npdas ile modifiye edilmiş camsı karbon elektrot yüzeyinde

Transkript

Selçuk Üniversitesi
Ahmet Keleşoğlu Eğitim Fakültesi Dergisi
Sayı: 25, Sayfa 201 -216, 2008
NPDAS İLE MODİFİYE EDİLMİŞ CAMSI KARBON
ELEKTROT YÜZEYİNDE KUERSETİN’İN
ELEKTROKİMYASAL VE SPEKTROSKOPİK
DAVRANIŞLARININ İNCELENMESİ
İbrahim Ender Mülazımoğlu*, Erdal Özkan
Selçuk Üniversitesi, Eğitim Fakültesi, Kimya Eğitimi Anabilim Dalı, 42099-Meram, KONYA
*Tel., Faks, e-mail: +90332 3238220/200; +90332 3238225; [email protected]
ÖZET
Bu çalışmada, dönüşümlü voltametri ve elektrokimyasal impedans spektroskopi
teknikleri kullanılarak aminofenil modifiye camsı karbon elektrot yüzeyinde
kuersetin’in (3,3′,4′,5,7-pentahidroksiflavon) elektrokimyasal ve spektroskopik
davranışları incelenmiştir. Aminofenil bağlı elektrot yüzeyine kuersetin
modifikasyonu +0,4/+1,5 V potansiyel aralığı, 100 mV s-1 tarama hızında ve 10
döngülü olarak yapılmıştır. Asetonitrilde çözülmüş 0,1 M tetrabütilamonyum
tetrafloroborat susuz ortam çözücüsü olarak kullanılmıştır. Çalışmada kullanılan
1 mM kuersetin çözeltisi ve camsı karbon elektrot’un yüzeyini modifiye etmekte
kullanılan nitrofenil diazonyum tuzu da yine 1 mM olacak şekilde 0,1 M
tetrabütilamonyum tetrafloroborat kullanılarak hazırlanmışlardır. Nitrofenil
diazonyum tuzu kullanılarak camsı karbon elektrot yüzeyi nitrofenil ile modifiye
edildikten sonra 0,1 M HCl ortamında yüzeydeki nitro grubu amin grubuna
indirgenmiştir. Nitrofenil modifiye camsı karbon elektrot yüzeyi elektron
aktarımına izin vermeyen bir yüzey iken, nitro grubunun amin grubuna
indirgenmesi sonucu elde edilen aminofenil modifiye yüzey elektron aktarımına
izin veren bir yüzeydir. Modifikasyon ve kimyasal bağlanma işlemleri sonrası
yüzey karakterizasyonları, 0,1 M tetrabütilamonyum tetrafloroborat’ta hazırlanan
1 mM ferrosen ve 0,1 M H2SO4’de çözülerek hazırlanan 1 mM ferrisiyanür
çözeltileri ile dönüşümlü voltametri tekniğinde kullanılarak ve 0,1 M KCl
içerisinde çözülerek hazırlanan 1 mM ferri/ferrosiyanür (1:1) karışımı ise
elektrokimyasal impedans spektroskopisinde kullanılarak yapılmıştır.
Anahtar Kelimeler: Kuersetin, Dönüşümlü voltametri, Nitrofenil diazonyum
tuzu sentezi, Yüzey Modifikasyonu, Yüzey karakterizasyonu
Selçuk Üniversitesi
Ahmet Keleşoğlu Eğitim Fakültesi Dergisi
Sayı: 25, Sayfa 201 -216, 2008
INVESTIGATION OF ELECTROCHEMICAL AND
SPECTROSCOPIC BEHAVIOUR OF QUERCETIN ON THE
NPDAS MODIFIED GLASSY CARBON ELECTRODE
SURFACE
İbrahim Ender Mülazımoğlu* ve Erdal Özkan
Selçuk Üniversitesi, Eğitim Fakültesi, Kimya Eğitimi Anabilim Dalı, 42099-Meram, KONYA
*Tel., Faks, e-mail: +90332 3238220/200; +90332 3238225; [email protected]
ABSTRACT
In this study, Cyclic Voltammetry and Electrochemical Impedance Spectroscopy
have been used to investigate the electrochemical and spectroscpic behaviour of
quercetin (3,3′,4′,5,7-Pentahydroxyflavone) on the aminophenyl modified
electrode. The modification of aminophenyl binded electrode surface with
quercetin was performed in +0,4/+1,5 V potential range using 100 mV s-1
scanning rate having 10 cycle. A solution of 0,1 M tetrabutylammonium
tetrafluoroborate in acetonitrile was used as a non-aquous solvent. For the
modification process a solution of 1 mM quercetin in 0,1 M tetrabutylammonium
tetrafluoroborate was used. In order to obtain this surface, a solution of 1 mM
nitrophenyl diazonium salt in 0,1 M tetrabutylammonium tetrafluoroborate was
used. By using this solution bare glassy carbon electrode surface was modified.
Nitrophenyl was reduced to amine group in 0,1 M HCl medium on the
nitrophenyl modified glassy carbon elelctrode surface. Although nitrophenyl
modified glassy carbon elelctrode surface was electroinactive, it was activated by
reducing nitro group into amine group. For the characterization of the modified
surface 1 mM ferrocene in 0,1 M tetrabutylammonium tetrafluoroborate and 1
mM ferricyanide in 0,1 M H2SO4 for cyclic voltammetry and 1 mM
ferricyanide/ferrocyanide (1:1) mixture in 0,1 M KCl for electrochemical
impedance spectroscopy were used.
Keywords: Quercetin, Cyclic voltammetry, Synthesis of nitrophenyl diazonium
salt, Surface modification, Surface characterization
NPDAS ile Modifiye Edilmiş Camsı Karbon
203
GİRİŞ
Polifenoller, yapısında iki veya daha fazla fenolik halka bulunduran kompleks
yapılardır (Strack ve ark., 1997). Polifenoller, flavonoidler ve taninler olarak
bitkilerde özelliklede meyvelerde renk pigmenti ve antioksidan olarak bol
miktarda bulunurlar (Rice-Evans ve ark., 1997). Flavonoidler, yüksek
antioksidan aktiveteye sahip, yapısında fenil halkalarına bağlı bulunan hidroksil
gruplarına göre adlandırılan ve sınıflandırılan büyük moleküllerdir (Larson,
1988; Harborne ve Williams, 2000; Hotta ve ark., 2002; Rice-Evans ve ark.,
1996). Antioksidan aktiviteleri aromatik –OH gruplarının bağlanma yerleri ve
sayılarına göre farklılıklar göstermektedir (Heijnen ve ark., 2001). Flavonoidler
elektron transfer reaksiyonları ile pirogallol, katekol, 4-okso ve 3-hidroksil
gruplarının konjugasyonu ile 2,3-çift bağlı yapılar ve yerdeğiştirme ile değişik
rezonans yapıları haline dönüşebilirler (Yang ve ark, 2001). Flavonoidlerin
elektrokimyasal ölçümler sayesinde antioksidanlar için fizikokimyasal ve kinetik
parametrelerin (redoks potansiyeli, elektron transfer sayısı, hız sabiti vb.)
belirlenmesi ve bu sayede antioksidan aktivitelerinin, reaksiyon
mekanizmalarının belirlenmesi mümkündür (Hotta ve ark., 2001). Diğer
elektrokimyasal işlemlerde olduğu gibi flavonoidlerle yapılan çalışmalarda da
yarı-dalga potansiyeli (E1/2) önemli ve bilgi edinilmesi bakımından kullanışlı bir
parametredir. Buradaki reaksiyonlarda çoğu fenolik bileşiklerde olduğu gibi
elektrokimyasal oksidasyon ve molekülden hidrojen ayrılması ile yürümektedir.
Bir flavonoidin yarı dalga potansiyeli ne kadar düşük ise o molekül o derece
antioksidan özelliği yüksek bir moleküldür (Rice-Evans ve ark., 1997).
Fenollerin oksidasyon mekanizmaları oldukça ilginç özellikler göstermektedir.
Oksidasyon sadece bir elektron üzerinden olabileceği gibi iki elektronun aynı
anda kaybı veya iki basamaklı olarak birer elektron kaybı şeklinde de olabilir
(Zuman ve ark., 1988; Janeiro ve Brett, 2005). Flavonoidler bitkilerin ikincil
metabolitleridir ve oldukça yaygın türlerdir (Kikuzaki ve ark., 2002; Moon ve
Tarao, 1998). Pek çok flavonoid türevlerinin kuvvetli antioksidan özellikleri
vardır ve önemli bir biyolojik etkiye sahiptirler (Moon ve Tarao, 1998; Thomas,
2000; Wolf ve ark., 1998). Çevremizde doğal şekilde okside olan bu türler
biyolojik işlemler olarak radikalik reaksiyonlarla okside olurlar, bazı durumlarda
bu oksidasyon ürünleri zararlıdır (Wolf ve ark., 1998). Flavonoid türevi
bileşiklerin antioksidan kapasiteleri, sulu ortamda serbest radikal halinde
bulunabilme ölçüleri ile değerlendirilir (Pietta, 2000). Sulu ortamda çalışılmaları
antioksidatif olarak daha doğru olmasına rağmen kuersetin organik çözücüler
ortamında da çalışılabilen bir flavonoid türevidir. Flavonoid türevlerinin organik
veya sulu çözücülerde çözülmesi ile hazırlanan çözeltileri yardımı ile yapılan
çalışmalar sonucunda oldukça zengin bir kimyasal bilgiye ulaşılmıştır (Rosenau
ve Habicher, 1995). Elektrokimyasal olarak da kuersetinin antioksidan özellikleri
ile ilgili olarak biyolojik aktiveteleri kullanılarak çalışmalar yapılabilmektedir.
Literatürlerde ağırlıklı olarak flavonoidlerin sulu çözeltilerindeki elektrokimyasal
özelliklerine ait bilgiler mevcuttur (Hendrickson ve ark., 1994). Kuersetinin
elektrokimyasal özellikleri çok da anlaşılır değildir, çünkü hem oksidasyon
ürünleri hem de tersinirliği her zaman aynı değildir. Kuersetin literatürlerde
Selçuk Üniversitesi Ahmet Keleşoğlu Eğitim Fakültesi Dergisi, Sayı: 25, Sayfa 201 -216, 2008
204
İ.E. Mülazımoğlu, E. Özkan
genellikle oksidasyon sonrası büyük oranda oluşan o-kinon ürün yapısı
(Hendrickson ve ark., 1994; Yang ve ark., 2001; Jorgensen ve ark., 1998; Brett
ve Ghica, 2003) veya nükleofilik katılma reaksiyonları sonucu oluşan ürünler ile
molekülü yeniden düzenlenmiş halde verilir (Nematollahi ve Malakzadeh, 2003).
Sonuç olarak, flavonoidlerin çözetlileri hazırlanması sırasında su veya etanol
gibi bir organik çözücü kullanılmasının antioksidan aktiviteye ve oksidasyon
mekanizmasına özellikle de o-kinon yapısının oluşumuna büyük etkileri vardır
(Timbola ve ark., 2006). Kuersetin (Şekil 1) bitki alemi içerisinde flavonoid
türevlerinin en bol bulunan molekülüdür. Kuersetin bazı flavonoid türevlerinin,
yapısına şeker molekülleri bağlanması ile, temel yapılarını da oluşturur. Bu
yapılar arasında, rutin, kuersetrin, izokuersetin ve hiperosit sayılabilir ve bu
sayede molekülün aktivitesi çok keskin bir şekilde değişir ve genellikle de düşer.
Flavonoidler üzerinde yapılan aktivite çalışmalarında hemen her tür antioksidan
aktiviteye sahip bulunurken hiçbir türün aktivitesi kuersetin kadar büyük
bulunamamıştır. Kuersetin insan sağlığı için son derece önemli bir yere sahiptir,
öyle ki kuersetin kalp krizini engelleyici, antikanser aktiviteye sahip, antiülser
etkileri olan bir moleküldür (Brett ve Ghica, 2003). Antioksidan etkisinin yüksek
oluşu ve buna bağlı olarak da tıpta ve diğer alanlarda fazlaca kullanılması nedeni
ile kuersetin flavonoid türevleri içerisinde en bilinen tür ve üzerinde en çok
çalışılan türdür (Pietta, 2000; Timbola ve ark., 2006; Korkina ve Afanas’ev,
1997; Rice-Evans ve Packer, 1998; Lemanska ve ark., 2001). Kuersetin suda az
çözünen fakat organik çözücülerde (asetonitril, etanol vb.) iyi çözünen bir yapıya
sahiptir, eğer su kullanmak gerekiyorsa genellikle etanol ile suyun karışımı
çözücü olarak kullanılır. Sebze ve meyvelerde özelliklede kırmızı elma, domates
ve muzda fazlaca bulunur. Kimyasal yapısı incelendiğinde, A halkasında C5 ve
C7 pozisyonlarında meta pozisyonunda iki hidroksil grubu bulunur. B halkasında
bir katekol grup, C3’ ve C4’ pozisyonlarında orto-hidroksil grupları bulunur. C
halkasında ise C4 pozisyonunda bir karbonil grubu ve C3 pozisyonunda bir
hidroksil grubu bulunur ki bu grup sayesinde kuersetin flavonol grubuna dahil
edilmiştir. Flavonoller için C3 pozisyonunda hidroksil grubunun bulunması yanı
sıra C2 ve C3 karbonları arasındaki çift bağ da karakteristiktir. Kuersetin, A
halkasındaki hidroksil grupları dışında kalan B ve C halkasındaki hidroksil
gruplarından oldukça kolay bir şekilde okside olabilen bir moleküldür. A
halkasında ise m-kinon grubu oluşamayacağı için buradaki hidroksil grupları
okside olamamaktadır. Ama A halkasının tam tersine B halkasındaki katekol
grubu çok kolay bir şekilde okside olarak o-kinon yapısına dönüşebilmektedir.
(Janeiro ve Brett, 2004).
OH
3'
2'
1
8
HO
7
9
C
A
6
5
O
10
OH
4
2
B
OH
4'
5'
1'
6'
3
OH
O
Şekil 1. Kuersetin’in molekül yapısı
205
Çalışmada diazonyum tuzu ile modifiye edilen camsı karbon elektrot
kullanılmıştır. Diazonyum tuzu elektrot yüzeyine elektrokimyasal olarak
indirgenme ile modifiye edilir. Diazonyum tuzu (DAS) indirgenmesi
modifikasyonunda, sübstitüent olarak amin grubu bağlı bir molekülün
diazonyum tuzu hazırlanır. Diazonyum tuzu sentezinde en çok dikkat edilmesi
gereken işlem, sıcaklığın 0°C’i geçmesinin engellenmesidir. Bunun için,
ekzotermik olan çıkış maddesi, tetrafloroborik asitte (HBF4) çözünürse,
diazonyum tuzunun tetrafloroborat anyonlu tuzu meydana gelir. Sentezlenen
diazonyum tuzu, susuz ortamda dönüsümlü voltametri tekniği kullanılarak,
çalışma elektroduna modifiye edilir ve şekilde görüldüğü gibi bir yüzey elde
edilir. Modifikasyon, genellikle çok döngülü olacak şekilde yapılır. Çünkü ilk
döngüde elektrot üzerinde pinholler oluşabilir ve tam olarak kaplanamayabilir.
İlk taramada tam olarak kaplanamayan elektrot, ikinci ve daha sonraki
taramalarda kaplanır ve modifiye elektrot adını alır (Pinson ve Podvorica, 2005).
YÖNTEM
Kullanılan Teçhizat ve Kimyasallar
Tayinlerde kullanılan dönüşümlü voltametri ve elektrokimyasal impedans
spektroskopisi yöntemlerinin tüm deneyleri, Gamry marka Referans 750
potantiyostat/galvanostat/ZRA (Gamry Instruments, Warminster,USA) cihazında
gerçekleştirilmiştir. Gamry Referans 750 cihazı ile 750 mA’lik akım
okunabilmektedir. İmpedans ölçümlerinde uygulanan frekans, 1 MHz’e kadar
çıkarılabilmektedir. Bu cihazda Gamry Framework, Echem Analyst, PHE200
Physical Electrochemistry System ve EIS300 Electrochemical Impedance
Spectroscopy System gibi yazılımlar kullanılmıştır. Deneylerde kullanılan
çalışma elektrodu, BAS (Bioanalytical Systems Inc., West Lafayette, USA)
marka 0.071 cm2 yüzey alanına sahip MF-2012 camsı karbon (GC) elektrottur.
Kullanılan zımpara kâğıdı Buehler marka P4000’dir. Alümina tozu olarak 1,0
µm, 0,3 µm ve 0,05 µm tanecik boyutuna sahip Alfa Aesar marka süspansiyonlar
kullanılmıştır. Çalışma ortamında adsorpsiyonu engellemek ve inert bir ortam
sağlamak için çözelti içerisinden, deney esnasında da çözeltiye oksijen girmesini
engellemek ve inert ortamı korumak için çözelti üzerinden % 99,99 saflıkta Ar
gazı geçirilmiştir. Çalışmada kullanılan geleneksel üç elektrotlu sistem içerisinde
206
referans elektrot olarak susuz ortam çalışmalarında Ag/Ag+ (0.01 M) ve sulu
ortam çalışmalarında ise Ag/AgCl referans elektrotlar kullanılmıştır. Karşıt
elektrot olarak ise Pt tel tercih edilmiştir. Bütün voltametrik ve impedans
ölçümleri için BAS marka C3 hücre standı kullanılmıştır.
Bu çalışmada kullanılan; kuersetin, p-nitroanilin, floroborik asit,
tetrabütilamonyum tetrafloroborat (TBATFB), ferrosen, potasyum ferrisiyanür,
potasyum ferrosiyanür, sodyum nitrit, asetonitril (MeCN), potasyum klorür,
sülfürik asit, hidroklorik asit ve dietil eter Sigma-Aldrich (Almanya) firmasından
yüksek saflıkta ticari olarak satın alınmış ve herhangi bir ön saflaştırmaya tabii
tutulmadan kullanılmışlardır. Çalışmada kullanılan saf su ise 18,3 MΩ
iletkenliğe sahip ultra saf sudur.
Çalışma Elektrodunun Hazırlanması
Modifikasyon işlemine başlamadan önce çalışma elektrodunun temizlenmesi ve
elektrot yüzeyinin parlatılıp, düzgünleştirilmesi gerekir. Bunun için GC elektrot
önce zımpara kâğıtları ile temizlenir. Zımpara kâğıdı olarak 4000’lik Buehler
zımpara kâğıdı kullanılır. Sonra elektrot saf su ile yıkanır ve alümina tozları ile
işleme tâbi tutulur. Deneylerde 3 farklı boyutta alümina tozu kullanılmıştır.
Bunlar, sırasıyla 1,0 µm, 0,3 µm ve 0,05 µm tanecik boyutlarına sahiptir. Her
alümina tozu ile temizleme ve parlatma işleminden sonra farklı boyuttaki toz
taneciklerin birbiriyle karışmaması için elektrot yüzeyi saf su ile yıkanır. En son
0,05 µm tanecik boyutuna sahip alümina süspansiyonu kullanıldıktan sonra
elektrot önce saf suda 10 dakika sonikasyon işlemine tâbi tutulur. Daha sonra da
asetonitril ve izopropil alkolün 1:1 oranındaki karısımında tekrar sonikasyon
işlemine tâbi tutulur. Bu parlatma ve temizleme işlemleri ile daha önce modifiye
edilmiş elektrot yüzeyindeki moleküller yüzeyden uzaklaştırılmış olur. Ayrıca
yüzeye adsorbe olmuş organik ve inorganik kirlilikler giderilerek modifikasyon
için temiz ve parlak yüzeyler elde edilir. Bunun yanı sıra tek tabaka oluşumuna
uygun düzgün yüzeyler elde edilmiş olur (İsbir ve ark., 2005).
Nitrofenil diazonyum tuzu (NPDAS) Sentezi
Öncelikle 0,5 g p-nitroanilin tartılarak 50 mL’lik üç boyunlu bir balon içerisine
koyulur. Daha sonra üzerine 10 mL % 48’lik soğuk tetrafloroborik asit ilave
edilir. Bu karışımın bulunduğu balon bir buz banyosu içerisine yerleştirilir ve
boyunlardan birine bir termometre takılarak sıcaklığın reaksiyon süresince -10
°C civarında kalması sağlanır. Bu karışım içerisine koyulan bir magnetik
karıştırıcı yardımı ile yaklaşık 1 saat karıştırılır. Böylece p-nitroanilin’in
yeterince çözünmesi sağlanır. Üzerine karıştırma işlemi devam ederken 5:1 mol
oranında tartılarak minimum suda çözülmüş olan ve soğukta bekletilen NaNO2
damla damla yaklaşık 30 dakikada ilave edilir. İlave sonrası karışımın tekrar -10
°C’de 30 dakika kadar karışması sağlanır. Bu arada ortamdan çıkan N2 gazı
gözlemlenmelidir. Oluşturulmuş olan ve çözelti ortamında bulunan diazonyum
tuzu bir nuçe hunisi yardımı ile su trompundan mavi bant süzgeç kağıdı
kullanılarak süzülür. Kağıt üzerinde kalan katı kısım bir spatül yardımı ile
207
kazınarak yaklaşık 400 mL’lik bir beher içerisine alınır. Kağıt üzerinde kalan
kısımlar çok az soğuk asetonitril ile çözülerek behere alınır. Beherdeki katı da
yine çok az asetonitril ilavesi ile tamamen çözülür. Çözelti üzerine soğuk susuz
dietileter ilave edilerek diazonyum tuzunun yeniden kristallenmesi sağlanır. Bu
katı kısım yine bir nuçe hunisi yardımı ile su trompundan süzülür. Burada kağıt
üzerindeki katının tamamen kuruması için su trompunun yaklaşık olarak 15
dakika çalışması sağlanır. Sonra 1 saat kadar soğutucuda bekletilen diazonyum
tuzu kağıt üzerinden alınarak uygun bir kaba koyulur ve yine soğutucuda
saklanır (Şekil 2). Elde edilen diazonyum tuzu soğutucuda saklanmak şartı ile
yaklaşık iki ay kullanılabilir (Solak ve ark., 2003; Mülazımoğlu, 2008).
H 2N
NO2
p-Nitroanilin
+
n-Bu4BF4
NaNO2
Asidik ortam
- +
BF4 N N
Floroborik asit
NO2
NPDAS
Şekil 2. NPDAS sentezi için reaksiyon mekanizması
BULGULAR VE YORUMLAR
Bu çalışma, dönüşümlü voltametri (CV) ve elektrokimyasal impedans
spektroskopi (EIS) teknikleri kullanılarak yapılmıştır. Çalışmada, aminofenil
(AP) modifiye GC yüzeyinde QR’nin elektrokimyasal ve spektroskopik
davranışları susuz ve sulu ortamda incelenmiştir. Elde edilen bilgiler
doğrultusunda modifiye elektrot yüzeyindeki QR hakkında elektrokimyasal ve
spektroskopik bilgiler edinilmiştir. Bu bilgiler ve literatürlerden yararlanılarak
reaksiyon mekanizması teklif edilmiştir.
AP Modifiye GC Yüzeyine QR’nin Modifikasyonu ve Karakterizasyonu
Aminofenil modifiye GC (AP-GC) yüzeyinde QR’nin elektrokimyasal
davranışlarını incelemek amacı ile öncelikle p-nitroanilin’den çıkılarak NPDAS
sentezlenmiştir. Sentezi yapılan NPDAS çözeltisi 1 mM olacak şekilde 0,1 M
TBATFB içerisinde hazırlanmıştır. Hücreye koyulan bu çözelti sayesinde
+0.2/-0.8 V potansiyel aralığında, 100 mV s-1 tarama hızında ve 10 döngülü
olarak nitrofenil elektrot yüzeyine modifiye edilmiştir (Şekil 3).
208
Şekil 3. Çıplak GC yüzeyine NPDAS modifikason voltamogramı, +0,2/-0,8 V pot. arl., 100 mV/s
tarama hızında ve 10 döngülü
NP modifiye GC yüzeyi elektroinaktif yani elektron aktarımına izin vermeyen
bir yüzeydir. Bu yüzeyin elektraktif bir yüzey haline getirilebilmesi için
yüzeydeki nitro gruplarının amin gruplarına elektrkimyasal olarak indergenmesi
gerekir. Bu amaçla NP modifiye GC elektrot 0,1 M HCl çözeltisi içerisine
daldırılır ve -0.2/-1.3 V potansiyel aralığında 100 mV s-1 tarama hızında ve 5
döngülü olarak indirgenme ile yüzeydeki nitro grupları amin gruplarına
dönüştürülür (Şekil 4).
Şekil 4. Nitrofenil modifiye GC yüzeyinde nitro gruplarının amin gruplarına 0,1 M HCl ortamında
indirgenmesine ait voltamogram, -0,2/-1,3 V pot. arl., 100 mV/s tarama hızında ve 10 döngülü
NPDAS çözeltisi yardımı ile GC elektrot yüzeyi NP ile modifiye edildikten
sonra ve yüzeyde indirgenme sonrası aminofenil oluşumundan sonra yüzey
testleri susuz ortamda 1 mM ferrosen redoks prob çözeltisi kullanılarak -0,1/+0,4
V potansiyel aralığında ve 100 mV/s tarama hızında yapılmıştır. Bu testlere
209
ilişkin yüzey voltamogramları şekil 5’erilmiştir. Görüldüğü gibi NP modifiye
GC yüzeyi elektron aktarımını bloke ederken AP modifiye GC yüzeyi elektron
aktarımına izin vermektedir. Bu durum bu yüzeye başka bir molekülün modifiye
olabileceği anlamına gelmektedir.
Şekil 5. Çıplak GC, NP modifiye GC ve AP modifiye GC yüzeyleri için 1 mM ferrosen kullanılarak
alınan modifikasyon voltamogramları, -0,1/+0,4 V potansiyel aralığı ve 100 mV/s tarama hızında
Şekil 6-a ve 6-b’de, NPDAS çözeltisinden yararlanılarak GC yüzeyine NP
modifikasyonu ve sonrasında yüzeyde nitro-amin indirgenmesine ait reaksiyon
mekanizmaları sırasıyla verilmiştir.
a)
+
- +
BF4 N N
NO 2
NO 2
BF4
+ N2 +
NPDAS
GC
GC
b)
NO 2
GC
+
6e-
+
6H+
Elektrokimyasal
indirgenme
Asidik ortam
NH2
+
H2 O
GC
Şekil 6. Camsı karbon elektrot yüzeyine a) 1 mM NPDAS çözeltisinden nitrofenilin modifikasyonu
ve b) modifiye yüzeyde 0,1 M HCl ortamında nitro grubunun amin grubuna indirgenmesi
210
Nitro-amin indirgenmesi ile elektroaktif hale getirilen AP-GC yüzeyine QR’nin
modifikasyonu +0.4/+1.5 V potansiyel aralığında, 100 mV s-1 tarama hızında ve
10 döngülü olarak gerçekleştirilmiştir (Şekil 7).
Şekil 7. Aminofenil modifiye GC yüzeyine kuersetin’in modifikasyon voltamogramı
Yüzey karakterizasyonları sırasıyla -0.1/+0.4 V potansiyel aralığında, 100 mV s-1
tarama hızında ferrosen (Şekil 8-a) ve +0,6/0,0 V potansiyel aralığında, 100 mV
s-1 tarama hızında ferrisiyanür (Şekil 8-b) çözeltileri kullanılarak CV ile ve
100000/0,05 Hz frekans aralığında ferri/ferrosiyanür redoks prob çözeltisi
kullanılarak EIS ile impedans ölçülmesi (Şekil 9) sonucunda yapılmıştır. Hem
CV ile yapılan testler hem de impedans testleri AP modifiye GC yüzeyi
elektroaktif bir yüzey iken QR bağlanması sonrası bu yüzeylerin elektroinaktif
hale geldiğini açık bir şekilde göstermektedir. AP modifiye GC yüzeyine QR
bağlanması sonrası alınan impedans ölçümü için simülasyon yapılarak eşdeğer
devre modeli çizilmiş ve gerekli devre elemanları hesaplanmıştır.
Şekil 8. AP modifiye GC yüzeyi ve bu yüzeye QR bağlanması sonrası yapılan yüzey
karakterizasyonlarına ait voltamogramlar, a) ferrosen testi, b) ferrisiyanür testi
211
Şekil 9. AP-GC ve QR modifiye AP-GC yüzeyi için 0,1 M KCl içerisinde hazırlanmış 1 mM
ferrisiyanür/ferrosiyanür (1:1) karışımı ile yapılan impedans ölçümü sonucu elde edilen Nyquist
eğrisi, Rp= 225,0x103 ohm s Ru=236,2 ohm s Yo=12,50x10-6 S α= 810,0x10-3
AP-GC Yüzeyine QR Modifikasyonu için Reaksiyon Mekanizmasının
Yazılması
Elde edilen sonuçlara göre Şekil 10’da verilen reaksiyon mekanizmasında
görüldüğü gibi QR’nin AP-GC yüzeyine modifikasyon mekanizması bir EC
(Elektrokimyasal ve sonrasında Kimyasal) mekanizmasıdır. QR’nin modifiye
yüzeye bağlanması 2e-/2H+ kaybetmesi ile ve önce çözelti ierisinde
elektrokimyasal oksidasyon sonrasında yüzeye kimyasal bağlanma şeklindedir.
Modifiye yüzeye QR’nin bağlanmsı, öncelikle QR’de 3’ ve 4’ pozisyonundaki OH gruplarının çözelti içerisinde elektrokimyasal oksidasyonu ve sonrasında
okside olan molekülün değişik pozisyonlardan kimyasal olarak AP-GC yüzeyine
“Michael Katılması” ile açıklanabilecek C-N bağlanması şeklindedir. Michael
Katılması en temel haliyle, fenil halkası üzerinde bulunan karbonil grubuna en
yakın α veya β karbonlarından molekülün amin uçlu bir gruba bağlanması
şeklinde açıklanabilir. Burada, 3’ ve 4’ pozisyonundaki –OH grupları oldukça
kolay bir şekilde okside olarak o-kinon haline dönüşürler, sonrasında ise farklı
uçlar bağlanma için aktif hale gelebilir. Burada bağlanma öncesi oluşan o-kinon
yapısı oldukça kararlıdır (Brett ve Ghica, 2003; Timbola ve ark., 2006;
Mülazımoğlu, 2008; Fardous ve ark., 1996; Grotewold, 2006; Anderson ve
Markham, 2006; Zare ve ark., 2005; Dangles ve ark., 1999). Sonuç olarak QR
molekülü alkol oksidasyon ile AP-GC yüzeyine kimyasal olarak C-N kovalent
bağı ile bağlanmıştır.
212
OH
OH
OH
O
HO
NH2
O
O
H
N
O
OH
O
OH
O
OH
HO
O
O
-2e-, -2H
+
HO
O
OH
OH
N
NH2
O
OH
OH
O
O
O
O
O
OH
O
NH2
OH
OH
O
HN
OH
O
Şekil 10. Elektrokimyasal olarak okside olmuş bir kuersetin molekülünün Michael katılması ile
aminofenil modifiye GC yüzeyine kimyasal olarak bağlanması
SONUÇ VE TARTIŞMA
Bu araştırma ile, NPDAS kullanaılarak susuz ortamda modifiye edilen ve
sonrasında aminofenil modifiye camsı karbon elektrot haline getirilen yüzeye
bağlanan kuersetin molekülünün elektrokimyasal ve sapektroskopik davranışları
incelenmiştir. Çalışma sonucunda elde edilen veriler ve literatürlerden reaksiyon
mekanizmasının bir EC mekanizması olduğu belirlenmiştir. EC mekanizmasına
göre kuersetin birinci basamakta çözelti içerisinde elektrokimyasal olarak okside
olmakta ve sonrasında modifiye yüzeye Michael Katılması mantığı ile kimyasal
olarak bağlanmaktadır. Bu durum modifikasyon voltamogramından ve yapılan
yüzey testlerinden açıkça görülebilmektedir. Literatüre bağlı kalınarak deney
sonuçları ile elde edilen mekanizma Şekil 10’da verilmiştir. Dönüşümlü
voltametri tekniği ile yapılan modifikasyon işlemi sonucu elde edilen
voltamogramdan kuersetin’in aminofenil modifiye elektrot yüzeyine susuz
ortamda bağlandığı ve bu bağlanmanın oldukça kararlı olduğu görülmüştür.
Modifikasyon sonrası yüzeyde bağlanmanın gerçekleştiği, ferrosen ile susuz
ortamda, ferrisiyanür ile sulu ortamda yapılan dönüşümlü voltametri testleri ile
213
ve feri/ferrosiyanür redoks probu kullanılarak EIS ile yapılan impedans testleri
sayesinde net olarak görülebilmiştir. Yapılan yüzey testleri sayesinde aminofenil
bağlı camsı karbon elektrot yüzeyi elektroaktif iken yani elektron aktarımına izin
veren bir yüzey iken, bu yüzeyin kuersetin bağlanması sonucu yapılan yüzey
testlerinde elektroinaktif olduğu yani kuersetin modifiye yüzeyin elektron
aktarımını bloke ettiği sonucuna varılmıştır. Sonuç olarak, kuersetin gibi bir
flavonoid türevinin bir diazonyum tuzu ürünü olan aminofenil modifiye camsı
karbon elektrot yüzeyindeki elektrokimyasal ve spektroskopik davranışları
yapılan değişik testler sonucu ayrıntılı bir şekilde ortaya koyulmuştur.
YAZAR NOTLARI
Bu çalışma İbrahim Ender Mülazımoğlu’nun Doktora Tezi dahilinde, Selçuk
Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri (BAP) Koordinatörlüğünce desteklenen
06101020 numaralı proje yardımı ile yapılmıştır. Çalışmamızın her aşamasında
gerek bilgi gerekse teknik testek yönünden yardımları için Ankara Üniversitesi
Fen Fakültesi Kimya Bölümü Öğretim Üyesi Prof. Dr. Ali Osman Solak ve
çalışma grubuna teşekkürler.
214
KAYNAKLAR
Andersen Q. M., Markham K. R., (2006), “Flavonoids: Chemistry, Biochemistry
and Applications”, LLC CRC Press is an imprint of Taylor & Francis
Group
Brett A. M. O. ve Ghica M. E., (2003), “Electrochemical Oxidation of
Quercetin”, Electroanalysis, 15, 1745
Dangles O., Fargeix G. and Dufour C., (1999), “One-electron oxidation of
quercetin and quercetin derivatives in protic and non protic media”, J.
Chem. Soc., Perkin Trans. 2, 1387
Fardous A. M., Abdel-Maaboud I. M., Horria A. M., Samiha A. H., (1996),
“Utility of quercetin for determination of some tertiary amine and
quaternary ammonium salts”, Talanta, 43, 1931
Grotewold E., (2006), “The Science of Flavonoids”, Springer Science Business
Media, Inc., Department of Cellular and Molecular Biology, The Ohio
State University, Columbus, Ohio
Harborne J. B., Williams C. A., (2000), “Advances in flavonoid research since
1992”, Phytochemistry, 55, 481
Heijnen C. G. M., Haenen G. R. M. M., Vekemans J. A. J. M., A. Bast., (2001),
“Peroxynitrite scavenging of flavonoids: structure activity relationship”,
Environ. Toxicol. Pharmacol., 10, 199
Hendrickson H. P., Kaufman A. D., Lunte C. E., (1994), “Electrochemistry of
catechol-containing flavonoids”, J. Pharm. Biomed. Anal., 12, 325
Hotta H., Nagano S., Ueda M., Tsujino Y., Koyama J., Osakai T., (2002),
“Higher radical scavenging activities of polyphenolic antioxidants can be
ascribed to chemical reactions following their oxidation”, Biochim.
Biophys. Acta, 123, 1572
Hotta H., Sakamoto H., Nagano S., Osakai T., Tsujino Y., (2001), “Unusually
large numbers of electrons for the oxidation of polyphenolic
antioxidants”, Biochim. Biophys. Acta, 159, 1526
İsbir A. A., Solak A. O., Üstündağ Z., Bilge S., Natsagdorj A., Kilic E. ¸ Kilic Z.,
(2005), “The electrochemical behavior of some podands at a
benzo[c]cinnoline modified glassy carbon electrode”, Analytica Chimica
Acta, 547, 59
215
Janeiro P., Brett A. M. O., (2004), “Catechin electrochemical oxidation
mechanisms”, Anal. Chim. Acta, 518, 109
Janeiro P., Brett A. M. O., (2005), “Solid State Electrochemical Oxidation
Mechanisms Of Morin in Aqueous Media”, Electroanalysis, 17, 733
Jorgensen L. V., Cornett C., Justesen U., Skibsted L. H., Dragsted L. O., (1998),
“Two-electron electrochemical oxidation of quercetin and kaempferol
changes only the flavonoid C-ring”, Free Radic. Res., 29, 339
Kikuzaki H., Hisamoto M., Hirose K., Akiyama K., Taniguchi H., (2002),
“Antioxidant Properties of Ferulic Acid and Its Related Compounds”,
Agric J.. Food Chem., 50, 2161
Korkina L. G., Afanas’ev I. B., 1997, “Advances in Pharmacology”, Academic
Press Inc: New York, 151
Larson R. A., (1988), “The antioxidants of higher plants”, Photochemistry, 27,
969
Lemanska K., Szymusiak H., Tyrakowska B., Zielinski R., Soffers A. E. M. F.,
Rietjens I. M. C. M., (2001), “The influence of pH on antioxidant
properties and the mechanism of antioxidant action of hydroxyflavones”,
Free Radical Biol. Med., 31, 869
Moon J. H., Terao J., (1998), “Antioxidant Activity of Caffeic Acid and
Dihydrocaffeic Acid in Lard and Human Low-Density Lipoprotein”, J.
Agric. Food Chem., 46, 5062
Mülazımoğlu İ. E., Doktora Tezi, 2008, Selçuk Üniversitesi, Fen Bilimleri
Enstitüsü, Konya, Turkey
Nematollahi D., Malakzadeh M., (2003), “Electrochemical oxidation of
quercetin in the presence of benzenesulfinic acids”, Journal of
Electroanalytical Chemistry, 547, 191
Patolsky F., Zayats M., Katz E., Willner I., (1999), “Precipitation of an Insoluble
Product on Enzyme Monolayer Electrodes for Biosensor Applications:
Characterization by Faradaic Impedance Spectroscopy, Cyclic
Voltammetry, and Microgravimetric Quartz Crystal Microbalance
Analyses”, Anal. Chem., 71, 3171
Pietta P., (2000), “Flavonoids as Antioxidants”, J. Nat. Prod., 63, 1035
216
Pinson J. and Podvorica F., (2005), “Attachment of organic layers to conductive
or semiconductive surfaces by reduction of diazonium salts”, The Royal
Society of Chemistry, Chem. Soc. Rev., 34, 429
Ren X., Pickup P. G., (1997), “An impedance study of electron transport and
electron transfer in composite polypyrrole + polystyrenesulphonate films”,
J. Electroanal. Chem., 420, 251
Rice-Evans C. A., Miller N. J., Paganga G., (1996), “Structure-antioxidant
activity relationships of flavonoids and phenolic acids”, Free Radical Biol.
Med., 20, 933
Rice-Evans C. A., Miller N. J., Paganga G., (1997), “Antioxidant properties of
phenolic compounds”, Trends Plant Sci., 2, 152
Rice-Evans C. A., Packer L., (1998), “Flavonoids in Health and Disease”,
Marcel Decker Inc: New York, 65
Rosenau T., Habicher W. D., (1995), “Novel tocopherol compounds I.
Bromination of α-tocopherol—reaction mechanism and synthetic
applications”, Tetrahedron, 51, 7919
Solak A. O., Eichorst L. R., Clark W. J., McCreery R. L., (2003), “Modified
Carbon Surfaces as "Organic Electrodes" That Exhibit Conductance
Switching“, Anal. Chem., 75, 296
Strack D., (1997), “Phenolic metabolism”, In: Plant Biochemistry, Dey P.M.,
and Harbourne, Eds., Academic, San Diego, CA., 387-416
Thomas M., (2000), “The role of free radical antioxidants”, Nutrition, 16, 716
Timbola A. K., Souza C. D., Giacomelli C. and Spinelli A., (2006),
“Electrochemical Oxidation of Quercetin in Hydro-Alcoholic Solution”, J.
Braz. Chem. Soc., 17, 139
Wolf R., Wolf D., Ruocco V., (1998), “Vitamin E: the radical protector”, J. Eur.
Acad. Dermatol. Venereol., 10, 103
Yang B., Kotani A., Arai K., Kusu F., (2001), “Electrochemical Behaviors of
Quercetin and Kaempferol in Neutral Buffer Solution”, Anal. Sci., 17, 599
Zare H. R., Namazian M., Nasirizadeh N., (2005), “Electrochemical behavior of
quercetin: Experimental and theoretical studies”, Journal of
Electroanalytical Chemistry, 584, 77

npdas ile modifiye edilmiş camsı karbon elektrot yüzeyinde

Transkript

Benzer belgeler

pKa Table.1