Regio- and stereoselectivity of oxidative coupling reactions of phenols : Spirodienones as construction units in lignin

Dimeric phenolic compounds lignans and dilignols form in the so-called oxidative coupling reaction of phenols. Enzymes such as peroxidases and lac-cases catalyze the reaction using hydrogen peroxide or oxygen respectively as oxidant generating phenoxy radicals which couple together according to certain rules. In this thesis, the effects of the structures of starting materials mono-lignols and the effects of reaction conditions such as pH and solvent system on this coupling mechanism and on its regio- and stereoselectivity have been studied. After the primary coupling of two phenoxy radicals a very reactive quinone me-thide intermediate is formed. This intermediate reacts quickly with a suitable nucleophile which can be, for example, an intramolecular hydroxyl group or another nucleophile such as water, methanol, or a phenolic compound in the reaction system. This reaction is catalyzed by acids. After the nucleophilic addi-tion to the quinone methide, other hydrolytic reactions, rearrangements, and elimination reactions occur leading finally to stable dimeric structures called lignans or dilignols. Similar reactions occur also in the so-called lignification process when monolignol (or dilignol) reacts with the growing lignin polymer. New kinds of structures have been observed in this thesis. The dimeric com-pounds with so-called spirodienone structure have been observed to form both in the dehydrodimerization of methyl sinapate and in the beta-1-type cross-coupling reaction of two different monolignols. This beta-1-type dilignol with a spirodienone structure was the first synthetized and published dilignol model compound, and at present, it has been observed to exist as a fundamental construction unit in lignins. The enantioselectivity of the oxidative coupling reaction was also studied for obtaining enantiopure lignans and dilignols. A rather good enantioselectivity was obtained in the oxidative coupling reaction of two monolignols with chiral auxiliary substituents using peroxidase/H2O2 as an oxidation system. This observation was published as one of the first enantioselective oxidative coupling reaction of phenols. Pure enantiomers of lignans were also obtained by using chiral cryogenic chromatography as a chiral resolution technique. This technique was shown to be an alternative route to prepare enantiopure lignans or lignin model compounds in a preparative scale.

Dimeeriset lignaanit ja dilignolit muodostuvat ns. fenolien hapettavassa kytken-täreaktiossa, jossa fenolisista monolignoleista syntyvät fenoksiradikaalit kytkeytyvät toisiinsa tiettyjen lainalaisuuksien mukaisesti. Reaktiota katalysoivat entsyymit, kuten peroksidaasit ja lakkaasit, sopivan hapettimen joko vetyperoksidin tai hapen läsnä ollessa. Tässä väitöskirjassa käsitellään näiden kytkeyty-misten seurauksena syntyvien primääristen rakenteiden ja sitä kautta syntyvien dimeeristen yhdisteiden syntymekanismeja ja niihin vaikuttavia tekijöitä, kuten sitä, mitkä lähtöaineen rakenteesta johtuvat stereoelektroniset syyt johtavat erilaisten dimeeristen rakenteiden syntyyn; ja mikä on reaktio-olosuhteiden vaikutus näiden rakenteiden syntyyn. Tässä väitöskirjassa on tutkittu kuuden erilaisen monolignolin rakenteen sekä liuotinsysteemin ja pH:n vaikutusta; ja myös jonkin verran katalyytin sekä hapettimen vaikutusta reaktioiden regio- ja stereoselektiivisyyteen. Hapettavan kytkentäreaktion jälkeen tapahtuvat sekundääriset reaktiot, kuten nukleofiilinen additio kinonimetidivälituotteeseen ja sitä seuraavat erilaiset hyd-rolyyttiset reaktiot, toisiintumiset ja eliminoitumisreaktiot, johtavat lopulta stabiileisiin dimeerisiin rakenteisiin. Näihin reaktiovaiheisiin vaikuttavia tekijöitä on myös käsitelty tässä väitöskirjassa. Kinonimetidi on syntyvän kytkentäreaktion tuote, välituote, joka on hyvin reaktiivinen (vaikkakin voi olla tietyissä olo-suhteissa melko pysyvä) ja reagoi nukleofiilien kanssa joko molekyylien välisissä reaktioissa (vesi, fenolinen tai alifaattinen hydroksyyliryhmä, tiolit yms.) tai molekyylin sisäisesti esim. tarjolla olevan hydroksyyliryhmän kanssa synnyttäen mm. erilaisia rengasrakenteita (furaanit, bentsofuraanit). Nämä rakenteet ovat melko pysyviä ja yleisiä eristetyissä lignaaneissa ja ligniineissä. Kuitenkin jotkin niistä voivat olla myös välituotteita muiden lignaanien muodostumisreitissä ja myös mahdollisia reittejä tiettyjen ligniinissä esiintyvien rakenneosien muodostumiselle. Eräs tällainen välituotetyyppi ovat ns. spirodienonirakenteiset yhdisteet, joita esiintyy luonnossa stabiileina rakenteina lignaaneissa ja ligniinissä. Spirodienonirakenteinen dimeeri kuitenkin reagoi melko helposti mm. happamissa olosuhteissa toisiintumalla eri rakenteeksi. Spirodienonirakenteet selittävät osaltaan ligniinien ns. beeta-1-rakenteiden syntymismekanismeja. Yleisesti ottaen varsinaisen hapettavan kytkentäreaktion jälkeiset sekundääriset reaktiot voivat olla hyvin monimutkaisia ja johtaa suureen määrään rakenteellisesti hyvin erilaisia dimeerejä lignaaneja. Lähtöaineiden rakenteen ja reaktiota katalysoivan entsyymi-hapetinsysteemin lisäksi pH-vaikutus, liuotinsysteemi, muiden nukleofiilisten reagoivien aineiden vaikutus (nukleofiilisyys, konsentraatiot); ja intra- vs. intermolekulaarisen reaktion nopeus välituotteen stabiloitumisessa lopputuotteeksi ovat tärkeitä reaktioparametreja. Polymeerisen ligniinimolekyylin syntyessä kytkeytymisreaktion lainalaisuudet ovat osin toisenlaisia, koska tässä reaktiotyypissä polymeroitumisessa kasvava ligniinimolekyyli reagoi monomeerisen (tai dimeerisen) fenolisen yhdis-teen, monolignolin, kanssa. Vallitseva selitys lignifikaatiosta, ligniinin syntymisestä, perustuu teoriaan, jonka mukaan tietyistä käytettävissä olevista monomeerisista yhdisteistä, monolignoleista, syntyy tiettyjen kombinatoriaalisen kemian lainalaisuuksien mukaan erilaisia ligniinin perusrakenneosia ilman esimerkiksi entsyymin ohjaavaa vaikutusta. Syntyvien rakenteiden keskinäinen suhde ligniinissä perustuu pikemminkin reagoivien monolignolien rakenne-eroavaisuuksiin (hapetuspotentiaalit, stereoelektroniset tekijät), konsentraatioihin ja syöttönopeuteen ligniinipolymeerin kasvaessa hapettavassa kytkentäreaktiossa; sekä erilaisten reaktio-olosuhteiden vaikutukseen. Tässä väitöskirjatyössä syntetisoitu beeta-1-ristikytkentämekanismilla syntynyt dimeeri on laatuaan ensimmäinen kokeellisesti valmistettu spirodienonirakenteinen dilignoliyhdiste. Rakenteen on myö-hemmin todennettu esiintyvän yleisesti yhtenä ligniinien perusrakenneosana. Väitöskirjassa on valmistettu myös muita spirodienonityyppisiä dimeerejä. Lisäksi väitöskirjassa on tutkittu monolignoliiin liitetyn kiraalisen substituentin vaikutusta hapettavan kytkentäreaktion enantioselektiivisyyteen. Menetelmällä pystyttiin valmistamaan dimeerisiä rakenteita hyvällä enantioselektiivisyydellä. Julkaisu on eräs ensimmäisistä maailmassa. Puhtaita enantiomeereja voidaan valmistaa myös käyttäen ns. kiraalisia resoluutiotekniikoita. Tässä työssä tutkittiin ns. kiraalisen kromatografian käyttöä puhtaiden enantiomeerien valmistamiseksi raseemisista lignaaneista.