Browsing by discipline "Orgaaninen kemia"

Tämän pro gradu –tutkielman kirjallisuusosassa perehdytään prosessikontaminantteina kasviöljyissä ja niistä valmistetuissa elintarvikkeissa esiintyvien 2-kloori-1,3-propaanidiolin (2-MCPD), 3-kloori-1,2-propaanidiolin (3-MCPD) ja 2,3-epoksi-1-propanolin (glysidoli) estereiden muodostumismekanismeihin. Muodostuminen tapahtuu kasviöljyn jalostuksen hajunpoistovaiheessa: joko asyylioksonium-ionimekanismilla tai asyylioksonium-radikaalimekanismilla. Kirjallisuusosassa kartoitetaan lisäksi elintarvikkeita, jotka sisältävät merkittäviä pitoisuuksia kyseisiä yhdisteitä, sekä yhdisteiden mahdollisia toksikologisia vaikutuksia. Yhdisteiden pitoisuudet voidaan määrittää kvantitatiivisesti suoralla ja epäsuoralla menetelmällä eli määrittämällä suoraan esteripitoisuudet tai hydrolysoimalla esterit ja määrittämällä yhdisteiden vapaat muodot. Viime vuosina analytiikassa on keskitytty epäsuoran menetelmän kehittämiseen. Mahdollisia 2-MCPD-, 3-MCPD- ja glysidyyliestereitä on suuri määrä, joten suora määrittäminen on huomattavasti työläämpää. Työn kokeellisessa osassa pystytettiin epäsuora menetelmä, jolla voitiin kvantitatiivisesti määrittää samanaikaisesti 2-MCPD-, 3-MCPD- ja glysidyyliesterit. Analyysimenetelmässä epästabiilin glysidolin esteristä muodostettiin ensin bromijohdannainen (3-MBPD-esteri). Tämän jälkeen esterit hydrolysoitiin vapaiksi muodoikseen, joista valmistettiin edelleen fenyyliboorihappojohdannaiset, jotka analysoitiin kaasukromatografia-massaspektrometrisesti. Analyyttien pitoisuuksien määritys onnistui ekstraneitsyt-oliiviöljy- ja vohvelinäytteistä GC/MS- ja GC/MS-MS-laitteistoilla. Pitoisuudet määritettiin laskennallisesti kalibraatiosuoran yhtälön avulla sisäisen standardin menetelmällä. Tulosten oikeellisuus voitiin todeta vertaamalla vertailunäytteistä mitattuja pitoisuuksia EURL-PAH-vertailututkimuksen vertailuarvoihin. Vaikka GC/MS-SIM-menetelmällä saatiin tyydyttävät tulokset, voitiin todeta, että GC/MS-MS-laitteiston MRM-menetelmä oli herkempi ja yksikäsitteisempi. Menetelmä validoitiin kyseisille matriiseille seuraavien parametrien suhteen: spesifisyys, selektiivisyys, lineaarisuus, toistettavuus, sisäinen uusittavuus, takaisinsaanto, laskennallinen havaitsemis- ja määritysraja, oikeellisuus sekä mittausepävarmuus.

Oligonukleotidisynteesi on syklinen prosessi, jossa 5'-hydroksyylin suojaryhmän irrotus toistuu useasti. Jotta virheellisten sekvenssien määrä saadaan pidettyä mahdollisimman pienenä, täytyy 5'-suojaryhmän valinta tehdä huolella. Suojaryhmän valintaan vaikuttavat muiden funktionaalisuuksien suojaukset, koska suojaryhmä on hyvä saada irrotettua selektiivisesti. Lisäksi jotkin irrotusolosuhteet aiheuttavat ongelmia, kuten depurinaatiota.Tätä varten on kehitetty suojaryhmiä, jotka irtoavat eri olosuhteissa. Suojaryhmiä on kehitetty myös erityistarkotuksiin, kuten helpottamaan kytkentäreaktion seuraamista värin avulla, helpottamaan puhdistusta tai käytettäviksi massaleimoina. Kirjallisuusosiossa käsitellään eri tyyppisiä suojaryhmiä jaoteltuina rakenteensa mukaan. Yksi suosituimmista rakenteista on trityylieetteri, josta on valmistettu happo-, emäs- ja fotolabiileja johdoksia sekä erityistarkoituksiin soveltuvia rakenteita. Muita suojaustyyppejä ovat esteri-, asetaali-, karbonaattiesteri-, silyylieetteri- ja sulfonyyliesterirakenteet. Kokeellisessa osiossa on tarkasteltu 5'-suojaryhmiä, kuten asetyyli, bentsoyyli- ja MIP-suojausta, 5-hydroksimetyylisytidiinin synteesissä.

Tämän Pro Gradu-työn tarkoituksena on tutustua alkeenien olefiinimetateesiin. Olefiinimetateesissä alkeenien hiili-hiilikaksoissidokset uudelleenjärjestäytyvät metallikarbeeni-kompleksin avulla siten, että kahdesta C=C –sidoksesta muodostuu uudet kaksi kaksoissidosta. Reaktion tapahtuminen vaatii siirtymämetallikatalyytin läsnäolon, joista käytetyimpiä ovat volframin, molybdeenin ja ruteniumin katalyyttikompleksit. Ruteniumkompleksit sietävät paremmin ilman kosteutta ja vettä kuin Mo- ja W-kompleksit, ja ne toimivat laajemmin eri funktionaalisuuksia sisältävien alkeenien kanssa. Katalyyttikehitys on tärkeä osa olefiinimetateesireaktioiden kehitystä ja se on tuonut muutamille tutkijoille kemian Nobelin palkinnon. Olefiinimetateesi jaetaan yleisesti viiteen eri reaktiotyyppiin. Ristikkäismetateesiä (CM), renkaan sulkeutumismetateesiä (RCM) ja renkaan avautumis-ristikkäismetateesiä (ROCM) sovelletaan pienten molekyylien synteeseissä, kun taas renkaan avautumismetateesi polymeraatiota (ROMP) sekä asyklistä dieenimetateesi (ADMET) polymeraatiota suurten oligomeerien ja polymeerien synteeseissä. Näistä esimerkiksi RCM-reaktiota käytetään paljon luonnonaineiden totaalisynteesissä ja teollisuus hyödyntää ROMP-reaktiota polymeeri-tuotannossa. Reaktioiden yleisenä haasteena on E/Z-selektiivisyyden kontrollointi. Pro Gradun kokeellisessa osiossa valmistettiin kiraalisia polymeerejä useita orgaanisen kemian reaktiota hyödyntäen. Syntetisoituja polymeerejä testattiin diffuusioerotteissa NMR-sovelluksessa raseemisten yhdisteiden enantiomeerien NMR-spektrien erotuksessa.

Tutkielmassa käsiteltiin alkyylinitriilien reaktioita, mutta ei monimutkaisilla organometallikatalyyteillä tehtyjä reaktioita. Alkyylinitriilit voidaan mm. pelkistää aldehydeiksi tai amiineiksi, hydrolysoida amideiksi tai karboksyylihapoiksi, alkyloida ja esteröidä. Reaktioissa syanoryhmän typpi voi toimia nukleofiilinä, tai syanoryhmän hiili elektrofiilina. Esimerkiksi N-alkylaatiossa syanoryhmän nukleofiilinen typpi reagoi karbokationin kanssa. Deprotonoimalla α-protoni voimakkailla emäksillä saadaan nitriilianioneja, jotka toimivat reaktioissa nukleofiilinä. Näin nitriilien α-hiileen on saatu mm. alkyyli, aryyli-, heteroaryyli-, olefiini- tai esteriryhmiä. Nitriilianionit reagoivat myös karbonyyliyhdisteiden kanssa. Nitriileistä on myös valmistettu ketoneja, amidiineja, tioamideja ja heterosyklisiä yhdisteitä. Usein nitriilit, joilla on elektroneja puoleensa vetäviä substituentteja ovat reaktiivisempia, mutta tutkielmassa keskityttiin substituoimattomien nitriilien reaktioihin. Lewis-hapot katalysoivat usein reaktioita koordinoitumalla syanoryhmän typpeen tehden hiilestä elektrofiilisemman.

Organokatalytisk asymmetrisk Friedel-Crafts-alkylering av olika aromatiska och heteroaromatiska nukleofiler med α,β-omättade aldehyder och ketoner har visat sig vara en effektiv metod för att syntetisera olika grundstrukturer för viktiga biologiskt aktiva föreningar. Under det senaste årtiondet har forskningen inom detta område gått framåt med stora steg. Det var David W. C. MacMillan som startade utvecklingen av organokatalytisk asymmetrisk F-C-alkylering då han presenterade den LUMO-sänkande iminaktiveringsmekanismen för första gången. Dessutom introducerade han första generationens imidazolidinon vilken visade hög katalytisk aktivitet i alkyleringsreaktioner av pyrroler med enaler. Trots detta fungerade katalysatorn inte vid indolalkylering p.g.a. steriska hinder vilket ledde till att en serie av förbättrade och nya katalysatorer har utvecklats. Andra generationens imidazolidinon och diarylprolinoletrar har alla visat sig vara bra och effektiva alternativ för asymmetriska F-C-alkyleringar av indoler med enaler. Förutom indoler har dessa använts för att katalysera också reaktioner med aniliner, naftoler och furanderivat. Resultaten har varit mycket bra både med avseende på utbyte och enantioselektivitet. En annan typ av katalysatorer som härstammar från de naturligt förekommande cinkona-alkaloiderna har också introducerats. Dessa primära aminer är speciellt användbara i reaktioner där mera sterisk hindrande α,β-omättade ketoner används istället för aldehyder. Resultaten var även i dessa reaktioner bra och riktgivande för vidare forskning. Andra mindre undersökta och använda organokatalysatorer är bl. a. imidazoltioner och (3-metylaziridin-2-yl)-difenylmetanoler. I framtiden kommer organokatalysatorer att användas allt mer i asymmetriska F-C-reaktioner. Resultaten som erhållits så här långt ger möjlighet att kombinera dessa nya billigare alternativ till de tidigare använda dyra instabila metallkomplexen. Detta minskar på användningen av de svårhanterliga toxiska metallföreningarna och gör synteserna miljövänligare. Organo-katalysatorerna är stabila och icke-toxiska vid rumsbetingelser och därmed lätt att använda i alkyleringsreaktioner. Detta är speciellt viktigt vid syntes av läkemedelsderivat och naturprodukter. Detta kommer att vara ett av de viktigaste tillämpningsområdena där organokatalytisk F-C-alkylering används.

Orgaanisen molekyylin hydroksyyliryhmä voidaan suojata asetaalina. Asetaali on happolabiili, ja asetaalina suojattu hydroksyyli voidaan vapauttaa esimerkiksi happohydrolyysillä. Asetaalisuojauksen rakennetta muuttamalla voidaan vaikuttaa sen happostabiilisuuteen sekä suojatun molekyylin lipofiilisyyteen ja kiraalisuuteen. Tämän tutkielman kirjallisuusosassa esitellään erilaisia asetaalisuojaryhmiä ja niiden käyttökohteita oligonukleotidisynteesissä. Päähuomio on suojaryhmien happohydrolyysiominaisuuksissa ja happamien olosuhteiden mahdollisissa haittavaikutuksissa. Haittavaikutuksia voivat olla esimerkiksi fosfaatin migraatio, oligonukleotidiketjun katkeaminen, depurinaatio ja väärän suojaryhmän irtoaminen. Asetaalisuojauksen poistamiseen käytettyjen olosuhteiden havaitaan muuttuneen selvästi aiempaa miedommiksi. Tämän mahdollistaa esimerkiksi asetaalisuojauksen rakenteen muuttuminen synteesin aikana. Asetaalisuojausta on käytetty eniten 2’-hydroksyylin suojaamiseen. Siinä sen tehtävänä on ohjata fosfaatti 3’-hydroksyyliin ja estää sen migraatio synteesin loppuun asti. 5’-hydroksyyli on perinteisesti suojattu muilla happolabiileilla suojaryhmillä. 5’-O-asetaalisuojaus voisi olla perinteisiä suojaryhmiä parempi vaihtoehto helpomman poistettavuutensa vuoksi, mutta käytännön sovelluksia ei esitetä. 3’-hydroksyylin suojaamista asetaalina on käytetty DNA:n monistamiseen PCR-tekniikalla. 2’- ja 3’-hydroksyylit voidaan suojata myös syklisenä asetaalina. Tätä on käytetty terminaalisen nukleosidin suojaamiseen liuoksessa tapahtuvassa oligonukleotidisynteesissä. Kokeellisessa osassa valmistettiin 5’-O-2-isopropoksipropan-2-yylinä suojattuja 2’-deoksiadenosiinia, -sytidiiniä ja -guanosiinia. Ensin nukleosidien 3’- ja 5’-hydroksyylit suojattiin tert-butyylidimetyylisilyylillä. 5’-O-suojaus poistettiin selektiivisesti fosfomolybdeenihapolla tai trikloorietikkahapolla. Asetaalisuojaryhmä liitettiin vedettömissä olosuhteissa reaktiolla 2-isopropyylioksipropeenin kanssa para-tolueenisulfonihapon katalysoimana. Lopuksi 3’-O-silyyli poistettiin tetrabutyyliammoniumfluoridilla. Silyylin liittäminen oli helppo ja suoraviivainen reaktio, ja lisäksi siinä oli hyvä saanto. Selektiivinen silyylin poisto oli helppo ja kohtalaisen nopea suorittaa, mutta saannot olivat välttäviä. Paremmalle menetelmälle olisikin tarvetta. Asetaalisuojauksen liittäminen oli niin nopea reaktio, että sen kulkua ei voitu seurata. Reaktion tiedettiin jäävän kesken, jos reaktioaika on liian lyhyt tai katalyytin määrä on liian pieni. Toisaalta, liian pitkän reaktioajan tai liian suuren katalyytin määrän tiedettiin hajottavan asetaalin. Reaktioaika pidettiin vakiona ja sopiva katalyytin määrä pyrittiin selvittämään testireaktioilla. Saannot jäivät tyydyttäviksi. Testireaktiot ja vedettömät reaktio-olosuhteet tekivät tästä välivaiheesta hieman muita työläämmän. 3’-O-silyylin poistaminen oli suoraviivainen ja helposti totetutettava reaktio, jossa saannot olivat pääasiassa hyviä. Synteesireitin kokonaissaanto jäi useiden välivaiheiden vuoksi välttäväksi. Tämän synteesireitin saantoa voitaisiin parantaa välivaiheita kehittämällä.

Tämän Pro gradu –tutkielman kirjallisuuskatsaus käsittelee atsa-Michael-reaktiota, joka on typpinukleofiilin additioreaktio elektroniköyhään kaksoissidokseen. Reaktio on tyypiltään konjugaattiadditio, eli elektrofiilinä toimiva alkeeni on konjugoitunut elektroneja puoleensa vetävään ryhmään kuten karbonyyliin tai nitriiliin. Atsa-Michael-reaktiota käytetään usein synteeseissä, jotka tähtäävät β-aminoituihin karbonyyleihin, alkoholeihin tai aldehydeihin ja reaktio on tällä saralla hyvin merkittävä, sillä se on Mannich-reaktion ohella yleinen tapa tuottaa edellä mainittuja yhdisteitä. Tutkielmassa käsitellään esimerkein reaktion teoriaa ja yleisimmin käytettyjä katalyyttejä. Tutkielman kokeellinen osuus käsittelee selluloosa-akrylaatin synteesiä ja tähän templaattiin suoritettuja atsa-Michael- ja Diels-Alder-reaktioita. Sekä selluloosa-akrylaatin synteesi että jatkoreaktiot tähän templaattiin onnistuivat hyvin.

Dehydroabietic acid is a natural diterpene readily available from disproportionated rosin. This natural product has attracted the interest of both the synthetic, medical and pharmacological communities due to the wide variety of important biological activities it exhibits. In search for potent pharmaceutical agents, numerous derivatives of dehydroabietic acid have been designed and synthesized accordingly. One key reaction in such syntheses is the benzylic oxidation of positions 7 and 15 in the dehydroabietane core. The oxidized derivatives act as key intermediates in the synthesis of both natural and unnatural dehydroabietanes and related compounds. In the literature part of this thesis, known methods for the benzylic C–H oxidation of dehydroabietanes are presented. In the majority of these methods noxious Cr(VI) compounds are required which produce large amounts of toxic waste. The growing concern on the environmental impact of chemicals has led to an increasing interest towards developing environmentally friendlier oxidation procedures, using cheap and readily available oxidants. Recently, much research has focused on the development of transition metal free approaches for benzylic C–H oxidation. The topic is also discussed in this thesis. In the experimental part transition metal free methods for the benzylic oxidation of dehydroabietic acid derivatives are investigated. An environmentally friendly procedure using sodium chlorite in the presence of aqueous tert-butyl hydroperoxide is described. This procedure resulted in the formation of several variously oxygenated dehydroabietic derivatives which were characterized by IR, NMR and HRMS spectrometry. A manuscript is being prepared based on some of the results presented in this thesis.

Tehdyssä Pro Gradu-tutkielmassa perehdyttiin Brønsted-happamien ioniliuottimien käyttöön happokatalyytteinä synteettisessä kemiassa. Tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää Brønsted-happoioniliuottimien käyttösovellukset katalyytteinä erityyppisissä orgaanisen kemian reaktioissa ja selvittää niiden happamuudet, happamuuden määritystavat sekä ioniliuottimen rakenteen vaikutus happamuuteen. Brønsted-happoioniliuottimien käyttö katalyytteinä syntetiikassa on ollut viime vuosien aikana kasvavan mielenkiinnon kohde. Tämä johtuu Brønsted-happoioniliuottimien yleisesti hyvästä katalyyttisesta tehokkuudesta, reaktiotuotteiden helposta eristyksestä sekä käytetyn ioniliuottimen kierrätettävyydestä. Yleisimpänä esimerkkinä Brønsted-happoioniliuottimen katalysoimasta orgaanisen kemian reaktiosta ovat erityyppiset esteröintireaktiot, mutta happamia ioniliuottimia voidaan käyttää katalyytteinä myös monissa muissa orgaanisen kemian reaktioissa, kuten Prins-reaktiot, nitrausreaktiot, Diels-Alder-reaktiot sekä monikomponenttireaktiot. Pro Gradun kokeellisessa osuudessa valmistettiin ensin useita erilaisia Brønsted-happoioniliuottimia, jonka jälkeen niiden katalyyttista tehokkuutta testattiin erilaisilla Fischer-esteröintireaktioilla. Parhaiten katalyytteinä toimineet ioniliuottimet valittiin katalysoimaan muutamaa oseltamiviirin synteesissä esiintyvää reaktiota.

Lignin (wood in Latin) is a natural amorphous, aromatic polymer that acts as the essential glue and support that gives vascular plants their structural rigidity and colour. It is found mostly between but also within the plant cells and in the cell walls. Lignin consists of p-coumaryl (almost exclusively in grasses), coniferyl (common in softwoods) and sinapyl alcohol (common in hardwoods) monomers that form dimers with different linkage types depending on the types of monomer radicals combined together. As the result of lignin biosynthesis is a complex aromatic network where the β – aryl ether (β-O-4) linkage type is the most abundant one between monomer units. Within each type there is a lot of variation: lignins differ from species to species, and from one tissue to the next in the same plant--even within different parts of the same cell. Pulping industry separates lignin from biomass and the lignin waste is combusted on-site as energy for steam generation. Lignin is however potentially a renewable source of aromatic platform compounds that are important in other fields of industry. Many of these platform chemicals are currently obtained from fossil fuel sources. Hence there is an environmentally friendly need to develop efficient methods to convert lignin into high-value products. Rigid molecular structure of lignin and the abundant amount of hydrogen bonds in it makes it highly recalcitrant towards conventional solvents and mild reaction conditions. In addition a considerable sulfur content from the pulping processes establishes a catalyst poison. Thus the processing methods for lignin valorization need to be optimized with proper reaction conditions and effective catalysts while keeping the costs as reasonable as possible. This thesis is divided into literature and experimental sections. The literature section discusses about the chemical structure and biosynthesis of lignin, industrial view of lignin and a short review of recently examined studies of processing methods on lignin concentrating on hydrogen-dependent methods and ionic liquids as the hydrogen source. The experimental section concentrates on a novel ionic liquid in the studies with hydrogenation and hydrogen lysis of aileron, a widely used lignin model compound.