Browsing by master's degree program "Kemian ja molekyylitieteiden maisteriohjelma"

Tässä pro gradu -tutkielmassa keskitytään Itämereen upotettuihin arseenia sisältäviin kemiallisiin taisteluaineisiin ja niiden analysoinnissa käytettäviin erilaisiin analyysimenetelmiin ja erilaisiin näytematriiseihin. Analyysimenetelmät ovat pääosassa olleet kromatografisia ja massaspektrometrisiä menetelmiä. Tutkielmassa syvennytään lisäksi aseiden upotusalueisiin sekä käydään läpi hieman taustatietoa yhdisteistä ja historiaa aseiden upottamisesta. Pro gradussa tarkastellaan lisäksi upotettujen kemiallisten aseiden toksisuutta ja mahdollisia vaikutuksia ympäristöön ja eliöihin, sekä myös upotettujen aseiden mahdollista riskiä ihmiselle. Tutkielman loppuun sijoittuva kokeellinen osio sisältää VERIFINillä tehdyn menetelmän kehityksen difenyyliarsiinihapon glutationikonjugaatin määrittämiseksi turskan sapesta. Kokeellinen osuus sisältää menetelmän validoinnin sekä varsinaisten upotusaluenäytteiden analysoinnin liittyen DAIMON-projektiin.

Yleisenä pakkausmateriaalina käytetty muovi on tunnettu muun muassa keveydestä, helposta muovattavuudesta ja kulutuksen kestosta. Muovin käyttö jatkaa kasvuaan ja sillä on korvattu monia muita materiaaleja, kuten betonia, lasia, metallia ja puuta. Muovituotteiden valmistukseen käytetään runsaasti fossiilisia raaka-aineita, mikä aiheuttavat lukuisia ympäristöongelmia. Muovin ekologisia haittoja on pyritty helpottamaan muovin kierrätyksen avulla. Kierrätysmuovimateriaalien on kuitenkin havaittu aiheuttavan hajuhaittoja, jotka ovat neitseellisiin pakkausmateriaaleihin verrattuna merkittävämmät. Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli kehittää kaasukromatografia-massaspektrometriaan (GC-MS) perustuva mittausmenetelmä kierrätysmateriaalien hajuhaittojen tunnistamiseksi sekä tutkia hajua aiheuttavia yhdisteitä aistinvaraisesti olfaktometrilla. Tutkimuksessa hyödynnettiin headspace-tekniikkaa, joka mahdollisti kierrätysmuovimateriaalien mittaamisen ilman erillistä esikäsittelyä. Pakkausmateriaalien sisältämät yhdisteet tunnistettiin kvalitatiivisesti massaspektrometrilla ja aistinvaraisesti olfaktometrilla. Tutkittavina yhdisteinä käytettiin kahden suomalaisen yrityksen valmistamia PEHD-kierrätysmuovipulloja. Kierrätysmuovipullojen lisäksi kvalitatiivinen ja olfaktometrinen tutkimus suoritettiin neitseellisille PEHD-pulloille. Kokeellisen osuuden ensimmäinen vaihe suoritettiin headspace-kaasukromatografi-massaspektrometri -laitteistolla. Menetelmän optimoinnissa tarkasteltiin näytteiden tasapainotusajan (10, 20, 30 ja 40 minuuttia) ja lämpötilan (50, 70 ja 90 °C) vaikutusta kokonaisionikromatogrammiin muodostuneiden piikkien pinta-aloihin. 30 minuutin tasapainotusajan todettiin olevan riittävä tasapainon saavuttamiseen näytteen ja kaasufaasin välillä, mikä mahdollisti toistettavien tulosten saavuttamisen. Korkeampi lämpötila aiheutti odotetusti pinta-alaltaan suuremmat piikit. Lämpötilan muutoksen vaikutus piikkien pinta-aloihin oli kuitenkin yhdistekohtainen. Sekä kierrätysmuovipullojen että neitseellisten pullojen todettiin sisältävän muun muassa aldehydejä, alkoholeja sekä alifaattisia ja syklisiä hiilivetyjä. Sen sijaan ainoastaan eettereitä, estereitä, ketoneja ja terpeeneiksi luokiteltuja D-limoneenia ja eukalyptolia havaittiin kierrätysmuovipulloissa. Toisessa vaiheessa laitteistoon liitettiin olfaktometri, jonka avulla kierrätysmuovipulloista irtoavia yhdisteitä tutkittiin aistinvaraisesti. Yhdisteistä eukalyptoli todettiin samanaikaisesti massaspektrometrilla ja aistinvaraisesti olfaktometrilla. Kierrätysmuovipulloista tunnistettiin myös muita jopa hyvin vahvoja hajuja, joita ei kuitenkaan pystytty detektoimaan massaspektrometrilla tai vaihtoehtoisesti kvalitatiivinen tunnistus oli hyvin epävarmaa. Tulevaisuudessa olisi tärkeää tunnistaa kierrätysmuovipulloissa esiintyvät hajujenaiheuttajat sekä saada tarkempaa tietoa niiden alkuperästä. Hajuja aiheuttavien yhdisteiden poistaminen takaisi laadukkaampien lopputuotteiden valmistamisen ja kierrätysmuovimateriaalien laajemman hyödyntämisen.

Kultakomplekseille on tyypillistä typpi- ja rikkidonoreita sisältävät ligandit. Suurin osa tunnetuista kultakomplekseista on homoleptisiä, eli niissä kulta on liittynyt vain yhdentyyppisiin ligandeihin. Heteroleptisissä komplekseissa keskusatomiin on liittynyt useammanlaisia ligandeja. Heteroleptiset kompleksit ovat kiinnostavia, sillä kompleksien rakenteen muutokset vaikuttavat mm. katalyyttien tehokkuuteen. Kahden erilaisen ligandin avulla voidaan esimerkiksi vaikuttaa keskusatomin koordinaatiokykyyn merkittävästi. Kirjallisuuskatsauksessa tarkastellaan kullan komplekseja ja erilaisten ligandien käyttäytymistä kullan kanssa. Kirjallisuudesta löytyneiden heteroleptisten kultakompleksien ominaisuuksia, synteesireittejä ja käyttökohteita on esitelty. Kirjallisuudesta on etsitty esimerkkejä heteroleptisistä kultakomplekseista sekä kultatiolaattien reaktioista. Kokeellisessa osuudessa tutkittiin kullan liuotusreaktiota sekä pyrittiin valmistamaan ja analysoimaan heteroleptistä kultatiolaattia, jollaisia ei kirjallisuuskatsauksen perusteella ole valmistettu. Kullan liuotusreaktiossa, jossa hyödynnetään kahta eri tiolaattiligandia, on havaittu muodustuvan välituotteena heteroleptinen tiolaattikompleksi, jonka tarkempi karakterisointi oli työn tavoitteena. Vaikka valitulla synteesistrategialla kompleksia ei saatu eristettyä puhtaana, sen muodostuminen varmistui mm. massaspektroskopian avulla.

In the theoretical part of the thesis, the main trends in the study of lipid aggregates as a pseudostationary phase in capillary electrokinetic chromatography (EKC) over the past 15 years is reviewed. Due to ability of liposomes to mimic cell membranes, they have found wide application in the biomedical field and analytical chemistry. Currently, various liposomal formulations are used as background electrolyte solutions in liposome EKC. The possibility to vary the lipid content in the lipid aggregates is increasingly expanding the usage of liposome for solving specific tasks. One of the main components of vertebrate cell membranes is cholesterol. The enormous effect of this sterol on the bilipid layer has been well studied. Properties of the lipid layer in the liposomes can be altered by changing the molar percentage of cholesterol and by this it is possible to regulate and bring the experimental conditions closer to biological conditions. In the kingdom of fungi, the function of cholesterol is performed by ergosterol. The similarity of the sterols suggests that compounds would have a similar effect on the lipid bilayer. However, comparative analyses of systems involving cholesterol and ergosterol show less obvious results. Understanding the mechanisms of drug interactions with ergosterol-containing liposomes may provide ideas for the potential development of e.g., antifungal drugs. The experimental part of the thesis describes LEKC experiments with five steroids, namely 21-deoxycortisol, corticosterone, testosterone, 17α-hydroxyprogesterone, and progesterone. Two different sets of liposome formulations containing ergosterol or cholesterol were investigated. A total of nine pairs of both liposome dispersions were used as background electrolytes for the study the interactions between the liposomes and the steroids. The experimentally determined retention coefficients and the corresponding calculated distribution constants (KD) reflected the dependency of the interaction with the lipophilicity of the analytes. With increasing lipophilicity (hydrophobicity), the affinity of the steroids to the liposomes increased, as seen by stronger interactions with the lipid phase. The average relative standard deviation of the distribution constants for each steroid was not more than 5.5% for the cholesterol-rich liposomes and 4.3% for the ergosterol-rich liposomes. The regression model of log KD Ergo vs. Log KD Chol demonstrated a linear correlation between the obtained data. The linear determination coefficient (R²) was 0.9254. Pearson's linear correlation coefficient reflected also a strong linear correlation (r = 0.9615).

In this work, a series of biocompatible nanocomposite hydrogels was prepared by UV-initiated polymerization based on 2-hydroxyethyl methacrylate (HEMA), using ethylene glycol dimethacrylate (EGDMA) as a crosslinker and 2-hydroxymethyl-2-methylpropiophenone as a photoinitiatior, containing liquid crystals of cellulose nanocrystals (CNCs) doped with magnetic nanoparticles. The formation of liquid crystals was achieved thanks to the intrinsic property of CNCs to self-assemble above a critical aqueous concentration. By varying the preparation conditions, allowing different times for phase-separation between the nanoparticles and CNCs and exposing the polymerization mixture to small magnetic field, films with different size and orientation of CNC liquid crystal domains were synthesized. Subsequently, the hydrogel films were studied by dynamic mechanical analysis (DMA) to evaluate the effect of these parameters on the mechanical properties, specifically the Young’s modulus and the ultimate strength. Also, the microstructure of the films was studied via polarized optical microscopy (POM) and scanning electron microscopy (SEM). The water uptake capacity was also analyzed. The results indicate that the presence of cellulose nanocrystals modulates the architecture of the prepared hydrogels. Cholesteric microdomains were embedded in PHEMA matrix and their uniaxial alignment was achieved upon exposure to small static magnetic field, already after several hours. Moreover, structural gradient in the distribution of the liquid crystalline microdomains, in dependence on their size, was obtained within the material. This originated from the direct proportionality between the size and the density of liquid crystals. Finally, it was shown that cellulose nanocrystals act as reinforcing structures of the hydrogels, when the degree of their self-assembly is sufficient, and therefore the resulting hydrogel exhibits both higher resistance to elastic deformation and also higher ultimate strength. Finally, we showed that mechanical performance of these nanocomposites can be enhanced by systematic orientation of the liquid crystalline domains.

Ihmistoiminnan seurauksena luonnonvesiin päätyy haitallisia metalli-ioneja, joiden aiheuttamista ongelmista kärsivät nykyään eniten köyhät ja kehittyvät maat. Metalli-ionianalytiikalla on tärkeä rooli sekä luonnonvesien tarkkailussa että tutkimisessa kuin myös teollisten prosessien laadunvalvonnassa ja kehityksessä. Induktiivisesti kytketystä plasma-massaspektrometrista (ICP-MS) on tullut yksi yleisimmistä metallianalytiikassa käytettävistä analyysilaitteista. Useiden metalli-ionien pitoisuudet vesinäytteissä ovat kuitenkin laitteen määritysrajaa matalampia, jonka vuoksi analyytit täytyy esikonsentroida mittausta varten. Lisäksi suuri liuenneen kiintoaineen määrä saattaa vahingoittaa ICP-MS -laitetta. Edellä mainitut ongelmat ovat usein ratkaistavissa kiinteäfaasiuuton avulla, josta on kehittynyt erittäin monipuolinen ja helppo esikäsittelymenetelmä erilaisten vesinäytteiden analysointiin. Tutkielman kirjallisessa osiossa perehdytään metalli-ionianalytiikan merkitykseen sekä tutkituimpien metalli-ionien ominaisuuksiin ja terveysvaikutuksiin. Osiossa esitellään yleisimpiä ja uusimpia kiinteäfaasiuuttotekniikoita sekä vertaillaan off-line- ja on-line-sovellusten erityispiirteitä. Lisäksi perehdytään tekijöihin, jotka saattavat vaikeuttaa tai haitata kiinteäfaasiuuttoprosessia ja ICP-MS -mittausta. Kirjallisen osion loppupuolella käsitellään mielenkiintoisimpia, pääsääntöisesti vuosina 2010-2022, raportoituja kiinteäfaasiuuttosorbentteja, joita on käytetty tutkimuksissa, joissa mittaus on suoritettu ICP-MS:lla. Tutkielmassa käsitellään eräiden sorbenttien ja analyysiprosessien erityispiirteitä sekä tarkastellaan tärkeimpiä analyysiparametreja. Tutkielman kokeellisessa osiossa määritettiin hopea- ja koboltti-ionipitoisuuksia ICP-MS:lla Loviisan ydinvoimalaitoksen boorihappopitoisesta primääripiirin jäähdytteestä. Ydinreaktorissa aktivoituvat hopea- ja koboltti-ionit aiheuttavat merkittävän osan voimalaitostyöntekijöiden vuotuisesta säteilyannoksesta, jonka vuoksi kyseisten ionien tarkkailulla on suora vaikutus laitosturvallisuuteen. Määritystä varten boorihappo poistettiin aluksi selektiivisellä N-metyyliglukamiinipohjaisella ioninvaihtohartsilla. Tämän jälkeen hopea- ja koboltti-ionit esikonsentroitiin iminodiasetaattipohjaisella kiinteäfaasiuuttosorbentilla. Tulosten perusteella kehitettiin esikäsittelylaittoisto, joka koostui kahdesta päällekkäin asetetusta kolonnista. Metalli-ionipitoisuudet määritettiin ICP-MS:lle kehitetyn menetelmän avulla.

Kinonit ovat aromaattisista yhdisteistä johdettuja täysin konjugoituneita syklisiä diketonisia yhdisteitä, jotka voivat osallistua hapetus-pelkistysreaktioihin. Kinonit pystyvät toimimaan hapettimina vastaanottamalla substraatilta kaksi vetyatomia, jolloin ne itse pelkistyvät hydrokinoneiksi. Luonnosta löytyy kinonisia koentsyymejä, jotka toimivat elektroninsiirtäjinä biokemiallisissa prosesseissa. Tämän tutkielman kirjallisuuskatsauksen alussa tarkastellaan kinonien ominaisuuksia, kuten niiden hapetuskykyyn eli pelkistyspotentiaaliin vaikuttavia tekijöitä. Yksi kinonien mielenkiintoinen ominaisuus on niiden pelkistyspotentiaalin nostaminen valoaktivaatiolla. Kinonit absorboivat valoa, jolloin ne virittyvät ja virittyneet tilat toimivat voimakkaampina hapettimina perustilaan verrattuna. Synteesikemian näkökulmasta tässä tutkielmassa keskitytään tarkastelemaan 2,3-dikloori-5,6-disyano-p-bentsokinonin (DDQ) välittämiä hapettavia reaktioita. Kirjallisuudessa DDQ on yleisesti synteettisissä sovelluksissa käytetty korkean pelkistyspotentiaalin kinoni. Yleensä DDQ:a on käytetty stoikiometrisena hapettimena, mutta kirjallisuudesta löytyy myös esimerkkejä, joissa katalyyttinen määrä DDQ:a on käytetty yhdessä terminaalisen hapettimen kanssa. Hapettavien reaktioiden tarkasteleminen on kiinnostavaa, sillä hapettavat muunnokset ovat hyvin keskeisessä roolissa orgaanisessa synteesikemiassa. Esimerkkireaktioita ovat muun muassa bentsyylisen aseman hapettavat funktionalisoinnit ja aryylipropeenien terminaalinen hapetus. Lisäksi käydään läpi esimerkkejä syklisten yhdisteiden valmistamisesta DDQ-välitteisesti. Tämän tutkielman kokeellisessa osassa tutkittiin fenantreenikinonin (PQ) rakenteen muokkauksen vaikutuksia sen hapetusominaisuuksiin. Tässä työssä syntetisoitiin kolme elektroniselta luonteeltaan erilaista PQ-johdosta, joista kahta ei ole aiemmin raportoitu. Yhdisteiden suhteellisen yksinkertaisesta rakenteesta huolimatta niiden synteesit osoittautuivat huomattavan haastaviksi. Elektronisesti erilaisten substituenttien liittämisellä PQ:n runkoon saatiin aikaan muutoksia sen hapetusominaisuuksissa, mikä voitiin havaita mittaamalla PQ-johdosten perustilan pelkistyspotentiaalit. Lisäksi PQ-johdoksilla havaittiin olevan selkeitä eroja virittyneen tilan hapetusominaisuuksissa. Tutkittavaksi reaktioksi valoaktivoituun kinonikatalyysiin valittiin bentsyylisten sekundääristen alkoholien hapetusreaktio, joka on yleisesti kirjallisuudessa esiintyvä kinonivälitteinen hapetusreaktio.

Polymeerimateriaalit ovat merkittävä osa nykyistä elämäntapaa ja monet niiden parhaista ominaisuuksista ovat erilaisten lisäaineiden ansiota. Näiden lisäaineiden analysoiminen on tärkeää muovituotteiden laadun ja turvallisuuden takaamiseksi, ja kaasukromatografia on yksi tärkeimmistä analyysimenetelmistä, joita tähän käytetään. Muovinäytteiden analysoiminen ei kuitenkaan ole aina yksinkertaista, sillä muovit sisältävät hyvin paljon erilaisia yhdisteitä, joiden kemialliset ja fyysiset ominaisuudet poikkeavat toisistaan suuresti, mikä vaikeuttaa sekä muovinäytteiden esikäsittelyä että analysoimista. Kirjallisuuskatsauksessa perehdytään aluksi muoveihin materiaaleina. Tämän jälkeen tarkastellaan muoveissa käytettyjä lisäaineryhmiä, erityisesti slip-lisäaineita, antioksidantteja, UV-stabilisaattoreita, pehmiteaineita ja palonestoaineita. Kirjallisuuskatsauksen lopuksi perehdytään muovien lisäaineiden analysoimiseen kaasukromatografisilla menetelmillä alkaen näytteiden esikäsittelystä ja päättyen analyyttien detektointiin. Kokeellisessa tutkimusprojektissa kehitettiin ja validoitiin uusi kaasukromatografinen menetelmä näytteenkäsittelyineen DL-α-tokoferolin ja (Z)-dokos-13-enamidin määrittämiseen pientiheyspolyeteenin granulaateista. Tutkimus tapahtui Borealis Polymers Oy:n Porvoon laadunvalvontalaboratoriossa ja menetelmä kehitettiin tehtaan laadunvalvontaa varten. Uudessa menetelmässä lisäaineet uutetaan ensin etyyliasetaatilla ja analysoidaan sitten liekki-ionisaatio detektorilla varustetulla kaasukromatografilla. Työn lopuksi menetelmä validoitiin. Validointiprosessissa varmistettiin menetelmän lineaarisuus, toistettavuus, totuudenmukaisuus ja selektiivisyys, minkä lisäksi selvitettiin menetelmän mittausepävarmuus sekä toteamis- ja määritysrajat. Menetelmä täytti validoinnissa kaikki sille ennakkoon asetetut tavoitteet.

Copper complexes are versatile catalysts for different fixations of carbon dioxide. Copper-catalyzed carboxylations of unsaturated hydrocarbons with CO2 provide access to valuable carboxylic acids. Generally, the formation of Cu-C species from the substrate and the catalyst is followed by carbon dioxide insertion across the Cu-C bond which produces copper carboxylate RCOO-Cu via C-C bond formation. Moreover, copper complexes can undergo transmetallation with less-nucleophilic organoboron reagents to afford Cu-C species. Copper-catalyzed reductive carboxylations of C-C unsaturated bonds with CO2 entail hydrogenative, alkylative and heterocarboxylation methodologies. This thesis elaborates a protocol for the N-heterocyclic carbene copper (I)-catalyzed synthesis of carboxylic acids from alkynes with carbon dioxide. The main interest lies in a regioselective hydrocarboxylation of alkynes catalyzed by NHC-copper hydrides and copper-catalyzed carboxylation of alkylboranes with CO2. The literature review focuses on the catalytic activity of N-heterocyclic copper (I) complexes in organometallic chemistry, especially within a range of reductive carboxylation reactions. Alkynes insert readily into the copper hydride bond constituting C-Cu species prior to the CO2 insertion. The regioselectivity of this carboxylation reaction derives from the syn addition of Cu-H species to the alkyne. Correspondingly, the alkylboranes can be carboxylized in a regiospecific fashion due to the regioselective manner of the initial hydroboration. In the experimental part, two different catalytic hydrocarboxylation pathways were carried out with in situ- copper (I) catalysts. The use of mild base additive CsF was necessary for the catalyst formation. The first pathway was catalyzed by a NHC-copper(I)-hydride complex in the presence of hydrosilane as the reducing agent. In the second pathway, a tandem hydroboration carboxylation sequence was utilized, catalyzed by copper(I) fluoride species. Both pathways furnished carboxylic acids from terminal and internal alkynes.

Nukleiinihapot ovat luonnollisia yksi- tai kaksisäikeisiä polymeerejä, jotka koostuvat deoksiribo- tai ribonukleosideistä linkitettynä toisiinsa fosfodiesterisidoksella. Kun tällaisia ketjuja valmistetaan kemiallisin menetelmin fosfaattiryhmä olisi aktivoitava tietyllä tavalla ja funktionaaliset ryhmät, jotka eivät osallistu reaktioon, olisi suojattava väliaikaisesti tai pysyvästi. Kiinnostus nukleiinihappokemiaan johtuu synteettisten oligomeerien ja niiden analogien kasvavasta tarpeesta välttämättöminä tutkimusvälineinä molekyylibiologiassa ja lääketieteessä. Tutkielman kirjallisessa osassa esitettiin erilaisia menetelmiä lyhyiden oligonukleotidien kemialliselle synteesille. Fosfodiesterisidosten muodostuminen tapahtuu yleensä joko fosfotriesterin tai fosfiitti-triesterin välituotteiden avulla. P(III)-välituotteiden suuremman reaktiivisuuden vuoksi fosfiitti-triesterimenetelmä ja erityisesti fosforamidiittimenetelmä ovat herättäneet huomiota. Oligonukleotidisynteesin lähtöaineiksi on ehdotettu useita erilaisia nukleosidi-fosforamidiitteja, kun on etsitty tasapainoa stabiilisuuden ja reaktiivisuuden välillä. Tämän vuoksi H-fosfonaattimenetelmää, jossa yhdistetään sekä fosfotriesteri- että fosfiitti-triesterimenetelmien edut ja lisäksi fosfodiesterimenetelmän edut (esim. fosforikeskuksen suojaavan ryhmän puute), voidaan käyttää vaihtoehtona fosforamidiittimenetelmälle erityisesti RNA:n sekä hapoille labiilien oligonukleotidianalogien synteesissä. Kaikilla menetelmillä on kuitenkin hyvät puolet sekä huonot puolet, joten ei olisi vielä olemassa yleisesti sovellettavaa ja tehokasta synteesimenetelmää, vaan ne sopivat eri tapauksiin. Esimerkiksi suuren mittakaavan synteesin tapauksessa tulee ottaa huomioon reaktioaika, reagenssi, puhdistusmenetelmä ja muut resurssit. Lisäksi lähestymistavat ovat yleensä joko erittäin työläitä etenkin lopputuotteen puhdistuksessa tai monivaiheisia sekvenssejä, joiden kokonaistuotto on alhainen. Kokeellisessa osassa valmistettiin kolmenlaisina Brønsted happokatalyytteinä pentakarboksisyklopentadieenit (PCCP). Tutkittiin mahdollisuutta käyttää PCCP-johdonnaisia regioselektiiviseen nukleosidin 5’-hydroksyyliryhmän suojaamiseen asetaaliryhmällä. Menetelmällä onnistuttiin valmistamaan tyydyttävä määrä 5’-O-asetaalisuojattua tymidiiniä. Menetelmä vaikuttaa lupaavalta pienellä jatkokehityksellä.