Browsing by discipline "Organic chemistry"

Ligniini on maailman toiseksi yleisin biopolymeeri. Se mahdollistaa puun puutumisen sekä veden ja ravinteiden kulkeutumisen puun- ja ruohovartisten kasvien soluissa. Ligniinillä on havaittu antioksidatiivisiä ominaisuuksia, sillä se kykenee pelkistämään radikaaleja. Antioksidanttiaktiivisuuteen vaikuttaa molekyylin sisäinen molekulaarinen koostumus. Ligniinin perusrakenne muodostuu kolmesta kanelialkoholin monomeeristä. Nämä monomeerit muodostavat entsyymikatalysoitujen hapetusreaktioiden kautta monimutkaisen polymeeriketjun. Tämä tutkielma tarkastelee kirjallisuusosuudessa ligniinin rakenteesta havaittuja rakenneyksiköitä ja niiden kykyä toimia antioksidantteina. Kokeellisessa osiossa syntetisoitiin ensin ligniinin rakenteessa esiintyvä, niin kutsuttu 8-rengasrakenne, dibentsodioksosiini. Tämän jälkeen syntetisoidun malliaineen annettiin reagoida entsyymikatalyyttisesti hapettavissa olosuhteissa koniferyylialkoholin kanssa. Kokeiden toivottiin antavan lisävalaistusta ligniinipolymeerin 3-uloitteisen rakenteen muodostumiseen. Reaktioseokset analysoitiin NMR-spketroskopian ja HPLC-kromatografian avulla ja tärkeimmälle oletettavalle ristikytkentätuotteelle syntetisoitiin tetrameerinen analogi. Työssä tutkittiin myös ligniinin analysointia pyrolyysi-GC/MS-laitteistolla. Tulosten analysoimiseksi luotiin ensin yhdeksän yksinkertaisen, ligniinin pyrolyysissä oletettavasti muodostuvan yhdisteen GC/MS-spektrikirjasto ja tätä hyödynnettiin kuuden ligniinin malliyhdisteen pyrolyysihajoamistuotteiden identifioimisessa. Yksi malliyhdisteistä oli aiemmin valmistettu dibentsodioksosiini ja loput edustivat yleisimpiä ligniinin rakenneyksikköjä.

Many diseases are dependant of the concentration of hormones in our body, especially for women. The risk of having this type of disease such as sex-related cancer is lower in Asian countries thanks to the high consumption of soy in these countries. Indeed, soy contains several isoflavones such as daidzein or genistein which act as phytoestrogens once metabolized in our body. It is due to the fact that they are similar to estrogens but they do not have or have a lower biological effect than estrogens compounds. (S)-dihydrodaidzein, a product of the metabolism of daidzein which is one of these isoflavones, has a stronger bioactivity than its parent compound but only 30% of the population in the world can obtain it naturally. The current research was focused on the stereoselective synthesis of dihydrodaidzein by hydrogenation using a chiral catalyst that will favor the obtention of only one enantiomer. (S)-proline was used as the chiral modifier. Two types of hydrogenation were used, transfer hydrogenation and hydrogenation under pressure, the latter being the one where we obtained the maximum of enantiomeric excess. 44% was achieved after 3 hours of hydrogenation with palladium on activated carbon as catalyst at 20 bars of pressure of dihydrogen. It is the first report of the use of (S)-proline on another compound than isophorone and we obtained higher enantiomeric excess for the same conditions. This study relies on the use of one and two-dimensional NMR, preparative HPLC-MS and chiral HPLC to identify and to obtain pure compounds and the enantiomeric excess of dihydrodaizein. Future research should focus on the kinetic study of this reaction and the elucidation of the mechanism.

Tässä kirjallisuuskatsauksessa perehdyttiin ensisijaisesti puuvartisten- ja ruohokasvien soluseinien fenyylipropanoidien ja ferulahappojen biosynteesiin ja kytkeytymisreaktioihin. Fenyylipropanoidireitti alkaa fenyylialaniinista ja johtaa monien prekursoreiden kuten lignaanien, flavonoidien, salisyylihappojen ja ligniiniprekursoreiden syntymiseen. Tutkielmassa keskityttiin ligniiniprekursoreiden muodostumiseen ja erityisesti sen biosynteesireitin välituotteen, ferulahapon hapetettuihin kytkeytymisreaktioihin kasvien soluseinillä. Fenyylipropanoiditutkimuksen lähtökohtana on jo vuosia ollut selvittää biosynteesireittejä ja menetelmiä, joiden avulla ligniini saadaan kasvin soluseinältä liukenemaan ja hiilihydraatti otettua talteen. Eräs tapa tunnistaa näitä hajoamistapahtumia on tutkia fenyylipropanoidien kytkentöjen muodostumista. Tässä pro gradu -tutkielmassa fenyylipropanoidireitin välituotteiden entsyymien säätelyä tarkasteltiin luonnonvaraisissa ja geneettisesti muunnelluissa kasveissa. Bieosynteesireitti selkeytyi paljon. Lisäksi siirtogeenisillä kasveilla havaittiin kokonaan uusia kytkentöjä ja rakenteita. Eräillä geeniyhdistelmillä voitiin lisätä tuntuvasti hiilihydraattimäärää samalla kun ligniinin kokonaismäärä väheni. Näin arveltiin voitavan kasvattaa biomassan määrää puukasveilla. Ferulahapot dehydrogenoituvat entsymaattisesti hapettavissa olosuhteissa fenoksiradikaaleiksi, jotka reagoivat edelleen muodostaen toisen radikaalimonomeerin tai -polymeerin kanssa kytkentöjä. Soluseinä tuottaa radikaalireaktioissa tarvitsemansa hapettimet ja entsyymit, vetyperoksidin ja peroksidaasin itse. Ferulahapon monomeerit ja dimeerit muodostavat esterisidoksia soluseinän hemiselluloosan kanssa. Näin syntyneet ferulaattidimeerit ja -trimeerit muodostivat ristikytkentöjä hiilihydraattien ja ligniinin välille sekä yhden tai useamman polysakkaridiketjun välille. Ferulahappojen katsottiin olevan lignifioitumisen aloituskohtia soluseinillä ja yhdistävän kaksi suurta polymeerista verkkorakennetta toisiinsa. Myös soluseinän hiilihydraattien koostumuksen havaittiin vaikuttavan muodostuvien kytkentöjen rakenteeseen. Lopuksi tarkasteltiin vielä ferulahapon antioksidatiivisia ominaisuuksia. Todettiin ligniinin ja ferulahapon määrän korreloivan soluseinän peroksidaasi- ja vetyperoksidimäärän kanssa. Kaveissa monet taudinaiheuttajat, vioittuneet kasvin osat sekä UV-säteily lisäsivät peroksidaasien tuotantoa ja edelleen ferulahappojen määrää. Fenoksiradikaalina ferulahappo kykeni eliminoimaan vetyperoksidin haitallisten happiradikaalien vaikutuksia pelkistämällä ne hapettuen itse radikaalisessa kytkeytymisreaktiossa. Tämä johti mielenkiintoisiin tulevaisuuden näkymiin ferulahaposta funktionaalisena elintarvikkeena, lääkeaineena sekä kosmeettisena valmisteena.

Kultakomplekseja on katalyysikemiassa perinteisesti käytetty aktivoimaan alkyynien, alleenien ja alkeenien π-sidoksia nukleofiilistä additiota varten. Kultakomplekseja, joissa on halogeeniligandeja, kutsutaan yleensä esikatalyyteiksi. Näistä voidaan muodostaa aktiivinen katalyytti luomalla kultaioniin vapaa koordinointipaikka vaihtamalla vahvasti koordinoiva halogeeni-anioni ei-koordinoivaan anioniin. Ligandeissa mahdollisesti esiintyvän funktionaalisen osan tarkoituksena on korvata vastaionien käyttö koordinoitumalla heikosti kultaan. Hypoteesin mukaan funktionaalinen ryhmä kykenisi spontaanisti irtautumaan kultaytimestä ja näin ollen luomaan vapaan koord inointipaikan katalysoitavalle substraatille. Kirjallisuuskatsauksessa tarkastellaan alkuun organokultakompleksien toimintaa homogeenisessä katalyysissä sekä vastaionien merkitystä katalyyttiseen aktiivisuuteen. Tämän jälkeen tarkastellaan syvemmin funktionaalisten NHC-kultakompleksien ominaisuuksia, kuten niiden funktionaalisen osan kykyä koordinoitua kultaytimeen katalyyttien aktivoimiseksi. Samalla tarkastellaan myös missä reaktioissa ja minkälaisella menestyksellä funktionalisoituja NHC-kultakomplekseja on käytetty. Muutamassa tapauksessa kultakomplekseja onnistuttiin aktivoimaan NHC-ligandien funktionaalisuuden ansiosta. Kokeellisessa osuudessa syntetisoitiin ksyleeni- ja pyridiinipohjaisilla linkkereillä sekä suojatulla amiinifunktionaalisuudella varustettuja NHC-ligandeja. Vastaavien kulta(I)- ja kulta(III)- kompleksien katalyyttistä aktiivisuutta tutkittiin alkynyylifuraanin toisiintumisreaktiossa, terminaalisen alkynyylihapon ja propargyyliamidin syklisointireaktioissa sekä imiinisynteesissä. Valmistetut katalyytit osoittivat vaihtelevaa aktiivisuutta eri reaktioissa.

Grafeeni ja grafeenioksidi ovat kaksiulotteisia hiilimateriaaleja. Grafeeni koostuu pääosin sp2-hybridisoituneista hiiliatomeista. Grafeenioksidissa sp2-hybridisoituneiden hiiliatomien verkkoon on kiinnittynyt happea sisältäviä funktionaalisia ryhmiä ja osa hiiliatomeista on siten sp3-hybridisoituneita. Grafeenia voidaan erotella grafiitista erilaisin menetelmin tai valmistaa atomi kerrallaan. Grafeenioksidin valmistuksessa grafiitti hapetetaan esimerkiksi kloraateilla. Sekä grafeenia että grafeenioksidia voidaan muokata kovalenttisesti tai supramolekulaarisesti. Muokkauksella tavoitellaan usein materiaalin parempaa käsiteltävyyttä tai uudenlaisen toiminnallisuuden, kuten katalyyttisen aktiivisuuden tai sensoriominaisuuksien, saavuttamista. Katalyyttisissä prosesseissa muokkaamattoman grafeenin ja grafiitin sovelluksia ei ole monia. Sen sijaan grafeenioksidia on käytetty happokatalyytin tavoin sekä hapettimena monissa kemiallisissa prosesseissa, kuten alkyynien hydrauksissa, bentsyylialkoholien hapetuksessa aldehydiksi ja amiinien hapettavassa kytkennässä. Aktiivihiili on kolmiulotteinen huokoinen grafiitin kaltainen materiaali. Siitä on mahdollista valmistaa eri tavoin hapettuneita aktiivihiiliä typpihapon tai kuningasveden avulla. Hapetusolosuhteet vaikuttavat paljon syntyvän tuotteen funktionaalisten ryhmien jakaumaan. Eri tavoin valmistetuilla aktiivihiilillä on myös toisistaan poikkeava katalyyttinen aktiivisuus 2-aryyli-indolien homokytkentäreaktiossa.

Hemiselluloosat ovat kasviperäisiä polysakkarideja, joiden kemiallisen ja entsymaattisen hydrolyysin seurauksena syntyy oligosakkarideja. Näiden oligosakkaridien analytiikka on haastavaa, sillä ne ovat rakenteiltaan hyvin erilaisia ja ne eivät sisällä normaaliolosuhteissa esimerkiksi ultraviolettisäteilyä absorboivia ryhmiä. Derivatisoimattomia neutraaleja ksylo- ja arabinoksylo-oligosakkarideja voidaan analysoida kvalitatiivisesti kapillaarielektroforeesilla emäksisissä olosuhteissa ja ne voidaan havaita ultravioletti-ilmaisimella. Menetelmän muokkaaminen myös kvantitatiiviseen analyysiin sopivaksi vaikuttaa mahdolliselta. Lisäksi kapillaarielektroforeesilla voidaan analysoida pelkistävän aminaation avulla derivatisoituja ksylo- ja malto-oligosakkarideja nopeasti hyödyntämällä niiden muodostamia boraattikomplekseja. Kapillaarielektroforeesi on nopea, luotettava ja ympäristöystävällinen menetelmä hiilihydraattien analyysiin.

I. Meyer-Schuster rearrangement Meyer-Schuster rearrangement is an atom economical reaction, in which α,β-unsaturated carbonyl compounds are formed from propargylic alcohols and their derivatives by formal migration of the carbonyl group. Brønsted acids have been used traditionally as stoichiometric catalysts, but more recently, several Lewis acids both salts and metal complexes, have become popular due to their selectivity and mild conditions applied. Also oxo-metal complexes are often used despite the high reaction temperature needed. In this thesis, various manners and catalysts for the Meyer-Schuster rearrangement are reviewed. Reactivity of different substrates and practicality of several types of catalysts are evaluated. In addition, different reaction mechanisms are discussed, as they are highly substrate and catalyst-dependent. Propargylic alcohols have two functional groups, in which the catalysts can coordinate according to their characteristics. Especially gold compounds, which are soft Lewis acids, have gained interest due to their specific coordination ability. II. Synthesis of potential FtsZ inhibitors FtsZ, which is a bacterial homologue for tubulin, is essential in the cell division. It polymerizes into a dynamic ring structure, which constricts to separate the new daughter cells. Being FtsZ protein-directing compounds, 3-methoxybenzamide derivatives have been noticed to inhibit growth of certain bacteria. In this work, a set of molecules was synthesized based on PC190723, which is a 3-methoxybenzamide derivative. In order to study interactions between the protein and the inhibitors, fluorescent groups were attached. Polymer sedimentation tests and fluorescence spectroscopy were used to study shortly the biological behavior of the products. It was discovered that one of the products is a polymer-stabilizing and thus, FtsZ activity inhibiting compound.

Tutkielman teoriaosuudessa esitellään lyhyesti ydinmagneettisen resonanssispektroskopian (NMR) perusteet sekä kuvaillaan eri tekijöitä, jotka vaikuttavat kemiallisen siirtymän suuruuteen. Lisäksi kyseisten tekijöiden vaikutusta siirtymiin kuvaillaan yleisellä tasolla. Esiteltävät parametrit ovat molekyylirakenne, liuotin, vuorovaikutusten määrä, konsentraatio, pH ja ionivahvuus sekä lämpötila. Teoriaosiossa esitellään myös erilaiset menetelmät, joilla kemiallista siirtymää on mahdollista mallintaa ja tämän myötä ennustaa. Ennusteiden ongelmat ja kehitysmahdollisuudet esitellään lyhyesti ja erilaisia empiirisiä, kvanttimekaanisia ja semi-empiirisiä menetelmiä käydään läpi tarkemmin. Näistä kokonaisuuksina esitellään tietokantoihin, inkrementaalisiin keinoihin, neuroniverkkoihin, tiheysfunktionaaliteorialle (DFT) sekä Ab initio -laskuille perustuvia menetelmiä. Erilaisia mallinnustapoja vertaillaan lyhyesti keskenään. Pro Gradu tutkielman käytännön osuus suoritettiin Helsingin yliopiston kemian laitoksen Kemiallisen aseen kieltosopimuksen instituutti (VERIFIN) -yksikössä ja tutkielman osana olevassa käytännön osiossa käsitellään erilaisten aromaattisten arseeniyhdisteiden kemiallisten siirtymien tutkimusta jossa kemiallisen siirtymän muutosta erilaisissa pH-ympäristöissä tutkittiin valmistamalla puhdasaineista pH-sarjat metanolissa.Tutkitut yhdisteet olivat fenyylidiklooriarseeni (PDCA), trifenyyliarseenioksidi (TPAO), trifenyyliarseeni (TPA), Adamsiitin arsiinihappo (DM-happo), difenyyliarsiinihappo (DPAA) ja monofenyyliarsiinihappo (MPAA). Kokeelliset siirtymät on sovitettu teoriaosuudessa esiteltyyn Henderson-Hasselbalch -yhtälön mukaiseen käyrään, jonka perusteella muutoksen ollaan voitu todeta olevan lähes kaikissa tutkituissa tapauksissa huomattavaa, mutta yhtälön mukaan ennustettavaa. Kaikkea edellämainittua kokeellista dataa sovellettiin Itämerestä peräisin olleiden kahden erillisen sedimenttinäytteen tutkimiseen ja seulomiseen kyseessä olevien arseeniyhdisteiden varalta. Tunnistukset tehtiin käyttäen NMR spektroskopian lisäksi nestekromatografia-massaspektrometriaa (LC-MS) ja molemmissa sedimenteisä havaittiin pieniä määriä tutkittuja yhdisteitä sekä muita tunnistamatta jääneitä aromaattisia yhdisteitä, joille pystyttiin määrittämään ainoastaan osarakenteet. Tunnistettujen yhdisteiden joukkoon lukeutui myös DM-hapon johdannaisia, joille ei pH-riippuvuutta oltu määritetty, mutta jotka saatiin tunnistettua luotettavasti kahden menetelmän yhdistelmällä

Erilaiset kultasuolat ja -nanopartikkelit voivat olla tehokkaita katalyyttejä, jotka Lewis-happoina voivat koordinoituaπ-sidoksiin. Näin ne voivat aktivoida alkyynejä, alleeneja ja alkeeneita nukleofiilistä additiota varten. Kirjallisuuskatsauksessa tarkastellaan kultakatalysoitua typpi-hiili-sidoksen muodostamista typpiheterosyklisynteeseissä. Kultakatalyysi on varhaisessa kehitysvaiheessa perinteisempiin kupari- ja palladiumkatalyyseihin verrattuna. Suuri osa katalysoiduista reaktioista on raportoitu kuluvalla vuosituhannella ja tarkastelussa käydäänkin läpi synteesejä 2000-luvulta. Erityinen pääpaino tarkastelussa on vuosina 2010–2012 raportoiduilla synteeseillä. Kokeellisessa osuudessa tutkittiin kultakatalysoitua kinoliinisynteesiä. Reaktoita katalysoitiin homogeenisilla ja heterogeenisilla katalyyteillä. Tutkimuksessa käytettiin kahta erilaista synteesireittiä, joissa molemmissa kulta katalysoi nukleofiilista additiota alkyyniin. Pääpaino tutkimuksessa oli synteesireitillä, jossa käytettiin aniliinijohdannaisia kinoliiniprekursoreina. Synteesireitin tarkoitus oli muodostaa hiili-typpi-sidos kultakatalysoitua hydroaminaatiota käyttäen. Tutkimuksessa käytettiin molekyylin sisäisiä sekä terminaalisia alkyynejä. Synteesireitin avulla voitiin valmistaa molekyylin sisäisestä alkyynistä kinoloni kohtuullisella saannolla. Terminaalinen alkyyni saatiin syklisoitua jo prekursorin hapetusvaiheessa, jolloin kultakatalyysiä ei tarvittu syklisointiin. Tutkimuksessa kokeiltiin myös synteesireittiä, jossa kinoliineja pyrittiin muodostamaan imiiniprekursoreista. Tässä synteesireitissä pyrittiin muodostamaan hiili-hiili-sidos. Imiineistä muodostettiin kinoliineja, mutta heikolla saannolla. Imiinin muodostus yhdistettiin kinoliinin muodostumiseen, jolloin synteesi voitiin tehdä 'one-pot'-synteesinä.

Uusiutuvista luonnonvaroista lignoselluloosa on runsautensa ansiosta hyvin potentiaalinen raaka-aine kemianteollisuudelle. Toisaalta lignoselluloosan monimutkainen mikro- ja makroskooppinen rakenne vaikeuttaa materiaalin työstämistä käyttökelpoiseksi raaka-aineeksi. Materiaalin työstämiseen on olemassa useita menetelmiä, joista yksi on lignoselluloosan fraktiointi ionisten liuottimien avulla. Ioniset liuottimet ovat orgaanisia suoloja, joiden sulamispiste on alle 100 °C. Lignoselluloosaa voidaan liuottaa ionisiin liuottimiin ja lignoselluloosan fraktiointi näiden liuottimien avulla on melko yksinkertaista. Fraktiointi tapahtuu, kun lignoselluloosasta saadaan selektiivisesti liuotettua ioniseen liuottimeen joko selluloosaa ja hemiselluloosaa tai ligniiniä. Lignoselluloosa voi liueta myös kokonaan ioniseen liuottimeen, jolloin polysakkaridit ja ligniini voidaan fraktioida selektiivisesti saostamalla. Fraktioista saadun materiaalin puhtaus, laatu ja määrä ovat paljon riippuvaisia useasta tekijästä kuten lämpökäsittelyn lämpötilasta sekä kestosta, saostukseen käytettävästä liuottimesta ja itse ionisesta liuottimesta. Useat imidatsoli-pohjaiset ioniset liuottimet kuten etyylimetyyli-imidatsolium asetaatti liuottavat melko hyvin selluloosaa. Asetoni/vesi seoksella voidaan selektiivisesti saostaa selluloosaa ionisesta liuottimesta. Ligniini voidaan saostaa vedellä sen jälkeen, kun ionisesta liuottimesta on ensin saostettu selluloosa edellä mainitulla tavalla. Yleensä hyvin selluloosaa ja hemiselluloosaa liuottavat ioniset liuottimet liuottavat myös ligniiniä. Toisaalta ligniiniä voidaan liuottaa selektiivisesti sulfaattiryhmiä sisältävillä ionisilla liuottimilla kuten etyylimetyyli-imidatsolium asesulfaamilla. Menetelmissä käytetyt ioniset liuottimet on mahdollista kierrättää. Kierrätetyt ioniset liuottimet eivät ole kuitenkaan täysin puhtaita vaan niihin jää pieniä määriä epäpuhtauksia. Lisäksi kierrätysprosessit vaativat optimointia, jotta hukkaan menevien ionisten liuottimien määrä voitaisiin pienentää. Kokeellinen osio käsittelee kolinium-pohjaisten ionisten liuottimien synteesiä, karakterisointia sekä käyttösovellutuksia. TGA mittaukset osoittivat, että syntetisoidut ioniset liuottimet olivat stabiilejä 100°C asti. Oli myös huomattavissa, että vapaan OH-ryhmän sisältävät ioniset nesteet olivat termisesti kaikkein pysyvimpiä. Toisaalta termisesti labiileimmät ioniset liuottimet liuottivat parhaiten selluloosaa. DMSO:n käyttö keraliuottimena selluloosan liuotuskokeissa kasvatti ionisten liuottimien lämmönsietokykyä. Nämä lähes myrkyttömät ioniset liuottimet olivat syntetisoitu luonnosta saatavista lähtöaineista kuten karboksyyli- ja aminohapoista.