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.

Late Transition Metal and Aluminum Complexes for the Polymerization of Ethene and Acrylates

Polyethene, polyacrylates and polymethyl acrylates are versatile materials that find wide variety of applications in several areas. Therefore, polymerization of ethene, acrylates and methacrylates has achieved a lot attention during past years. Numbers of metal catalysts have been introduced in order to control the polymerization and to produce tailored polymer structures. Herein an overview on the possible polymerization pathways for ethene, acrylates and methacrylates is presented. In this thesis iron(II) and cobalt(II) complexes bearing tri- and tetradentate nitrogen ligands were synthesized and studied in the polymerization of tertbutyl acrylate (tBA) and methyl methacrylate (MMA). Complexes are activated with methylaluminoxane (MAO) before they form active combinations for polymerization reactions. The effect of reaction conditions, i.e. monomer concentration, reaction time, temperature, MAO to metal ratio, on activity and polymer properties were investigated. The described polymerization system enables mild reaction conditions, the possibility to tailor molar mass of the produced polymers and provides good control over the polymerization. Moreover, the polymerization of MMA in the presence of iron(II) complex with tetradentate nitrogen ligands under conditions of atom transfer radical polymerization (ATRP) was studied. Several manganese(II) complexes were studied in the ethene polymerization with combinatorial methods and new active catalysts were found. These complexes were also studied in acrylate and methacrylate polymerizations after MAO activation and converted into the corresponding alkyl (methyl or benzyl) derivatives. Combinatorial methods were introduced to discover aluminum alkyl complexes for the polymerization of acrylates and methacrylates. Various combinations of aluminum alkyls and ligands, including phosphines, salicylaldimines and nitrogen donor ligands, were prepared in situ and utilized to initiate the polymerization of tBA. Phosphine ligands were found to be the most active and the polymerization MMA was studied with these active combinations. In addition, a plausible polymerization mechanism for MMA based on ESI-MS, 1H and 13C NMR is proposed.

The ozone transfer between atmosphere and vegetation. A study on Scots pine in the field

Ozone (O3) is a reactive gas present in the troposphere in the range of parts per billion (ppb), i.e. molecules of O3 in 109 molecules of air. Its strong oxidative capacity makes it a key element in tropospheric chemistry and a threat to the integrity of materials, including living organisms. Knowledge and control of O3 levels are an issue in relation to indoor air quality, building material endurance, respiratory human disorders, and plant performance. Ozone is also a greenhouse gas and its abundance is relevant to global warming. The interaction of the lower troposphere with vegetated landscapes results in O3 being removed from the atmosphere by reactions that lead to the oxidation of plant-related components. Details on the rate and pattern of removal on different landscapes as well as the ultimate mechanisms by which this occurs are not fully resolved. This thesis analysed the controlling processes of the transfer of ozone at the air-plant interface. Improvement in the knowledge of these processes benefits the prediction of both atmospheric removal of O3 and its impact on vegetation. This study was based on the measurement and analysis of multi-year field measurements of O3 flux to Scots pine (Pinus sylvestris L.) foliage with a shoot-scale gas-exchange enclosure system. In addition, the analyses made use of simultaneous CO2 and H2O exchange, canopy-scale O3, CO2 and H2O exchange, foliage surface wetness, and environmental variables. All data was gathered at the SMEAR measuring station (southern Finland). Enclosure gas-exchange techniques such as those commonly used for the measure of CO2 and water vapour can be applied to the measure of ozone gas-exchange in the field. Through analysis of the system dynamics the occurring disturbances and noise can be identified. In the system used in this study, the possible artefacts arising from the ozone reactivity towards the system materials in combination with low background concentrations need to be taken into account. The main artefact was the loss of ozone towards the chamber walls, which was found to be very variable. The level of wall-loss was obtained from simultaneous and continuous measurements, and was included in the formulation of the mass balance of O3 concentration inside the chamber. The analysis of the field measurements in this study show that the flux of ozone to the Scots pine foliage is generated in about equal proportions by stomatal and non-stomatal controlled processes. Deposition towards foliage and forest is sustained also during night and winter when stomatal gas-exchange is low or absent. The non-stomatal portion of the flux was analysed further. The pattern of flux in time was found to be an overlap of the patterns of biological activity and presence of wetness in the environment. This was seen to occur both at the shoot and canopy scale. The presence of wetness enhanced the flux not only in the presence of liquid droplets but also during existence of a moisture film on the plant surfaces. The existence of these films and their relation to the ozone sinks was determined by simultaneous measurements of leaf surface wetness and ozone flux. The results seem to suggest ozone would be reacting at the foliage surface and the reaction rate would be mediated by the presence of surface wetness. Alternative mechanisms were discussed, including nocturnal stomatal aperture and emission of reactive volatile compounds. The prediction of the total flux could thus be based on a combination of a model of stomatal behaviour and a model of water absorption on the foliage surfaces. The concepts behind the division of stomatal and non-stomatal sinks were reconsidered. This study showed that it is theoretically possible that a sink located before or near the stomatal aperture prevents or diminishes the diffusion of ozone towards the intercellular air space of the mesophyll. This obstacle to stomatal diffusion happens only under certain conditions, which include a very low presence of reaction sites in the mesophyll, an extremely strong sink located on the outer surfaces or stomatal pore. The relevance, or existence, of this process in natural conditions would need to be assessed further. Potentially strong reactions were considered, including dissolved sulphate, volatile organic compounds, and apoplastic ascorbic acid. Information on the location and the relative abundance of these compounds would be valuable. The highest total flux towards the foliage and forest happens when both the plant activity and ambient moisture are high. The highest uptake into the interior of the foliage happens at large stomatal apertures, provided that scavenging reactions located near the stomatal pore are weak or non-existent. The discussion covers the methodological developments of this study, the relevance of the different controlling factors of ozone flux, the partition amongst its component, and the possible mechanisms of non-stomatal uptake.

Tablettien soveltuvuus annosjakeluun

Koneellinen annosjakelu on kasvava lääkehuollon osa-alue, jossa lääkkeet pakataan koneellisesti pieniin annoskertakohtaisiin pusseihin kahden viikon erissä. Aikaisemmin lääkevalmisteiden soveltuvuutta koneelliseen annosjakeluun ei ole systemaattisesti tutkittu. Tutkimus tehtiin yhteistyössä Espoonlahden apteekin annosjakeluyksikön kanssa ja sen tavoitteena oli määrittää annosjakeluprosessin kannalta optimaaliset ominaisuudet annosjaeltavalle tabletille rikkoutumisten ja siirtymien vähentämiseksi. Rikkoutuminen on lääkevalmisteen murentumista, puolittumista tai muuta rikkoutumista annosjakelun aikana. Siirtymä on lääkevalmisteen jakelu väärään annospussiin. Prosentuaalisesti rikkoutumisia ja siirtymiä on jakelumäärästä hyvin vähän, mutta määrällisesti paljon ja koko ajan enemmän koneellisen annosjakelun yleistyessä. Rikkoutumiset ja siirtymät aiheuttavat paljon lisätyötä pussien korjaamisen takia, joten niiden määrää on pyrittävä vähentämään. Lisäksi tavoitteena oli selvittää lääkkeiden valmistajilta kysyttävissä olevat asiat lääkevalmisteiden ominaisuuksista ja säilyvyydestä, jotta voitaisiin päätellä valmisteen soveltuvuus koneelliseen annosjakeluun kirjallisen tiedon perusteella. Tutkimuksen tulosten perusteella rikkoutumisten ja siirtymien vähentämiseksi optimaalinen tablettivalmiste annosjakeluun on pienehkö tai keskisuuri, päällystetty, luja ja jakouurteeton ja optimaalinen ilman suhteellinen kosteustaso annosjakeluyksikön tuotantotiloissa olisi noin 30 – 40 %. Lääkkeiden valmistajilta kysyttäviä seikkoja ovat koon, päällysteen, murtolujuuden ja jakouurteen lisäksi valmisteen säilyvyys alkuperäispakkauksen ulkopuolella sekä valmisteen valo-, lämpö- ja kosteusherkkyys. Rikkoutumisten ja siirtymien lisäksi tutkittiin myös kosteusherkän asetyylisalisyylihappovalmisteen (Disperin 100 mg) säilyvyyttä 25 °C ja 60 % RH olosuhteissa, koska tuotantotilojen ilman kosteustasoa ei ole säädelty. Säilyvyystutkimuksen kesto oli neljä viikkoa. Se on riittävä, koska se on enimmäisaika, jonka tabletit ovat annosjakeluprosessin yhteydessä pois alkuperäispakkauksestaan ennen käyttöä. Tabletteja säilytettiin avoimessa alkuperäispakkauksessa (purkki), suljetussa alkuperäispakkauksessa, annosjakelukoneen kasetissa ja kahdessa erilaisessa annospussissa (uusi ja käytössä oleva materiaali). Tulosten mukaan annosjakelukoneen kasetti suojaa kosteudelta yhtä huonosti kuin avoin purkki. Uusi pussimateriaali sen sijaan suojaa kosteudelta paremmin kuin tällä hetkellä käytössä oleva materiaali. Raman -spektroskopiamittausten perusteella asetyylisalisyylihappotableteissa ei ehdi neljän viikon seurannan aikana tapahtua asetyylisalisyylihapon hajoamista salisyylihapoksi. Kosteus heikentää tablettien murtolujuutta, mikä saattaa aiheuttaa enemmän rikkoutumisia. Kosteustaso olisi hyvä olla säädettävissä vakioksi tuotantotiloissa tai purkaa tabletit kasetteihin mahdollisimman lähellä jakelua rikkoutumisten ehkäisemiseksi, etenkin ilman kosteustason ollessa korkea. Lisäksi tutkittiin lääkevalmisteen lämpöherkkyyttä koska annosjakelukoneen saumauslaite altistaa annospussit noin 75 °C lämmölle, jos annosjakelukone pysäytetään kesken työn. Tutkimus tehtiin XRPD:llä, jolla voidaan säätää näytteen lämpötilaa. Lämpöherkkyystutkimusten perusteella 75 °C lämpö ei ehdi tunnin aikana aiheuttaa muutoksia karbamatsepiinitabletissa (Neurotol 200 mg). Tuloksista selvisi, että tutkitun valmisteen sisältämä karbamatsepiini ei kuitenkaan ole lämpöherkin muoto, joten muita lämpöherkkiä lääkevalmisteita tulisi tutkia lisätiedon saamiseksi lämmön vaikutuksista.

Turvemaan männyn (Pinus sylvestris L.) ja kuusen (Picea abies [L.] Karst.) kanto- ja juuripuun ominaisuudet ja asetoniliukoisten uuteaineiden määrä

Tutkimus on osa Metsäklusteri Oy:n Future Biorefinery –tutkimusohjelmaa, jossa kartoitetaan mahdollisuuksia hyödyntää metsäteollisuuden raaka-aineita aiempaa tarkemmin ja uusissa tuotteissa. Tutkimuksen tavoitteena on selvittää männyn (Pinus sylvestris L.) ja kuusen (Picea abies [L.] Karst.) juurten ja kantopuun rakenne ja ominaisuudet. Tutkimuksessa selvitetään löytyykö männyn ja kuusen juurista reaktiopuuta ja määritetään asetoniliukoisten uuteaineiden osuus kantoja juuripuussa. Tutkimusaineistona oli viisi eri-ikäistä mäntyä ja viisi eri-ikäistä kuusta. Juuri- ja kantoaineisto kerättiin Metsäntutkimuslaitoksen toimesta Parkanon seudulta (62.017°N, 23.017°E) hakkuun jälkeen. Maanalaisista juurista otettiin näytteet kolmelta eri etäisyydeltä juurenniskaan nähden. Kummankaan lajin juurista ei löytynyt varsinaista reaktiopuuta, mutta joissakin näytteissä havaittiin lievää reaktiopuuta. Lievää reaktiopuuta löytyi enemmän männyn kuin kuusen juurista, eikä sitä löytynyt lainkaan kaikkein ohuimmista, noin 2 cm paksuisista juurenosista. Männyn kannoissa uuteaineprosentti oli korkeampi kuin kuusen. Männyn juurissa uuteaineprosentti kasvoi edettäessä kohti juuren kärkeä. Kuusella uuteaineprosentti laski aluksi, mutta lähellä juuren kärkeä taas kasvoi. Kuoren uuteainepitoisuus oli molemmilla puulajeilla korkeampi kuin puuaineen. Tutkimusaineisto oli suppea, eikä tutkimuksessa pyritty tilastolliseen yleistettävyyteen. Laajemmasta aineistosta tehdylle tutkimukselle on tarvetta, sillä turvekankailta saatavan puun tarjonta on Suomessa kasvussa, mutta juurten uuteaine- ja reaktiopuututkimuksia on tehty vain kivennäismailta kerätyistä aineistoista.