Browsing by discipline "Organic chemistry"

Ligniini on luonnon yleisimpiä polymeerejä, mutta siitä huolimatta sen rakenne ja syntymekanismit tunnetaan huonosti. Ligniinin biosynteesissä on vielä monta selvittämätöntä vaihetta, vaikka geenitekniikka onkin avannut sen saloja. Luonnolliset asyylirakenteet ovat yksi myöhemmin löydettyjä rakenteita, joiden synnylle ei ole vielä löytynyt synteesireittejä. Tällä hetkellä oletetaan rakenteiden syntyvän asyloituneista monolignoleista ligniinin muodostumisen yhteydessä. Luonnollisten asetaattien löytyminen ruokovartisesta kuitukasvista kenafista käynnisti niiden alkuperän tutkimuksen. Nykyisin ligniinin asyloituneita rakenteita on löydetty useista erityyppisistä kasveista. Ligniinin asyloituja rakenteita määritetään useimmiten NMR-menetelmien, DFRC:n ja analyyttisen pyrolyysin avulla. Kirjallisuuskatsauksessa käydään läpi ligniinin rakennetta ja biosynteesiä. Lisäksi tutkielmassa perehdytään asyloitujen ligniinien rakennetutkimuksissa käytettyihin menetelmiin ja tutustutaan muutamaan taloudellisesti merkittävään kasvilajiin, joissa esiintyy luonnostaan asyloituja rakenteita. Tutkielman kokeellisessa osassa kuvataan malliyhdisteiden valmistamista asetyylitransferaasien tutkimusta varten. Asetyylitransferaasit ovat entsyymejä, jotka katalysoivat asetyyliryhmän siirtymistä molekyylistä toiseen. Valitut malliaineet olivat asetyloidut monolignolit, sinapyyli-γ-asetaatti ja koniferyyli-γ-asetaatti sekä dimeerinen β-O-4'-eetteri, jonka γ-asema oli asetyoitu. Koska kokeiden yhteydessä huomattiin, että asetyloidut monolignolit ovat liian reaktiivisiä entsymaattisiin määrityksiin, syntetisoitiin myös monolignolijohdannainen, jossa ei ole kaksoissidosta eikä se noin ollen polymeroidu. Asetyloiduista monolignoleista valmistettiin lisäksi malliaineeksi DHP-polymeerejä, joiden rakenteet varmistettiin NMR-spektrometrisesti.

Nitroksyyliradikaalit ovat stabiileja, paramagneettisia yhdisteitä. Nämä ominaisuudet luovat erinomaiset lähtökohdat niiden tutkimiseksi mahdollisina kontrastiaineina magneettikuvantamisessa (MRI), joka on yksi yleisimmistä lääketieteellisistä kuvantamismenetelmistä. Nitroksyyliradikaalit voisivat olla lisänä nykyisin käytössä oleville gadolinium-pohjaisille kontrastiaineille. Gadolinium on muiden siirtymämetallien tapaan ihmiskehoon vapautuessaan myrkyllistä, vaikkakin sen vapautuminen kompleksisesta muodostaan on epätodennäköistä. Tässä tutkielmassa esitellään nitroksyyliradikaalien ominaisuuksia ja erityisesti niiden stabiiliuteen vaikuttavia seikkoja. Nitroksyyliradikaalit eroavat monella tapaa reaktiivisista radikaaliyhdisteistä niin fysikaalisilta ominaisuuksiltaan kuin biologisilta vaikutuksiltaankin. Ne voivat toimia muun muassa antioksidantteina, SOD-jäljittelijöinä (superoksididismutaasi) ja säteilysuoja-aineina. Tutkielmassa käsitellään myös nitroksyyliradikaalien valmistusta ja yleisimpiä käyttökohteita syntetiikassa. Lisäksi tutkielmassa tulevat ilmi niiden sovellukset spin-leimauksessa, pH-indikaattoreina ja elektroninsiirtoreaktioiden tutkimuksessa. Yksi tärkeimmistä menetelmistä radikaalien tutkimuksessa on elektronin paramagneettinen resonanssispektroskopia (EPR). Menetelmällä voidaan tutkia radikaalien rakenteita ja arvioida niiden stabiiliutta esimerkiksi mittaamalla niiden pelkistymisreaktioiden kinetiikkaa. Tutkielman loppupuolella keskitytään esittelemään edellä mainittujen spektroskopisten menetelmien teoriaa ja nitroksyyliradikaalien käyttöä kyseisiin menetelmiin pohjautuvissa sovelluksissa. Tutkielman kokeellinen osio koostuu nitroksyyliradikaalipohjaisen kontrastiaineen TEEPO-Glc:n (2,2,6,6-tetraetyylipiperidiini-1-oksyyli-β-D-glukopyranosidi) valmistuksesta ja alustavista in vitro NMR-kokeista. Alustavien tutkimusten perusteella kyseinen yhdiste on erittäin stabiili ja lyhentää merkittävästi veden T1- ja T2-relaksaatioaikoja. Ominaisuuksiensa vuoksi yhdiste on potentiaalinen MRI-kontrastiaine ja sen tutkimuksia tullaan jatkamaan magneettikuvauslaitteella.

Lyhyehköjä oligonukleotideja tarvitaan isossa mittakaavassa moneen eri tarkoitukseen kemiallisesta perustutkimuksesta mahdollisten antisense-lääkkeiden tutkimiseen ja valmistukseen. Oligonukleotidien voidaan valmistaa monella eri menetelmällä. Tämän työn kirjallisuusosio käsittelee oligonukleotidien synteesiä isossa mittakaavassa. Käsittelyn alla on eri kytkentäreaktioita, joilla synteesi voidaan tehdä, synteesin skaalattavuuten vaikuttavia tekijöitä, sekä oligonukleotidisynteesin automatisointia ja puhdistusta. Työn kokeellisessa osiossa kuvaillaan lyhyiden oligonukleotidien ison mittakaavan synteesin kehittämistä. Nykyään oligonukleotidisynteesi tehdään yleensä kiintokantajan pinnalla automatisoidulla syntetisaattorilla. Markkinoilla on olemassa paljon erilaisia syntetisaattoreita sekä laboratorio- että teollisuustarpeisiin. Syntetisaattoreilla tehtävän synteesin mittakaava on kuitenkin rajallinen. Esimerkiksi oligonukleotidien kemialliseen perustutkimukseen tarvitaan paljon suurempia määriä oligonukleotidia, kuin mitä laboratoriomittakaavan syntetisaattorilla voidaan valmistaa. Lisäksi teollisuusmittakaavan syntetisaattorit eivät voi kasvaa rajattomasti vastaamaan teollisuuden kasvavaa tarvetta. Vaihtoehtoisia mentelmiä oligonukleotidien syntetisoimiseen liuoksessa tai liukoisella kantajalla kehitetään jatkuvasti. Liuoksessa tehtävää synteesiä pyritään helpottamaan muuttamalla synteesiä niin, että reaktioiden välinen puhdistus voidaan tehdä menetelmällä, joka soveltuu paremmin ison mittakaavan synteesiin kuin perinteinen silikakromatografia. Toinen lähestymistapa on tehdä synteesi liukoisen kantajan pinnalla, jolloin reaktioiden välinen puhdistus voidaan tehdä saostamalla. Tässä on koottu yhteen tähän asti kehitetyt vaihtoehtoiset menetelmät. Uskotaan, että jokin näistä vaihtoehtoisista menetelmistä tulee korvaamaan kiintokantajamenetelmän tulevaisuudessa ison mittakaavan oligonuklotidisynteesissä. Kokeellisessa osiossa kehitettiin menetelmä lyhyiden oligonukleotidien synteesiin isossa mittakaavassa. Kehitetty synteesi hyödyntää H-fosfonaattimenetelmää ja synteesi tehdään liukoisen polyetyleeniglykolikantajan pinnalla. Polyetyleeniglykoli on liukoinen reaktio-olosuhteissa, mutta tuote saadaan helposti saostettua eetterillä reaktioiden välissä. Menetelmää käytettiin TTT-oligonukleotiditrimeerin valmistamiseen. Menetelmä vaikuttaa pienellä jatkokehityksellä hyvin lupaavalta laboratoriossa tehtävään ison mittakaavan oligonukleotidisynteesiin.

Guarkumi on monikäyttöinen aine niin lääke- kuin ravintoaineteollisuudessa. Guarkumille tehtävät reaktiot lisäävät mahdollisesti sen monikäyttöisyyttä. Tässä työssä tarkoituksena oli pidentää guarkumialdehydin (galaktomannaanin galaktoosin C-6 aldehydin) hiiliketjua yhdellä hiilellä syanohydriinien avulla. Oksinitrilaasi on syanohydriinejä muodostava entsyymi, jota kasvit käyttävät syanogeneesissä. Orgaanisissa synteeseissä tätä entsyymien ominaisuutta käytetään päinvastaiseen tarkoitukseen eli syanohydriinien muodostamiseen. Reaktioita oksinitrilaasilla on suoritettu kirjallisuuden mukaan runsaasti, mutta lähtöaine on ollut orgaaniseen liuottimeen liukeneva, reaktioseoksena on käytetty orgaanista liuotinta, liuotinseosta tai entsyymi on ollut kiinnitettynä matriisiin. Tutkimuksen kohteena olivat polysakkaridialdehydien oksinitrilaasilla tehtävät entsymaattiset jatkoreaktiot. Työssä tutkittiin syanohydriinien entsymaattista syntetisointia vesipitoisissa puskuriliuoksissa. Kokeet tehtiin raffinoosilla ja guarkumilla, jotka oli hapetettu entsymaattisesti, selektiivisesti, galaktoosin C-6 asemasta aldehydiksi. Syanohydriinien muodostumista tutkittiin kolmella eri oksinitrilaasilla ja kahdella syanidia vapauttavalla yhdisteellä; natriumsyanidilla ja etyylisyanoformaatilla. Lisäksi tutkittiin erilaisten puskurien vaikutusta tulokseen. Näytteistä muodostettiin johdos metanolyysin ja silyloinnin avulla. Haihtuviksi tehdyt sakkaridit analysoitiin GC-MS:lla. Tulokset tarkistettiin lisäksi NMR- ja LC-MS/MS – tekniikoilla. Reaktioiden tuloksena oli α-hydroksiamidiksi hydrolysoitunut syanohydriini. Synteesin toimivuutta ja tuloksia olisi hyvä tutkia vielä alhaisessa lämpötilassa, sillä tähän tutkimukseen sisälletyt kokeet tehtiin huoneenlämpötilassa. Lisäksi parhaan tuloksen tuottanutta AtHNL -entsyymiä olisi hyvä kokeilla pH:ssa 3,3, jolloin kemiallinen reaktio olisi kokonaan suppressoitu.

Viimeisten vuosikymmenten aikana on havaittu, että stereoelektroniset efektit ohjaavat merkittävästi glykosylaatioreaktioiden stereoselektiivisyyttä ja reaktionopeutta sekä glykosidien hydrolyysiä. Useimmat näistä reaktioista tapahtuvat nykytiedon mukaan kationisen oksokarbeniumionivälivaiheen kautta. Heteroatomisubstituenttien on mallinnus- ja synteesikokeiden perustella päätelty hakeutuvan aksiaaliseen asemaan, jossa ne ovat lähempänä 1-hiilen tyhjää orbitaalia, jolloin ne pystyvät elektronitiheyttä luovuttamalla stabiloimaan oksokarbeniumionia. Alkyylisubstituenteilla vastaavaa vuorovaikutusta ei pääse syntymään, jolloin ne hakeutuvat ekvatoriaaliseen asemaan oksokarbeniumionissa. Stereoelektroniset efektit eivät kuitenkaan ole ainoat tekijät, jotka määräävät glykosylaatioreaktion stereoselektiivisyyden ja reaktionopeuden, vaan ne vaikuttavat yhdessä muiden tekijöiden kanssa, joihin kuuluvat mm. liuottimen poolisuus, steeriset esteet ja torsionaaliset tekijät. Pro Gradu -työn kokeellisessa osassa tutkittiin 2-D-deoksiribosidien 3-O- ja 5-O-suojaryhmien ja lämpötilan vaikutusta 5-jodiurasiilin ja 2-D-deoksiribosidin glykosylaatioreaktion stereoselektiivisyyteen. 3-O-suojaryhminä käytettiin 4-oksopentanyyliryhmää, pentanyyliryhmää, asetyyliryhmää ja metyyliryhmää. 5-O-suojaryhmänä oli tert-butyylidifenyylisilyyliryhmä (TBDPS-ryhmä), paitsi kahdessa reaktiossa, joissa sekä 5-O- että 3-O-suojaryhminä oli metyyliryhmä. Termodynaamisessa kontrollissa (t=30 °C) reaktiot olivat odotetusti α-selektiivisiä mahdollisen anomeerisen efektin vuoksi. Tosin permetyloitu 2-D-deoksiribosidi reagoi heikommalla 58 % α-selektiivisyydellä kuin 5-O-TBDPS-suojatut 2-D-deoksiribosidit (88-95 %), mistä voidaan päätellä, että 5-O-suojaryhmän steeriset esteet saattoivat olla osasyy reaktioiden α-selektiivisyyteen anomeerisen efektin lisäksi. Lisäksi steerisesti suuremmilla 3-O-asyyliryhmillä (4-oksopentanyyliryhmä, pentanyyliryhmä) α-selektiivisyydet olivat 88 %, kun taas steerisesti pienemmillä 3-O-suojaryhmillä (metyyliryhmä ja asetyyliryhmä) α-selektiivisyydet, mikä saattaa myös johtua steerisistä esteistä. Erot selektiivisyyksissä eri 3-O-suojaryhmillä ovat tosin melko vähäiset, kun 2-D-deoksiribosideilla oli sama 5-O-TBDPS-suojaryhmä. Alhaisemmassa lämpötilassa (t=0 °C tai -7 °C) olevat reaktiot olivat heikosti β-selektiivisiä. 3-O-asyyliryhmillä suojatut 2-D-deoksiribosidit reagoivat melko vaatimattomalla β-selektiivisyydellä verrattuna muissa tutkimuksissa saatuihin β-selektiivisyyksiin, joissa oli käytetty asyylisuojaryhmiä. Tosin 3-O-asyyliryhmillä glykosylaatioreaktiot 0 °C lämpötilassa olivat vielä β-selektiivisiä, kun taas vastaava 3-O-metyyliryhmällä suojatulla 2-D-deoksiribosidilla reaktio 0 °C lämpötilassa oli selvästi α-selektiivinen. Syy, miksi β-selektiivisyydet olivat melko vaatimattomat, saattoi johtua liian korkeasta reaktiolämpötilasta tai liian pitkästä reaktioajasta (17-18 h). Tähän viittaa se, että edellä mainitulla 3-O-metyyliryhmällä suojatulla 2-D-deoksiribosidilla reaktio -7 °C lämpötilassa oli jo heikosti β-selektiivinen, eli lämpötila vaikutti huomattavasti glykosylaatioreaktion stereoselektiivisyyteen. β-selektiivisyydet saattoivat johtua α-triflaattivälivaiheen muodostumisesta, sillä reaktioissa käytettiin TMSOTf:a Lewis-happona, joka muodostaa triflaattianionia (TfO-) reaktioliuokseen. Aiemmin julkaistuissa tutkimuksissa β-selektiivisyyden on päätelty joissakin tapauksissa johtuvan nukleofiilin SN2-tyyppisestä, β-selektiivisestä reaktiosta α-triflaattivälivaiheen kanssa. Toinen vaihtoehtoinen, muttei välttämättä edellistä poissulkeva vaihtoehto saattaa olla TfO- -anionin sitoutuminen muulla kuin kovalenttisella tavalla oksokarbeniumionin α-puolelle, jonka vastakkaiselta puolelta nukleofiili hyökkäisi. Suorittamalla toistoja, reaktion NMR-seurannan sekä tekemällä glykosylaatioreaktiot lyhyemmillä reaktioajoilla ja alhaisemmissa lämpötiloissa voisi saada varmempaa tietoa reaktiomekanismista ja stereoelektronisten tekijöiden vaikutuksesta.

Sulfonamidit ovat bioaktiivisia yhdisteitä, jotka koostuvat funktionaalisesta ryhmästä, jossa sulfonyyliryhmä on liittynyt typpeen. Sulfonamidien tutkiminen on aloitettu jo 1930-luvulla ja nykyään jo yli 30 erilaista sulfonamidia on lääketieteellisessä käytössä. Sulfonamideja voidaan käyttää muun muassa bakteeri-infektioiden hoidossa. Sulfonamidien valmistusmenetelmien kehittäminen on merkittävää lääkeainetutkimuksen kannalta. Perinteinen tapa valmistaa sulfonamidi on sulfonyloimalla amiini emäksen läsnä ollessa. Menetelmä vaatii olemassa olevan sulfonyylikloridin, jonka valmistaminen tiolista on aiemmin vaatinut voimakkaita reaktio-olosuhteita. Tutkielman kirjallisessa osassa keskitytään esittelemään erilaisia sulfonamidien valmistusmenetelmiä, joissa pyritään huomioimaan vihreän kemian näkökulmia, kuten atomiekonomia ja orgaanisten liuottimien korvaaminen vedellä. Uusia menetelmiä ovat esimerkiksi sulfonamidien valmistaminen hyödyntäen sähkökemiaa ja virtauskemiaa sekä erilaiset metallivapaat kytkentäreaktiot rikin ja typen välisen sidoksen muodostamiseksi. Kokeellisessa osassa pyrittiin valmistamaan sulfonamideja ja luomaan molekyylikirjasto. Synteeseissä käytettiin pääsääntöisesti menetelmää, jossa sulfonyylikloridi reagoi amiinin kanssa emäksen läsnä ollessa. Menetelmän etuina olivat sen helppous ja kohtuullisen lyhyet reaktioajat. Raakatuotteet saatiin puhdistettua uudelleenkiteyttämällä. Tuotteiden karakterisoinnissa hyödynnettiin NMR-spektroskopiaa, IR-spektroskopiaa ja massaspektroskopiaa. Lisäksi tuotteiden sulamispisteet määritettiin. Molekyylikirjastoon saatiin valmistettua 15 erilaista molekyyliä, joista 7 oli kirjallisuushaun perusteella uusia yhdisteitä.

Scientific methods have been developed to aid the implementation of the Chemical Weapons Convention. Efficient analysis methods are imperative for detection and characterization of compounds banned by the Convention. Synthesis is essential for producing reference chemicals. Sulfur can be found in the V-type nerve agents and sulfur mustards. In this work, analysis methods as well as synthesis of some sulfur containing chemical warfare agent metabolites is discussed. Liquid chromatography – mass spectrometry and gas chromatography – mass spectrometry are the most common analysis methods used in the chemical warfare agent space and these methods are emphasized in this work. In addition, experimental work is presented. The aim of the experimental work was to synthetize DPAET-CP (Diisopropylaminoethanethiol-Cysteine-Proline), which is an important peptide adduct biomarker of VX. Solid phase peptide synthesis was performed to create the dipeptide, thiolation was used for synthesis of DPAET and the two moieties joined together via disulfide bridge formation. Nuclear magnetic resonance and liquid-chromatography – mass spectrometry analyses of the product were carried out.

It is quite rare to find 6-substituted pyrimidines in nature due to the difficulty involved in directly introducing a substituent to the 6-position whereas other synthetic analogues of naturally occurring nucleosides like 5-substituted derivatives are more common. The aim was to synthesize 3',5'-O,O-bis(tert-butyldimethylsilyl)-6-phenyl-2'-deoxyuridine by carrying out a direct nucleophilic substitution of 3',5'-O,O-bis(tert-butyldimethylsilyl)-6-cyano-2'-deoxyuridine with the Grignard reagent: phenyl magnesium bromide in the presence of zinc (II) chloride catalyst. The first step was silylation of commercially available 2'-deoxyuridine and subsequent bromination at the 5-position to give 3',5'-O,O-bis(tert-butyldimethylsilyl)-5-bromo-2'-deoxyuridine. This was reacted with the nucleophile KCN to yield a product with the cyano substitute at the 6-position via intramolecular nucleophilic substitution. The final step was to introduce an aryl substituent to the 6-position to yield the target molecule.

Lignin synthesis has been debated for quite some time, it is uncertain whether the polymerization is simply chemically and kinetically controlled or if other entities, such as enzymes and proteins, are involved. If lignin synthesis is only chemically controlled, then some of the polymer growing branches will eventually react together. When two growing chains, already linked at a branching point, react together, a closed loop is created. The purpose of this study is to look for these closed loops. As lignin structure is complicated and the amount of branching points not too elevated, a model is needed to simplify the problem. The most employed model for lignin is dehydrogenation polymer, obtained from radical oxidation of coniferyl alcohol. In order to have a chance of detecting the closed loops in the model polymer it is necessary to increase the number of branching points. The idea to achieve this goal came from star polymers, where a multibranched polymerization center is used to start the growth of polymeric chains in multiple directions. The intoduction of a multibranched polymerization center in the dehydrogenation polymer should provide the necessary amount of branching points and increase the chances of closed loops detection. Three new, three-branched model compounds were synthesized, to act as polymerization centers. The synthesis of these compound had never been tried before. Two of the model compounds were synthesized and characterized, but the reaction yield for one of them was too low to proceed with the study. the synthesis of the third model compound was abandoned. Coniferyl alcohol polymerization tests have been run with one of the model compound and with two model compounds precursors. This research is at a too early stage for the detection of closed loops, but some encouraging results have been obtained in that direction.

Chlorophylls (Chls) are the main pigments in the flora responsible to receive the solar energy and convert it into chemical. Such photosensitizers are used nowadays in solar cells to produce cheaper and environmental friendly energy that people need in their daily life. Researchers explore the capabilities of chlorophyll derivatives in order to find those that can be used in solar cells. In this project, Pheophorbide a, the extracted from algae and in situ modified chlorophyll derivative, was further modified synthetically in order to convert it to a photosensitizer pigment for the Dye-Sensitized Solar Cells (DSSCs).