Experimental and thereotical study of various chemical processes

Abstract

Organizmalardaki kimyasal işlemlerin çalışılması önemli ve zor bir konudur Bu işlemlerin atomic seviyede anlaşılması bir çok hastalığın tanımlanması ve tedavisinde yardımcı olabilir. Bilgisayarlı modelleme; kimyasal hız, denge ve moleküler etkileşimleri açıklamada en sık kullanılan araçlardan biridir.Bu tezin amacı, biyolojik olaylar ile ilgisi olabilecek bazı kimyasal işlemleri deneysel ve bilgisayarlı teknikleri kullanarak incelemek ve açıklamaya çalışmaktır.Birinci bölümde, kimyada kullanılan bilgisayarlı teknik ve metotlar hakkında kısaca bilgi verilmiştir.İkinci bölümde, in p-sübstitute nitrosobenzen bileşikleri kullanlarak polar sübstitüe etkinin C-N bağ etrafındaki dönme aktivasyon bariyerine tesiri DFT and MP2 metotları ile hesapsal olarak araştırıldı ve bu iki yöntem modele uygunlukları açısından karşılaştırıldı. Bağ dönme aktivasyon bariyerleri DFT (density functional theory) ve MP2 (Møller-Plesset) methodları ve 6-31+g(d) basis seti kullanılarak hesaplandı. Aktivasyon bariyerlerinin Hammett sigma değerleri ile doğrusal ilişkili oldukları ve MP2 methodu ile elde edilen sonuçların literatürde varolan deneysel sonuçlara çok yakın değerler verdiği görüldü.Üçüncü bölümde, polar sübstitüe etkinin p-sübstitüe metil benzoatların alkalin hidroliz reaksiyonlarına tesiri incelendi. Hesaplamalar DFT metodu B3LYP/6-31+g(d) basis seti ile PCM çözücü ortamında (su, methanol ve asetonitril) yapıldı. Elde edilen serbest enerji aktivasyon bariyerinin alkalin hidrolizi geçiş halinde hesaplanmış olan bağ uzunlukları ile polar Hammett sigma değerleri ve p-süstitüe benzoic asit pKa değerleri ile iyi korelasyon gösterdiği tespit edildi. Kullanılan PCM çözücü ortamlarının sebest enerji ilşkisin dikkate değer bir etkisinin olmadığı görüldü.Dördüncü bölümde, oktakarboksilat metilresorsinkalix[4]arene bileşiğinin asetat, benzoate, hegzaonate, N-metil nikotinate ligandları ile olan non kovalent etkileşimleri araştırıldı. Farklı yüklü ve nötral esterlerin komplekslerinin modu, moleküler dinamik, MM/PBSA and ve (B3LYP/6-31+G*) metotları ile bağlanma özellikleri incelendi. Bu esterler için ONİOM B3LYP/631+G* seviyesinde hesaplanan bağlanma serbest enerjileri (?Ebind = -26.47, -27.82, -40.12, -363.76, -370.95, MM/PBSA metodu ile hesaplanan bağlanma serbest enerjileri (?Ebind = -2.17, -7.22, -10.27, -15.15, -18.47 olarak tespit edildi. Sonuç olarak host molekülünün yüklü olan ligandlar ile elektrostatik etkileşimler yaparak çok daha güçlü etkileştiği, nötral ligandlar ile ise van der Waals türü etkileşimler yaparak nispeten daha zoyıf bağlanma yaptığı görülmüştür. Bulunan bu sonuçların literatürde var kinetic metot ile hesaplanmış olan deneysel veriler ile paralellik gösterdiği saptanmıştır.Beşinci bölümde, mesakonik ve sitrakonik asit disodium tuzlarına sulu ortamda brom katılma reaksiyonları detaylı olarak çalışıldı. NMR ve x-ray cihazları ile yapılan ürün analizinde, mesakonat reaksiyonundan, threo ß-lakton (%56), ve thero bromohidrin (%8.5), sitrakonattan ise erytro ß-lakton (%45), thero ß-lakton(%21) , thereo bromohydrin (%6) ve 2,3 dibromo dikarboksilik asit izole edildi.Bütün ürünlerin regioseçici olarak CH-Br ve CMe-Nu şeklinde gerçekleştiği görüldü. Sonuç olarak, her iki reaksiyon için benzer ürün kompozisyonlarıne rastlanmıştır, reaksiyon mekanizması ve ürün oranları detaylı olarak çalışılmıştır.Son bölümde, chiral aza-15-crown-5 bileşiğinin, alanin ve valin metil esterlerinin hidroklorür tuzları ile verdiği komplekslerin kloroform içindeki bağlanma ile moleküler tanıma ve diskriminasyon özellikleri atomik seviyede çalışılmıştır. Host molekülünün enantiyomerik diskriminasyonu bağlanma sabitleri . 1H NMR titrasyon metodu kullanılarak deneysel olarak tespit edildi. Hesapsal olarak bağlanma serbest enerjileri -3.32, -3.53, -2.83,ve -2.89, Deneysel bağlanma sabitleri ise 260, 372, 116, 129 M- 1 olarak belirlendi. Host molekülünün alanin tularını valin tuzlarına gore daha iyi tanıdığı ve daha kuvvetli bağlandığı tespit edildi. Enantiyomerik diskriminasyon faktörü alanin tuzları için 17.36, valin tuzları için 5.22 olarak hesaplandı. Hesapsal çalışmalar, moleküler dinamik, MM/PBSA ve ONIOM (B3LYP/6-31+G*) metotları ve 1H NMR metodu ile yapılan çalışmaların birbirini destekler nitelikte olduğu görüldü.

Studying chemical processes are a very important but very difficult task, mainly those occurring in organisms. Understanding these processes at atomic level will assist scientists recognize and compact many major diseases. Computational modeling is one of the current tools employed in understanding of chemical rates, equilibria and molecular interactions. The aim of the thesis is to use experimental and computational techniques in investigation of some chemical processes, which may be relevant to biological interests.The first chapter of this thesis gives a brief introduction to computational techniques and methodologies applied in chemistry and biochemistry.The second chapter describes comparison of DFT and MP2 calculations in the study of effects of polar substitution on the activation barriers for internal rotation around the C-N bond in p-substituted nitrosobenzenes. The activation barriers for internal rotation were calculated using the density functional theory (DFT) and second-order Møller-Plesset (MP2) methods with 6-31+g(d) basis set. The activation barriers were well-correlated with Hammett sigma values and MP2 method produces better and comparable results with few available experimental values.In the third chapter a detail mechanistic study of polar substituted effects on the alkaline hydrolysis of substituted methyl benzoates using B3LYP/6-31+g(d) computational method in PCM solvents (water, methanol and acetonitril) is given. The results indicate that activation free energies and bond lengthes going from ground state to transition state for alkaline hydrolysis of methyl substituted benzoic acids are well-correlated with polar Hammett sigma constants and pKa?s of substituted benzoic acids. It was found that the PCM solvents did not have any significant effect on the free energy relationship.The fourth chapter examines the nonmode of complexation of an octacarboxylatedmethlresorcincalix[4]arene with acetate, benzoic hegzagonate, N-methylnikotinate and methyl isonicotinate. The binding free energies respectively, (?Ebind = -26.47, -27.82, -40.12, -363.76, -370.95, calculated by MM/PBSA and (?Ebind = -2.17, -7.22, -10.27, -15.15, -18.47, kcal/mol calculated by ONIOM (B3LYP/6-31+G*) methods. The results showed the host binds to charged guests via electrostatic interactions while it binds to neutral guests via van der Waals interactions. The calculated binding constants are consistent with previously found experimental results by kinetic method.In the fifth chapter experimental description is detailed for the mechanisms of aqueous bromine addition to disodium salts of citraconic and mesaconic acids. Product analysis by NMR and x-ray reveals that citraconate generates erythro ß-lactone and erythro bromohydrin with expected stereo with overall syn addition and regiochemistry forming CMe-Nu bond rather CH-Nu bond. Surprisingly, it also generates threo ß-lactone, which is the major product of the addition reaction of mesaconate with overall anti addition, a traceable amount of 2,3-dibromo acids with overall anti addition. However, the addition reaction of mesaconate yields the expected threo ß-lactone and threo bromohydrin with overall syn addition but also eryhtro bromohydrin with overall anti addition. It was found that the addition reactions of both free acids produce similar product composition. A rational mechanistic detail was proposed for the reactions.The final chapter gives insight at atomic level concerning the molecular recognition and discrimination properties of a chiral aza-15-crown-5 with methyl esters of alanine and valine hydrochloride salts. Enantiomeric discrimination of the host against salts was studied by 1H NMR titration. The binding free energies are calculated as -(?Ebind = 3.32, -3.53, -2.83,ve -2.89, experimental results; 260, 372, 116, 129 M- 1. The results indicated that the host binds and discriminates alanine salts better than valine salts. Enantiomeric discrimination factors are calculated as 17.36 ve 5.22 for alanin and valine salt pair, respectively. The molecular dynamics, MM/PBSA and ONIOM (B3LYP/6-31+G*) calculations are consistent with 1H NMR results.