Tetrazin fonksiyonlu polimerlerin doğrudan hazırlanması ve bu polimerlerin yüksek hızlı biyoortogonal reaksiyonda etkinliğinin incelenmesi

Abstract

Biyoortogonal reaksiyonlar, moleküler düzeyde canlı sistemlerdeki uygulamalarıyla son yıllarda oldukça dikkat çekmektedir. Ters elektron gereksinimli Diels-Alder reaksiyonu (iEDDA), özellikle tetrazin biyoortogonal bağlanma reaksiyonu (ligasyonu), son derece hızlı kinetiği, biyoortogonalliği ve yüksek özgünlüğünden dolayı görüntüleme, teşhis ve tedavi alanlarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Tetrazin iEDDA ilk olarak 1957’de Carboni ve Lindsey tarafından rapor edilmiştir. Günümüzde ise, tetrazin iEDDA tekrardan popüler hale gelmiştir ve malzeme bilimine ve kimyasal biyolojiye yeni bir bakış açısı getirmiştir. Tetrazin siklokatılma, diğer konjugasyon türlerine göre daha avantajlı özellikleri ile yeni bir biyoortogonal reaksiyon olarak ortaya çıkmıştır. Klasik biyoortogonal reaksiyonları katalizöre ihtiyaç duyup ve genellikle düşük verimle sonuçlanırken, tetrazin reaksiyonları ise süper hızlı kinetiği ve seçiciliği nedeniyle oldukça etkili bir reaksiyon olarak bilinirler. Bu tezde, polimer zincirleri üzerinde tetrazin gruplarının direkt sentezlenmesi için özgün bir yaklaşım geliştirilmiştir. Tezin amacı, bir polimerin yan zincirlerinde ya da uç grubunda tetrazin gruplarını direkt olarak sentezlemektir. Bu amaçla, herhangi bir polimer zincirindeki nitril grupları, bir katalizör ve hidrazin varlığında iki nitril grubunun birbirleriyle reaksiyona girmesini ve ardından oksidasyonunu içeren klasik tetrazin sentezi ile, direkt tetrazin halkalarına dönüşebileceği hipotezi kurulmuştur. Bu çalışmada, yan zincir veya uç grup olarak polimer üzerindeki nitril grupları birinci nitril ve küçük molekül ağırlıklı bir nitril türevi ise ikinci nitril olarak kullanılmıştır. Bildiğimiz kadarıyla, bu yaklaşım polimer zincirleri üzerinde tetrazin işlevsel gruplarının direkt sentezi için ilk örnektir. Bu yeni yaklaşım, tetrazin fonksiyonlu polimerleri sentezlemek için önemli ölçüde katkı sağlayabilir. Bu tezdeki yaklaşım, poli(N-isopropilakrilamid) (PNIPAAm), poli(poli(etilen glikol) metil eter metakrilat) (PPEGMA) ve poli (metil metakrilat) (PMMA) içeren biyouyumlu polimerler üzerinden örneklenmiştir. Yan zincir olarak nitril grupları akrilonitrilin (AN’nin) uygun monomerler (NIPAAm, PEGMA veya MMA) ile kopolimerizasyonuyla bu polimer yapısına dahil edilmiştir. P(PEGMA-co-AN) ve P(MMA-co-AN) öncül polimerleri atom transfer radikal polimerizasyonu (ATRP) ile sentezlenmiştir. Diğer öncül polimer P(NIPAAm-co-AN) ise serbest radikal polimerizasyonu (FRP) ile sentezlenmiştir. Nitril uç grup fonksiyonlu polimerler için siyano fonksiyonlu ATRP başlatıcısı sentezlenmiş ve PEGMA’nin ATRP’sinde kullanılmıştır. Polimerlerin yan zincirleri olarak tetrazin fonksiyonları metal katalizörlü tek-kap (one-pot) sentez yöntemi izlenerek elde edilmiştir. Polimer üzerindeki nitril yan grupları, direkt tetrazin halkasının oluşumunda kullanılmıştır. Tetrazin halkalarının oluşumu ile tetrazine has olan pembe renkli polimerler gözlemlenmiştir. Diğer yandan, nitril uç gruplarının tetrazine dönüştürülmesi ile yapılan reaksiyon sonucunda hedeflenen tetrazin uç fonksiyonlu polimer elde edilememiştir. Elde edilen bu sonuç için literatür taraması yapıldığında katalizörün (Ni(OTf)2), uç grup ile polimer omurgası arasındaki amid bağını kırabileceği anlaşılmaktadır. Yapılan NMR spektroskopisi analizleri sonucunda belirtilen amit bağının kırıldığı ve bulgunun önceki raporlar ile uyumluluk gösterdiği anlaşılmaktadır. Bu nedenle, tetrazin fonksiyonlu polimerlerin sentezi için önerilen bu yaklaşım sadece yan zincir fonksiyonları için kullanışlıdır. Tetrazin ligasyonu için substratlar arasından hızlı kinetiğe sahip olan trans-siklookten (TCO) ve norbornen (NB) seçilmiştir. Tetrazin fonksiyonlu polimerler ile TCO yada NB türevleri arasındaki iEDDA reaksiyonu kısa bir sürede (özellikle TCO için bir dakikadan kısa bir sürede) gerçekleşmiştir ve kolaylıkla çıplak gözle ve UV-Vis spektroskopisi ile izlenmiştir. Çünkü tetrazin halkasının karakteristik pembe rengi reaksiyon gerçekleşince bir anda kaybolmuştur. TCO türevi ile tetrazin fonkisyonlu polimerin konjugasyonu NMR ve UV-Vis spektroskopisi ile de iyi bir şekilde karakterize edilmiştir. Bu tez kapsamında, polimer omurgası üzerinde tetrazin grubunun direkt sentezinin geliştirilmesi çaba, zaman ve maliyet açısından büyük bir potansiyele sahiptir. Araştırmalar, gelecekte tetrazin siklokatılmalar ile ilgili çalışmaların, ilaç salımı, çeşitli polimer mimarilerinin üretilmesi, protein-polimer konjugasyonu, sensör ve biyogörüntüleme sistemi gibi biyomedikal uygulamalarda birçok gelişmeye yol açabileceğini göstermiştir. Bu tezde geliştirilen yaklaşım da, benzer uygulamalarda potansiyele sahip olacaktır.