağın heterolitik kırılması. Radikaller elektriksel açıdan nötral olduklarından π bağı ile tepkimeye girmede özel koşullar aramazlar. Poli(akrilonitril) ve poli(vinil klorür) örneklerinde olduğu gibi radikalik aktif merkezin rezonans kararlılığı monomerin yan grupları tarafından sağlanır. - CH 2. C-H - CH 2 C-H C N C N - : - CH 2. C-H - CH 2 C-H : Cl : : Cl.... Şekil 2.11 Poli(akrilonitril) ve poli(vinil klorür) ün radikalik aktif merkezlerinin rezonans kararlılığı. Bir monomerin iyonik yöntemle polimerleşip polimerleşmeyeceği, monomer üzerindeki yan grubun (-R) kimyasal yapısına yakından bağlıdır. Yan grubun çift bağ elektron yoğunluğu üzerine etkisi ve oluşacak anyon ya da katyonu kararlı kılma yeteneği, polimerizasyonun tipini belirler.

13 Yan grup siyano ve karbonil (ester, keton, asit veya aldehit) gibi elektron çekici özellikte ise, karbon-karbon çift bağındaki elektron yoğunluğunu azaltarak anyonik başlatıcıların etkisini kolaylaştırır. Poli(akrilonitril) de olduğu gibi -CN türü elektron çekici gruplar, aynı zamanda büyümekte olan anyonik merkezlerin rezonansla karalılığını da sağlar (Şekil 2.12). Şekil 2.12 Poli(akrilonitril) de siyano gruplarının rezonans kararlılığına etkisi. Monomerde; alkoksi, alkil, alkenil, 1,1-dialkil, fenil türü elektron itici yan grup bulunduğunda, karbon-karbon çift bağındaki elektron yoğunluğu artar ve katyonik başlatıcıların etkisi kolaylaşır. Elektron itici gruplar, vinil eterlerin polimerizasyonunda olduğu gibi, büyümekte olan katyonik aktif ucu rezonansla karalı hale getirir (Şekil 2.13). Şekil 2.13 Vinil eterlerin polimerizasyonunda elektron itici grupların katyonik aktif ucu rezonansla kararlı hale getirmesi. Akrilonitril in her iki iyonik mekanizma üzerinden polimerleşebileceği görülmektedir. Benzer şekilde, indüktif etkileri açısından elektron itici olan stiren ve 1,3-bütadien monomerleri anyonik türlerin kararlılıklarını sağlayabildikleri için her iki iyonik yöntemle polimerleşebilirler (Saçak, 2004). Çizelge 2.3 bazı monomerlerin polimerizasyonunda kullanılabilecek başlatıcı türlerini (hangi yöntemle polimerleşebilecekleri) göstermektedir. Stiren, izopren, akrilonitril gibi monomerler birkaç polimerizasyon yöntemiyle polimerleşirken, izobüten yalnızca katyonik başlatıcılarla polimerleşir.

14 Çizelge 2.3 Bazı monomerlerin polimerizasyon yöntemleri. (Saçak, 2004) Aldehit ve ketonlar karbon-oksijen çift bağının polarlığı nedeniyle radikalik başlatıcılar yerine iyonik başlatıcılarla polimerleşirler. H O H H O - C + H Şekil 2.14 C=O bağında yük dağılımı. 2.2.2 Anyonik Polimerizasyon Anyonik polimerizasyonda büyümeyi sağlayan aktif uçlar anyonik karakterdedir ve polimerizasyon genelde karbanyonlar üzerinden ilerler. Akrilamit, metakrilamit, stiren, akrilonitril, metilmetakrilat, etil akrilat, viniliden klorür, vinil asetat gibi elektron çekici gruplar taşıyan monomerler anyonik yolla polimerleşirler.

15 H 3 C CH 3 C H 2 H 2 C O C H 2 O O O H 2 N O CH 3 H 3 C Şekil 2.15 Metakrilamit, etil metakrilat ve vinil asetat yapıları. Japon yapıştırıcısı olarak bilinen yapıştırıcı, metil siyanoakrilat monomeridir. Metil siyanoakrilatta iki elektron çekici grup bulunur ve bu özelliği nedeniyle anyonik polimerizasyona oldukça yatkındır. Atmosferde veya yapıştırılacak yüzeylerde bulunan eser miktardaki su molekülleri metil siyano akrilatın polimerizasyonunu başlatır. Polimerizasyon, yapıştırılacak yüzeyler üzerinde gerçekleştiği için, her iki yüzey örgüsünü tam anlamıyla örten polimerik film oluşur ve bu film tabakası yapıştırılan parçaları sıkıca bir arada tutar (Saçak, 2004). N N n C H 2 O O... CH 2... O n O H 3 C H 3 C Şekil 2.16 Poli(metil siyanoakrilat) yapısı. 2.2.3 Anyonik Polimerizasyon Mekanizması Anyonik polimerizasyon diğer zincir tepkimelerine benzer şekilde başlama, büyüme, zincir transferi ve sonlanma adımları üzerinden ilerler. Ancak, safsızlıklardan arındırılmış anyonik polimerizasyon sistemlerinde sonlanma tepkimeleri önemsizdir ve sonlanma olmadığı varsayılır. Ayrıca, anyonik polimerizasyon genelde düşük sıcaklıklarda gerçekleştirildiği için, dallanma ve zincir transfer tepkimelerinin de anlamı yoktur. Anyonik polimerizasyonu başlatmada değişik kimyasal maddelerden veya iyonlaştırıcı ışınlar gibi etkenlerden yararlanılır (Çizelge 2.4). Önemli anyonik polimerizasyon başlatıcılarından olan organik lityum bileşikleri, lityum metali ve bir organik halojenürün etkileşimiyle; Grignard bileşikleri, magnezyum ve organik halojenürler kullanılarak hazırlanır. Alüminyum

16 alkil bileşikleri atmosferde kendiliğinden alevlenebilir, organik lityum ve Grignard bileşikleri katı halde izole edilirlerse patlayıcıdırlar. Bu nedenle sözü edilen başlatıcılar, inert atmosfer altında ve uygun çözücü içerisinde kullanılmalıdır. Çizelge 2.4 Anyonik polimerizasyon başlatıcıları (Saçak, 2004). Başlatıcı Alkali metaller Metal alkil veya aril bileşikleri Grignard bileşikleri Örnek Na, K n-c 4 H9Li, (C 6 H 5 ) 3 CNa RMgX (R=alkil veya aril, X=halojen) Alüminyum bileşikleri AlR 3. Organik radikal anyonlar Na + - Đyonlaştırıcı ışınlar X ışınları, hızlandırılmış elektronlar Anyonik polimerizasyonun başlaması iki ayrı mekanizmayı izler. Bunlar, i) Başlatıcının eksi yüklü parçasının karbanyon verecek şekilde monomere katılması ii) Başlatıcıdan monomere doğrudan elektron aktarımı şeklindedir. Başlatıcının eksi yüklü parçasının monomere katıldığı başlatmada, monomer ve başlatıcı aşağıda verilen genel tepkimeye uygun olarak etkileşir ve başlatıcıcnın eksi yüklü kısmı doğrudan monomere katılarak ilk anyonik aktif merkez oluşur. Şekil 2.17 Anyonik polimerizasyon mekanizması.

17 Tepkimede; R -M, n-butil lityum gibi bir anyonik başlatıcıyı, R ise fenil ya da siyano gibi elektron çekici bir grubu göstermektedir (Şekil 2.17). Çoğu anyonik başlatıcı iyon çifti halinde tepkimeye girer. Örneğin n-butil lityum, lityum-karbon bağının heterolitik parçalanmasıyla, anyon ve katyon verir. Başlatıcıdan oluşan anyon (n-c 4 H - 9 ) monomerin elektron çekici grubunun (-R) bağlı olduğu karbona değil diğerine bağlanır (Şekil 2.18). n -C 4 H 9 Li n-c 4 H 9 - Li + Şekil 2.18 Lityum-karbon bağının heterolitik parçalanması. n-c 4 H 9 - Li + + H 2 C C-H n-c 4 H 9 - H 2 C - CH Li + R R Şekil 2.19 Anyonik polimerizasyonda başlatıcıdan oluşan anyonun monomere bağlanması. Doğrudan monomere elektron aktarımı ile olan başlatmada metalik sodyum gibi başlatıcılar monomere elektron vererek anyonik polimerizasyonu başlatırlar. Polimerizasyonun ilk aşamasında aşağıdaki gibi bir radikal anyon oluşur. Şekil 2.20 Doğrudan monomere elektron aktarımı ile olan başlatmada metalik sodyumun monomere elektron aktarması. Đkinci adımda,iki radikal-anyon birleşerek, dimerleşir ve bir dianyon verir. Şekil 2.21 Đki radikal-anyonun birleşerek dianyon oluşturması. Büyüme, dianyonun iki ucundan ilerleyerek aşağıda yapısı verilen polimer zinciri elde edilir.

18 Şekil 2.22 Doğrudan monomere elektron aktarımı ile olan polimerizasyonda büyüme basamağı. Büyüme adımında monomer molekülleri ard arda zincir ucundaki iyon çifti arasına yerleşir. Şekil 2.23 Anyonik polimerizasyonda büyüme basamağı. Büyüme hızı ve başlama hızı monomerdeki -R grubunun yapısına yakından bağlıdır. Aşağıda gösterildiği gibi karboanyon kararlılığını artırıcı gruplar taşıyan monomerlerin anyonik polimerizasyonu daha hızlı ilerler (Saçak, 2004). -CN > > C O O CH 3 Şekil 2.24 Çeşitli yan grupların anyonik polimerizasyonun hızına olan etkisi. Anyonik polimerizasyon sistemlerinde normalde sonlanma tepkimeleri gözlenmez. Büyüme adımları ortamdaki monomer molekülleri tamamen harcanana kadar sürer. Sonlanmaya; karbondioksit, su, alkol gibi dışarıdan ortama katılan maddeler ya da sistemde bulunabilecek safsızlıklar neden olur. Şekil 2.25 Suyun anyonik polimerizasyonu sonlandırması.

19 Uygulamada deney kaplarının tamamen sudan arındırılması olası değildir. Deney kaplarının iç yüzeyinde eser miktardaki adsorblanmış su molekülleri veya cam yüzeyindeki SiOH grupları da sonlanma tepkimelerine katılabilir. Çoğu anyonik polimerizasyon ortamı, aktif anyonik merkezlerden dolayı renklidir. Đyi hazırlanmış anyonik sistemler renklerini uzun zaman koruyabilir ve bu süre içerisinde aktif merkezler canlılığını sürdürür. Saf ortamlarda gerçekleştirilen anyonik polimerizasyon sistemlerinde polimer zincirlerindeki anyonik merkezler, aktifliklerini uzun süre koruyabilirler (canlı polimer). Canlı polimerizasyon ortamına sonradan benzer vaya farklı bir monomer katıldığında zincir büyümesi yeniden başlar. Canlı polimer veya canlı polimer sistemi kavramı, sonlanmamış iyonik polimerizasyon ortamı için kullanılır. Đlk ayrıntılı araştırılan canlı anyonik polimerizasyon sistemi Szwarc tarafından çalışılan stirenin, naftalinin sodyum tuzuyla başlatılan polimerizasyonudur (Szwarc, 1956). Naftalin ve sodyumdan Birch indirgenmesiyle (Birch, 1944) oluşan, naftalin radikal-anyonu monomere elektron aktararak stiril radikalanyonu oluşturur (Şekil 2.26). Şekil 2.26 Naftalin ve sodyumdan negatif yüklü aktif merkezin oluşumu. Şekil 2.27 Naftalin radikal-anyonunun monomere elektron aktarımı (Szwarc, 1956).

20 Polimerizasyonun stiril radikal-anyonunun iki ucundaki radikalik ve anyonik merkezler üzerinden ilerleme olasılığı vardır. Ancak, elektron spin rezonans çalışmaları sözü edilen sistemde radikal oluşumunun önemsiz olduğunu göstermiştir. Bu nedenle iki tane radikalanyonun birleşerek dimerleştiği ve polimerizasyonun dimerin iki ucundaki anyonik aktif merkezler üzerinden ilerlediği öne sürülmüştür (Şekil 2.28). Na + HC - - Na + Şekil 2.28 Đki radikal-anyonun birleşerek anyonik aktif merkezler oluşturması. Canlı polimer sistemleri blok kopolimer sentezine oldukça uygundurlar. Örneğin, stirenin anyonik polimerizasyonuyla hazırlanan aktif polistiren zincirlerinin bulunduğu ortama bütadien monomeri katılarak stiren-bütadien (SBR) blok kopolimeri elde edilir (Şekil 2.29). Şekil 2.29 Stiren-bütadien (SBR) blok kopolimeri. Canlılığını koruyan stiren-bütadien blok kopolimerinin bulunduğu ortama yeniden stiren katılarak, stiren-bütadien-stiren terpolimerine (SBS) geçilir (Şekil 2.30).

21 Şekil 2.30 Stiren-bütadien-stiren terpolimeri (SBS). Başlama tepkimelerinin hızlı olması nedeniyle canlı polimer sistemlerinden elde edilen polimerlerin mol kütlesi dağılımı dardır. Monomerik aktif merkezlerin tamamı hemen polimerizasyonun başlangıcında oluşur ve hızla monomer katarak polimerizasyon sonunda benzer uzunluklara erişirler. Anyonik polimerizasyon düşük sıcaklıklarda yürütüldüğü için zincir transfer tepkimelerinin fazlaca gözlenmemesi de düşük mol kütleli polimer oluşumuna neden olur (Saçak, 2004). Karbonillerin anyonik polimerizasyonu vinil monomerlerinin polimerizasyonuna benzerdir. Örneğin, başlatıcının eksi yüklü kısmının doğrudan monomere katıldığı başlama adımı Şekil 2.31 de gösterildiği gibi ilerler ve ilk anyonik aktif merkez oluşur. H H R - M + + R-CH 2 -O - M + O Şekil 2.31 Karbonillerin anyonik polimerizasyonunda başlama adımı. Büyüme adımında monomer molekülleri ard arda zincir ucundaki iyon çifti arasına yerleşir (Şekil 2.32).

22... CH 2 O - M + H H R-CH 2 -O - M + R-CH + 2 -O-CH 2 -O - M + O Şekil 2.32 Karbonillerin anyonik polimerizasyonunda büyüme adımı 2.2.4 Katyonik Polimerizasyon Katyonik polimerizasyon, artı yüklü aktif merkezler üzerinden ilerleyen iyonik polimerizasyondur. Katyonik başlatıcılar kullanılarak başlatılır ve stiren, N-vinilkarbazol, α- metil stiren, butadien, izobutilen gibi elektron verici gruplar taşıyan monomerler bu yöntemle polimerleşirler. Şekil 2.33 Đzobütilen, α-metil stiren ve N-vinil karbazol monomerleri. 2.2.5 Katyonik Polimerizasyon Mekanizması Radikalik ve anyonik katılma polimerizasyonu gibi katyonik polimerizasyon da bir zincir tepkimesidir. Bu nedenle radikalik ve anyonik polimerizasyonda gözlenen başlama, büyüme, zincir transferi ve sonlanma tepkimeleri katyonik polimerizasyon için de geçerlidir. Katyonik polimerizasyon, kuvvetli protonik asitler ve Lewis asitleriyle başlatılabilir. Kuvvetli asitler iyonlaşıp kolayca proton verirler (Şekil 2.34). Şekil 2.34 Bazı asitlerin iyonlaşma reaksiyonları. Ortamda bir olefin monomeri bulunduğunda, HA şeklinde gösterilen kuvvetli protonik asit,

23 katılmayla monomere bir proton aktarır ve ilk katyonik aktif merkezi oluşturur. Şekil 2.35 Protonun monomere aktarılarak ilk katyonik aktif merkezin oluşması. Bu genel tepkime H 2 SO 4 için Şekil 2.36 da gösterilmiştir. O HO S O-H + C O H 2 CH 3 R CH 3 H 3 C C + - HSO 4 R Şekil 2.36 H 2 SO 4 in protonunu monomere aktarması. Nükleofilik özelliği yüksek asitlerin anyonları, protonlanmış monomerle birleşir ve polimerizasyon ilerlemez. Şekil 2.37 Protonik asitlerin yüksek nükleofilik özellikteki anyonlarının katyonik polimerizasyonu durdurması. Bu nedenle, nükleofilik özelliği yüksek halojen anyonları veren HCl gibi halojenür asitleri katyonik polimerizasyonu başlatmada etkili değildir. Anyonu daha az nükleofilik olan perklorik, sülfürik ve fosforik asit türü kuvvetli asitler bazı monomerlerin katyonik mekanizmayla polimerleşmesini sağlayabilirler. Lewis asitleri, yaygın kullanılan katyonik başlatıcılardır ve AlCl 3, TiCl 4, ZnCl 2, SnCl 4 gibi Lewis asitleri katyonik polimerizasyonu başlatabilir. Lewis asitleri, genelde, tek başlarına katyonik polimerizasyonu başlatmada yetersizdirler, proton verme özelliğine sahip kokatalizör ya da yardımcı katalizör denilen bileşikler yanında etkindirler. Su, metanol gibi bileşikler Lewis asitleri yanında kokatalizör görevi yaparlar ve Lewis asitleri ile aşağıdaki tepkimelere girerler (Saçak, 2004).

24 + H - BF 3 3 C OH F 3 B:OCH 3 H F 3 BOCH 3 + H+ SnCl 4 + BF 3 + H 2 O Cl 4 Sn:OH 2 Cl 4 SnOH - + H+ H 2 O F 3 B:OH 2 F 3 BOH - + H+ AlCl 3 + (CH 3 ) 3 CCl Cl 3 Al:ClC(CH 3 ) 3 AlCl 4 + (CH 3 ) 3 + Şekil 2.38 Bazı kokatalizörlerin Lewis asitleri ile reaksiyonları. En yüksek polimerizasyon hızına katalizör, kokatalizör ve çözücü türüne bağlı olarak değişen bir optimum katalizör/kokatalizör oranında ulaşılır. Şekil 2.42 de katalizör/kokatalizör oranının polimerizasyon hızı üzerine etkisini gösteren tipik bir grafik verilmiştir. Polimerizasyon hızı kokatalizör derişimiyle önce artar, daha sonra bir maksimumdan geçerek azalır (Şekil 2.39). Şekildeki eğri sıfır su derişimine ekstrapole edilirse, polimerizasyon hızı da sıfır değerini alır. Bu nedenle, bütün katyonik başlatıcıların polimerizasyon ortamında H + A - şeklinde iyon çiftleri halinde bulunduğu düşünülür. Đyon çiftinin protonu, monomerin çift bağındaki karbonlardan yan grup etkisiyle kısmen eksi yüklü hale gelmiş olanına katılır ve kararlı bir karbonyum iyonu oluşturur. Şekil 2.39 Katalizör/kokatalizör oranının polimerizasyon hızına etkisi. BF 3 ve suyun verdiği katalizör/kokatalizör kompleksinin bir vinil monomeriyle vereceği başlama tepkimesi Şekil 2.40 da gösterilmiştir.

25 CH 3 CH 3 (BF 3 OH) - + H 2 C R H 3 C C + R (BF 3 OH) Şekil 2.40 BF 3 ve suyun oluşturduğu katalizör/kokatalizör kompleksinin vinil monomeri ile başlama tepkimesi. I 2, iyonlaştırıcı ışınlar. Cu + veya oksonyum iyonları katyonik polimerizasyonu başlatabilir. Örneğin, I 2 aşağıdaki tepkimeyle katalizör/kokatalizör kompleksi verir. I 2 + I 2 I + (I 3 ) Şekil 2.41 Đyot molekülünün oluşturduğu katalizör/kokatalizör kompleksi. Monomer moleküllerinin ard arda katyonik veanyonik grupların arasına yerleştiği adım büyüme adımıdır. Başlatıcı olarak BF 3 /H 2 O katalizör/kokatalizör kompleksinin kullanıldığı bir vinil monomeri için büyüme adımı Şekil 2.42 de gösterildiği gibi ilerler. Şekil 2.42 Vinil monomeri için büyüme adımı. Đlk katılımla dimer oluşur ve benzer katılımlarla polimer zinciri büyür. Büyüme adımı, zincir transfer tepkimeleri hızının düşük olduğu düşük sıcaklıklarda hızla ilerler. Başlama hızı ve büyüme hızı monomerdeki R grubunun yapısına yakından bağlıdır. Karbokatyon kararlılığını artıran gruplar taşıyan monomerlerin katyonik polimerizasyonu daha hızlı ilerler. Aşağıda gösterildiği gibi halojen bulunduran monomerlerde hız yavaştır.

26 -OCH 3 > -CH 3 > -H > -Cl Şekil 2.43 Katyonik polimerizasyona monomerdeki R gruplarının etkisi. Katyonik polimerizasyon hızını karşıt iyon türü de etkiler. Büyük ve gevşek bağlı karşıt iyonlarda hız daha yüksektir. - - - -ClO 4 > -TiClOH > -I3 Şekil 2.44 Karşıt iyon türünün katyonik polimerizasyonun hızına etkisi. Düşük sıcaklıklarda yürütülen katyonik polimerizasyonda zincir transfer tepkimeleri önemsizdir ve yüksek mol kütleli polimer elde edilir. Zincir transferi oda sıcaklığı yakınlarında hızlanır ve anlam kazanır. Katyonik polimerizasyonda gözlenen en önemli zincir transfer tepkimesi monomere transferdir. Katyonik aktif merkez ucundaki katalizör/kokatalizör kompleksi monomere aktarılır (kısaca proton transferi denir). Sonlanan zincirin ucunda çift bağ bulunur ve monomerden oluşan yeni karbonyum iyonu polimerizasyonu sürdürebilir. Şekil 2.45 Katyonik polimerizasyonda zincir transfer tepkimesi. Monomere transfer, hidrür aktarımı şeklinde de olabilir.

27 Şekil 2.46 Katyonik polimerizasyonda monomere hidrür aktarımı. Karşıt iyona transfer olarak bilinen bir diğer zincir transfer tepkimesinde katalizör/kokatalizör kompleksi yeniden oluşur. Şekil 2.47 Katyonik polimerizasyonda karşıt iyona transfer tepkimesi. Zincir transfer tepkimelerine ortamda bulunan safsızlıklar, dışarıdan sisteme eklenen maddeler ve çözücü de katılabilir. Yukarıda incelenen zincir transfer tepkimeleriyle polimer zincirleri aktifliklerini yitirir ve sonlanırlar. Transferle oluşan yeni katyonik merkez, genelde, monomer katabilme yeteneğine sahiptir. Bu nedenle, monomer katmayı sürdürerek polimerizasyon hızını etkilemez (Saçak, 2004). Polimerizasyon hızını etkileyen sonlanmalardan birisi, yeterince nükleofilik olan bir karşıt iyonun katyonik aktif merkezle birleşmesidir (katalizör ayrılır). Şekil 2.48 Nükleofilik bir karşıt iyonun katyonik aktif merkezle birleşerek polimerizasyonu durdurması.

28 Aktif merkezler ortamda bulunabilecek eser miktarda su, alkol, asit gibi maddelerle (XA) etkileşerek de sonlanabilirler. Şekil 2.49 Aktif merkezlerin XA türü safsızlıklarla sonlanma reaksiyonu. Aldehitler katyonik polimerizasyona yatkın bileşiklerdir. Formaldehit, BF 3 /su katalizör/kokatalizör sistemi kullanılarak polimerleştirilebilir. Polimerizasyon mekanizmasının genel olefinlerin katyonik polimerizasyon mekanizmasına uyduğu ve Şekil 2.50 deki adımları izlediği sanılmaktadır. Şekil 2.50 Formaldehitin BF 3 /su katalizör/kokatalizör sistemi kullanılarak katyonik polimerizasyonu. 2.3 Katyonik Halka Açılması Polimerizasyonu Katyonik halka açılması polimerizasyonu başlatıcının monomer molekülü ile reaksiyona girerek oluşturduğu katyonik aktif merkez üzerinden yürüyen polimerizasyon türüdür. Katyonik halka açılması polimerizasyonu diğer iyonik polimerizasyonlarda olduğu gibi

29 başlama, büyüme ve sonlanma adımlarını izler. Başlama basamağı başlatıcı ve monomer molekülünün aktif merkezi oluşturmak üzere girdiği reaksiyondur. Katyonik halka açılması polimerizasyonunda bu prosesin tek bir adımda olması gözlenmez. Vinil ve heterosiklik monomerlerin polimerizasyonlarının başlatılması farklılıklar gösterir (Şekil 2.51). Şekil 2.51 Heterosiklik ve vinil monomerlerin katyonik aktif merkezleri. Vinil monomerlerinin protonlanması büyüyen parçaların aynı yapıya sahip olduğu doğrudan aktif yapılar oluşturur (Şekil 2.52). Şekil 2.52 Vinil monomerlerinin protonlanması. Heterosiklik monomerlerde ise örneğin halkalı eterlerde protonlanma büyüme prosesinin tersiyer oksonyum iyonları üzerinden yürüdüğü ikincil oksonyum yapıları oluşturur. Şekil 2.53 Halkalı eterlerde protonlanmayla oksonyum iyonlarının oluşumu. Her iki tür aktif merkezin reaktiflikleri birbirlerinden oldukça farklıdır. Çünkü protonlanma çok hızlıdır ve başlamada hız belirleyen basamak protonlanmış monomer ile bir sonraki monomer molekülünün tersiyer yapı üzerinden ilerleyerek oluşturduğu reaksiyondur (Matyjaszewski, 1996).

30 Şekil 2.54 Halkalı eterlerin protonlanması ve büyüme reaksiyonu. Aynı durum halkalı asetallerin polimerizasyonunun trifenilmetilyum (tritil) tuzları ile başlatıldığı polimerizasyon için de geçerlidir. Monomerin pozitif yüklendiği reaksiyon hızlı ve tersinir bir reaksiyondur (Slomkowski ve Penczek, 1974). Đkinci reaksiyon sterik engel nedeniyle çok yavaştır ve hız belirleyen basamaktır. Özetle heterosiklik monomerlerin polimerizasyonunda aktif merkezler başlatıcı ve monomerin reaksiyonu sonucunda oluşur. Aktif merkezlerin reaktifliği ve yapıları birbirinden farklıdır. Başlama iki adımda gerçekleşir ve ikinci adım yavaş olduğundan hız belirleyen basamaktır (Matyjaszewski, 1996). Katyonik halka açılması polimerizasyonunda protonik asitlerin başlatıcı olarak kullanılabilmesi için iki şart gereklidir: a) Protonik asitler güçlü asit olmalıdır. Bu durum asit-baz denge reaksiyonunun sağa kaymasına neden olur (Şekil 2.55). HA + + X H - X A- Şekil 2.55 Protonik asitlerle başlamada denge reaksiyonu. b) Protonik asitler iyonik aktif merkezlerin reaktifliğini bozmayacak zayıf nükleofilik anyonlar taşımalıdır. Aksi durum sonlanmaya neden olabilir. + +...- X A...-X A Şekil 2.56 Nükleofilik anyonun katyonik halka açılması polimerizasyonunu sonlandırması. Pek çok asidin pk a ve H 0 değerleri bilinse de kuvvetli asit tanımı çoğu kez görelidir (Gordon vd., 1972; Olah vd.,1973). Çünkü Şekil 2.55 deki denge reaksiyonunda görüldüğü gibi dengenin yönü heterosiklik monomerin bazlığına bağlıdır. Bu bazlık halkalı asetallerdeki gibi

31 düşük veya halkalı aminlerde olduğu gibi yüksek olabilir. Bu yüzden halka açılması polimerizasyonunda protonik asitlerin davranışlarının genel geçer bir kuralı yoktur. Ticari olarak mevcut olan bir çok protonik asit vardır. Bunlardan Triflorometan sülfonik asit (triflik asit), florosülfonik asit ve perklorik asit saf olarak elde edilebilir. Đlk iki asit destilasyonla saflaştırılabilir (kaynama noktaları sırasıyla 162 C ve 165 C dir.) (Olah vd., 1985). Perklorik asit yükseltgeyici özelliği ve saklanmasındaki güçlükler nedeniyle daha az tercih edilir. H-halojen türü asitler de başlatıcı olarak kullanılabilir. Yalnız bu asitler görece yüksek nükleofilik anyonlar içerdiklerinden düşük nükleofilik özellikteki monomerlerin polimerizasyonunda kullanılmazlar (Dannenberg ve Harp, 1956). Güçlü nükleofilik halkalı monomerlerin polimerizasyonunda (oksazolinler, halkalı aminler gibi) monomer Br - ve I - iyonlarıyla kolaylıkla yarışır. Bu monomerler için HBr ile başlatma yüksek molekül ağırlığına sahip polimerler verir. Katyonik halka açılması polimerizasyonunda aktif merkezler üç farklı nükleofilin saldırısı ile karşı karşıyadır. Bunlar monomerin kendisi, polimerin tekrarlanan zincirleri ve karşıt iyondur. Şekil 2.57 Katyonik halka açılması polimerizasyonunda aktif merkezlerin ortamdaki nükleofillerle olan reaksiyonları. Bu üç reaksiyon da S N 2 mekanizmasını izleyen nükleofilik sübstitüsyon reaksiyonlarıdır. Üç reaksiyon da birbiri ile yarışmalıdır ve bu yarışma monomer, polimerin tekrarlanan kısmı ve karşıt iyonun nükleofilliğine bağlıdır (Matyjaszewski, 1996). Birinci reaksiyon büyüme reaksiyonudur.

32 Şekil 2.58 Katyonik halka açılması polimerizasyonunda büyüme reaksiyonu. Halka büyüklüğüne bağlı olarak tersinir (beşli ve daha fazla üyeli halkalarda) veya tersinmez (üçlü ve dörtlü halkalarda) olarak yürüyebilir. Đkinci reaksiyon polimere zincir transferi reaksiyonudur. Son durumda bir makrohalkalı yapı oluşabilir. Şekil 2.59 Katyonik halka açılması polimerizasyonunda zincir transferi. Yine bu reaksiyonlar da monomerin yapısına bağlı olarak tersinir ya da tersinmez olabilir. Eğer sonuçta oluşan gelişmiş (dallanmış) veya makrohalka oluşturmuş yapı aktif değilse, bu yapılar ne intramoleküler halkalaşma yapabilirler ne de bir sonraki monomer molekülüyle etkileşebilirler. Bu durum polimerizasyonun durmasına neden olur ve sonlanma gerçekleşir. Eğer Şekil 2.61 deki reaksiyon tersinir ise veya gelişmiş katyonik merkez aktifse bir sonraki monomer molekülü ile reaksiyon verebilir (Şekil 2.60). Şekil 2.60 Katyonik halka açılması polimerizasyonunda zincir transferinden sonra aktif merkezin oluşması. Yani bu durumda dallanmış olan veya makrohalkalı yapı oluşturan aktif zincirin sadece başka bir aktif yapıya dönüştüğü görülür. Şekil 2.60 deki reaksiyon halkalı asetallerin reaksiyonlarında etkili rol oynar. Üçüncü yarışmalı reaksiyon aktif merkezin karşıt iyon ile yaptığı reaksiyondur. Bu reaksiyon da tersinir veya tersinmez olarak yürüyebilir (Şekil 2.61).

33 Şekil 2.61 Katyonik aktif merkezin karşıt iyonla verdiği reaksiyon. Tersinmez reaksiyon büyümeyi durdurur. Eğer Şekil 2.61 deki reaksiyon tersinir ise bu kovalent bağlı yapı bir sonraki monomer molekülü ile reaksiyon verir (Şekil 2.62). Şekil 2.62 Tersinir reaksiyonla karşıt iyonun polimer zincirinden ayrılması. Katyonik aktif merkezin verdiği bu üç yarışmalı reaksiyon da katyonik halka açılması polimerizasyonunun en temel reaksiyonlarıdır. Monomerin nükleofilik parçasının (heteroatom) varlığından dolayı, polimer sistemin içerisinde nötral bir bileşen değildir. Polimerin dallanmış aktif merkezleri ve monomer polimerizasyon ortamındadır. Polimerin tekrarlanan kısmının nükleofilliği eğer monomerin nükleofilliğinden fazlaysa bütün polimerizasyon prosesi polimerin tekrarlanan kısmının verdiği reaksiyonlarla devam eder. Eğer karşıt iyonun rekombinasyonu ile kovalent yapı oluşturan iyonik merkezler nükleofilik monomer veya tekrarlanan polimer birimlerinin reaksiyonuna maruz kalırsa karşıt iyonla yer değiştirebilirler. Bu reaksiyonların olup olmayacağı monomer ve karşıt iyonun nükleofilliklerine bağlıdır. Kuvvetli nükleofilik olan azot içeren heterohalkalılar yine kuvvetli nükleofilik Br - iyonu ile yer değiştirebilirler (Şekil 2.63). Şekil 2.63 Azot içeren nükleofilik monomerin Br - iyonu ile yarışması. Böylece brom ile sonlanmış makromoleküller tekrardan kovalent aktif merkezlere dönüşmüş olurlar. Bu durum halkalı iminlerin ve oksazolinlerin polimerizasyonunda görülür. Benzer

34 durum çok daha zayıf nükleofil olan halkalı eterlerin varlığında ters olarak görülür (Şekil 2.64). Şekil 2.64 Zayıf nükleofil olan halkalı eterler monomerinin karşıt iyonla yarışması. Yani aktif merkezin brom ile rekombinasyonu sonlanmayı başlatır. Öte yandan perklorat (OClO - 3 ) veya triflat (OSO 2 CF - 3 ) gibi çok daha zayıf nükleofil olan karşıt iyonlar oksijen içeren bazlarla yer değiştirirler (Şekil 2.65)....-CH 2 -OSO 2 CF 3 + O + -...-CH 2 -O OSO2 CF Şekil 2.65 Triflat iyonunun oksijen içeren halkalı monomer ile yer değiştirme reaksiyonu. Bütün bu reaksiyonlar katyonik halka açılması polimerizasyonunda büyüme adımının temel bir mekanizması olduğunu göstermektedir. Bu mekanizma bimoleküler S N 2 tipi reaksiyondur (Şekil 2.66). Şekil 2.66 Katyonik halka açılması polimerizasyonunun büyüme adımı. Beş üyeli halkalı eter olan tetrahidrofuranın (SbF 6 - karşıt iyonuyla) polimerizasyonu bu tür bir mekanizmaya en iyi örnektir (Matyjaszewski, 1996). 2.4 Polimerlerde Molekül Ağırlığı Hemen hemen tüm polimerler, farklı derecede polimerleşmiş moleküllerin bir karışımıdır. Bu çok dağılımlılık bazı sentetik oligomerlerde ve proteinler gibi doğal polimerlerde görülmez. Tek dağılımlı (monodispers) polimerlerin tek bir molekül ağırlığı bulunmaktadır. Polimerler genelde çok dağılımlıdır (polidispers) ve bir molekül ağırlığı dağılımına sahiptirler. Bu sebeple polimerlerin mol kütleleri ortalama bir değer olarak ifade edilmektedir. Polimerlerin

35 molekül ağırlıkları farklı şekillerde belirtilebilir (Teraoka, 2002): 1) Sayıca ortalama molekül ağırlığı (M n ) 2) Kütlece ortalama molekül ağırlığı (M w ) 3) z-ortalama molekül ağırlığı (M z ) 2.4.1 Sayıca Ortalama Molekül Ağırlığı Sadece çözeltide bulunan moleküllerin sayısına duyarlı olan ve karışımdaki hiçbir taneciğin boyutundan etkilenmeyen kaynama noktası alçalması, donma noktası yükselmesi, osmotik basınç gibi kolligatif özelliklerin kullanılmasıyla belirlenen ortalama molekül ağırlığına sayıca ortalama molekül ağırlığı denir. Böyle özellikler için önemli olan ortalama molekül ağırlığı tüm polimer kütlesinin polimer molekülleri sayısına bölümü ile elde edilen ağırlıktır. Sayıca ortalama molekül ağırlığı küçük mol ağırlıklı türlerin ağırlık kesrindeki değişimlere çok hassastır, çünkü küçük moleküller için az bir madde miktarı çok sayıda molekül demektir [1]. Sayıca ortalama molekül ağırlığı, M n ΣN M i i = (2.1) ΣN i formülü ile hesaplanır. Burada N i, i moleküllerinin polimer kütlesi içindeki sayısı, M i i moleküllerinin molekül ağırlığıdır. i moleküllerinin kütle içindeki mol kesri, X i, X i N i = (2.2) ΣN i eşitliği ile gösterilirse eşitliği M = ΣX M (2.3) n i i şeklini alır. 2.4.2 Ağırlıkça Ortalama Molekül Ağırlığı Sadece polimer moleküllerinin sayısına değil aynı zamanda her bir polimer molekülünün boyutuna ve ağırlığına duyarlı olan ışık saçılması gibi yöntemlerle belirlenen ortalama molekül ağırlığına, ağırlıkça ortalama molekül ağırlığı denir. Bu ortalama ağırlık, büyük moleküllerin toplam polimer ağırlığının daha çoğunu oluşturduğu gerçeğine dayanır [1]. Ağırlıkça ortalama mol ağırlığı,

36 M w = ΣM ΣM 2 i i N N i i (2.4) formülü ile hesaplanır. Burada i moleküllerinin polimer kütlesi içindeki sayısı, M i i moleküllerinin molekül ağırlığıdır. 2.4.3 z-ortalama Mol Kütlesi M z olarak simgelenen z-ortalama mol kütlesi şu şekilde tanımlanabilir (Teraoka, 2002): M z ΣN M 3 i i = (2.5) 2 ΣN im i 2.4.4 Molekül Kütlesi Dağılımı Mükemmel bir şekilde tek dağılımlı olan bir polimer için M n =M w =M z olur. Diğer polimerler için (çok dağılımlı) M n <M w <M z şeklindedir. Eğer bu polimer örneği için bir molekül ağırlığı dağılımı çizer ve anlatılan ortalama molekül ağırlıklarını grafik üzerinde işaretlersek ağırlıkça ortalama molekül ağırlığı dağılımın yüksek molekül ağırlıklı kısmında ve sayıca ortalama molekül ağırlığı ise dağılımın düşük molekül kısmına yakın olur (Teraoka, 2002). Şekil 2.67 Polimerlerde molekül ağırlığı dağılımı [1]. Eğer tüm polimer molekülleri aynı molekül ağırlığında ise, tüm molekül ağırlığı ortalamaları aynı olur. Bu pratikte yapay polimerler için geçerli değildir. Polimerciler, bir polimerin molekül ağırlığı dağılımı genişliğinin ölçüsü olan molar ağırlık dağılımı kavramını kullanırlar. Bu ağırlıkça ortalama molekül ağırlığının sayıca ortalama molekül ağırlığına oranıdır. Molar ağırlık dağılımı 1 e yaklaştıkça molekül ağırlığı dağılımı daralır.

37 MWD = M w / M n dir M w / M n > 1 ise polimer örneği polidispers, M w / M n = 1 ise polimer örneği monodisperstir. Molar ağırlık dağılımının dar olması polimerin bazı özelliklerini homojenleştirir. Örneğin polimerin sertliğini, uzamaya karşı direncini, ısıl ve kimyasal direncini artırır ve çözünürlüğünü azaltır. Bunun sebebi polimer kütlesi içinde bulunabilecek kısa zincirlerin plastikleştirici etkisi göstererek polimerin kristalinliğini azaltmasıdır. Tüm zincirler aynı boyda olursa bu etki olmayacak, polimer en iyi şekilde kristalleşecektir. Molar ağırlık dağılımı genişledikçe polimer örneğinin de her türlü özelliği de heterojenleşecektir. Molar ağırlık dağılımı grafiğinde bir polimer örneğindeki polimer moleküllerinin gerçekte kaç tanesinin ortalama molekül ağırlığına sahip, kaçının daha ağır, kaçının daha hafif olduğu görülür [2]. 2.5 Mark-Houwink-Sakurada Eşitliği Intrinsik viskozite bir polimerin karakteristik özelliklerinden biridir. Konsantrasyon belirli miktarda arttığında çözeltinin viskozitesindeki artışı göstermektedir. Đntrinsik viskozite, deneysel olarak, Mark-Houwink-Sakurada eşitliği ile ifade edilmektedir: α [ η] = K. M (2.6) Bu eşitlikte [η] intrinsik viskoziteyi, M polimerin molekül kütlesini temsil etmektedir. Kve a ise polimere ait sabit değerlerdir. a sabiti, polimer zincirinin konformasyonuyla bağlantılıdır. Çözeltide polimer zinciri çubuk şeklinde ise a=2 değerini alır. Polimer zincirinin alabileceği diğer bir şekil ise katı küre konformasyonudur ve bu durumda a=0 değerini almaktadır. Bu iki uç konformasyon arasında kalan konformasyonlardaki polimer zincirleri için 0<a<2 eşitliği geçerlidir. 2.6 eşitliği doğrusal bir denklem haline getirilebilir: log[ η ] = log K + a log M (2.7) Bu denklem kullanılarak çizilen log[η]-logm grafiğinden K ve a sabitleri elde edilmektedir. Grafiğin y-eksenini kestiği nokta K değerini, grafiğin eğimi ise a değerini vermektedir [3].

38 Çizelge 2.5 Mark-Houwink-Sakurada eşitliğinde a sabitinin teorik değerleri (Pasch ve Trathnigg, 1999). Konformasyon Çubuk 1,7-2 Yumak 0,5-0,9 Disk 0,5 Küre 0 a 2.6 Polimerlerde Boyut Çözelti içindeki polimerlerin boyutu en çok hidrodinamik yarıçap (R h ) ve dönme ( gyration ) yarıçapı (R g ) ile ifade edilmektedir. Hidrodinamik yarıçap çözelti içinde hareket eden polimerlerin çözelti ile etkileşimlerinden ve dinamik özelliklerinden kaynaklanmaktadır. Dönme yarıçapı ise polimer birimlerinin polimerin kütle merkezine olan uzaklıklarının ortalaması olarak tanımlanmaktadır [4]. R h /R g oranı polimerin çözelti içindeki konformasyonu hakkında bilgi vermektedir. 2.7 Kullanılan Ölçüm Yöntemleri 2.7.1 UV-VIS Spektroskopisi Tek renkli ve I 0 şiddetindeki ışık demeti kalınlığı belli olan bir tüpte bulunan çözeltideki moleküller tarafından absorplandığında şiddeti azalır ve tüpü I şiddetinde terk eder. Bu azalma Lambert-Beer eşitliği ile ifade edilir. log I o / I= εbc =A (2.8) Burada c mol/lt cinsinden derişimi, ε lt/mol.cm cinsinden molar sönümlenme katsayısını ve b de cm cinsinden örnek kabının kalınlığını temsil etmektedir. A ya ise absorbans ya da optik yoğunluk denir.

39 I 0 I -b- Şekil 2.68 Işık, c konsantrasyonunda, b cm kalınlığında bir ortamdan geçerken, absorbsiyon nedeniyle şiddeti I 0 dan I ya düşmüştür. Geçirgenlik; T= I/I 0 (2.9) Absorbans; A= log I 0 /I (2.10) 2.8 de gösterilen absorbans ile derişim arasındaki bu ilişkiden analitik olarak yararlanılır. 2.7.2 Moleküler Eleme Kromatografisi Moleküler eleme kromatografisi (jel filtrasyon, jel geçirgenlik kromatografisi) dolgu malzemesinin ortalama gözenek çapına bağlı olarak makromoleküllerin hidrodinamik çaplarına göre entropik olarak kontrol edilen bir ayırma işlemidir. Bu teknikle ayırma işlemi ilk olarak Lathve ve Ruthven tarafından tanımlandı. Đlerleyen yıllarda farklı araştırmacılar tarafından çeşitli alanlarda değişik amaçlarla kullanıldı. Günümüzde SEC hem sentetik polimerler hem de biyopolimerler için doğru ve güvenilir bir yöntem haline gelmiştir (Vijayalakshmi, 2002). Moleküler eleme kromatografisi kullanılan hareketli ve sabit fazlara göre ikiye ayrılır: a) Jel geçirgenlik kromatografisi (gel permeation chromatography, GPC): Apolar türlerin ayrılmasında kullanılır. Apolar sabit faz, apolar hareketli faz kullanılır. Bu teknik genelde polimer karakterizasyonu için polimer kimyası alanında kullanılmaktadır. b) Jel filtrasyon kromatografisi (gel filtration chromatography, GFC): Polar türlerin ayrılmasında kullanılır. Polar sabit faz, polar hareketli faz kullanılır. GFC tekniği protein ve(veya) peptid karışımlarının saflaştırılması ve tanımlanması için kullanılmaktadır. Üç temel uygulama alanı vardır: Analitik amaçlı (molekül kütlesi bulunması, vd.), fraksiyonlara ayırma ve tuzdan arındırma.

40 Şekil 2.69 Kolon kromatografisinde molekül büyüklüğüne göre ayrılma ve alıkonma zamanına göre oluşan kromatogram. Moleküler eleme kromatografisinde UV, RI, ışık saçılması ve viskozite detektörleri kullanılabilmektedir. 2.7.3 FT-IR Spektroskopisi Kovalent bağlarla bağlı atomların çekirdekleri bir yayla birbirine bağlı iki topunkine benzer şekilde titreşir ya da salınırlar. Moleküller infrared ışığı soğurduklarında, soğurulan enerji, bağlı atomların titreşim genliklerinde bir artmaya neden olur. Bu durumda molekül uyarılmış titreşim halindedir. Molekül temel hale dönerken soğurulan enerji ısı olarak açığa çıkar. Bağların titreşim halleri, sabit ya da paketlenmiş enerji seviyelerinde oluşur. Belirli bir bağ türünün belirli bir dalgaboyundaki soğurması temel hal ve uyarılmış hal arasındaki enerji farkına bağlıdır. Bu nedenle, farklı bağ türleri (H-H, C-C, O-H ve diğerleri) infrared ışınını farklı karakteristik dalgaboylarında soğururlar. Đnfrared spektrumlarının çoğu dalgaboyu ya da frekansı %T ye karşılık verir. Bir moleküldeki bir bağ farklı salınımlar gösterebilir; bu nedenle belirli bir bağ birden fazla dalgaboyunda enerji soğurabilir. Örneğin bir O-H bağı 3300 cm -1 (3.0 µm) dolayında enerji soğurabilir. Bu dalgaboyundaki enerji O-H bağında artan gerilme titreşimlerine neden olur. O-H bağı 1250 cm -1 (8.0 µm) dolayında da soğurabilir; bu dalgaboyundaki enerji artan eğilme titreşimlerine neden olur. Bu farklı titreşim türleri farklı temel titreşim modları diye bilinir.

41 Şekil 2.70 CH 3 OH daki gerilme ve eğilme titreşimleri. Bir bağın soğurduğu enerji miktarı, bağ yapan atomlar titreştikçe bağ momentindeki değişikliğe bağlıdır. Bağ momentindeki daha büyük bir değişiklik daha büyük miktardaki enerji soğurmasıyla sonuçlanır. Polar olmayan bağlar infrared ışığını soğurmazlar, çünkü atomlar titreşirken bağ momentinde bir değişiklik olmaz. Polar olmayan bağlar (organik moleküllerdeki C-C ve C-H bağlarının çoğu) zayıf soğurmaya neden olurlar. Buna karşılık, polar bağlar (C=O gibi) kuvvetli soğurma gösterirler. Modern infrared düzenekleri spektrum elde etmek için hızlı bir Fourier analizi uygular ve Fourier transform infrared (FT-IR) spektrometreleri olarak bilinirler. Đnfrered ışınımı iki demete ayrılır. Bir demet durağan kalırken, diğeri hareketli bir demet oluşturmak üzere hareketli bir aynaya yönelir. Daha sonra bu iki demet değişken bir demet elde etmek üzere birleştirilirler. Belirli bir dalga boyunda, değişken demette ya daha çok ışık enerjisi (yapıcı girişim) ya da daha az ışık enerjisi (yıkıcı girişim) olacaktır. Değişken demet örnekten geçirilir, sayısal hale getirilir ve bir bilgisayarla infrared spektruma Fourier-dönüşümlü hale getirilir. 2.7.4 Ultrasantrifüj Yöntemi Bir polimer çözeltisinde bulunan çözücü moleküllerinin kinetik enerjisi polimer molekülleri üzerine etki eden yerçekimi kuvvetinden daha büyüktür. Bu nedenle polimer molekülleri çözelti içerisinde homojen olarak dağılmış halde kalırlar. Böyle bir çözelti santrifüjlendiğinde polimer molekülleri santrifüj kuvvetinin yönüne bağlı olarak bir yöne doğru hareketlenir. Polimer moleküllerinin hareketlerinden yararlanarak sedimentasyon katsayısı (S) ve molekül ağırlığı bulunabilir. Homojen polimer çözeltilerinde bölgesel konsantrasyon farklılıkları gözlenmez ve konsantrasyonun yönle değişimi sıfırdır. Bu homojen çözelti santrifüj edildiği zaman polimer zincirleri hücrenin dibine doğru hareket eder (sedimentasyon). Sonuçta çözeltinin her seviyesinin konsantrasyonu farklanır ve yöne bağlı olarak dereceli konsantrasyon değişikliği

42 gözlenir ( dc / dx ). Polimer molekülleri ise konsantrasyonun düşük olduğu tarafa doğru difüzyonla hareket etmek isterler. Polimer yoğunluğunun çözücüden daha büyük olduğu polimer çözeltileri santrifüj edildiğinde polimerin polidispersitesine bağlı olarak iki uç davranışla karşılaşılır. Monodispers polimerlerden hazırlanmış çözeltilerde kısa sürede çözücü üstte çökelti altta kalacak şekilde ayrılma gözlenir. Çözücü-çökelti fazları arasındaki ayrılma sınırı belirgindir. Molekül ağırlığı dağılımı geniş olan polimerlerin çözeltileri santrifüj edildiğinde ise çözücüpolimer çözeltisi ayrımı gözlenmez. Polimer zincirleri kabın tabanına doğru büyüklükleri artacak şekilde düzenlenirler. Konsantrasyon farkından dolayı çözeltinin her seviyesinin kırılma indisi belirgin şekilde değişir. Çözeltinin değişik noktalarından ( x ) yapılacak kırılma indisi ölçümleriyle konsantrasyon farklılıkları incelenebilir ( dc / dx ). Bu veriler sedimentasyon katsayısı (S) ve difüzyon sabitinin (D) hesaplanmasında kullanılır. Polimerin mol kütlesi S ve D ye Svedberg eşitliği ile bağlıdır (Saçak, 2004). Mw= S D RT ( 1 γ.ρ ) çözelti (3.1) Bağıntıda ρ çözelti çözelti yoğunluğunu, γ ise polimerin kısmi özgül hacmini göstermektedir.

43 3. DENEYSEL KISIM 3.1 Kullanılan Cihazlar ve Kimyasal Maddeler 3.1.1 Kullanılan Cihazlar WTW ph level 1 ph metre Shimadzu UV-1700 PharmaSpec UV-VIS Spektrofotometre Viscotek 4 Dedektörlü GPC (SEC) Sistemi (Viscotek TDA 302 üçlü dedektör dizisi, Viscotek Model 2501 UV dedektörü, Viscotek GPCmax VE2001 örnek modülü kısımlarından oluşur.) FT-IR Spektrometre (Perkin Elmer) Zeta-Sizer Partikül Boyutu ve Zeta Potansiyel Ölçüm Cihazı (Malvern) OHAUS Adventurer Hassas Terazi OHAUS Adventurer Kaba Terazi Heildolph MR 3001 Isıtıcılı Manyetik Karıştırıcı Binder Vakum Etüvü Finnpipette Micropipet (1-10 ml, 100-1000 µl, 5-50 µl) Biofuge Stratus Heraeus Soğutmalı Santrifüj Cihazı IKAMAG Çoklu Karıştırıcı Milipore-Q Gradient Ultra Saf Su Cihazı PEAK Scientific Azot Jeneratörü

44 3.1.2 Kullanılan Kimyasallar Maddeler 2-(2-hidroksietil)piperidin (C 7 H 5 NO) Kalsiyum Sülfat (CaSO 4 ) Etil alkol (C 2 H 5 OH) Tiyonil klorür (SOCl 2 ) Kalsiyumoksit (CaO) Kloroform (CHCl 3 ) Sodyum hidroksit (NaOH) Potasyum hidroksit( KOH) Kalsiyum klorür (CaCl 2 ) Metil Đyodür (CH 3 I) Dietileter (C 4 H 10 O) Etil Bromür (C 2 H 5 Br) Trimetilsilan bromür (CH 3 ) 3 SiBr Benzoil Klorür (C 7 H 5 OCl) Heksadesil bromür (C 16 H 33 Br) t-butil bromür (CH 3 ) 3 CBr

45 3.2 Sentezde Kullanılan Çözücülerin Kurutulması ve 2-(2-hidroksietil)piperidin in Vakum Destilasyonu Sentezden önce kullanılacak çözücülerin kurutma işlemleri gerçekleştirildi. Kuru etanol elde etmek için 100 g CaO kül fırında 600 C de 6 saat bekletildi. Kül fırından çıkarılan CaO sıcak haldeyken etil alkolün içerisine eklendi. Alkol ve CaO karışımı iki parça halinde 6 saat süre ile reflakse edildi. Daha sonra destilasyon ile kuru etil alkol alındı. 600 ml triklormetan içerisine 200 g CaCl 2 eklendi ve bir gece bekletildi. Bir gece sonra CaCl 2 süzüldü ve triklormetanın içerisine 150 g CaSO 4 eklendi. Bu şekilde geri soğutucu altında 2,5 saat reflaks edildi. 2,5 saat sonunda destilasyon ile kuru triklormetan elde edildi. 2-(2-hidroksietil)piperidin in saflaştırılması vakum destilasyonu ile gerçekleştirildi. 60 g 2-(2- hidroksietil)piperidin vakum destilasyonu ile destile edildi. 3.3 2-(2-kloroetil)piperidin hidroklorür Tuzu Sentezi 2-(2-kloroetil)piperidin hidroklorür (e.n.= 230 C) tuzu elde etmek için yeni destillenmiş 2-(2- hidroksietil)piperidin (e.n.= 38 C, k.n.= 234 C) ile tiyonil klorür reaksiyona sokuldu. 78 ml SOCl 2 üzerine 90 ml CHCl 3 da çözülmüş 60 g 2-(2-hidroksietil)piperidin çok yavaş bir şekilde ilave edildi. Bu sırada sistem sürekli ve hızlı bir karıştırmaya tabi tutuldu. Ayrıca reaksiyon ortamının sıcaklığının 0 C nin altında olması sağlandı. Eklemeden sonra sistem oda sıcaklığına ısıtıldı ve yaklaşık 2 saat süreyle oda sıcaklığında karışmaya bırakıldı. Damlatma hunisi ile 70 ml EtOH yavaşça reaksiyon ortamına eklendi (1 saat içerisinde). Bu sırada karıştırmaya sürekli devam edildi. Reaksiyon ortamının sıcaklığı artırılarak elde edilen tuzun çözünmesi sağlandı. Çözünme gerçekleştikten sonra 2 saat süreyle reflaks edildi. Reflaks işlemi sırasında sistemden belirli aralıklarla inert gaz geçirildi. Reflaks işleminden sonra reaksiyon düzeneği oda sıcaklığına gelinceye kadar bekletildi. Bir gün sonra elde edilen tuz, soğuk EtOH ve dietil eter ile yıkandı ve vakum altında kurutuldu. Böylece beyaza yakın renkte tuz çöküntüsü elde edildi (Şekil 3.1).

46 Şekil 3.1 2-(2-hidroksietil)piperidinden 2-(2-kloroetil) piperidin hidroklorür tuzunun sentezi. Sentezlenen 2-(2-kloroetil)piperidin hidroklorür tuzuna ait FT-IR spektrumu Şekil 4.2 de verilmiştir. 3.4 1-Azobisiklo[4.2.0]oktan (Konidin) Sentezi 36.4 g 2-(2-kloroetil)piperidin hidroklorür 1.6 L suda çözüldü. Hafif sarı renkli bu çözeltiye 16.8 g NaOH eklendi ve karıştırıldı. Hazırlanan bu sistem 65C da 2 saat süreyle reflaks edildi. Reflaks işleminden sonra çözeltiye yavaş bir şekilde 129.76 g KOH eklendi ve çözünme sağlandı. Çözeltinin ph sı 13 olarak ölçüldü. Sistemin destilasyonuna başlandı ve her seferinde 800 ml olmak üzere toplam 8 adet destilasyon ürünü toplandı. Destilasyona,toplanan destilatların ph ı 7 olana kadar devam edildi.toplanan her destilata 40 g KOH ilave edildi ve çözünme sağlandı.bu çözelti 100 er ml dietil eter ilavesiyle 6 kez ekstraksiyona tabi tutuldu.ekstraksiyon sonucunda toplanan organik fazlar bir araya getirilerek fraksiyonlu destilasyon yapıldı. Bu destilasyonda eter fazı uçurularak uzaklaştırıldı. Uçurmadan sonra 1-azobisiklo[4.2.0]oktan elde edildi (Şekil 3.2).

47 Şekil 3.2 2-(2-kloroetil) piperidin hidroklorür tuzundan 1-Azobisiklo[4.2.0]oktan monomerinin sentezi. Reaksiyon sonunda 6.8 g konidin monomeri sentezlenmiştir. Reaksiyon verimi yaklaşık % 19 dur. 3.5 1-Azobisiklo[4.2.0]oktan (konidin) Polimerizasyonu Polimerizasyon için, sentezlenen konidin monomer olarak kullanılmış ve katyonik halka açılması polimerizasyonuyla farklı başlatıcılar kullanılarak polimerizasyon yürütülmüştür. Başlatıcı olarak RX tipi alkil halojenürler (metil iyodür, etil bromür, heksadesil bromür, t- butil bromür, trimetilsilan bromür ve benzoil klorür) kullanılmıştır. Polimerizasyonda kısmi pozitif yük taşıyan R grubu konidindeki azot atomuna bağlanarak kuarterner amonyum tuzu oluşturur. Başlatıcıdan gelen karşıt iyon ise polimerizasyon ortamında negatif yüklü grup olarak bulunur ve kuarterner amonyum tuzunun etrafında çevrelenir. Oluşan amonyum tuzu ilk katyonik aktif merkezdir ve polimerizasyon bu pozitif yük üzerinden yürür. Ortamda bulunan monomer güçlü bir nükleofildir ve katyonik aktif merkezdeki azetidin halkasına saldırarak dörtlü halkanın açılmasına neden olur. Pozitif yük zincir sonuna taşınır ve polimerizasyon yeni monomerlerin bağlanmasıyla devam eder. Polimerizasyon başlatıcı/monomer mol oranları değiştirilerek tekrarlanmıştır. Prensipte bu tür polimerizasyonlarda başlatıcı miktarının çok az tutulması tercih edilir. Yaşayan tip polimerlerde sonlanma reaksiyonlarının gerçekleşmediği teorik olarak öngörülse de başlatıcıdan gelen negatif yüklü karşıt iyonlar katyonik aktif merkeze bağlanarak

48 polimerizasyonu durdurabilirler. Bu nedenle ortamda karşıt iyonların miktar olarak az olması tercih edilir. Polimerlerin çöktürülmesi için su kullanıldı. Yaşayan tip polimer sistemlerinde polimerizasyonun sonlanması karşıt iyonun aktif merkeze bağlanması, tersinir olmayan zincir transferi, ortamda bulunan solventler ve safsızlıkların etkisi ile gerçekleşir. Polimer çözeltisine su ilavesi polimerizasyonu tamamen durdurur. Şekil 3.3 Poli(1-azobisiklo[4.2.0] oktan) ın sentez basamakları (Mühlbach ve Schulz, 1988).

49 3.6 Poli(1-azobisiklo[4.2.0]oktan) Polimerinin Bromoasetik Asit (BrAcOH) Đle Modifikasyonu Poli(1-azobisiklo[4.2.0]oktan) pozitif yüklü bir polielektrolittir. Polielektrolitlere istenen yapısal özelliklerin kazandırılması için çeşitli yöntemlerle ve farklı kimyasallarla modifikasyon yapılabilir. Bu tezde sentezlenen farklı molekül ağırlığına sahip polimerlerden ikisi bromoasetik asit ile reaksiyona sokulmuştur. Bunun için M w =23067 Da olan polimerden 59 mg alındı ve 5 ml metanolde çözüldü. Çözeltiye 69 mg bromoasetik asit eklendi ve inert ortamda (N 2 gazı geçirilerek) dört gün boyunca 70 C de bekletildi. Dört gün sonunda elde edilen modifiye polimer etil asetatın aşırısı ile çöktürüldü ve vakum altında kurutuldu. Aynı işlemler M w =23662 Da olan polikonidin için de tekrarlandı. 3.7 Poli(1-azobisiklo[4.2.0]oktan) Polimerinin Bromoasetik Asit Türevinin MCF 7 Meme Kanseri Hücrelerine Etkisi Sentezlenen polikonidinin bromoasetik asit ile reaksiyonu sonucu elde edilen poliamfolitin MCF 7 meme kanseri hücrelerinin canlılığına olan etkileri araştırılmıştır. Đlk olarak Mosmann tarafından tanımlanan ve daha sonra Alley ve ark. tarafından geliştirilen 3-(4,5-dimetiltriazol-2-il)-2,5-difeniltetrazolium bromür (MTT) yöntemi hücre canlılığının belirlenmesi için sıkça kullanılan pratik bir yöntemdir (Mosmann, 1983; Alley, 1988). MTT, hücrelere aktif olarak absorbe olan ve mitokondriye bağlı bir reaksiyon ile renkli, suda çözünmeyen formazana indirgenen bir maddedir. Hücrelerin MTT indirgeme özelliği hücre canlılığının ölçütü olarak alınır ve MTT analizi sonucunda elde edilen boya yoğunluğu canlı hücre sayısı ile korelasyon gösterir (Abe, 2000). Hücreler 24 saat ilaç dozları ile inkübe edildikten sonra, MTT testine alınırlar. Buna göre eksponansiyel fazdaki kültür hücreleri sayıldı. 100 µl lik hacimlerde hücreler alınarak 96 lık platelere konuldu. 24 saat 37 C de %5 CO 2 altında inkübe edildi. Fosfat tamponunda (PBS) çözünmüş olan modifiye polikonidin farklı hacimlerdeki kuyucuklara eklendi ve MTT olmadan 24 saat inkübe edildi. MTT stok çözeltisi 5 mg MTT/ml PBS olacak şekilde hazırlandı ve 0.2 µm lik steril filtreden geçirildi. Çalışma çözeltisi, çalışmadan hemen önce MTT stok/kültür medyumu 1/5 olacak şekilde hazırlandı. Standart koşullarda 50 µl MTT çalışma çözeltisi her bir kuyucuğa eklendi. Meme kanseri hücreleri 37 C de 4-24 saat inkübe

50 edildi. Đnkübasyon sonunda hücreler mikroskobik olarak incelendi. Oluşan formazon kristallerini çözmek amacıyla, kuyucuklara 150 µl DMSO eklendi. 570 nm de mikroplaka okuyucu ile okundu. 3.8 Kullanılan Çözeltiler Sentezlenen polimerlerin molekül ağırlıklarının tespiti ve diğer fizikokimyasal özelliklerinin belirlenmesi için dört dedektörlü moleküler eleme kromatografisi yöntemi kullanıldı. Bu ölçümler için polimer 0.5 M CH 3 COOH-0.3 M Na 2 SO 4 tamponunda çözüldü (ph=3). Bu tampondan 1 L hazırlamak için; M CH3COOH =60 g/mol M Na2SO4 =142 g/mol n= m M m 0.5= m= 30 g asetikasit 60 d asetik asit =1.05 g/ml m 30 V = = = 28. 6ml Asetik asit d 1,05 mna 2 SO 4 =0.3x142= 42.6 g Na 2 SO 4 karıştırılarak 1 L ye tamamlandı. 3.9 UV Spektroskopisi Ölçümleri 1-azobisiklo[4.2.0]oktan monomerinin sentezi aşamalarında sentezin gidişini kontrol etmek amacıyla UV spektrumları alınmıştır. 2-(2-hidroksietil)piperidin başlangıç maddesi ile 2-(2- kloroetil)piperidin hidroklorür tuzu ve konidin monomerine ait UV spektrumları da Şekil 4.13 ve Şekil 4.14 de gösterilmiştir. Spektrumlardan başlangıç maddesi olan 2-(2- hidroksietil)piperidin in 306 nm de maksimum absorbans verdiği (Amaks=0.321), 2-(2- kloroetil)piperidin hidroklorür tuzunun ise absorbans vermediği görülmektedir. Yine bu spektrumdan konidin monomerinin de 241 nm de absorbans verdiği (Amaks=0.706) görülmektedir. 3.10 Dört Dedektörlü Moleküler Eleme Kromatografisi Ölçümleri

51 Sentezlenen polikonidinlerin molekül ağırlıklarının ve diğer fizikokimyasal özelliklerinin belirlenmesi için dört dedektörlü moleküler eleme kromatografisi yöntemi kullanılmıştır. Viskozite, ışık saçılması, UV ve kırılma indisi detektörlerini içeren moleküler eleme kromatografi sisteminden elde edilecek veriler şu şekilde sıralayabiliriz: Molekül kütlesi: Molekül kütlesi değerleri ışık saçılması ve konsantrasyon detektörleri kullanılarak hesaplanmaktadır ve viskozite detektörü ile doğrulanmaktadır. Ağırlıkça ortalama molekül kütlesi, M w Sayıca ortalama molekül kütlesi, M n z-ortalama molekül kütlesi, M z Boyut: Boyut değerleri viskozimetre ve ışık saçılması detektörleri kullanılarak hesaplanmaktadır. Hidrodinamik yarıçap, R h : hesaplanmaktadır. Gyration yarıçapı, Rg elde edilmektedir. R h = [ η] 3 M 4π 0,025 1/ 3 formülü kullanılarak Đntrinsik viskozite [η]: Đntrinsik viskozite viskozimetre ve konsantrasyon detektörlei kullanılarak bulunmaktadır. Viskozite detektörü her ölçüm noktasında spesifik viskoziteyi ölçmektedir ve o noktadaki konsantrasyon (konsantrasyon detektöründen gelen) değerine bölünerek intrinsik viskozite bulunmaktadır. Mark-Houwink sabitleri (a, log K) elde edilmektedir. Molekül yapısı hakkında bilgi; Dallanma: Mark-Houwink sabitleri ve bir lineer polimer standardı kullanılarak elde edilmektedir. Konformasyon (küresel, çubuk, rasgele yumak): Mark-Houwink sabitleri ve kütleboyut grafiğinden bu bilgi elde edilmektedir (Topuzoğulları, 2006).

52 4. DENEY SONUÇLARI Şekil 4.1 2-(2-hidroksietil) piperidin in FT-IR spektrumu. Şekil 4.2 2-(2-kloroetil) piperidin hidroklorür tuzu FT-IR spektrumu.

53 Şekil 4.3 1-azobisiklo[4.2.0]oktan monomerine ait FT-IR spektrumu. Şekil 4.4 Kloroform ortamında n başlatıcı /n monomer oranı 1/1000 olan polikonidine ait FT-IR spektrumu (başlatıcı CH 3 I).

54 Şekil 4.5 Kloroform ortamında n başlatıcı /n monomer oranı 1/500 olan polikonidine ait FT-IR spektrumu (başlatıcı CH 3 I). Şekil 4.6 Kloroform ortamında n başlatıcı /n monomer oranı 1/2000 olan polikonidine ait FT-IR spektrumu (başlatıcı CH 3 I).

55 Şekil 4.7 Metanol-1,4-dioksan karışımında n başlatıcı /n monomer oranı 1/2000 olan polikonidine ait FT-IR spektrumu (başlatıcı CH 3 I, M w =23067). Şekil 4.8 Metanol-1,4-dioksan karışımında n başlatıcı /n monomer oranı 1/2000 olan polikonidine ait FT-IR spektrumu (başlatıcı CH 3 I, M w =23662).

56 Şekil 4.9 Metanol-1,4-dioksan karışımında n başlatıcı /n monomer oranı 1/2000 olan polikonidinin Bromoasetik asit ile reaksiyonunda elde edilen türeve ait FT-IR spektrumu (başlatıcı CH 3 I, M w =24334). Şekil 4.10 Metanol-1,4-dioksan karışımında n başlatıcı /n monomer oranı 1/2000 olan polikonidinin Bromoasetik asit ile reaksiyonunda elde edilen türeve ait FT-IR spektrumu (başlatıcı CH 3 I, M w =38572).

57 Şekil 4.11 Metanol-1,4-dioksan karışımında n başlatıcı /n monomer oranı 1/2000 olan polimere ait FT-IR spektrumu (3 mol monomer/1 L çözelti, başlatıcı CH 3 I). Şekil 4.12 Metanol-1,4-dioksan karışımında n başlatıcı /n monomer oranı 1/2000 olan polimere ait FT-IR spektrumu (6 mol monomer/1 L çözelti, başlatıcı CH 3 I).

58 Şekil 4.13 2-(2-hidroksietil) piperidin in UV spektrumu (306 nm A maks =0.321). Şekil 4.14 2-(2-kloroetil)piperidin hidroklorür tuzu (kırmızı) ve 1-azobisiklo[4.2.0]oktan monomerine (mavi) ait UV spektrumları.

59 Şekil 4.15 n başlatıcı /n monomer =1/1000 olan farklı başlatıcılar kullanılarak sentezlenen polikonidine ait UV spektrumları (a=metil iyodür, b=benzoil klorür, c=trimetilsilan bromür, d=t-butil bromür ile başlatılmıştır.)

60 Şekil 4.16 Metanol-1,4-dioksan karışımında n başlatıcı /n monomer oranı 1/2000 olan polikonidinin Bromoasetik asit ile reaksiyonunda elde edilen türeve ait UV spektrumu (başlatıcı CH 3 I, M w =24334). Şekil 4.17 Metanol-1,4-dioksan karışımında n başlatıcı /n monomer oranı 1/2000 olan polikonidinin Bromoasetik asit ile reaksiyonunda elde edilen türeve ait UV spektrumu (başlatıcı CH 3 I, M w =38572).

61 Şekil 4.18 Metanol-1,4-dioksan karışımında n başlatıcı /n monomer oranı 1/3000 olan polimere ait FT-IR spektrumu (başlatıcı CH 3 I). Şekil 4.19 Metanol-1,4-dioksan karışımında n başlatıcı /n monomer oranı 1/3000 olan ve mikrodalga enerjisi ile sentezlenmiş polimere ait FT-IR spektrumu (başlatıcı CH 3 I)

62 Şekil 4.20 Metanol-1,4-dioksan karışımında n başlatıcı /n monomer oranı 1/10000 olan polimere ait FT-IR spektrumu (başlatıcı CH 3 I)

63 Şekil 4.21 Metanol ortamında n başlatıcı /n monomer oranı 1/10000 olan polimere ait FT-IR spektrumu (başlatıcı CH 3 I) Şekil 4.22 Metanol ortamında ve DIEA bazı varlığında n başlatıcı /n monomer oranı 1/10000 olan polimere ait FT-IR spektrumu (başlatıcı CH 3 I)

64 Şekil 4.23 Metanol ortamında n başlatıcı /n monomer oranı 1/3000 olan polimere ait FT-IR spektrumu (başlatıcı CH 3 I) Şekil 4.24 Metanol ortamında n başlatıcı /n monomer oranı 1/2000 olan polimere ait FT-IR spektrumu (başlatıcı CH 3 I)

65 Şekil 4.25 Metanol ortamında n başlatıcı /n monomer oranı 1/10000 olan polimere ait FT-IR spektrumu (başlatıcı benzoil klorür) Şekil 4.26 Metanol ortamında n başlatıcı /n monomer oranı 1/10000 olan polimere ait FT-IR spektrumu (başlatıcı etil bromür)

66 Şekil 4.27 Metanol ortamında n başlatıcı /n monomer oranı 1/10000 olan polimere ait FT-IR spektrumu (başlatıcı heksadesil bromür) Şekil 4.28 Metanol ortamında mikrodalga enerjisi ile sentezlenmiş n başlatıcı /n monomer oranı 1/3000 olan polimere ait FT-IR spektrumu (başlatıcı CH 3 I)

67 Şekil 4.29 n başlatıcı /n monomer oranı 1/2000 Metanolde (yeşil), 1/2000 Metanol-1,4-dioksan karışımında (kırmızı), 1/2000 kloroformda (mavi), 1/2000 kloroformda 7 günde (siyah) sentezlenen polimerlere ait Zeta-Sizer grafikleri

68 Şekil 4.30 n başlatıcı /n monomer oranı 1/1000 kloroformda (siyah), 1/500 kloroformda (mavi), 1/2000 kloroformda (koyu yeşil), 1/2000 kloroformda 7 günde (kırmızı) sentezlenen polimerlere ait Zeta-Sizer grafikleri

69 Şekil 4.31 M w =9900 (kırmızı), 4300 (siyah), n başlatıcı /n monomer oranı 1/2000 Metanol-1,4- dioksan karışımında bromoasetik asit ile reaksiyona sokulmuş, M w =23067 (mavi), n başlatıcı /n monomer oranı 1/2000 Metanol-1,4-dioksan karışımında bromoasetik asit ile reaksiyona sokulmuş, M w =23662 (yeşil) sentezlenen polimerlere ait Zeta-Sizer grafikleri

70 Şekil 4.32 Metanol-1,4-dioksan karışımında n başlatıcı /n monomer oranı 1/2000 (6 mol monomer/1 L çözelti, başlatıcı CH 3 I) (kırmızı), Metanol-1,4-dioksan karışımında n başlatıcı /n monomer oranı 1/2000 (3 mol monomer/1 L çözelti, başlatıcı CH 3 I) (siyah), Metanol-1,4-dioksan karışımında n başlatıcı /n monomer oranı 1/3000 (mavi), Metanol-1,4-dioksan karışımında n başlatıcı /n monomer oranı 1/3000 mikrodalga ile sentezlenen (yeşil)polikonidinlere ait Zeta-Sizer grafikleri

71 Şekil 4.33 n başlatıcı /n monomer =1/1000 olan farklı başlatıcılar kullanılarak sentezlenen polikonidine ait refraktif indeks ve UV kromatogramları. metil iyodür (siyah), benzoil klorür (yeşil), trimetilsilan bromür (kırmızı), t-butil bromür (mavi).

72 Şekil 4.34 n başlatıcı /n monomer =1/1000 olan farklı başlatıcılar kullanılarak sentezlenen polikonidine ait ışık saçılması ve viskozite kromatogramları. metil iyodür (siyah), benzoil klorür (yeşil), trimetilsilan bromür (kırmızı), t-butil bromür (mavi).

73 Çizelge 4.1 Dört dedektörlü moleküler eleme kromatografisi ile belirlenen sabitler (Şekil 4.33 ve Şekil 4.34 daki örnekler için).

74 Şekil 4.35 Kloroform ortamında n başlatıcı /n monomer oranı 1/1000 (kırmızı), Metanol-1,4-dioksan karışımında n başlatıcı /n monomer oranı 1/2000 (koyu yeşil), Metanol-1,4-dioksan karışımında n başlatıcı /n monomer oranı 1/3000 (açık yeşil), Metanol-1,4-dioksan karışımında n başlatıcı /n monomer oranı 1/3000 ve mikrodalga enerjisi ile sentezlenmiş (mavi), Metanol-1,4-dioksan karışımında n başlatıcı /n monomer oranı 1/3000 ve mikrodalga enerjisi ile ikinci çöktürme sonunda sentezlenen (siyah) polimerlere ait refraktif indeks ve UV kromatogramları.

75 Şekil 4.36 Kloroform ortamında n başlatıcı /n monomer oranı 1/1000 (kırmızı), Metanol-1,4-dioksan karışımında n başlatıcı /n monomer oranı 1/2000 (koyu yeşil), Metanol-1,4-dioksan karışımında n başlatıcı /n monomer oranı 1/3000 (açık yeşil), Metanol-1,4-dioksan karışımında n başlatıcı /n monomer oranı 1/3000 ve mikrodalga enerjisi ile sentezlenmiş (mavi), Metanol-1,4-dioksan karışımında n başlatıcı /n monomer oranı 1/3000 ve mikrodalga enerjisi ile ikinci çöktürme sonunda sentezlenen (siyah) polimerlere ait ışık saçılması ve viskozite kromatogramları.

76 Çizelge 4.2 Dört dedektörlü moleküler eleme kromatografisi ile belirlenen sabitler (Şekil 4.35 ve Şekil 4.36 daki örnekler için).

77 Şekil 4.37 Kloroform ortamında n başlatıcı /n monomer oranı 1/500 (siyah), Kloroform ortamında n başlatıcı /n monomer oranı 1/2000 (koyu yeşil), Kloroform ortamında n başlatıcı /n monomer oranı 1/2000 (kırmızı), Metanol-1,4-dioksan karışımında n başlatıcı /n monomer oranı 1/2000 (mavi), Metanol-1,4- dioksan karışımında n başlatıcı /n monomer oranı 1/2000 ve mikrodalga enerjisi ile sentezlenmiş (açık yeşil) polimerlere ait refraktif indeks ve UV kromatogramları.

78 Şekil 4.38 Kloroform ortamında n başlatıcı /n monomer oranı 1/500 (siyah), Kloroform ortamında n başlatıcı /n monomer oranı 1/2000 (koyu yeşil), Kloroform ortamında n başlatıcı /n monomer oranı 1/2000 (kırmızı), Metanol-1,4-dioksan karışımında n başlatıcı /n monomer oranı 1/2000 (mavi), Metanol-1,4- dioksan karışımında n başlatıcı /n monomer oranı 1/2000 ve mikrodalga enerjisi ile sentezlenmiş (açık yeşil) polimerlere ait ışık saçılması ve viskozite kromatogramları.

79 Çizelge 4.3 Dört dedektörlü moleküler eleme kromatografisi ile belirlenen sabitler (Şekil 4.37 ve Şekil 4.38 deki örnekler için).

80 Şekil 4.39 Metanol-1,4-dioksan karışımında n başlatıcı /n monomer oranı 1/2000 ve mikrodalga enerjisi ile sentezlenmiş (siyah), kloroformda n başlatıcı /n monomer oranı 1/2000 olan ve mikrodalga enerjisi ile sentezlenmiş (koyu yeşil), kloroformda n başlatıcı /n monomer oranı 1/2000 (kırmızı), kloroformda n başlatıcı /n monomer oranı 1/2000 (mavi), Metanol-1,4-dioksan karışımında n başlatıcı /n monomer oranı 1/2000 ve ikinci çöktürme sonunda sentezlenen (açık yeşil) polimerlere ait refraktif indeks ve UV kromatogramları.

81 Şekil 4.40 Metanol-1,4-dioksan karışımında n başlatıcı /n monomer oranı 1/2000 ve mikrodalga enerjisi ile sentezlenmiş (siyah), kloroformda n başlatıcı /n monomer oranı 1/2000 olan ve mikrodalga enerjisi ile sentezlenmiş (koyu yeşil), kloroformda n başlatıcı /n monomer oranı 1/2000 (kırmızı), kloroformda n başlatıcı /n monomer oranı 1/2000 (mavi), Metanol-1,4-dioksan karışımında n başlatıcı /n monomer oranı 1/2000 ve ikinci çöktürme sonunda sentezlenen (açık yeşil) polimerlere ait ışık saçılması ve viskozite kromatogramları.

82 Çizelge 4.4 Dört dedektörlü moleküler eleme kromatografisi ile belirlenen sabitler (Şekil 4.39 ve Şekil 4.40 daki örnekler için).