ORGANİK KİMYADA SENTETİK METODOLOJİ ve BİTKİ KİMYASI

(Kimya-2, Çalıştay 2011)

ÇANAKKALE

Prof. Dr. Mehmet AY

22/07/2011

ORGANİK KİMYADAKİ BAZI ÇALIŞMA ALANLARI

Organik Sentezler

Sentetik Organik Kimya

Katalitik Reaksiyonlar

Asimetrik Sentezler

Organometalik Sentezler

Endüstriyel Organik Kimya

Fotokimya

Yeşil Kimya

Çevre Kimyası

Elektroorganik Kimya

Doğal Ürün Kimyası

Sıvı Kristal Kimyası

ORGANOMETALİK KİMYA NEDİR?

Organik Kimya (Karbon Kimyası) ve Anorganik Kimyanın (Metal Kimyası) arasında, her iki disiplini de kullanan bir ara disiplindir.

Adından da anlaşılabilceği gibi yapı olarak sadece bir karbon-metal bağı yeterli olduğundan sentezlenebilecek bileşik sayısı milyondan fazladır.

Organik kimyada sentezlenen ve Lewis bazı olarak davranabilen her karbon atomu herhangi bir Lewis asidi metal merkeze bağlanarak bir organometalik bileşikoluşturabilir.

ELEKTROFİLİK AMİNASYONUN ÖNEMİ

Bir organik moleküldeki uygun C-H ve C-X bağları kolayca C-Mg bağına ve ardından da uygun bir aminasyon reaktifi ile C-NH2 bağına dönüştürülebileceğinden organomagnezyum reaktiflerinin elektrofilik aminasyonu literatürde ilgi duyulan bir araştırma konusudur.

Günümüze kadar karbanyonların elektrofilik aminasyonu için sp2-azotu veya sp3-azotu içeren çeşitli aminasyon reaktifleri geliştirilmiş ve değişik organometalik reaktiflerle reaksiyona sokulmuşlardır (Erdik ve Ay, 1987.

OKSİMLEROksimler aldehit ve ketonların hidroksilaminle reaksiyonları sonunda oluşan, yapısında karbon-azot çift bağı bulunan bileşiklerdir.

Oksi ismi, oksiiminin kısaltmasıdır.

Aldehitlerden elde edilmişşse; aldoksim

Ketonlardan elde edilmişşse; ketoksim

olarak adlandırılırlar.

Oksim bileşikleri;

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

Aril magnezyum bromürlerin aseton O-(2,4,6 trimetilsülfonil) oksim ile aminasyonu

SONUÇ:En yüksek arilamin verimi %10 CuCN ile oda sıcaklığında 3 saatte ve aminasyon reaktifinin iki katı mol oranında 4-anisil magnezyum bromür kullanılarak elde edilmiştir.

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

Karbanyonların Elektrofilik Aminlenmesi

N-Haloaminlerle

O-alkilhidroksilaminlerle

Hidroksilamin-O-sülfonik asitle

O-arilhidroksilaminlerle ve O-açilhidroksilaminlerle

O-sülfonilhidroksilaminlerle

O-fosfinilhidroksilaminlerle

Azidlerle

Oksimlerle

Arendiazonyum tuzları ile

Dialkilazodikarboksilatlarla

Aminlerle

Yapılan Çalışmada;Fenil magnezyum bromürün aminlenmesi için bir diziorto-sübstitüe ketoksim kullanılmış ve iyi bir aminotransfer reaktifi olan asetoksim o-mesitilensülfonat(9g)

elde edilmiştir. R2C=N-O-X…..ketoksimGenel Reaksiyon:

9g, R= CH3; X= 2,4,6- (CH3)3C6H2SO2

h, R= C6H5; X= 2,4,6- (CH3)3C6H2SO2

i, R= CH3; X= 4-CH3C6H4SO2

j, R= C6H5; X= CH3

k, R= C6H5; X= Si(CH3)3

Amin oluşumunda verim; 9g>9h>9i>9j>9k sırasındadır.

Aril Grignard reaktiflerinin aminleşmesinde en yüksek verim ile amin elde edildiğinden dolayı

9g kullanılmış ve değişen her R grubu için reaksiyon koşulları optimize edilmiştir.

Katalizör olarak Cu(I) iyodür kullanılmış ve reaksiyon süresi azaltılmıştır.

SONUÇ:

C-N bağı oluşturmak için yaygın olarak nükleofilik gerçekleşen bir tepkime, elektrofilik olarak gerçekleşmiştir.

Karbon nükleofillerinin sayısının milyonları aştığını

söylerken azot nükleofillerinden kaynaklanan sınırlamanın ortadan kalktığı belirgindir.

Hem yöntem hem reaktif geliştirilmiştir !!!

ORGANİK SENTEZDE YEŞİL KİMYASAL YÖNTEMLER ve UYGULAMALARI

Yeşil Kimya 12 ilke üzerine oturtulmuş, mevcut kirlilik sorunlarını ortadan kaldıracak çözümleri içine alan, yeni bir akımdır.

‘’Kimyasalların tasarımı, üretimi ve kullanımı sırasında ve sonrasında ortaya çıkacak kirlilikleri eleyen ve azaltan yenilikli teknolojileri teşvik etmektir’’

YEŞİL KİMYANIN 12 İLKESİ1. Atığa Engel Olma

2. Güvenli Kimyasal ve Ürünlerin Tasarımı

3. Daha Az Zararlı Sentez Tasarımı

4. Yenilenebilir Hammadde Kullanımı

5. Yan Ürünlerden Kaçınır

6. Güvenli Çözücülerin Kullanımı ve Reaksiyon koşulları

7. Minimum Kaza Potansiyeli

8. Kirliliği Korumak İçin Zamanında Analiz

9. Kimyasal Tasarımı, Daha Sonra Kullanılması İçin Ürünler

10. Enerji Etki Artışı

11. Maksimum Atom Ekonomisi

12. Katalizör Kullanımı

YEŞİL KİMYANIN 12 İLKESİ

YEŞİL KİMYA NİÇİN ÖNEMLİDİR?

Atığın Maliyeti

Atık Reaktiflerin Maliyeti

Atık Uzaklaştrımanın Maliyeti

Düzenlemedeki Oluşum Maliyeti

YEŞİL KİMYA TEKNİKLERİ-Yeşil Reaktifler -Sulu faz reaksiyonlar

-Çözücü-bağımsız reaksiyonlar -Katı faz organik sentez

-İyonik sıvılar içinde reaksiyonlar -Geri dönüşümlü ham maddeler

-Biyobozunabilir ürünler -Atom etkili reaksiyonlar

-Kovalent olmayan türevlendirme -Biyokataliz

-Polimer destekli reaktifler -Koruyucu gurupların kullanılması

-Enzim ortamlı reaksiyonlar -Çevresel işleme

-Mikrodalga- uyarılmış reaksiyonlar -Süper kritik akışkan

-Mikrobiyal oksidasyonlar

GELECEĞİN EN İYİ KİMYASAL SÜREÇLERİ

1.TÜRE GÖRE İŞLEMLER

2.AZ ADIM/EN AZ ATIK

3.DOĞAL GÜVENLİK

4.ÇOK SAYIDA KATALİZ

5.KÜÇÜK BOYUTLU REAKTÖRLER

6.%100 ÜRÜN

7.BİRLEŞTİRİLMİŞ İŞLEMLER

8.KATALİTİK ARDARDA İŞLEMLER

ASİT KATALİZLİ REAKSİYONLAR

Asit katalizli kimyasal, farmasötik ve endüstrilerin bütün sektörleri içinde uygulamalar ile geniş bir kullanıma sahiptir.

Oldukça geniş etkili işlemlerin olduğu petro-kimya endüstrilerinde büyük ölçüde kullanılır.

Alışılmış birçok sıvı faz organik reaksiyonları H2SO4, HF gibi güçlü BrØnsted asitleri ve çözünür AlCl3 ve BF3 gibi Lewis asitleri tarafından katalizlenmiştir.

Asitlerin önemli üstünlükleri;

Ucuz

Kolayca kullanabilir

Çok aktif

Zayıf yönleri;

Organik ürünlerden zor ayrılırlar

Kullanımları tehlikeli atıkların geniş hacimlerini etkiler

Benzolizasyon ve sülfonilasyon içeren Friedel-Crafts açillemeleri asit-katalizli reaksiyonlaın geniş örneklerine sahiptirler.

Keton ürününün her molekülü, katalizörün bir molekülü ile kompleks oluşturur, etkin bir şekilde reaksiyondan uzaklaştırılır.

KISMİ OKSİDASYONLAROrganik moleküllerin (hidrokarbonlar gibi) kısmi oksidasyonu çeşitlidir.

Farmasötikler, tarım kimyasalları ve monomerlerin üretimini içeren kimyasal endüstrilerde ve uygulamaları ile kimyanın geniş bir alanında kullanılır.

Krom (IV) üzerine esaslı tipik bir kısmi oksidasyon işlemi için

hammaddeler

Krom (IV) üzerine esaslı bir işlemden ürün kazanımı ve

işleyişi

Kullanılan krom, sodyum ve kükürt son üründe görünmemektedir.

Orta dereceli sıcaklıklarda meydana gelen reaksiyon olanağı için bir katalizör gereklidir.

Böylece ideal kısmi oksidasyon işlemlerinde, reaktör içine organik substrat, hava ve küçük bir miktar katalizör eklenir.

Hava ve katalizör kullanılarak ideal kısmi

oksidasyon

Ürün gelişimi ve işleyiş

İdeal bir süreci basit, temiz ve verimli tutmak aktif ve seçici bir katalizör gerektirir.

Oksidan olarak hava (oksijen) yeşil katalitik oksidasyonun güzel bir örneğini sergiler.

Sulu faz içinde oksijenin yeterli derişimini sağlamak için 10-30 bar havaya ihtiyaç vardır.

Organik Sentezler İçin Yeşil Çözücüler

Organik bileşiklerin üretiminde açığa çıkan atıkların başlıcalarını inorganik tuzlar oluşturur.

Kimya Endüstrisinde kullanılan ve petrol türevi olan çözücü kullanımı oldukça yüksektir.

Özellikle iyi kimyasallar ve farmasötik üretim, modası geçmiş tekniklerle yayılmıştır.

Metallerle ( Na, Mg, Zn, Fe) ve metal hidrür reaktifleriyle ( LiAlH4, NaBH4 ) stokiyometrik indrigemeler,

Permanganat , mangan dioksit ve krom(VI) reaktifleri ile yükseltgemeler

Reaksiyon Ortamı Seçeneği

Poli(etilen glikol) (PEG) ve poli (propilen glikol) (PPG), katalitik süreçlerde yeni çözücüler olarak ilgiyi çekmişlerdir.

Her ikisi de pahalı olmayan ve kolayca kullanılabilir maddelerdir.

Toksik değildirler ve bakterilerle ayrışabilirler (geri dönüşümlü)

Reaksiyon Ortamı Seçeneği ve Çoklu Faz Katalizleri

Reaksiyon ortamının temeli katalizörün tekrar kullanımı ve elde edilebilirliği ile ilişkilidir

Çevresel ve ekonomik olmalıdır (katalizörlerin çoğu pahallı metaller ve ligantlar içerir)

Eğer katalizör çözünmez bir katı ise, bu bir heterojen katalizör, kolayca santrifüj ve süzme ile ayrılabilir

Eğer homojen katalizör ise reaksiyon ortamında yok olur, homojen katalizörlerin yüksek aktiviteleri ve seçicilik avantajları büyüktür.

Sulu İkili – Faz Katalizi

Katalizörün su fazı içinde bulunması ve ürününorganik faz içinde çözünmesi vasıtasıylakatalizörün basit yöntemle faz ayrılması ilegeri kazanılması ve kullanılmasına olanaksağlar.

Propilenin n-bütanole hidroformilasyonu içinRuhrchemie/Rhone-Poulenc yöntemiörneklendirilmiş.

Organometalik komplekslerin yeni uygulamalarıhidrojenesyon için Joo ve arkadaşları,hidroformilasyon için Kuntz tarafından yapılmıştır.

Daha sonra su içinde palladyum (Pd)katalizörlüğünde karbonilleme ilgilerini çekmiştir.

Sonunda Pd(0) rodyum-tppts kompleksine 8 gün odasıcaklığında bekletilerek dönüştürülmüştür. Bufosfin oksit bağlı Pd(Tppts)3’ün oluşumuylasonuçlanmıştır.

Bu şartlarda 5 dk da%100 ürün eldeedilmektedir. Bundankarbonilasyon katalizörü,sulu ortam içinde CO ileligand ve bir Pd(II) tuzukarışımı tarafından hızlıcaoluşmaktadır.

Hidroksimetil furfural’ınkarbonilasyonu için birBronsted asit varlığındaPd(tppts)3 kompleksi.

Aynı yöntem I-(4-izobütilfenil)etanol’ünkarbonillenmesinde ibuprofen ve benzil alkolün fenilasetik asite dönüşümü içinde gösterilmiştir.

Pd-tppts fenil asetik asitin sentezi Kohlpaintner veBeller (Hoechst) tarafından geliştirilmiştir.

BİYOKATALİZ Biyokatalizin yeşil kimyadaki çekici özellikleri, Ilıman reaaksiyon koşulları (pH ve sıcaklık) Çevresel uyumlu bir katalizör (enzim) ve çözücü

(genellikle su) çoklu fonksiyonel moleküller içindeyüksek aktiviteler,

Regio- ve stereo- seçicilikleri ile birleştirilmiştir.

Yarı sentetik penisilin vesefalosporin antibiyotikleriiçin anahtar hammadde ;

6-aminopenisinilik asit(6-APA),Penisilin –G’nin hidroliziyolu ile üretilmiştir.

Biyokatalitik proses içinde anahtar enzim oksidazdır.

Diğer bir enzim sınıfı alkollerin katalizlenmesini sağlayan alkol dehidrojenazdır.

Son zamanlarda yüksek enantiyo seçimli alkol dehidrojenaz geniş substrata özgü etki gösterir ve tüm organik çözücüler ile kullanılabilir.

Rhodococcus ruber’denayrılmıştır.

İYONİK SIVILAR Tam olarak basit sıvılardır ve iyonların tümüyle

birleşebilirler. Organik katyonların tuzlarıdır. (tetraalkilamonyum,

alkilpiridinyum, 1,3-dialkilimidazolyum, tetraalkifosfonyum)

•Oda sıcaklığında yeşil katalitik reaksiyonlar için etkiliortam sağlayan kesin özellikler sergiler.•Polarite ve hidrofilik/hidrofobiklik katyon ve anyonunkararlı birleşimi tarafından ayarlanabilir.•İyonik sıvılar için son 5 yıldır organik sentezlerde ortamolarak çalışılmaktadır.

Susuz iyonik sıvılar içinde Candida antacrticalipaz B (Nov 435) katalizli dönüşüm.

ADİPİK ASİT SENTEZİ İÇİN YEŞİL METOD

Siklohekzanon veya siklohekzanolden adipik asitin sentezi için KMnO4, CrO3 ve KO2 oksidanlarından yararlanılır ( zararlı ve pahalı bileşikler).

Siklohekzanonun adipik asite O2 ile katalitik oksidasyonu geliştirilmiştir. Reaksiyon, çözücü olarak HMPA veya asetik asit gerektirir.

Yoko Usiu ve Kazuhiko Sato, Green chemistry ,2003 ,5, 373

MİKRODALGA (MW) IŞINLAMA

Üstünlükler; Çok hızlı reaksiyonlar gerçekleşir (birkaç dk.) Basınç etkileri ile birleştirilmiş yüksek ve homojen

sıcaklıklar tarafından alınır. Yüksek saflık derecesinde ürünler. Ürünler genelde verimlidirler, kısa zamanda elde

edilir. 1986-2002 yılları boyunca uygulamaların artışı, organik sentez işlemlerini (heterosiklik, organometalik, radyo ve fotokimya)geliştirmiş

Asetal ve Dioksanların Oluşumu

Loupy ve arkadaşları verimli bir şekilde plastik bir kil üzerine aldehit ve laktonun adsorplanması vasıtasıyla reaksiyon karışımının mikrodalga irradyasyonuna maruz kalmasının takibinde 1-galakton-1,4-laktonun asetalını hazırlamışlardır.

Humelin ve arkadaşları 1,2-etandithiol veya 2,2-dimetil-1,3-dioksolan kullanarak asetaller ve dioksolonlar gibi aldehit ve ketonları başarılı bir şekilde korumuşlardır. Bu asit katalizli reaksiyon çözücüden bağımsız şartlar altında p-toluensülfonikasit (PTSA) veya KSF kilinin varlığında gerçekleşir.

OKSİDASYON REAKSİYONLARI Enaminlerin oksidasyonu: Çözücüden serbest

koşullar altında Hamellin’in grubu β,β-disübstitüe enaminler karbonil bileşiklerine KMnO4-AL2O3 ile MW fırınlarda (330 W, 1400) başarılı bir şekilde oksitlenir.

Permanganat (KMnO4) –alumina ile arenlerin oksidasyonu:KMnO4 emdirilmiş alümina mikrodalga kullanılarak 20-30 dk daarenleri ketonlara indirger.

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

İNDİRGEME REAKSİYONLARI

NaBH4 ile heterojen reaksiyon içinde temel dezavantaj 5 gün gibi uzun bir zaman gerektirir.

Bu geliştirilen teknikle katı faz içinde mikrodalgalar kullanılarak hızlı bir şekilde indirgeme gerçekleştirilmiştir.

BİTKİ KİMYASI

Tüm dünyada olduğu gibi ülkemizde de bitkiler tedavi amaçlı olarak halk arasında yıllardan beri kullanılmaktadır.

Türkiye’nin; Güney Avrupa ile Güneybatı Asya floraları( bitki örtüsü) arasında köprü olması, farlı iklim koşullarına sahip olması florasında yetişen bitki tür ve cinslerinde çeşitliliğe yol açmıştır.

Avrupa ülkelerinde tespit edilen yaklaşık11.000 bitki türü yanında yurdumuzda12.000’ den fazla yakın farklı doğal bitkiörtüsü takılmaktadır ve bunların %30’uendemiktir.

Ancak bu bitki zenginliğinden yeterincefaydalanılamamaktadır.

BİTKİ METABOLİTLERİ

Birincil Metabolitler: Bitkinin yaşamsal faaliyetlerini sürdürmesi için gereklidir. ( Karbonhidrat, yağ, protein, mineal)

İkincil Metabolitler: Sadece özel, farklılaşmış hücrelerde bulunurlar.

Bitki için gerekli olmamakla beraber bütünüyle faydalıdırlar. Örneğin, çiçek pigmentleri ve esanslar kararlılık verici, dengeleyici maddelerdir.

Morfolojik, kimyasal ve bitkide bulundukları yere göre değişiklik gösterirler.

BİTKİ NASIL ANALİZ EDİLİR?

Literatür taraması Bitkinin toplanması Tanımlanması KurutulmasıÖğütülüp özütlemeye hazır hale getirme Biyolojik aktivite testleri ( Antioksidan,

antitümör, antiinflamatuar vb.)Ayırma ve saflaştırma işlemleri Etken maddenin belirlenmesi Spektroskopik analizler

Pistacia terebinthus (menengiç) bitkisinin antioksidan özütlerinden yeni bir flavon

Sakız ağacıgiller familyasından Akdeniz bölgesine özgü yaprak döken bir çalı türü.

Çanakkale-Kepez’den toplanan bitki materyalinin meyvelerinin aseton ve metanol özütleri elde edildi, toplam fenolik ve flavonoid bileşenleri incelendi

Yeni bir flavonoid bileşiği ayrılıp saflaştırıldı.

SONUÇ:Pistacia terebinthus bitkisi standart

antioksidan bileşikler olarak kullanılan kersetin ve a-tokoferol gibi fenolikler ve flavonoidleri içerdiğinden dolayı önemli doğal antioksidan kaynağı olarak araştırmalarda kullanılabileceği önerilmiştir.

G. Topçu*, M. Ay, A. Bilici, C. Sarıkürkçü, M. Öztürk and A. Ulubelen, ‘A new flavone from antioxidant extracts of Pistacia terebinthus’, Food Chemistry, 2007, 103(3), 816-822.

TEŞEKKÜRLER